超聲檢測(cè)方法分類與特點(diǎn)及通用技術(shù)

江西省電力科學(xué)研究院

王云昌

超聲檢測(cè)方法分類與特點(diǎn)及通用技術(shù)

第一節(jié)超聲波探傷方法概述超聲波探傷方法按波的類型可分為脈沖波法和連續(xù)波法，按探傷方法原理可分為反射法、穿透法和共振法，按波形可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法和爬波法，按耦合方式可分為直接接觸法和液浸法，按探頭個(gè)數(shù)可分為單探頭法、雙探頭法和多探頭法，現(xiàn)將各種探傷方法分類列于下圖4.1：超聲波探傷方法圖例4-1.doc第二節(jié)儀器與探頭的選擇

一、探傷儀選擇儀器和各項(xiàng)指標(biāo)要符合檢測(cè)對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；其次可考慮檢測(cè)目的及現(xiàn)場(chǎng)條件。1、對(duì)定位要求高時(shí)，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器2、對(duì)定量要求高時(shí)，應(yīng)選擇垂直線性誤差小，衰減器精度高的儀器。3、對(duì)大型工件或粗晶材料工件探傷，可選擇功率大，靈敏度余量高，信噪比高，低頻性能好的儀器。4、對(duì)近表面缺陷檢測(cè)要求高時(shí)，可選擇盲區(qū)小，近區(qū)分辨好的儀器。5、室外探傷時(shí)，選重量輕、亮度好、抗干擾力強(qiáng)的便攜儀器。主要考慮：靈敏度、分辨力、定量要求，定位要求和便攜、穩(wěn)定等方面。二、探頭選擇1.型式選擇：原則為根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)目的決定：如：焊縫——斜探頭鋼板、鑄件——直探頭鋼管、水浸板材——聚焦探頭（線、點(diǎn)聚集）近表面缺陷——雙晶直探頭表面缺陷——表面波探頭

2.探頭頻率選擇超聲波檢測(cè)靈敏度一般是指檢測(cè)最小缺陷的能力，從統(tǒng)計(jì)規(guī)律發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺陷大小為時(shí)，可穩(wěn)定地發(fā)現(xiàn)缺陷波，對(duì)鋼工件用2.5~5MHZ，λ為：縱波2.36~1.18，橫波1.29~0.65，則縱波可穩(wěn)定檢測(cè)缺陷最小值為：0.6~1.2mm之間，橫波可穩(wěn)定檢測(cè)缺陷最小值為：0.3~0.6之間。這對(duì)壓力容器檢測(cè)要求已能滿足。故對(duì)晶粒較細(xì)的鑄件、軋制件、焊接件等常采用2.5~5MHZ。對(duì)晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等因會(huì)出現(xiàn)許多林狀反射，（由材料中聲阻抗有差異的微小界面作為反射面產(chǎn)生的反射），也和材料噪聲干擾缺陷檢測(cè)，故采用較低的0.5~2.5MHZ的頻率比較合適，主要是提高信噪比，減少晶粒反射。此外應(yīng)考慮檢測(cè)目的和檢測(cè)效果，如從發(fā)現(xiàn)最小缺陷能力方面，可提高頻率，但對(duì)大工件因聲程大頻率增加衰減急劇增加。對(duì)粗晶材料如降低頻率，且減小晶片尺寸時(shí)，則聲束指向性變壞，不利于檢測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)缺陷，所以應(yīng)綜合考慮。3.晶片尺寸選擇：原則：①晶片尺寸要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如滿足JB/T4730-2005要求，即晶片面積≤500mm2，任一邊長(zhǎng)≤25mm。②其次考慮檢測(cè)目的，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷，如工件較薄，則晶片尺寸可小些，此時(shí)N小。鑄件、厚工件則晶片尺寸可大些，N大、θ0小。發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力強(qiáng)。③考慮檢測(cè)面的結(jié)構(gòu)情況如對(duì)小型工件，曲率大的工件復(fù)雜形狀工件為便于耦合要用小晶片，對(duì)平面工件，晶片可大一些。4.斜探頭K值選擇：原則：①保證聲束掃到整個(gè)檢測(cè)斷面，對(duì)不同工件形狀要具體分析選擇。②盡可能使檢測(cè)聲束與缺陷垂直，在條件許可時(shí)，盡量用K大些的探頭。薄工件K大些，厚工件K可小些。③根據(jù)檢測(cè)對(duì)象選K：如單面焊根部未焊透，選K=0.7-1.5，即在K=0.84-1時(shí)檢測(cè)靈敏度最高。第三節(jié)耦合與補(bǔ)償

