超声波探伤分类及特点.docx

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超声波探伤分类及特点

超声波探伤方法的分类及特点

  超声波探伤有许多方法，如将它们逐一分类，一般可用以下几种方法

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、衍射时差法、穿透法和共振法。

　　1.脉冲反射法

　　超声波探头发射脉冲波到被检试件内，遇到工件内部不连续或工件边界产生反射声波，再由探头接收，由此判别工件中是否存在缺陷，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，是超声检测常用的基础检测方法。

脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。

脉冲反射法分类如下：

一次脉冲反射法如下图所示。

      当工件中无缺陷时，荧光屏上只有始波T与一次底波B。

当工件中有小缺陷时，始波与底波之间出现缺陷F，缺陷波高与其反射面积有关，此时底波幅度会有下降。

当工件中缺陷大于声束直径时，底波消失，荧光屏上只有始波和缺陷波。

    多次脉冲反射法这是以多次底面脉冲回波为依据进行探伤的一种方法，超声波在具有平行表面的工件中传播，若无缺陷时，声波经底面反射回探头，一部分能量被探头接收，得到一次底波B1，另一部分能量又折回底面再被探头接收，得到二次底波B2，剩余能量再折回探头，如此往复多次，得到底面多次回波，直至声能完全耗尽为止。

根据多次底波波幅递减的快慢，可用以判断工件材质衰减情况及有无对声能吸收大的缺陷，也可以用来判断工件中缺陷的严重程度，这种方法在板材探伤中经常用到，具有较好的优越性。

2.衍射时差法（TOFD）

1）.方法原理

超声波入射到缺陷端部，会在缺陷端部较大角度范围内产生衍射波，检测衍射波就能确定缺陷存在，根据衍射波传播时间差来确定缺陷高度，缺陷产生衍射波本身波高不作为缺陷定量依据。

采用的波型为纵波，其原因是纵波声速比横波快，纵波先被探头接收，使缺陷信号解释简化。

TOFD法检测时适用双探头，分别置于焊缝两侧，其中一个作为发射探头，另一个作接收探头（见教材图5-4），在无缺陷部位，当发射探头发出超声波后，首先到达接收探头的是直通波，后面到达接收探头的是底面反射波。

当存在缺陷时，在直通波和底面反射波之间，接收探头接收则来自缺陷处产生的衍射波，其中缺陷上部端点衍射靠近直通波，缺陷下部端点产生的衍射波靠近底波，根据缺陷上、下端点的衍射波可确定缺陷高度。

2）.TOFD法系统要求

①采用自动数据记录系统；

②组合系统应有高质量的重复性检测结果；

③脉冲发生器要求脉冲宽度小，上升时间短，脉冲接收

器带宽在0.8MHz～30MHz之间；

④系统有足够的信噪比；

⑤数据采样系统要求数字器取样频率在20MHz～25MHz，取样率计时起伏≤1ns

⑥信号显示方式宜用D扫描或B扫描。

3）.探头选择

①短脉冲换能器产生非检波脉冲；

②采用纵波；

③具有足够的分辨率；

④避免在近场区检测（波幅起伏不定，造成漏检及盲区），

根据检测缺陷深度合理选择适当近场长度探头；

⑤声束应能扫查到整个被检区域；

⑥探头中心频率为2MHz～10MHz，晶片直径为6mm～

20mm，推荐使用Φ12mm，5MHz宽带探头。

4）检测工艺

①探头布置应位于缺陷两侧，最佳化；

②注意不同探头布置时表面爬波和侧向波传播时间，平板工件和凹面工件相等，凸面工件爬波滞后于侧向波。

缺陷到超声波指示深度：

平板工件相等，凹面工件指示深度大于实际深度，凸面工件指示深度小于实际深度；

③表面状态影响检测精度，必要时应将焊缝余高磨平；

④影响定位定量精确度到重要因素有：

定时误差，探头间距，探头对相对于被检缺陷不对称性参数×（偏心距）；

⑤偏心距×应不大于0.2ct（c为纵波声速，t为传播时间）

⑥探头间距选择应保证被检区声能充分覆盖，从裂纹端能获得足够衍射波能量，并具有一定分辨力；

⑦探头角度要求声束对准被检区域，可选用35°，45°，60°和70°。

角度偏差值要求不高，可在±5°；

⑧灵敏度调整：

应有足够灵敏度，使缺陷端点衍射波能得到显示，可用槽型校准试块校正灵敏度，校正试块材质和厚度于被检时间相同，对线切槽，最大槽宽应小于二分之一波长，采用非检波A扫描显示时，将槽的衍射信号最大波高调至满屏80％。

