超声波检测中的波形识别

实践经验超声检测中的波形识别与缺陷定性吴德新,杨小林(中国人民解放军空军第一航空学院,信阳　464000)IDENTIFICATION OF WAVEFORMS AN D DEFECTS IN U LTRASONIC INSPECTIONWU De 2xin ,YANG Xiao 2lin(The First Aeronautical Institute of the Chinese PLA Air Force ,Xinyang 464000,China ) 中图分类号:TG 115.28 文献标识码:B 文章编号:100026656(2002)0720312203 超声检测技术中对缺陷评定的三大关键内容是缺陷的定位、定量和定性。

缺陷定位与定量方法已较成熟,而对缺陷定性仍存在许多实际困难。

目前,在原位检测中应用最广泛的是A 型超声脉冲反射式检测仪,根据其示波屏显示的缺陷回波静态波形与动态波形,再结合具体产品或材料特点和制造工艺等来评估缺陷的性质。

缺陷的超声波反射特性取决于缺陷的取向和几何形状、相对超声波传播方向的长度和厚度、缺陷的表面粗糙度、缺陷内含物以及缺陷性质等,还与所用超声检测系统特性有关,因此,超声检测中获得缺陷的超声响应是一个综合响应。

如何观察波形并把反映缺陷性质的有用信息从综合响应中分离出来,这对缺陷的定性评定尤为重要。

1　脉冲干扰噪声的识别与波形分析1.1　脉冲噪声的来源在超声波探伤中,脉冲干扰噪声的来源很广泛。

首先是检测仪器,质量较差的仪器工作时性能不稳定,自身会产生脉冲干扰噪声。

在超声波探伤现场,如果电源的输出不稳定将会干扰检测仪器,引起脉冲噪声。

多种仪器(如探伤仪、示波屏、频谱仪和计算机等)组合或同一地点多台不同检测仪器联机运行(如超声与涡流组合探伤)时,仪器之间也会互相干扰而产生脉冲噪声。

此外,强烈的机械振动与冲击也会导致脉冲干扰噪声的产生[1]。

1.2　脉冲噪声的特征分析(1)偶然性　在超声波探伤中出现的脉冲噪声收稿日期:2001201225无规则可循,不可重复,具有强烈的偶然性。

由于脉冲噪声的产生原因多种多样,因此其出现的时间间隔数量、幅度及频率等均随机变化且多种多样。

(2)满幅性　超声波探伤仪示波屏上的脉冲噪声幅度很大,常达饱和状态。

图1为水浸法探伤中出现的电脉冲干扰噪声。

其中S 为工件的界面回波,P 1～P 4为饱和脉冲噪声,n 1和n 2属脉冲噪声,但其来源可能与饱和脉冲噪声不同。

图1　探伤仪示波屏上的脉冲干扰噪声(3)单峰性　超声波探伤中的缺陷回波信号是由多次反射波组成的。

但在实践中发现,示波屏上观察到的波形实质是这些反射波的包络,而脉冲噪声则是孤立的单峰。

因此,各脉冲噪声之间不能形成缺陷波F 那样的包络(图2)。

(4)频率范围广　采用傅里叶变换方法,将超声波探伤信号进行离散化处理,可得到离散频谱x (k )=∑N -1n =0x (n )wkn N　0≤k ≤n -1 将上式用于图1所示的原始信号,可得图3所示的频谱。

由此可见,脉冲噪声频率分布很广,不只是一个中心频率,产生的机理不同,就有不同的中心・213・第24卷第7期2002年7月无损检测ND TVol.24　No.7J uly 2002图2　缺陷回波与脉冲噪声的波形区别图3　图1所示信号的频谱频率与带宽。