耦合就是實(shí)現(xiàn)聲能從探頭向工件的傳遞，它可用探測(cè)面上聲強(qiáng)透過率來表示耦合的好壞，聲強(qiáng)透過率高，表示聲耦合好。一、耦合劑——在工件與探頭之間表面，涂敷液體、排除空氣，實(shí)現(xiàn)聲能傳遞該液體即耦合劑。實(shí)際耦合劑聲阻抗在1.5~2.5×106公斤/米2，而鋼聲阻抗為45×106公斤/米2。所以靠耦合劑是很難補(bǔ)償曲面和粗糙表面對(duì)探測(cè)靈敏度的影響。水銀耦合效果最好，聲阻抗為：19.8×106kg/m2與鋼接近，但有毒、很貴，故不推薦。對(duì)耦合劑的要求：①對(duì)工件表面和探頭表面有足夠浸潤性，并既有流動(dòng)性，又有附著力強(qiáng)，且易清洗。②聲阻抗大，應(yīng)盡量和被檢工件接近。③對(duì)人體無害，對(duì)工件無腐蝕作用。④來源廣，價(jià)格低廉。⑤性能穩(wěn)定。二、影響聲耦合的主要因素3.耦合層厚度d：在均勻介質(zhì)中：最好：d=n·即半波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)聲壓透射率為1，幾乎無反射，聲能全部透射。好象耦合層不存在。最不好：d=（2n+1）即四分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍時(shí)，聲壓透射率最低，反射率最高。4.工件表面粗糙度影響由上面均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層對(duì)聲波的聲壓反射率表示式可知d→0時(shí)，可得r≈0。耦合效果越好。表示工件表面光潔度越光越好，表面粗糙度越差。則d越大耦合越差。但是當(dāng)表面太光后探頭和工件之間耦合層由于表面張力吸附作用，變成真空使探頭移動(dòng)困難。同時(shí)因真空不能傳播聲波，使耦合變差。一般工件要求粗糙度Ra=6.3μm5.耦合劑聲阻抗影響一般液體耦合劑聲阻抗均比工件聲阻抗小，故對(duì)同一探測(cè)面（光潔度相同，工件材質(zhì)相同）聲阻抗越大的耦合劑耦合效果越好。6.工件表面形狀影響平面工件耦合最好。凸曲面次之凹曲面最差。三、表面耦合損耗測(cè)定與補(bǔ)償1.耦合損耗測(cè)定試塊和工件在材質(zhì)、反射體、探頭、儀器相同條件下，僅表面光潔度不同測(cè)出相同反射體（聲程相同）回波高度dB差。聲程不同時(shí)，應(yīng)對(duì)聲程變化引起的dB差進(jìn)行修正。2.補(bǔ)償將試塊上反射體回波高調(diào)至某高h(yuǎn)，再提高測(cè)得的dB值，即為補(bǔ)償。利用底波反射橫波耦合損耗測(cè)試實(shí)例：用兩個(gè)相同規(guī)格斜探頭，作一發(fā)一收方式先在試塊上相對(duì)探測(cè)，分別測(cè)得兩探頭相距一跨距和二跨距時(shí)底面回波高H1和H2，在示波屏上作出H1和H2連線。再將兩探頭在工件上相對(duì)探測(cè)，同樣分別測(cè)得兩探頭相距一跨距和二跨距時(shí)底面回波高h(yuǎn)1和h2，在示波屏上作出h1和h2連線。則H1和H2連線位于h1和h2連線上方，這是因?yàn)楣ぜ砻娲植隈詈喜钜鸬慕Y(jié)果，則此兩線高度差即為表面耦補(bǔ)償差dB值。當(dāng)試塊厚度小于工件時(shí)，h1位于H1和H2中間，當(dāng)試塊厚度大于工件時(shí)，H1位于h1和h2中間。第四節(jié)探傷儀調(diào)節(jié)

一、掃描線比例調(diào)節(jié)1.縱波：以工件厚度聲程為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)，一般將工件二次底波調(diào)節(jié)10格。（直探頭）一般將工件一次底波調(diào)節(jié)5格。多次反射：Bn。根據(jù)工件厚和反射次數(shù)決定。2.橫波①聲程調(diào)節(jié)法常用于直探頭管座角焊縫斜探頭T型焊

