超声波探伤方法和通用探伤技术完整版.docx

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超声波探伤方法和通用探伤技术完整版

超声波探伤方法和通用探伤技术【完整版】

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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同题，掌握这些通用技术对于发现缺陷并正确评价是很重要的。

第一节 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

   超声波探头发射脉冲波到被检试件内，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。

脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和屡次底波法。

（1）缺陷回法：

根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法，该方法是反射法的根本方法。

   图4.l是缺陷回波探伤法的根本原理；当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，探伤图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图4.1（a）所示。

假设试件中存中缺陷，在探伤图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F如图4.1（b）所示。

（2）底波高度法：

当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是根本不变的。

如果试件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失，如图4.2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，称为底波高度法。

   底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定位定量不便，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）屡次底波法：

当透入试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，超声波可在探测面与底面之间往复传播屡次，示波屏上出现屡次底波B1、B2、B3……。

如果试件存在缺陷，那么由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波，如图4.3所示。

这种依据底面回波次数。

而判断试件有无缺陷的方法，即为屡次底波法。

   屡次底波法主要用于厚度不大、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侧进行探测，

图4。

4（a）为无缺陷时的波形，图4.4（b）为有缺

陷时的波形。

   3.共振法

   假设声波（频率可凋的连续波）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，用相邻的两个共振频率之差。

由以下公式算出试件厚度。

                      〔4.1〕

式中 f0——工件的固有频率；

     fn、fn-1——相邻两共振频率；

     C——被检试件的声速；

     λ——波长；

     σ——试件厚度。

   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、按波形分类

 根据探伤采用的波形，可分为纵波法、横波法、外表波法、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。

此法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正确。

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。

   由于垂直法探伤时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比拟方便。

   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；如图4.6所示。

   此方法主要用于管材、焊缝的探伤。

其它试件探伤时，那么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.外表波法

使用外表波进行探伤的方法，称为外表波法。

这种方法主要用于外表光滑的试件。

外表波波长比横波波长还短，因此衰减也大于横波。

同时，它仅沿外表传播，对于外表上的复层、油污、不光洁等，反响敏感，并被大量地衰减。

利用此特点可以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。

   4.板波法

   使用板波进行探伤的方法，称为板波法。

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，可以发现内部的和外表的缺陷。

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。

   5.爬波法

   爬波是指外表下纵波，它是当第一介质中的纵波入射角位于第一临界角附近时在第二介

质中产生的外表下纵波。

这时第二介质中除了外表下纵波外，还存在折射横波。

这种外表下纵波不是纯粹的纵波，还存在有垂直方向的位移分量。

   爬波对于检测外表比拟粗糙的工件的表层缺陷，如铸钢件、有堆焊层的工件等，其灵敏度和分辨力均比外表波高。

   三、按探头数目分类

l.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难以检出。

当缺陷与波束轴线倾斜时，那么根据倾斜角度的大小，能够受到局部回波或者因反射波束金部反射在探头之外而无法检出。

2.双探头法 

使用两个探头（一个发射，一个接收）进行探伤的方法称为双探头法。

主要用于发现单探头法难以检缝的缺陷。

双探头又可根据两个探头排列方式和工作方式进一步分为并列式、交叉式、V型串列

式、K型串列式、串列式等。

（1）并列式：

两个探头并列放置，探伤时两者作同步向移动。

但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（a）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，适用与薄试件、近外表缺陷的探伤。

（2）交叉式：

两个探头轴线交叉，交叉点为要探测的部位，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外表上。

一个探头发射的声缺陷反射，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）串列式：

两探头一前一后，以相同方向放置在同一外表上，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（e）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）。

两个探头在一个外表上移动，操作比拟方便，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～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。

通常与多通道仪器和自动扫描装置配合，如图4.8所示。

四、按探头接触方式分类

依据探伤时探头与试件的接触方式，可以分为接触法与液浸法。

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以液体作耦合剂进行探伤的方法，称为液浸法。

耦合剂可以是水，也可以是油。

当以水为耦合剂时，称为水浸法。

液浸法探伤，探头不直接接触试件，所以此方法适用于外表粗糙的试件，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。

液浸法按探伤方式不同又分为全浸没式和局部浸没式。

（1）全浸没式：

被检试件全部浸没于液体之中，适用于体积不大，形状复杂的试件探伤，如图4.9（a）所示。

（2）局部浸没式：

把被检试件的一局部浸没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，使用于大体积试件的探伤。

局部浸没法又分为喷液式、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外表的液流进入试件，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）。

3满溢式：

满溢罩结构与同水式相似，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。

根据探头与事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。

第二节 仪器与探头的选择

探测条件的选择首先是指仪器和探头的选择。

正确选择仪器和探头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；实际探伤中要根据工件结构形状、加工工艺和技术要求来选择仪器与探头。

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：

（l）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）对于弋型零件的探伤，应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。

（4）为了有效地发现近外表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。

探伤前应根据被检对象的形状、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

常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头外表波探头、双晶探头、聚焦探头等。

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型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。

纵波直探头只能发射和接收纵波，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。

横波斜探头是通过波形转换来实现横波探伤的。

主要用于探测与深测面垂直或成一定角

的缺陷。

如焊缝生中的未焊透、夹渣、未溶合等缺陷。

外表波探头用于探测工件外表缺陷，双晶探头用