02超声波检测.docx

02超声波检测.docx

《02超声波检测.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《02超声波检测.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

02超声波检测

1超声波检测的概念和意义

超声波检测也叫超声检测，UltrasonicTesting缩写UT，超声波探伤，是五种常规无损检测方法的一种。

超声波探伤仪的种类繁多，但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。

一般在均匀材料中，缺陷的存在将造成材料不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。

反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。

脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。

超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。

脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是A扫描式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。

譬如，在一个工件中存在一个缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后就会发生反射，反射回来的能量又被探头接收到，在显示器屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷波在被检测材料中的深度。

这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。

2超声波探伤的物理基础

1基本知识

超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。

频率在20~20000Hz之间能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。

超声探伤所采用的频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。

超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。

1.方向性好：

超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。

2.能量高：

由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波能量远大于一般声波的能量。

3.能在界面上产生反射、折射和波形转换：

超声波具有几何学上的一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波形转换等。

4.穿透能力强：

超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其中穿透能力可达数米。

2波的类型及波速测量

1波的类型

根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等。

1.纵波L

介质中质点的振动方向与波的传播方向相平行的波称为纵波，用L表示。

当介质质点受到交变拉压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波；凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。

固体能承受拉伸和压缩应力；气体和液体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力产生容积变化。

因此固体、液体和气体都能传播纵波。

钢中纵波声速一般为5960m/s。

纵波一般应用于钢件、锻件探伤。

2.横波S（T）

介质中质点的振动方向与波的传播方向相垂直的波称为横波，用S或T表示。

当介质质点受到交变剪切应力作用时，产生剪切形变，从而形成横波；只有固体才能承受剪切应力，气体和液体不能承受剪切应力，因此横波只能在固体介质中传播。

钢中横波声速一般为3230m/s。

纵波一般应用于焊缝、钢管探伤。

3.表面波R

当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示。

有成瑞利波。

表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向；椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，因此表面波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。

4.板波

在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为短波。

根据质点的传播方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。

板波一般用于薄板、薄壁钢管探伤。

2超声波声速测量

对探伤人员来说，用探伤仪测量声速是最简便的，用这种方法测量声速，可用单探头反射法或双探头穿透法；可用于测纵波声速和横波声速。

1.反射法测纵波声速

声速按下式计算：

声速C=2d/（T1-t）；t=2T1-T2

式中d——工件厚度；

t——由探头晶片至工件表面传输时间；

T1——由探头晶片至工件底一次波传输时间；

T2——由探头晶片至工件底二次波传输时间。

2.穿透法测纵波声速

声速按下式计算：

声速C=d/（T1-t）；t=2T1-T2

式中d——工件厚度；

t——由探头晶片至工件表面传输时间；

T1——由探头晶片至工件底一次波传输时间；

T2——由探头晶片至工件底二次波传输时间。

3.反射法测横波声速

用半圆弧测横波声速，按下式计算：

声速C=2d/（T1-t）；t=2T1-T2

式中d——半圆半径长度；

t——由探头晶片至半圆弧探测面传输时间；

T1——由探头晶片至圆弧面一次波传输时间；

T2——由探头晶片至圆弧面二次波传输时间。

3波的若干概念

1波的叠加与干涉

1.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的位移的矢量和。

几列波相遇后仍保持原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进，好像在各自的途中没有遇到其它波一样，这就是波的叠加原理，又称波的独立性原理。

2.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消失的现象叫做波的干涉现象。

波的迭加原理是波的干涉现象的基础，波的干涉是波动的重要特性。

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。

2惠更斯原理和波的衍射

1.惠更斯原理

波是振动状态的传播，如果介质是连续的，那么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动，因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。

据此惠更斯提出了著名的惠更斯原理：

介质中波动传播到的各点都可以看做是发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面。

2.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。

当D<<λ时，波的衍射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检；当D>>λ时，反射强，衍射弱，声波几乎全反射。

