超声检测方法分类与特点及通用技术

江西省电力科学研究院

王云昌

超声检测方法分类与特点及通用技术

第一节超声波探伤方法概述超声波探伤方法按波的类型可分为脉冲波法和连续波法，按探伤方法原理可分为反射法、穿透法和共振法，按波形可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法和爬波法，按耦合方式可分为直接接触法和液浸法，按探头个数可分为单探头法、双探头法和多探头法，现将各种探伤方法分类列于下图4.1：超声波探伤方法图例4-1.doc第二节仪器与探头的选择

一、探伤仪选择仪器和各项指标要符合检测对象标准规定的要求；其次可考虑检测目的及现场条件。1、对定位要求高时，应选择水平线性误差小的仪器2、对定量要求高时，应选择垂直线性误差小，衰减器精度高的仪器。3、对大型工件或粗晶材料工件探伤，可选择功率大，灵敏度余量高，信噪比高，低频性能好的仪器。4、对近表面缺陷检测要求高时，可选择盲区小，近区分辨好的仪器。5、室外探伤时，选重量轻、亮度好、抗干扰力强的便携仪器。主要考虑：灵敏度、分辨力、定量要求，定位要求和便携、稳定等方面。二、探头选择1.型式选择：原则为根据检测对象和检测目的决定：如：焊缝——斜探头钢板、铸件——直探头钢管、水浸板材——聚焦探头（线、点聚集）近表面缺陷——双晶直探头表面缺陷——表面波探头

2.探头频率选择超声波检测灵敏度一般是指检测最小缺陷的能力，从统计规律发现当缺陷大小为时，可稳定地发现缺陷波，对钢工件用2.5~5MHZ，λ为：纵波2.36~1.18，横波1.29~0.65，则纵波可稳定检测缺陷最小值为：0.6~1.2mm之间，横波可稳定检测缺陷最小值为：0.3~0.6之间。这对压力容器检测要求已能满足。故对晶粒较细的铸件、轧制件、焊接件等常采用2.5~5MHZ。对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等因会出现许多林状反射，（由材料中声阻抗有差异的微小界面作为反射面产生的反射），也和材料噪声干扰缺陷检测，故采用较低的0.5~2.5MHZ的频率比较合适，主要是提高信噪比，减少晶粒反射。此外应考虑检测目的和检测效果，如从发现最小缺陷能力方面，可提高频率，但对大工件因声程大频率增加衰减急剧增加。对粗晶材料如降低频率，且减小晶片尺寸时，则声束指向性变坏，不利于检测远场缺陷，所以应综合考虑。3.晶片尺寸选择：原则：①晶片尺寸要满足标准要求，如满足JB/T4730-2005要求，即晶片面积≤500mm2，任一边长≤25mm。②其次考虑检测目的，有利于发现缺陷，如工件较薄，则晶片尺寸可小些，此时N小。铸件、厚工件则晶片尺寸可大些，N大、θ0小。发现远距离缺陷能力强。③考虑检测面的结构情况如对小型工件，曲率大的工件复杂形状工件为便于耦合要用小晶片，对平面工件，晶片可大一些。4.斜探头K值选择：原则：①保证声束扫到整个检测断面，对不同工件形状要具体分析选择。②尽可能使检测声束与缺陷垂直，在条件许可时，尽量用K大些的探头。薄工件K大些，厚工件K可小些。③根据检测对象选K：如单面焊根部未焊透，选K=0.7-1.5，即在K=0.84-1时检测灵敏度最高。第三节耦合与补偿

