超聲波探傷的通用方法和基礎(chǔ)技術(shù)——(第一節(jié)超聲波探傷方法分類及特點(diǎn))

1、第三章 超聲波探傷的通用方法和基礎(chǔ)技術(shù)第一節(jié) 超聲波探傷方法分類及特點(diǎn)超聲波探傷的實(shí)質(zhì)是：首先將工件被檢部位處于一個(gè)超聲場(chǎng)中，工件若無不連續(xù)分布(如無缺陷等)，則超聲場(chǎng)在連續(xù)介質(zhì)中的分布是正常的。若工件中存在不連續(xù)分布(如有缺陷等)，則超聲波在異質(zhì)界面上產(chǎn)生反射、折射和透射，使超聲場(chǎng)的正常分布受到干擾。使用一定的方法測(cè)出這種異常分布相對(duì)于正常分布的變化，并找出它們之間變化規(guī)律，這就是超聲波探傷的任務(wù)。超聲波探傷有許多方法，如將它們逐一分類，一般可用以下幾種：超聲波探傷方法直接接觸法液浸法按缺陷顯示方式分按超聲波傳播方式分按探傷工作原理分按探傷波型分按超聲波耦合方式分按探頭數(shù)量分穿透法脈沖反射法

2、連續(xù)波法脈沖波法A型顯示法B型顯示法C型顯示法單探頭法雙探頭法多探頭法縱波法橫波法表面波法板波法下面僅以實(shí)際探傷中較為常用的方法和特點(diǎn)作一簡介。一、脈沖反射法和穿透法超聲波在傳播過程中遇到缺陷會(huì)產(chǎn)生反射、透射及缺陷后側(cè)聲影，按以上這些引起聲場(chǎng)異常變化的不同原理，可將檢測(cè)方法分為脈沖反射和穿透法(又稱陰影法)，前者以檢測(cè)缺陷的反射聲壓(或聲能)大小來確定缺陷量值，后者以測(cè)定缺陷對(duì)超聲波的正常傳播的遮擋所造成的聲影大小來確定缺陷的量值。圖31和圖32所示為這兩者的工作原理圖。目前，超聲波探傷中常用脈沖反射法，與穿透法相比，脈沖反射法有如下特點(diǎn)：1. 靈敏度高對(duì)于穿透法，只有當(dāng)超聲聲壓變化大于20%

3、以上時(shí)才有可能檢測(cè)，它相當(dāng)于聲壓只降低2dB。由于探頭晶片尺寸有一定大小及缺陷本身的聲衍射現(xiàn)象，要獲得大于20%聲壓變化量，缺陷對(duì)聲傳播遮擋面積已相當(dāng)大了。對(duì)于脈沖反射法，缺陷反射波聲壓僅是入射聲壓的1%時(shí)，探傷儀就已經(jīng)能夠檢出，此時(shí)，與缺陷反射聲壓相對(duì)應(yīng)的反射面積是很小的。2. 缺陷定位精度高脈沖反射法可利用缺陷反射波的傳播時(shí)間，通過掃描速度(即時(shí)間軸比例)調(diào)節(jié)，對(duì)缺陷進(jìn)行正確定位。而穿透法只能以觀察接收波形高低來確定缺陷面積，而波形所處位置不能表示缺陷聲程，即處于不同部位的相同面積的缺陷，其接收波形高度相等，位置不變，見圖33所示。圖31 脈沖反射法探傷原理 圖32 穿透法探傷原理 圖33