波的衍射对探伤既有有利又有不利。

由于波的衍射，使超声波产生晶料衍射顺利地在介质中传播，这对探伤有利；但同时由于波的衍射，使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检，这对探伤不利。

一般超声波探伤灵敏度约为λ/2。

3超声波的特征场

充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，叫做超声场；超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。

描述超声场的特征值主要有声压、声阻抗和声强。

1.声压P

超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差，称为该点的声压，用P表示。

（P=P1-P0）

声压幅值p=ρcu=ρc（2πfA）

其中ρ——介质的密度；

c——波速；

u——质点的振动幅度；

A——声压最大幅值；

F——频率。

超声场中某一点声压的幅值与介质的密度、波速和频率成正比。

在超声波探伤仪上，屏幕上显示的波高与声压成正比。

2.声阻抗Z

超声场中任一点的声压p与该处质点振动速度u之比称为声阻抗，常用Z表示。

声阻抗Z=p/u=ρcu/u=ρc

由上式可知，声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。

由u=P/Z可知，在同一声压下，Z增加，质点的振动速度下降。

因此声阻抗Z可理解为介质对质点振动的阻碍作用。

超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。

3.声强I

单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I表示。

I=Zu2/2=P2/（2Z）

当超声波传播到介质某处时，该处原来静止不动的质点开始震动，因而具有动能；同时该处介质产生弹性变形，因而也具有弹性位能；声能为两者之和。

声波的声强与频率平方成正比，而超声波的频率远大于可闻声波。

因此超声波的声强也远大于可闻声波的声强。

这是超声波能用于探伤的重要原因。

在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。

4分贝的概念与应用

1.概念

由于在生产和科学实验中，所遇到的声强数量级往往相差悬殊。

如引起听觉的声强范围为10-16~10-14W/cm2，最大值与最小值相差12个数量级。

显然采用绝对量来度量是不方便的，但如果对其比值取对数来比较计算则可简化运算。

分贝就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。

通常规定引起听觉的最弱声强为I1=10-16W/cm2作为声强的标准，另一声强I2与标准声强I1之比的常用对数称为声强级，单位是贝尔（Bel）。

实际应用时贝尔太大，故常取1/10贝尔即分贝（dB）来作单位。

Δ=lg（I2/I1）（Bel）=10lg（I2/I1）=20lg（P2/P1）（dB）

在超声波探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器屏幕上的波长与声压成正比。

这时有

Δ=20lg（P2/P1）=20lg（H2/H1）（dB）

这时声压基准P1或波高基准H1可以任意选取。

2.应用

分贝用于表示两个相差很大的量之比显得很方便，在声学和电学中都得到广泛的应用，特别是在超声波探伤中应用更为广泛。

例如屏上两波高的比较就常常用dB表示。

4波的反射、透射及衰减

超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质内，称为反射波；另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称为透射波。