耦合就是实现声能从探头向工件的传递，它可用探测面上声强透过率来表示耦合的好坏，声强透过率高，表示声耦合好。一、耦合剂——在工件与探头之间表面，涂敷液体、排除空气，实现声能传递该液体即耦合剂。实际耦合剂声阻抗在1.5~2.5×106公斤/米2，而钢声阻抗为45×106公斤/米2。所以靠耦合剂是很难补偿曲面和粗糙表面对探测灵敏度的影响。水银耦合效果最好，声阻抗为：19.8×106kg/m2与钢接近，但有毒、很贵，故不推荐。对耦合剂的要求：①对工件表面和探头表面有足够浸润性，并既有流动性，又有附着力强，且易清洗。②声阻抗大，应尽量和被检工件接近。③对人体无害，对工件无腐蚀作用。④来源广，价格低廉。⑤性能稳定。二、影响声耦合的主要因素3.耦合层厚度d：在均匀介质中：最好：d=n·即半波长整数倍时声压透射率为1，几乎无反射，声能全部透射。好象耦合层不存在。最不好：d=（2n+1）即四分之一波长奇数倍时，声压透射率最低，反射率最高。4.工件表面粗糙度影响由上面均匀介质中异质薄层对声波的声压反射率表示式可知d→0时，可得r≈0。耦合效果越好。表示工件表面光洁度越光越好，表面粗糙度越差。则d越大耦合越差。但是当表面太光后探头和工件之间耦合层由于表面张力吸附作用，变成真空使探头移动困难。同时因真空不能传播声波，使耦合变差。一般工件要求粗糙度Ra=6.3μm5.耦合剂声阻抗影响一般液体耦合剂声阻抗均比工件声阻抗小，故对同一探测面（光洁度相同，工件材质相同）声阻抗越大的耦合剂耦合效果越好。6.工件表面形状影响平面工件耦合最好。凸曲面次之凹曲面最差。三、表面耦合损耗测定与补偿1.耦合损耗测定试块和工件在材质、反射体、探头、仪器相同条件下，仅表面光洁度不同测出相同反射体（声程相同）回波高度dB差。声程不同时，应对声程变化引起的dB差进行修正。2.补偿将试块上反射体回波高调至某高h，再提高测得的dB值，即为补偿。利用底波反射横波耦合损耗测试实例：用两个相同规格斜探头，作一发一收方式先在试块上相对探测，分别测得两探头相距一跨距和二跨距时底面回波高H1和H2，在示波屏上作出H1和H2连线。再将两探头在工件上相对探测，同样分别测得两探头相距一跨距和二跨距时底面回波高h1和h2，在示波屏上作出h1和h2连线。则H1和H2连线位于h1和h2连线上方，这是因为工件表面粗糙耦合差引起的结果，则此两线高度差即为表面耦补偿差dB值。当试块厚度小于工件时，h1位于H1和H2中间，当试块厚度大于工件时，H1位于h1和h2中间。第四节探伤仪调节

一、扫描线比例调节1.纵波：以工件厚度声程为基准调节，一般将工件二次底波调节10格。（直探头）一般将工件一次底波调节5格。多次反射：Bn。根据工件厚和反射次数决定。2.横波①声程调节法常用于直探头管座角焊缝斜探头T型焊

可用IIW和IIW2试块法来调节。②水平法CSK-IA法（利用R100，R50）横孔试块法（CSK-IIIA和CSK-IIA或薄板试块法）。③深度法CSK-IA（利用R100，R50）CSK-IIIA、IIA。二、探伤仪灵敏度调节法1.试块法根据工件探伤灵敏度要求。将探头对准标准试块上人工缺陷探测使波高达到某基准波高（如50%高），再根据工件厚度、要求、调节衰减器达到要求的灵敏度，这方法要注意下到几点：试块和工件材质不同，衰减不同的补偿。试块和工件表面粗糙度不同的补偿。试块反射体声程和工件检测灵敏度要求声程不同引起补偿（扩散、材质）。试块反射体和工件检测灵敏度要求的反射体种类不同引起补偿。2.工件底波法调整灵敏度要求：①工件底面和探测面平行。②工件底面和探测面形状相同，且规则。△dB=20lg③工件底面和探测面形状不同。如带中心孔的轴或筒体外表面或内表面探测。A△dB=20lg+10lgB△dB=20lg－10lg特点：①方便、不用试块②不考虑表面补偿③不考虑材质衰减（底面缺陷和底波声程相同）方法：只要求出底波高与要求的检测灵敏度反射法之间回波高度差。第五节缺陷位置测定

一、纵波（直探头）缺陷定位：将缺陷波在扫描线上刻度与所调比例对比求得缺陷波声程。二、表面波探伤缺陷定位：根据缺陷波前沿位置按所调扫描线比例确定缺陷离探头距离。三、横波平面工件缺陷定位：9.声程比例调节定出水平距离Lf=nTfSinβ和深度df=nTfCOSβ，二次波df=2T-nTfCOSβ。10.按水平比例调节定出：水平距离Lf=nTf可直接在扫描线上读出深度df=nTf/K，二次波df=2T-nTf/K。11.按深度比例调节定出：水平距离Lf=K·nTf深度：df=nTf二次波：df=2T–nTf四、横波周向探测1.外园周向探测离外表深度H=R-弧长⌒L=tg-1式中：d为扫描线上显示的平板工件深度。H为曲面工件上缺陷离外表面实际深度。R为工件外半径。K为探头K值。⌒为缺陷离探头外表面弧长。