2　波型转换噪声干扰的识别超声波在奥氏体不锈钢或其它粗晶材料中传播时,粗大晶粒的界面会使声波发生散射,并引起波型转换,从而在荧光屏上产生杂乱的草状波,称为噪声。

噪声波幅随晶粒尺寸增长而升高。

材料中的缺陷反射波往往会湮没于噪声杂波中而无法分辨,导致细小缺陷的检测受到限制。

噪声电平是衡量晶粒度大小的指标,其测量方法是,首先使增益为最大值,抑制为零位,将声程与被探工件的底面回波达到80%基准波高度,用公式求得工件的噪声电平。

由材料晶粒度的大小判断波形中晶粒散射而产生的波型转换噪声,进而判断草状杂波[2]。

3　不同被检材料中不同缺陷的波形分析3.1　铸钢件铸件内部普遍为不致密枝晶,其结构组织不均匀且晶粒粗大,声波在晶界面和不均匀结构处会产生散射,示波屏上往往产生杂乱无章的丛状回波。

由于铸件形状复杂,往往在示波屏上产生外轮廓直射或迟到回波,使杂波与缺陷波难以分辨。

由于铸件产生缺陷的位置有一定的规律性和重复性,因此可对易产生缺陷的重点部位作针对性探伤。

铸件探伤常用脉冲回波反射法。

工件无缺陷时出现底波次数多,且波幅呈指数衰减,各底波间隔大致相等(图4a );当工件有疏松等缺陷时,散射等因(a )(b )(c )图4　铸件多次脉冲反射法检测波形素使声能衰减而底波反射次数减少(图4b );若工件内部有大面积缺陷(如疏松、夹杂和气孔等)则底波消失,只出现杂波(图4c )。

