超声波探伤讲义(内部培训材料).doc

.\ 超声波探伤是利用超声波在物质中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种探伤方法。与射线探伤相比，超声波探伤具有灵敏度高、探测速度快、成本低、操作方便、探测厚度大、对人体和环境无害，特别对裂纹、未熔合等危险性缺陷探伤灵敏度高等优点。但也存在缺陷评定不直观、定性定量与操作者的水平和经验有关、存档困难等缺点。在探伤中，常与射线探伤配合使用，提高探伤结果的可靠性。超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷。 1、超声波：频率大于20KHZ的声波。它是一种机械波。探伤中常用的超声波频率为0.5~10MHz，其中2~2.5MHz被推荐为焊缝探伤的公称频率。 机械振动：物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。振幅A、周期T、频率f。 。 波动：振动的传播过程称为波动。C=λ*f 2、波的类型：（1）纵波L：振动方向与传播方向一致。气、液、固体均可传播纵波。 （2）横波S：振动方向与传播方向垂直的波。只能在固体介质中传播。 （3）表面波R：沿介质表面传播的波。只能在固体表面传播。 （4）板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波。只能在固体介质中传播。 3、超声波的传播速度（固体介质中） （1） E：弹性横量，ρ：密度，σ：泊松比，不同介质E、ρ不一样， 波速也不一样。 （2）在同一介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同 CL＞CS＞CR 钢：CL=5900m/s， CS=3230m/s，CR=3007m/s 4、波的迭加、干涉、衍射 ⑴ 波的迭加原理 当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其它波一样，这就是波的迭加原理，又称波的独立性原理。 ⑵ 波的干涉 两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。波的干涉是波动的重要特征，在超声波探伤中，由于波的干涉，使超声波源附近出现声压极大极小值。 ⑶ 波的衍射（绕射） 波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。 波的绕射和障碍物尺寸Df及波长λ的相对大小有关。当Df<<λ时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。超声探伤灵敏度约为λ/2，这是一个重要原因。当Df>>λ时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。 波的绕射对探伤即有利又不利。由于波的绕射，使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播，这对探伤是有利的。但同时由于波的绕射，使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检，这对探伤不利。 5、超声场的特征值 (1) 超声场：充满超声波的空间或超声波振动所波及的部分介质。 (2) 声阻抗Z：超声波中任一点的声压与该处质点振动速度之比。 (3) 声强I：单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强。（J/cm2s或w/ cm2）。 6、分贝 声强级：某处的声强I2与标准声强I1（I1=10-16瓦/厘米2）之比。 *当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器示波屏上的波高（H）与声压（P）成正比。 7、超声波垂直入射到界面时的反射和透射 声压的反射率r和透射率t （单一平界面） (1)当Z1＞＞Z2（如钢/空气界面或固/空气界面） （钢：Z=4.53106g/cm2 s ,有机玻璃：Z=0.33106g/cm2 s空气：Z=0.00004106g/cm2 s） r=-1 t=0 几乎全反射，无透射。 ☆ 探伤中，探头和工件间如不施加耦合剂，则形成固（晶片）/气界面，超声波将无法进入工件。 (2) 当Z1=Z2时 r=0 t=1 几乎全透射，无反射。 ☆ 若母材与填充金属结合面没有任何缺陷，便不会产生界面回波。 8、超声波斜入射到界面时的反射和折射 波型转换：超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射与折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波。这种现象称为波型转换。 有机玻璃中：cl1=2730m/s 钢中CL2=5900m/s cS2=3230m/s 9、超声波的衰减 超声波的衰减：超声波在介质中传播时，随着距离的增加，超声波能量逐渐减弱的现象。 10、仪器、探头、试块 　超声波探伤设备一般由超声波探伤仪、探头和试块组成。 (1) 仪器 常用超声波探伤仪为A型脉冲反射式超声波探伤仪。 A型显示：一种波形显示。 