5）.TOFD法优点：

①缺陷衍射信号与缺陷方向无关，检出率高；

②超声波束覆盖区大；

③缺陷高度测量准确；

④实时成像，快速分析；

⑤不依回波高度定量；

⑥快速安全，方便。

6）.TOFD法局限性

①扫查面和底面存在几毫米表面盲区；

②易受噪声影响；

③对中下部缺陷和部分良性缺陷（如气孔、夹层）测大；

④采用数据分析，对检测人员要求高。

此外，还存在：

缺陷水平位置误差，定时误差，声速误差和空间分辨力等影响检测结果。

　　3.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。

穿透法常采用两个探头，一收一发，分别放置在试件的两侧进行探测。

对于穿透法，只有当超声声压变化大于20%以上时才有可能检测，它相当于声压只降低2dB。

由于探头晶片尺寸有一定大小及缺陷本身的声衍射现象，要获得大于20%声压变化量，缺陷对声传播遮挡面积已相当大了。

对于脉冲反射法，缺陷反射波声压仅是入射声压的1%时，探伤仪就已经能够检出，此时，与缺陷反射声压相对应的反射面积是很小的。

4.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的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率。

当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率，依据试件的共振频率特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。

共振法常用于试件测厚。

二按显示方式可分为A型显示和超声成像显示（包括B、C、D、S、P型显示）

A型显示－横坐标表示时间，纵坐标表示信号幅度；

B型显示－与声束传播方向平行且与工件测量表面垂直的剖面（与声束传播方向平行的侧剖面）；

C型显示－工件横断面（与检测面平行的平面图像）；

D型显示－与声束平面及测量表面垂直的剖面（与声束传播方向及检测表面垂直的侧剖面）；

P型显示－投影成像扫描，显示C扫描图像（侧视）和D扫描图像（侧视）；

三.按波形分类

　　根据探伤采用的波形，可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。

　　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。

此时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。

　　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。

由于盲区和分辨力的限制，其中反射法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，所以可探测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。

（波长相对较长）

　　2.横波法

　　将纵波通过楔块、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，用以发现垂直法不易发现的缺陷。

采用横波法检测焊缝具有很多优越性1）波长短，灵敏度高2）波束比纵波更集中，能量更集中，有利于发现缺陷3）声压往复透射率高4）对于具有端角反射特性的缺陷，检出率高

　　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。

表面波波长很短，衰减很大。

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

利用此特点可通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化，对缺陷定位。

（—）表面波的性质：

①表面波即瑞利波，介质表层质点具有纵波和横波的综

合特性。

在介质表面传播时，遇到介质表面裂纹，部

分声波在裂纹开口处仍以表面波的型式在介质表面返10

回，一部分声波以表面波的波型在裂纹表面继续向前

传播，传到裂纹顶端，又有部分声波反射返回，部分

声波沿裂纹继续向前传播。

②表面波在介质中传播时，介质质点只限于在传播方向

与垂直于表面的平面内，其轨迹为椭圆，在表面转折，突变处或裂纹顶端处，部分声波转变为纵波或横波型式，在工件内部传播。

③表面波声场的深度范围为2λ，可探测的深度范围也为2λ。

④当表面波传播时，深度δ=0.183λ时，质点不作水平方向振动（在此深度上有缺陷将不会引起反射，也就是检测不出）。

此即表示表面波能检测的最小深度（此深度对钢材，用5MHZ，就相当于0.1mm）。

⑤表面波的传播速度，对平面波而言，与频率无关，与材料的泊松比σ和横波声速CS有关。

（二）表面波产生11

①直接用石英进行Y切割产生。

②利用纵波斜入射到工件表面产生表面波。

③探头晶片一般用矩形晶片。

④实用中无近场长度影响（N已全部在透场楔内）。

（即透声楔内纵波行程较大。

）（即大于N）

（三）表面波的传播特性

①对表面柱孔和近表面横孔随孔径增大反射率增加，频

率越高，反射率增大越快。

横孔离表面距离越近，反射率越高。

②对棱角边的反射有下列特性（棱角可认为相当于裂纹）。

用2.5~5MHZ频率表面波，反射信号在棱角小于或等于90°时有较强的反射；大于90°之后，反射逐渐降低；大于170°时，棱边反射降为零。

因工件中裂纹与表面之间会成各种角度，为防止漏检，必须从两个方向上探测。

表面波传到棱边时会产生波型转换，变型波遇到反射面时，同样会产生反射回波，形成干扰回波。

③表面波传播时，表面有油层，则表面波的垂直成份向油层辐射，衰减很大，表面回波幅度降为零。

故传播路径上有油滴会产生反射，用油手拍打探头前表面时，表面波会衰减掉。

④表面光洁度和材料组织对表面波传播影响：

粗糙的表面，不但声耦合不好，而且表面波传播过程中容易发生散射，使表面波衰减较大，（传播方向与机加工刀痕同向，衰减小些），材料晶粒粗大，且晶粒界面对表面波减衰很大，晶粒越大，衰减作用越大。

⑤材料厚度对表面波传播影响：

材料厚度大于2λ时，材料厚度对表面波传无影响。

材料厚度小于2λ时，表面波衰减显著增加。

因此表面波探伤不宜在小于2λ的板中进行。

⑥表面形状对表面波传播影响：

表面波在圆柱曲面上传播，凸园柱曲面表面波速大于平面波速，凹圆柱曲面表面波速小于