在界面上声能的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律。

1单一界面的反射和透射

2薄层界面的反射和透射

3波形转换和反射、折射定律

4超声波的衰减

5超声波发射声场和规则反射体的回波声压

1圆盘波源辐射的纵波场

2横波声场

3规则反射体的回波声压

4AVG曲线

6仪器、探头和试块

1超声波探伤仪

2探头

3试块

7仪器和探头的性能及测试

1仪器的性能及其测试

2探头的性能及其测试

3仪器和探头的综合性能及其测试

3常用探伤方法和技术

1探伤方法概述

1按原理分类

2按波形分类

3按探头数目分类

4按探头接触方法分类

2仪器、探头的选择及耦合与补偿

1探伤仪的选择

2探头的选择

3耦合

4耦合表面损耗的补偿

3仪器调节和缺陷定位

1零点调节

2K值调节

3定量调节

4缺陷定位

4缺陷大小的测定和缺陷高度的测定

1当量法测缺陷大小

2测长法测缺陷大小

3底波法测缺陷大小

4缺陷测高

5影响缺陷定位、定量的主要因素及其它

1影响缺陷定位的主要因素

2影响缺陷定量的主要因素

3缺陷性质分析

4非缺陷回波的判别

5侧壁干涉

4板材和管材超声波探伤

1板材超声波探伤

根据板材的材质不同，板材分为钢板、铝板、铜板等，实际生产中钢板应用最广，这里以钢板为例说明板材的超声波探伤工艺方法。

1钢板常见缺陷及探伤方法

钢板是由板坯轧制而成，而板坯又是由钢锭轧制或连续浇铸而成的，钢板中常见缺陷有分层、折迭、白点等，裂纹少见。

钢板中分层、折迭等缺陷是在炸制过程中形成的，因此它们大都平行于板面。

根据板厚的不同，将钢板分为薄板与中厚板。

中厚板常用垂直板面入射的纵波探伤法；薄板常用板波探伤法。

中厚板垂直探伤法的耦合方式有直接接触法和充水耦合法。

采用的探头有单晶直探头、双晶直探头或聚焦探头。

探伤钢板时，一般采用多次底波反射法，只有当板厚很大时才采用一次底波或二次法。

2探头与扫查方式的选择

1.探头的选择包括探头频率、直径和结构形式的选择

由于钢板晶粒比较细，为了获得较高的分辨力，宜选用较高的频率，一般为2.5~5.0MHz。

钢板面积大，为了提高探伤效率，宜选用较大直径的，但对于厚度较小的钢板，探头直径不宜过大，因为大探头近场区长度大，对探伤不利。

一般探头直径范围为10~30mm。

探头的结构形式主要根据板厚为确定，板厚较大时，常选用单晶探头；板厚较薄时可选用双晶直探头，因为双晶直探头盲区很小。

双晶直探头主要用于探测厚度为6~30mm的钢板。

2.扫查方式的选择

根据钢板用途和要求不同，采用的主要扫查方式分为全面扫查、列线扫查、边缘扫查和格子扫查等。

3探测范围和灵敏度的调整

2复合材料超声波探伤

1复合材料中常见缺陷

2探伤方法

3缺陷的判别

3薄板超声波探伤

4管材超声波探伤

1管材加工及常见缺陷

2小口径管探伤

3大口径管探伤

5铸件与铸件超声波探伤

1锻件超声波探伤

1锻件加工常见缺陷

2探伤方法概述

按时机锻件检测可有原材料或在制过程中检测，产品检验及在役检验。

一般要求锻件检测应在热处理后进行，因为热处理可以细化晶粒、减少衰减，此外还可以发现热处理过程中产生的缺陷。

对于带孔、槽和台阶的锻件，检测应在孔、槽和台阶加工前进行。

因为孔、槽和台阶对检测不利，容易产生各种非缺陷信号。

锻件检测中采用的探头类型和探测方向是根据所要检测的主要缺陷的分布、形状和取向而定的。

1.轴类锻件检测

轴类锻件在锻造时主要承受拔长，因而缺陷主要沿轴向分布，所以直探头径向检测是主要的检验方式。

另外还可有直探头轴向检测（主要探测与轴垂直的横向缺陷）；斜探头周向检测（探测辐射状分布的平面型缺陷）和斜探头轴向检测（探测直探头轴向探测所未能探测到或灵敏度不足的区域）。

