超声波探伤第6讲

第四章超声波探伤方法和通用探伤技术超声波探伤方法虽然很多,各种方法的操作也不尽相同,但它们在探测条件、耦合可与补偿、仪器的调节、缺陷的定位、定量、定性等方面却存在一些通用的技术问题。

掌握这些通用技术对于发现缺陷并正确评价是很重要的。

§4.1超声波探伤方法概述一、按原理分类超声波探伤方法按原理分类,可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。

1、脉冲反射法超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检试件内,根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法,称为脉冲反射法。

按照判断缺陷情况的回波性质,脉冲反射法还可分为：(1)缺陷回波法根据仪器示波屏上显示的缺陷探伤图形进行判断的探伤,称为缺陷回波法。

该方法是反射法的基本方法。

图是缺陷回波探伤法的基本原理。

当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，在底面光滑且与探测面平行的条件下,探伤图形中只有表示发射脉的始波T及底面回波B两个信号，表示缺陷的回波F。

(2)底面回波高度法当试件的材质和厚度不变时,底面回波高度应是基本不变的。

如果试件内存在缺陷,底面回波高度会下降甚至消失,如图所示。

这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法,称为底面回波高度法。

底面回波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示,而且不出现盲区,但是要求被探试件的探测面与底面平行,耦合条件一致。

由于该方法检出缺陷的灵敏度较低,因此,实用中很少作为一种独立的探伤方法,而经常作为一种辅助手段,配合缺陷回波法发现某些倾斜的和小而密集的缺陷。

(3)底面多次回波法当透入试件的超声波能量较大,而试件厚度较小时,在试件完好无缺陷的情况下,超声波可在探测面与底面之间往复传播多次,示波屏上出现多次底波123,,B B B ……。

这种依据底面回波次数,而判断试件有无缺陷的方法,即为底面多次回波法。

底面多次回波法主要用于厚度不大的,形状简单,探测面与底面平行的试件探伤,缺陷检出的灵敏度低于缺陷二次回波法。

2.穿透法穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法,如图4.4所示。

穿透法常采用两个探头,一个作发射用,一个作接收用,分别放置在试件的两脚探头进行探测,图 4.4(a)为无缺陷时的波形,因4.4(b )为有缺陷时的波形。

3.共振法若声波(频率可调的连续波)在被检工件内传播,当试件的厚度为超声波的半波长或半波长的整数倍时,由于入射波和反射波的相位相同,则引起共振,因而仪器可显示出共振频率点,用相邻的两个共振频率之差,由以下公式算出试件厚度。

12()n n C f f δ-=-式中：n f 一一第n 点的共振频率；C 一一被检试件的声速；δ一一试件厚度。

当试件内存在缺陷时,将改变试件的共振频率。

依据试件的共振特性,来判断缺陷情况的方法称为共振法。

共振法常用于试件测厚。

二、按波形分类根据探伤采用的波型,可分为以下几种方法。

1、纵波法使用直探头发射纵波,进行探伤的方法,称为纵波法。

此法常将波束垂直入射至试件探测面,以不变的波型和方向透入试件,所以又称为垂直入射法,简称垂直法。

如图4.5所示。

垂直法分为单晶探头反射法、双晶探头反射法和穿透法。

常用的是单晶探头反射法,垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤,该法对与探测面平行的缺陷检出效果最佳,由于仪器盲区和分辨力的限制,只能发现试件内部离探测面一定距离以外的缺陷。

在同一介质中传播时,纵波速度大于其它波型的速度,穿透能力强,晶界反射或散射的敏感性较差,所以可测试工件的厚度是所有波型中最大的,而且可用于粗晶材料的探伤。

由于垂直法探伤时,波型和传播方向一般不变,所以缺陷定位比较方便。

2、横波法将纵波通过模块、水等介质倾斜入射至试件探测面,利用波型转换得到横波进行探伤的方法,称为横波法。

由于透入试件的横波束与探测面成锐角,所以又称斜射法.此方法主要用于管材,焊缝的探伤。

其它试件探伤时,则作为一种有效的辅助手段,用以发现垂直探伤法不易发现的缺陷。

3、表面波法使用表面波进行探伤的方法,称为表面波法。

这种方法主要用于表面光滑的试件。

表面波波长比横波波长还短，因此衰减也大于横波。

同时，它仅沿表面传播，对于表面上的复层，油污，不光洁等，声束反应敏感，并被大量地衰减。

利用此特点，观察缺陷回波高度的变化,对缺陷定位。

对各类反射体波高度的试验表明：除了糟的回波与其深度成正比(仅在2倍波长以内时)外,其余缺陷回波与其大小没有明显的联系,而且,球、圆槽等反射体直径愈大,回波反而下降,对于与表面平行的平直缺陷,表面波几乎无法发现。

表面缺陷,有的可以用肉眼看出,有的用磁粉或渗透法检测效果更好,所以表面波法的实际应用,通常是那些己为其它部件复盖的部位,或肉眼不易检测的深孔、内腔等部件的表面缺陷检查。

4、板波法使用板波进行探伤的方法,主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件探伤,板波充塞于整个试件,可以发现内部的和表面的缺陷。