4、 穿透法探測(cè)處于不同部位的缺陷3. 適用于多種探傷技術(shù)脈沖反射法適用性廣，配以不同的探頭和耦合方式可進(jìn)行縱波、橫波、表面波、板波及直接接觸、液浸法等多種探傷技術(shù)，以適應(yīng)從多方面對(duì)各類工件缺陷的探測(cè)。4. 不需要專門掃查裝置現(xiàn)場(chǎng)手工操作方便穿透法中為保持發(fā)收二探頭的相對(duì)位置，往往需要專用掃查裝置，而脈沖反射法單探頭工作時(shí)就不需要任何掃查裝置，從而為各種場(chǎng)合的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)帶來方便。圖34 取向不良缺陷的影響穿透法的優(yōu)點(diǎn)往往彌補(bǔ)了脈沖反射法的不足方面。例如，穿透法具有的探傷幾乎不存在盲區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)脈沖反射法直接接觸探傷因有較大盲區(qū)而不能發(fā)現(xiàn)表面缺陷的不足，且對(duì)薄工件的探測(cè)也較為適宜。再如，穿透法對(duì)形

5、狀簡單的批量工件判傷簡單，操作方便，易實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)探傷且檢查速度快。又因其聲程較反射法短，適于探測(cè)衰減系數(shù)較大的材料，對(duì)于取向不良的缺陷(其反射面不與聲束垂直)，用脈沖反射法不易檢測(cè)時(shí)，用穿透法反而有較好的探測(cè)效果，這是因?yàn)槿∠虿涣嫉娜毕菀蛩幸欢ㄖ赶蛐?，可能造成探頭接收不到反射聲壓；而穿透法中，即使缺陷取向不良，只要它遮擋超聲波束的傳播，缺陷就能被發(fā)現(xiàn)，見圖34所示。脈沖反射法是目前運(yùn)用最廣泛的一種探測(cè)方法，就其本身來說，它又可分為許多種方法，下面我們將擇要加以介紹。二、脈沖反射法的種類和特點(diǎn)脈沖反射法分類如下：脈沖反射法直接接觸法液 浸 法單探頭全沒液浸法局部液浸法間隙法縱波法橫波法表面波

6、法板波法雙探頭雙直探頭縱波法雙斜探頭橫波法1. 直接接觸縱波脈沖反射法(1) 一次脈沖反射法 一次脈沖反射法如圖35所示。圖35 直接接觸縱波一次反射法當(dāng)工件中無缺陷時(shí)，熒光屏上只有始波T與一次底波B。當(dāng)工件中有小缺陷時(shí)，始波與底波之間出現(xiàn)缺陷F，缺陷波高與其反射面積有關(guān)，此時(shí)底波幅度會(huì)有下降。當(dāng)工件中缺陷大于聲束直徑時(shí)，底波消失，熒光屏上只有始波和缺陷波。(2) 多次脈沖反射法 這是以多次底面脈沖回波為依據(jù)進(jìn)行探傷的一種方法，超聲波在具有平行表面的工件中傳播，若無缺陷時(shí)，聲波經(jīng)底面反射回探頭，一部分能量被探頭接收，得到一次底波B1，另一部分能量又折回底面再被探頭接收，得到二次底波B2，剩余能

7、量再折回探頭，如此往復(fù)多次，得到底面多次回波，直至聲能完全耗盡為止。根據(jù)多次底波波幅遞減的快慢，可用以判斷工件材質(zhì)衰減情況及有無對(duì)聲能吸收大的缺陷(如圖36所示)，也可以用來判斷工件中缺陷的嚴(yán)重程度，見圖37所示。圖36 用多次脈沖反射法探傷(3) 組合雙探頭脈沖反射法 組合雙探頭由一發(fā)一收兩晶片和有機(jī)玻璃延遲塊組成，可用來減小盲區(qū)，有利于發(fā)現(xiàn)近表面缺陷，如圖38所示。圖37 直接接觸縱波多次脈沖反射法圖38 直接接觸縱波雙探頭脈沖反射法2. 斜角探傷法在脈沖反射法探傷中，將晶片安裝在具有一定入射角的有機(jī)玻璃斜楔上，使縱波以一定傾斜角度入射，經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后在工件中獲得橫波、表面波或板波的探傷方法