轴类锻件超声探测方向：

（a）直探头径向探测（b）直探头轴向探测（c）斜探头周向探测（d）斜探头轴向探测。

2.饼类锻件检测

饼类锻件主要经受镦粗工艺，因而缺陷分布主要平行于端面。

所以用直探头在端面检测是最主要的检测方法。

3.筒形锻件检测

由于铸锭中质量最差的中心部分已被冲孔时去除，因而锻件质量一般较好。

筒形锻件一般在端面及外圆作直探头检测。

但对于壁厚较薄的筒形锻件，须加用斜探头探测。

2铸件超声波探伤

1铸件中常见缺陷

2铸件探伤的特点

3铸钢件探测条件的选择

6焊缝超声波探伤

1焊接加工及常见缺陷

1焊接加工

2焊缝中常见缺陷

1.咬边：

咬边是指沿着焊趾，在母材部分形成的凹陷或沟槽。

产生咬边的主要原因是电弧热量太高，即电流太大，运条速度太小。

焊条与工件间角度不正确，摆动不合理，电弧过长，焊接次序不合理等也会造成咬边。

2.焊瘤：

焊缝中的液态金属流到加热不足未熔化的母材上或从焊缝跟部溢出，冷却好形成未与母材熔合的金属瘤即为焊瘤。

3.凹坑：

凹坑指焊缝表面或背面局部的低于母材的部分。

4.未焊满：

未焊满是指焊缝表面上连续的或断续的沟槽。

填充金属不足是产生未焊满的主要原因。

5.烧穿：

烧穿是指焊接过程中，熔深超过工件厚度.熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔性缺陷。

焊接电流过大，速度太慢，电弧在焊缝处停留过久，都会产生烧穿缺陷。

6.夹渣：

夹渣是指焊后熔渣残存在焊缝中的现象。

夹渣产生的原因：

坡口尺寸不合理、坡口有污物、多层焊时，层间清查不彻底、焊接线能量小、焊缝散热太快、液态金属凝固过快、焊条药皮或焊剂化学成分不合理，等等。

7.气孔：

气孔是指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固前逸处，残存于焊缝之中所形成的空穴。

气孔产生的主要原因：

母材或者填充金属表面有锈、油污等，焊条或者焊剂未烘干会增加气孔量。

锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解产生气体，会增加高温金属中气体的含量。

焊接线能量过小，熔池冷却速度大，不利于气体逸出。

焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。

8.裂纹：

金属原子的结合遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹.

9.其他表面缺陷：

成形不良、错边、塌陷等等。

3检测方法

1.检测频率的选择

由于一般焊缝探测表面的光洁度较低，主要缺陷裂缝的反射表面较毛糙，所以焊缝检测的频率一般都使用2.5MHz，只在薄件检测或某些纵波检测的场合才使用5.0MHz。

2.探头k值的选择

由于焊缝中在部分裂缝的取向基本垂直于焊缝表面，因此只要条件允许，应尽量采用大k值斜探头。

下表为JB4730推荐使用的探头K值。

在厚焊缝的超声检测中大k值探头无法探测较深的区域。

用小k值单探头检测时，在垂直于焊缝表面的裂缝上的超声反射绝大部分不能被接收到。

而在薄焊缝中仍有可能收到回波。

因此对于厚度大于40mm，且单侧坡口角度小于5时的焊缝，往往加用串列式检测。

3.探测面及探头移动范围

对于不太厚的焊缝（母材厚度≤46mm）宜采用单面两侧一次反射法探测，即用一次波和两次波探测。

此时探头移动区为：

P1≥2.5TK

式中：

T—被探工件厚度；K—探头k值。

对于较厚的焊缝（母材厚度>46mm）宜采用双面双侧直射法探测，即仅用一次波探测。

此时探头移动区为P2≥1.5TK

4.距离-分贝曲线

JB4730规定，焊缝检测中缺陷波高随距离变化的关系用距离-分贝曲线（一种AVG曲线的特例）来表示。

距离-分贝曲线如图所示。

该曲线族由评定线（EL）、定量线（SL）和判废线（RL）组成。

评定线与定量线之间的区域（含评定线）称为I区，定量线与判废线之间的区域（含定量线）称为II区，判废线以上区域（含判废线）称为III区。

2中厚板对接焊缝超声波探伤

1探测条件的选择

2距离-波幅曲线的绘制与应用