(1)气孔　有单个、密集和链状等球状或椭圆形气孔,表面光滑。

波形特征是反射波峰高,面陡峭,敏感性强,波峰单一,根部清晰,对底波影响不大。

探头移动时,单个气孔为一个较稳定的单脉冲波(图5a ),链状气孔会产生连续不断的缺陷波(图5b ),密集气孔则为数个缺陷波(图5c )。

(a )(b )(c )图5　气孔波形(2)夹渣　典型特征是带有棱角,回波较弱,不同方位探测回波变化较大。

(3)缩孔　密集缩孔呈树枝状,中心缩孔呈管状。

波形特征是一波多峰,幅度高,对底波有明显影响。

(4)冷裂纹　脆性断口表面较光;塑性断口表面粗糙。

回波特征是回波较高,对底波影响明显,移动探头时波形此起彼伏,变化较大。

3.2　锻钢件(1)残余缩孔　呈连续或断续条状,回波反射较强。

探头移动时多个回波此起彼伏,圆周方向探测均能发现,严重时影响底波。

(2)夹杂　呈连串状,回波呈丛状(图6a ),波幅一般较低,但有一两个较高的波,探头移动时此起彼落,显得杂乱,可与白点缺陷波形(图6b )相比较。

(a )(b )图6　锻件夹杂及白点波形示意图・313・(3)孔性裂纹和冷裂纹　形状是撕裂状断口,脆性较光,塑性较粗糙。

回波呈丛状,底部较宽,波峰清晰有分枝,缺陷波对底波有明显影响。

降低灵敏度,缺陷波下降速度比底波慢。

(4)疏松　疏松对声波有显著吸收和散射作用,使底波显著降低,甚至消失。

严重疏松有时无缺陷波出现,移动探头有时出现波幅很低的不稳定蠕动波形。

提高灵敏度,会出现一些微弱而杂乱的波形,但无底波,其波形特征见图7。

(5)白点　波形往往呈密集形状,白点斑点内有锯齿状小裂纹。

超声波探伤时,在中心部位出现林状波形,其波形显示很清晰,尖锐。

降低灵敏度,缺陷波仍然显得高而清晰。

密集白点对超声波反射影响强烈,对底波影响大,出现在锻件的大截面段,其波形呈根部清晰的林状间波(图8)。

图7　疏松波形图8　白点波形　3.3　轧制钢棒(1)缩孔　冒口端条状分布,多出现在碳结构钢中,对底波有明显影响,圆周方向探测能发现。

(2)内部裂纹　多出现在高速钢中,寒冷季节比高温季节易出现,圆周方向探测波形变化较大,对底波影响明显。

3.4　对接钢焊缝(1)凝固性裂纹　呈星状,出现在焊道的起弧、收弧部位和热影响区,多出现在表面。

(2)冷却裂纹　呈折线状,端部较细,淬硬性好的钢材中易产生,由残余应力偏大和金属内部组织偏硬引起,回波较高,波峰较宽,多峰(图9)。

(a )(b )　图9　裂纹波形(3)裂纹　(层状撕裂)多产生在尺寸较厚的T型焊缝或角焊缝上,回波特征同上。

(4)未焊透　呈线状或条状,一般在焊缝中部和根部,是垂直于钢板的面状缺陷,波形见图10。

　图10　未焊透波形图11　焊缝中的夹渣波形(5)未熔合　包括坡口和层间未熔合,片状缺陷类似裂纹,但表面比裂纹光滑。

探头折射角合适时回波较高,从焊道两侧探时,反射幅度不同。

(6)夹渣　包括点状夹渣(点渣)和条状夹渣(条渣),夹渣带有一定棱角,条渣呈条状连续或断续分布。

点渣回波有方向性,与气孔不同,条渣多呈锯齿状,反射率偏低,根部较宽,好像树枝一样,主干旁边有小枝峰(图11)。

(7)气孔　呈空心球状,单个气孔回波(图12a )幅度不高,波形稳定;密集气孔常出现一簇反射回波(图12b ),从不同方位探测,回波幅度变化不大。

(a )(b )　图12　气孔波形4　波形信号的判断方法4.1　分布状态判断法分布状态判断法是根据缺陷的分布状态和几何位置判断其性质。

在现役飞机超声检测中,多采用该方法对缺陷进行定性。

白点多出现在锻件大截面段的偏析带上,群集分布。

未焊透必在焊缝的根部。

4.2　回波个数判断法把缺陷分为单个或多个,以便确定其危害程度。

4.3　回波高度判断法最大回波高度可作为判断缺陷性质的依据,如超声波对裂纹较敏感,探测面合适时其回波较高,反射强烈。

铸件中的疏松和锻件中的粗晶不可能有较高回波。

4.4　回波根部判断法根据回波的宽度或其根部特征来对缺陷性质及种类进行判断。

气孔、点渣、白点和脆性断口的冷裂纹根部较干净,铸件上的缩孔、焊缝上的条渣和塑性断口的裂纹则为多峰,根部也带有小波。

(下转第316页)・413・为防止生锈,用宽20mm 、厚2mm 和0.5mm 的不锈钢扁钢,<12mm 不锈钢管,四块20mm ×20mm ×6mm 钢块以及棘轮,小钢丝绳和紧箍。

1.3　构造以<377mm 管为例,探伤专用架形状如图3。

图31.凹槽2.不锈钢管3.棘轮4.钢块取两条厚2mm ,长300mm 扁钢,弯成与<377mm 管外弧相贴切。

取四块20mm ×20mm ×6mm 钢块,中间钻<6mm 孔,垂直焊在扁钢的两端。

为使射线束中心穿过管的圆心并有一定的倾斜角度,根据透照焦距和射线机的大小,按图2和图3在实际钢管上量出垂直不锈钢管的长度,按图3进行焊接,用小钢丝绳和棘轮将探伤架固定在管子上。

取200mm 长扁钢一条,弯成与射线机机身相贴切,焊在与管子平行的两条不锈钢管位置上,另取厚0.5mm 扁钢将射线机机身用紧箍固定在探伤架一端。

制作两个凹槽,焊在另一端的两条不锈钢管上,将射线机底端手柄固定在上面,探伤架制成。

2　应用和局限透照方式采用双壁单影,先划分好焊缝探伤等份,射线机固定在探伤架上,探伤架固定在管子上,射线机窗口的中心对准有效透照范围焊缝中心的对称位置,这时射线束中心就穿过管子的圆心,可以进行透照。

拍完第一张片,松开棘轮,探伤架转动一定角度至另一张拍片位置,拉紧棘轮,使探伤架固定,进行第二次拍照。

用此探伤架对某地供热500多米埋地管线的76道焊缝拍摄500多张片,取得预想的效果。

由于各种规格管子的弧度不一样,所以一个探伤架只适合一种规格的管子,这是该探伤架的局限。

3　结束语用此探伤专用架在大径管焊缝探伤时,透照完一张底片,然后移动到另一个位置进行第二次透照的时间,一般≯3min ,大大节省探伤时间,工作效率得到了提高。