可用IIW和IIW2試塊法來調(diào)節(jié)。②水平法CSK-IA法（利用R100，R50）橫孔試塊法（CSK-IIIA和CSK-IIA或薄板試塊法）。③深度法CSK-IA（利用R100，R50）CSK-IIIA、IIA。二、探傷儀靈敏度調(diào)節(jié)法1.試塊法根據(jù)工件探傷靈敏度要求。將探頭對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)試塊上人工缺陷探測(cè)使波高達(dá)到某基準(zhǔn)波高（如50%高），再根據(jù)工件厚度、要求、調(diào)節(jié)衰減器達(dá)到要求的靈敏度，這方法要注意下到幾點(diǎn)：試塊和工件材質(zhì)不同，衰減不同的補(bǔ)償。試塊和工件表面粗糙度不同的補(bǔ)償。試塊反射體聲程和工件檢測(cè)靈敏度要求聲程不同引起補(bǔ)償（擴(kuò)散、材質(zhì)）。試塊反射體和工件檢測(cè)靈敏度要求的反射體種類不同引起補(bǔ)償。2.工件底波法調(diào)整靈敏度要求：①工件底面和探測(cè)面平行。②工件底面和探測(cè)面形狀相同，且規(guī)則?！鱠B=20lg③工件底面和探測(cè)面形狀不同。如帶中心孔的軸或筒體外表面或內(nèi)表面探測(cè)。A△dB=20lg+10lgB△dB=20lg－10lg特點(diǎn)：①方便、不用試塊②不考慮表面補(bǔ)償③不考慮材質(zhì)衰減（底面缺陷和底波聲程相同）方法：只要求出底波高與要求的檢測(cè)靈敏度反射法之間回波高度差。第五節(jié)缺陷位置測(cè)定

一、縱波（直探頭）缺陷定位：將缺陷波在掃描線上刻度與所調(diào)比例對(duì)比求得缺陷波聲程。二、表面波探傷缺陷定位：根據(jù)缺陷波前沿位置按所調(diào)掃描線比例確定缺陷離探頭距離。三、橫波平面工件缺陷定位：9.聲程比例調(diào)節(jié)定出水平距離Lf=nTfSinβ和深度df=nTfCOSβ，二次波df=2T-nTfCOSβ。10.按水平比例調(diào)節(jié)定出：水平距離Lf=nTf可直接在掃描線上讀出深度df=nTf/K，二次波df=2T-nTf/K。11.按深度比例調(diào)節(jié)定出：水平距離Lf=K·nTf深度：df=nTf二次波：df=2T–nTf四、橫波周向探測(cè)1.外園周向探測(cè)離外表深度H=R-弧長(zhǎng)⌒L=tg-1式中：d為掃描線上顯示的平板工件深度。H為曲面工件上缺陷離外表面實(shí)際深度。R為工件外半徑。K為探頭K值?！袨槿毕蓦x探頭外表面弧長(zhǎng)。