脉冲波：周期性的发射不连续且频率不变的波。 反射式：通过接收反射回波信号。 (2) 探头 在超声波探伤中，超声波的发射和接收是通过探头来实现的。 探头又称换能器，其核心部件是压电晶体，又称晶片。晶片的功能是把高频电脉冲转换为超声波，又可把超声波转换为高频电脉冲，实现电一声能量相互转换的能量转换器件。 压电晶片：发射和接收超声波。 压电效应：在交变拉压应力作用下产生交变电场或者在交变电场作用下产生伸缩变形。机械能转换为电能，电能转换成机械能。 按波型分：纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头。 按晶片数分：单晶探头、双晶探头。 a，直探头（纵波探头） 直探头用于发射和接收纵波。 ☆直探头主要用于探测与探测面平行的缺陷。 b，斜探头 横波斜探头是利用横波探伤，主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝探伤等。 横波斜探头的标称方式常用两种：①一种是以横波折散角βs来标称。如βs=40，45，60等；②另一种是以折射角的正切值（K=tgβs）来标称。K=1.0，1.5，2.0，2.5等。 c，双晶探头 探头型号：1、2.5B20Z； 2、5P66K3 (3) 试块 试块：按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样。 超声探伤中是以试块作为比较的依据，用试块作为调节仪器和定量缺陷的参考依据是超声探伤的一个特点。根据使用目的和要求的不同，通常将试块分成以下两大类：标准试块和对比试块。 a，标准试块：权威或法定机构制定的试块。如GB11345—1989规定CSK—ZB试块为焊缝超声波探伤用标准试块。主要用于测定斜探头的入射点、调整探测范围和扫描速度、测定仪器探头以及系统的性能等。 b，对比试块：对比试块又称参考试块，它是由各专业部门按某些具体探伤对象规定的试块。GB11345—1989规定，RB—1(适应8—25mm板厚)、RB—2(适应8～100mm板厚)和RB—3(适用8—150mm板厚)为焊缝探伤用对比试块。RB试块组主要用于绘制距离—波幅曲线、调整探测范围和扫描速度、确定探伤灵敏度和评定缺陷大小，它是焊缝评级判定的依据。 试块的作用：a. 确定探伤灵敏度；b. 测试仪器和探头的性能； c. 调整扫描速度； d .评判缺陷的大小。 12、仪器和探头性能 (1) 仪器的性能 垂直线性、水平线性、动态范围等。 (2) 探头的性能 入射点、K值、双峰、主声束偏离等。 (3) 仪器和探头的综合性能 分辨力、盲区、灵敏度余量等。 △ 仪器的性能 垂直线性：仪器示波屏上的波高与探头接收的信号成正比的程度。 垂直线性好坏影响缺陷的定量精度。 GB11345—1989规定，仪器的垂直线性误差D≤5%。 水平线性：仪器示波屏上时基线显示的水平刻度值与实际声程之间呈正比的程度。 GB11345—1989规定，仪器的水平线性误差≤1%。 水平线性的好坏影响缺陷的定位。 动态范围：仪器示波屏容纳信号大小的能力。（从100%某波高衰减到刚能识别的最小值所需的衰减量）。 ZBY230-84（JB/T10061-1999）规定仪器的动态范围不小于26dB。 △探头的性能 斜探头入射点：主声束轴线与探测面的交点。 探头前沿长度：入射点至探头前沿的距离。 斜探头K值和折射角βs： K值：横波折射角的正切值 K=tgβs 图22入射点与K值测定 （CSK-IA试块） 探头主声束偏离：探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度。 用偏离角θ来表示。GB11345—1989规定，θ≤2。 探头双峰：平行移动探头，同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰。 探头主声束偏离与双峰，影响缺陷的定位和判断。 △仪器和探头的综合性能 灵敏度：发现最小缺陷的能力，发现的缺陷越小，灵敏度越高。常用灵敏度余量来衡量。 灵敏度余量：是指仪器最大输出时（增益、发射强度最大、衰减和抑制为0），使规定反射体回波达基准波高所需衰减的衰减总量。 盲区：指从探测面到能够发现缺陷的最小距离。盲区内的缺陷一概不能发现。 分辨力：是指在示波屏上区分相邻两缺陷的能力。能区分相邻两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。 13、焊缝超声波探伤 ▲ 对接焊缝超声波探伤 （1），探测条件的选择 a, 探测面修整： 表面粗糙度Ra≤6.3μm 修整宽度P≥2KT+50；P≥KT+50 b, 耦合剂的选择 耦合剂：在探头与工件表面之间施加的一层透声介质。 耦合剂作用：ⅰ、排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入。 ⅱ、减少摩擦。 耦合剂应满足的要求：ⅰ、能润湿工件和探头表面， 流动性、粘度和附着力适当，不难清洗。 ⅱ、声阻抗高，透声性能好。 ⅲ、来源广，价格便宜。 ⅳ、对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。 ⅴ、性能稳定，不易变质，能长期保存。 c，频率的选择 一般2.5～5.0MHZ。薄工件采用较高值，厚工件采用较低值。 