但是检出灵敏度除取决于仪器工作条件外,还取决于波的形式。

三、按探头数目分类1、单探头法使用一个探头兼作发射和接收超声波的探伤方法称为单探头法。

单探头法操作方便,大多数缺陷可以检出,是目前最常用的一种方法。

单探头法探伤,对于与波束轴线垂直的片状缺陷和立体型缺陷的检出效果最好。

与波束轴线平行的片状缺陷,由于绕射现象而难以检出,当缺陷与波束轴线倾斜时,则根据倾斜角度的大小,能够收到部分回波或者因反射波束全部反射在探头之外而无法检出。

2、双探头法使用两个探头进行探伤的方法称为双探头法。

一个发射,→个接收,主要为发现单探头法难以检出的缺陷,并提高测定缺陷大小、类型的准确程度。

双探头法又可根据两个探头排列方式和工作方式作进一步分类。

按排列方式分类：(1)并列式：两个探头并列放置,探伤前两者作同步又同向地移动。

一般结构的直探头作并列放置时,通常是一个探头固定,另一个探头移动,以便发现与探测面倾斜的缺陷,如图 4.7(α)所示。

分割式探头的原理,就是将两个并列的探头组合在一起,具有较高的分辨能力和信噪比,适用于薄试件、近表面缺陷粗晶材料的探伤。

(2)交叉式：两个探头轴线交叉,两线相交之点应为要探测的部位,如图4.7(b )所示。

此种探伤方法可用来发现与探测面垂直的片状缺陷,在焊缝探伤中,常用来发现横向缺陷。

(3)V型串列式：两探头相对放置在同一面上,一个探头发射的声波被缺陷反射,反射的回波刚好落在另一个探头的入射点上,如图4.7(c)所示。

此种探伤方法主要用来发现与探测面平行的片状缺陷。

(4)K型串列式：两探头以相同的方向分别放置于试件的上下表面上,一个探头发射的声波被缺陷反射,反射的回波进入另一个探头,如图4.7(d )所示。

此种探伤方法主要用来发现与探测面垂直的片状缺陷。

(5) z串列式：两探头一前一后,以相同方向放置在同一表面上,一个探头发射的声波被缺陷反射的回波,经底面反射进入另一个探头,如图4.7(C )所示。

此种探伤方法用来发现与探测面垂直的片状缺陷(如厚焊缝的中间未焊透)。

两个探头在一个表面上移动,操作比较方便,是一种常用的探测方法。

3、多探头法使用两个以上的探头成对地组合在一起进行探伤的方法,称为多探头法。

多探头法的应用,主要是通过增加声束来提高探伤速度或发现各种取向的缺陷。

通常应由多通道仪器和自动扫描装置来配合。

如图4.8所示。

四、按擦头接触方式分类依据探伤时探头与试件的接触方式,可以分为以下几种方法。

1、直接接触法探头与试件探测面之间,涂有很薄的耦合剂层,因此可以看作为两者直接接触,这种探伤方法称为直接接触法。

此方法操作方便,探伤图形较简单,判断容易,检出缺陷灵敏度高,是实际探伤中用得最多的方法。

但是,直接接触法探伤的试件,要求探测面光洁度较高。

2、液浸法将探头和工件浸于液体中的探伤方法。

此液体起耦合剂作用,若用水作耦合剂,则称为水浸法。

液浸法探伤,探头不直接接触试件,所以此方法适用于表面粗糙的试件,探头也不易磨损,耦合稳定,探测结果重复性好,便于实现自动化探伤。

液浸法的探伤方式按接触类型分类,(1)浸没式被检试件全部授没于液体之中,适用于体积不大,形状复杂的试件探伤,如图4.9(a)所示。

(2)局部水浸法把被检试件的一部分浸设在水中或被检试件与探头之间保持一定的水层而进行探伤的方法,适用于大体积试件的探伤。

局部水浸法又分为喷液式通水式和满溢式。

①喷液式：超声波通过以一定压力喷射至探测表面的液流进入试件,称为喷液式,如图4.9（b）所示。

②通水式：借助于一个专用的有进水、出水口的液罩,以使罩内经常保持一定容量的液体,这种方法称为通水式,如图4.9(c)所示。

③满溢式：满溢罩结构与通水式相似,但只有进水口,多余液体在罩的上部溢出,这种方法称为满溢式,如图 4.9(d)所示。

根据探头与试件探测面之间液层的厚度,液浸法又可分为高液层法和低液层法。

§4.2仪器与探头的选择探测条件的选择一般是指仪器、探头、耦合和扫描方式等方面的选择。

正确选择探测条件对于有效地发现缺陷,并对缺陷定位、定量和定性是至关重要的。

实际探伤中一般根据工件结构形状、加工工艺和技术要求来选择探测条件。

一、探伤仪的选择超声波探伤仪是超声波探伤的主要设备。

目前国内外探伤仪种类繁多,性能各异,探伤前应根据探测要求和现场条件来选择探伤仪。

一般根据以下情况来选择仪器。

1、对于定位要求高的情况,应选择水平线性误差小的仪器。

2、对于定量要求高的情况,应选择垂直线性好,衰减器精度高的仪器。

3、对于大型零件的探伤,应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。

4、为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷,应选择盲区小、分辨力好的仪器。

5、对于室外现场探伤,应选择重量轻,荧光屏亮度好,抗干扰能力强的携带式仪器。

此外要求选择性能稳定,重复性好和可靠性好的仪器。

二、探头的选择超声波探伤中,超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。

探头的种类很多,结构型式也不一样。

探伤前应根据被探对象的形状、衰减和技术要求来选择探头。

探头的选择包括探头型式、频率、晶片尺寸和斜探头K值的选择等。

1、探头型式的选择常用的探头型式有直探头、斜探头(横波)、表面波探头、双晶(分割)探头等。

一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的形式,使声束轴线尽量与缺陷垂直。

直探头只能发射和接收纵波,波束轴线垂直于探测面,主要用于探测与探测面平行的缺陷,如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。

斜探头是通过波形转换来实现横波探伤的。

主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷。

如焊缝中的未焊透、夹渣、未溶合等缺陷。

表面波探头用于探测工件表面缺陷,双晶探头用于探测工件近表面缺陷。

聚焦探头用于水浸探测管材或板材。

2、探头频率的选择超声波探伤频率在0.5~10MHz 之间,选择范围大。