8、統(tǒng)稱為斜角探傷法。斜角探傷法可以檢測(cè)直探頭縱波無法發(fā)現(xiàn)的缺陷，可適應(yīng)不同形狀工件和不同方位缺陷的探測(cè)。(1) 橫波探傷法 以有機(jī)玻璃為斜楔的斜探頭，為得到單一折射橫波，其縱波入射角應(yīng)大于第一臨界角，小于第二臨界角。對(duì)于鋼工件而言，入射角應(yīng)為27.2a57.6。圖39為橫波斜角探傷示例。(2) 表面波探波法 當(dāng)斜探頭有機(jī)玻璃斜楔入射角大于第二臨界角時(shí)，折射聲波全部沿著工件表面?zhèn)鞑?，形成表面波?(31)式中：為產(chǎn)生表面波時(shí)縱波入射角；為第一介質(zhì)中的縱波聲速；為第二介質(zhì)中的表面波聲速。對(duì)于有機(jī)玻璃/鋼，則有：圖39 橫波斜角法表面波沿工件表面?zhèn)鞑?，遇轉(zhuǎn)角或棱角時(shí)將有強(qiáng)烈反射回波，曲率越大反射越強(qiáng)。

9、工件上位于表面的缺陷也相當(dāng)于有一定曲率的棱角，也有強(qiáng)烈的反射。利用這一原理可用于工件表面探傷。圖310為軸類表面探傷示例。圖310 軸類表面波探傷(3) 板波(蘭姆波)探傷法 當(dāng)介質(zhì)中傳播的聲波波長與其板厚t相當(dāng)時(shí)，則一定入射角的縱波會(huì)在薄板中激勵(lì)出板波(蘭姆波)，此時(shí)的入射角應(yīng)滿足 (32)式中：為第一介質(zhì)中的縱波聲速；為第二介質(zhì)中的相速度，它可通過與f-t的關(guān)系曲線查出。蘭姆波有對(duì)稱型和非對(duì)稱型之分，它可在薄板兩表面之間傳播，用于探測(cè)0.55mm薄板中的分層、裂紋等缺陷。板材中無缺陷時(shí)熒光屏上只有板端面反射波；若有缺陷時(shí)，在相應(yīng)位置出現(xiàn)缺陷波，其板端面反射波波幅降低。對(duì)不同板厚，其入射角不

10、同，故可用可變角探頭進(jìn)行探傷。圖311為蘭姆波探傷示例。圖311 蘭姆波探傷3. 液浸法探傷直接接觸法雖然具有方便靈活、耦合層薄、聲能損失少等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際探傷時(shí)由于探頭上所施壓力大小、耦合層厚度、接觸面積大小、工件表面凹坑的填充程度均難以控制；因此，它們的綜合影響難以估量；再則，直接接觸法探頭容易磨損，探測(cè)速度慢，因而對(duì)某些批量規(guī)則工件宜采用液浸法探傷，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高檢查速度。(1) 液浸法的分類及其探傷圖形 液浸法就是探頭與探測(cè)面之間有一層液體傳聲層，通常以水作為耦合介質(zhì)，所以也叫水浸法。根據(jù)工件和探頭的浸沒形式，一般可分為全沒液浸工件，它們的探傷圖形是相同的，見圖312所示。圖中S1

11、和S2分別為液層與工件之間一次界面回波和二次界面回波；B1、B2、B3、為工件底面多次回波；F1、F2、F3為缺陷多次回波。間隙法見圖313所示，探頭與工件之間也有液(水)層，不過水層很薄，厚度為0.30.8mm，因此，它的探傷圖形上沒有上述兩種液浸法帶來的界面回波S，而與直接接觸探傷法圖形相同，其特點(diǎn)是耦合層可調(diào)節(jié)，且不易磨損探頭。S2(B3)圖312 液浸脈沖多次反射法探傷圖形 圖313 間隙法及其探傷圖形(2) 液浸法中超聲波的傳播 超聲波在液體中傳播時(shí)，聲束擴(kuò)散qW較小，指向性好，一旦射入工件后，依照折射規(guī)律，折射后工件中擴(kuò)散角q增大，即qqW，聲束指向性變差，見圖314所示。若被探工件表面是凸圓柱