L2.内壁周向探测h=－r⌒=tg-1L特点：h>d⌒<LL式中：r为工件内半径。3.最大探测壁厚探头在筒体外表面探测时，主声束与内表面相切时筒体的壁厚即为最大探测壁厚Tm。此时探头折射β为：Sinβ=r/R（R、r分别为筒体外、内半径）则≤即Tm≤R第六节缺陷大小测定一、当量法适用于小于声场的缺陷的当量测定。1.当量试块比较法方法：将人工缺陷（试块上标准反射体）与工件中自然缺陷回波比较，定出的缺陷当量。要求：①加工一系列不同声程，不同形状（平底孔或横孔），不同尺寸（直径不同）试块，将自然缺陷声程与试块上声程相近的反射体比较。②试块与工件材质相近或相同，光面光洁度，工件形状相同或一致。③探测条件一致，仪器、探头、灵敏度一致。优点：直观，测得当量值较明确。缺点：要做大量试块，成本高。对X>3N时做试块不易，故仅在X≤3N时应用。2.当量计算方法△当量：不同类型和不同大小的工件中的任何缺陷反射回波高与同声程的某标准（规则）反射体的反射回波高相同时，则该标准（规则）反射体的类型和尺寸即为该缺陷的当量。△由于实际缺陷的几何形状，表面状况、方向，缺陷性质各不相同，其声吸收、声散射比标准规则几何反射体复杂的多。一般实际缺陷总比所定的当量值大3~5倍，或更多。当量计算方法：利用规则形状反射体回波声压（第二章中介绍的几种）与缺陷回波声压（缺陷波高dB值）进行比较得到缺陷当量。基本公式：（各标准反射体回波声压）大平底：平底孔：长横孔：短横孔：Lf——短横孔长，Df——短横孔直径。球孔：园柱曲面：PC=凸面r内半径PC=凹面R外半径。考虑材质衰减应均乘上：e-式中：P=2P0Sin在X>3N时P=具体计算：用公式计算：应根据缺陷波高与所定探伤灵敏度比较或和底波高比较，再与探伤灵敏度比较。计算时应考虑：①材质衰减。如题中不考虑，就不管。如题中告诉衰减，要弄清是双程还是单程的。②是否要不同孔型之间相互换算。如灵敏度为平底孔，题中要求求出长横孔当量，这要互换。X≥3N时近似准确。③用AVG图计算，可直接查得缺陷相对大小G，再乘探头晶片尺寸DS则可得缺陷尺Df。④用实用当量曲线可在曲线上直接查得缺陷当量直径。二、测长法：适用于缺陷尺寸大于声束截面时的缺陷。指示长度：根据缺陷波高，用探头移动距离的方法。按规定方法测得的缺陷长称指示长度。特点：由于工件中实际缺陷取向、性质、表面状态均影响缺陷回波高度。故指示长度一般小于或等于实际长度（此时所用dB值即缺陷波最高波下降dB值≤6dB时），当dB>6dB时，一般将缺陷测大，即指示长度大于实际长度。1.相对灵敏度测方法相对灵敏度法是以缺陷最高回波为基准，使探头沿缺陷长度方向两端移动，使缺陷波下降一定的dB值。常用6dB（半波）、12dB（波高）、20dB（全波消失）。①6dB法（半波）适用于：缺陷只有一个高点缺陷基本垂直声束缺陷沿探头移动方向基本均匀缺陷长度大于声束截面

指所用波束截面这里指6dB波束截面②端点6dB法：一般将缺陷测大缺陷有多个高点时，用端部6dB法即使端部波高下降6dB。关键：确定端部缺陷回波峰值（最高值），找到了缺陷端部峰值后，和6dB法同样操作。2.绝对灵敏度法探伤仪在规定灵敏度条件下沿缺陷方向移动（不管缺陷最高在何值）。使缺陷波下降至规定的位置如评定线，如JB/T4730中Ⅰ区缺陷规定降到测长线即为绝对灵敏度法。特点：①测长是与缺陷最高波多少无关。②缺陷长度（指示长度）与缺陷波高和所规定的测长值位置有关，如缺陷波高只比规定测长灵敏度高3dB，即为3dB测长，一般将缺陷测短。如缺陷波高比规定测长灵敏度高20dB，即为20dB测长，一般将缺陷测大。3.端点峰值法：一般将缺陷测少。在探头移动过程中发现缺陷有多个高点，则将缺陷两端点最大波高处探头位置的距离作为端点峰值法指示长度。关键：寻找端点峰值位置。△以上测长法适用：长条形缺陷①对于缺陷回波包络线只有一个极大值的缺陷，可用最大波高衰减法，常用6dB法。②对缺陷回波包络线有多个极大值缺陷，可用端点6dB法或端点峰值法。③对条形气孔、未焊缝等宜用6