d，K值选择 根据工件厚度来选择，薄工件采用大K值，避免近场区探伤，厚工件采用小K值，以缩短声程，减少衰减。 ☆注意：K值常因工件中的声速变化和探头的磨损而产生变化，所以探伤前必须在试块上实测K值。 e，探测面的选择 根据板厚和缺陷的位向以及检验等级确定。 如纵向缺陷：ⅰ、单面双侧，一种K值。 ⅱ、一种或两种K值，两面双侧。 ⅲ、两种K值，两面双侧，外加K1.0，单面双侧串列式探测。 （2），扫描速度（时基线比例）的调节 声程法、水平法、深度法. 常用水平法和深度法 δ＜20mm时，——常用水平法。 δ＞20mm时，——常用深度法。 水平法：使示波屏水平刻度值直接显示反射体的水平投影距离。RB试块等。 深度法：使示波屏水平刻度值直接显示反射体的垂直深度。RB试块等。 (3)，距离一波幅曲线（DAC曲线） 描述某一确定反射体回波高度随距离变化的关系曲线称为距离—波幅曲线。 图25距离——波幅曲线示意图 距离一波幅曲线由定量线、判废线和评定线组成，评定线和定量线之间（包括评定线）称为Ⅰ区，定量线与判废线（包括定量线）称为Ⅱ区，判废线及其以上区域称为Ⅲ区。 两种形式：1、距离—dB曲线 2、距离—波高（%）曲线（面板曲线） （4）， 扫查方式 a、锯齿形扫查。 b、前后扫查。 c、左右扫查。 d、转角扫查。 e、环绕扫查。 f、平行或斜平行扫查。 g、串列式扫查。 四种基本扫查方式主要用来确定缺陷的位置、方向、形状等情况。 （5）， 缺陷位置的确定 常用水平定位法、深度定位法。 ▲ 水平定位法：假定仪器按水平1︰1调节扫描速度。 6）， 缺陷大小的测定 探伤中发现位于定量线或定量线以上的缺陷要测定缺陷波的幅度和指示长度。 ①、缺陷波幅度的表示： SL + ( ) dBФ340( )dB ②、缺陷波的指示长度测定： 指示长度：按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。 指示长度总是小于等于缺陷实际长度。 a, 相对灵敏度测长法：以缺陷的最高回波为相对基准、沿缺陷的长度方向移动探头，降低一定的dB值来测定缺陷的长度。常用的是6dB法、端点6dB法。 ⅰ，6dB法（半波高度法） 由于波高降低6dB后正好为原来的一半，因此6dB法又称为半波高度法。 半波高度法做法：移动探头，找到缺陷的最大反射波（不能饱和），然后沿缺陷方向左右移动探头，当缺陷波高度降低一半时，探头中心线之间的距离就是缺陷的指示长度。 6dB法做法： 移动探头找到缺陷最大反射波后，调节衰减器，使缺陷波高降至基准波高。然后用衰减器将仪器灵敏度提高6dB，沿缺陷方向移动探头，当缺陷波高降至基准波高时，探头中心线之间的距离就是缺陷的指示长度。 ★6dB法（半波高度法）适用于测长扫查过程中缺陷波只有一个高点的情况。 图31 半波高度法（6dB法） 图32 端点6dB法图33 端点峰值法 ⅱ、端点6dB法（端点半波高度法） 当缺陷各部分反射波高有很大变化时，测长采用端点6dB法。 具体做法：当发现缺陷后，探头沿着缺陷方向左右移动，找到缺陷两端的最大反射波，分别以这两个端点反射波高为基准，继续向左、向右移动探头，当端点反射波高降低一半时（或6dB），探头中心线之间的距离即为缺陷的指示长度。 ★适用于测长扫查过程中缺陷反射波有多个高点的情况。 b、端点峰值法 当缺陷反射波峰起伏变化，有多个高点时，以缺陷两端反射波极大值之间探头的移动长度来确定缺陷的指示长度。 端点峰值法测得的缺陷指示长度比端点6dB测得的指示长度要小一些。 ★端点峰值法也只适用于测长扫查过程中缺陷反射波有多个高点的情况。 ③、缺陷长度的计量 GB11345-89规定： i. 当相邻两缺陷间距小于8mm时，以两缺陷指示长度之和作为一个缺陷的指示长度（不含间距）。 ii. 缺陷指示长度小于10mm者，按5mm计。 （7），焊缝质量评级：缺陷的大小测定后，要根据缺陷的当量和指示长度结合有关标准的规定来评定焊缝的质量级别。 GB11345-89标准将焊缝质量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。Ⅰ级质量最高，Ⅳ级质量最低。 ① Ⅳ级焊缝 a. 反射波高位于Ⅲ区的缺陷者。 b. 反射波超过评定线，检验人员判为裂纹等危害性缺陷者。 c. 位于Ⅱ区的缺陷指示长度超过Ⅲ级者。 ② Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级焊缝 a. 位于Ⅰ区的非危害性缺陷评为Ⅰ级。 b. 位于Ⅱ区的缺陷按下表评定其级别。 表1 GB11345-89标准，Ⅱ区缺陷级别评定 检验等级 评定等级 A B C 8～50 8～300 8～300 　　Ⅰ 2T/3(最小12) T/3(最小10，最大30) T/3(最小10，最大20) 　　Ⅱ 3T/4(最小12) 2T/3(最小12，最大50) T/2(最小10，最大30) 　　Ⅲ T(最小20) 3T/4(最小16，最大75) 2T/3(最小12，最大50) 　　Ⅳ 超过Ⅲ级者 （8），超声波探伤特点： ①、面积型缺陷检出率高，而体积型缺陷的检出率低。对裂纹、未熔合等危险性缺陷灵敏度高。 ②、探测厚度大，几百毫米至几米。 ③、适于各种试件，对接焊缝、角焊缝、板材、管材、棒材、锻件、复合材料等。 ④、成本低、速度快、操作方便。 ⑤、评定不直观、定性困难。 ⑥、记录存档困难。