L2.內(nèi)壁周向探測(cè)h=－r⌒=tg-1L特點(diǎn)：h>d⌒<LL式中：r為工件內(nèi)半徑。3.最大探測(cè)壁厚探頭在筒體外表面探測(cè)時(shí)，主聲束與內(nèi)表面相切時(shí)筒體的壁厚即為最大探測(cè)壁厚Tm。此時(shí)探頭折射β為：Sinβ=r/R（R、r分別為筒體外、內(nèi)半徑）則≤即Tm≤R第六節(jié)缺陷大小測(cè)定一、當(dāng)量法適用于小于聲場(chǎng)的缺陷的當(dāng)量測(cè)定。1.當(dāng)量試塊比較法方法：將人工缺陷（試塊上標(biāo)準(zhǔn)反射體）與工件中自然缺陷回波比較，定出的缺陷當(dāng)量。要求：①加工一系列不同聲程，不同形狀（平底孔或橫孔），不同尺寸（直徑不同）試塊，將自然缺陷聲程與試塊上聲程相近的反射體比較。②試塊與工件材質(zhì)相近或相同，光面光潔度，工件形狀相同或一致。③探測(cè)條件一致，儀器、探頭、靈敏度一致。優(yōu)點(diǎn)：直觀，測(cè)得當(dāng)量值較明確。缺點(diǎn)：要做大量試塊，成本高。對(duì)X>3N時(shí)做試塊不易，故僅在X≤3N時(shí)應(yīng)用。2.當(dāng)量計(jì)算方法△當(dāng)量：不同類型和不同大小的工件中的任何缺陷反射回波高與同聲程的某標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)則）反射體的反射回波高相同時(shí)，則該標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)則）反射體的類型和尺寸即為該缺陷的當(dāng)量?！饔捎趯?shí)際缺陷的幾何形狀，表面狀況、方向，缺陷性質(zhì)各不相同，其聲吸收、聲散射比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則幾何反射體復(fù)雜的多。一般實(shí)際缺陷總比所定的當(dāng)量值大3~5倍，或更多。當(dāng)量計(jì)算方法：利用規(guī)則形狀反射體回波聲壓（第二章中介紹的幾種）與缺陷回波聲壓（缺陷波高dB值）進(jìn)行比較得到缺陷當(dāng)量。基本公式：（各標(biāo)準(zhǔn)反射體回波聲壓）大平底：平底孔：長(zhǎng)橫孔：短橫孔：Lf——短橫孔長(zhǎng)，Df——短橫孔直徑。球孔：園柱曲面：PC=凸面r內(nèi)半徑PC=凹面R外半徑?？紤]材質(zhì)衰減應(yīng)均乘上：e-式中：P=2P0Sin在X>3N時(shí)P=具體計(jì)算：用公式計(jì)算：應(yīng)根據(jù)缺陷波高與所定探傷靈敏度比較或和底波高比較，再與探傷靈敏度比較。計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮：①材質(zhì)衰減。如題中不考慮，就不管。如題中告訴衰減，要弄清是雙程還是單程的。②是否要不同孔型之間相互換算。如靈敏度為平底孔，題中要求求出長(zhǎng)橫孔當(dāng)量，這要互換。X≥3N時(shí)近似準(zhǔn)確。③用AVG圖計(jì)算，可直接查得缺陷相對(duì)大小G，再乘探頭晶片尺寸DS則可得缺陷尺Df。④用實(shí)用當(dāng)量曲線可在曲線上直接查得缺陷當(dāng)量直徑。二、測(cè)長(zhǎng)法：適用于缺陷尺寸大于聲束截面時(shí)的缺陷。指示長(zhǎng)度：根據(jù)缺陷波高，用探頭移動(dòng)距離的方法。按規(guī)定方法測(cè)得的缺陷長(zhǎng)稱指示長(zhǎng)度。特點(diǎn)：由于工件中實(shí)際缺陷取向、性質(zhì)、表面狀態(tài)均影響缺陷回波高度。故指示長(zhǎng)度一般小于或等于實(shí)際長(zhǎng)度（此時(shí)所用dB值即缺陷波最高波下降dB值≤6dB時(shí)），當(dāng)dB>6dB時(shí)，一般將缺陷測(cè)大，即指示長(zhǎng)度大于實(shí)際長(zhǎng)度。1.相對(duì)靈敏度測(cè)方法相對(duì)靈敏度法是以缺陷最高回波為基準(zhǔn)，使探頭沿缺陷長(zhǎng)度方向兩端移動(dòng)，使缺陷波下降一定的dB值。常用6dB（半波）、12dB（波高）、20dB（全波消失）。①6dB法（半波）適用于：缺陷只有一個(gè)高點(diǎn)缺陷基本垂直聲束缺陷沿探頭移動(dòng)方向基本均勻缺陷長(zhǎng)度大于聲束截面

指所用波束截面這里指6dB波束截面②端點(diǎn)6dB法：一般將缺陷測(cè)大缺陷有多個(gè)高點(diǎn)時(shí)，用端部6dB法即使端部波高下降6dB。關(guān)鍵：確定端部缺陷回波峰值（最高值），找到了缺陷端部峰值后，和6dB法同樣操作。2.絕對(duì)靈敏度法探傷儀在規(guī)定靈敏度條件下沿缺陷方向移動(dòng)（不管缺陷最高在何值）。使缺陷波下降至規(guī)定的位置如評(píng)定線，如JB/T4730中Ⅰ區(qū)缺陷規(guī)定降到測(cè)長(zhǎng)線即為絕對(duì)靈敏度法。特點(diǎn)：①測(cè)長(zhǎng)是與缺陷最高波多少無關(guān)。②缺陷長(zhǎng)度（指示長(zhǎng)度）與缺陷波高和所規(guī)定的測(cè)長(zhǎng)值位置有關(guān)，如缺陷波高只比規(guī)定測(cè)長(zhǎng)靈敏度高3dB，即為3dB測(cè)長(zhǎng)，一般將缺陷測(cè)短。如缺陷波高比規(guī)定測(cè)長(zhǎng)靈敏度高20dB，即為20dB測(cè)長(zhǎng)，一般將缺陷測(cè)大。3.端點(diǎn)峰值法：一般將缺陷測(cè)少。在探頭移動(dòng)過程中發(fā)現(xiàn)缺陷有多個(gè)高點(diǎn)，則將缺陷兩端點(diǎn)最大波高處探頭位置的距離作為端點(diǎn)峰值法指示長(zhǎng)度。關(guān)鍵：尋找端點(diǎn)峰值位置?！饕陨蠝y(cè)長(zhǎng)法適用：長(zhǎng)條形缺陷①對(duì)于缺陷回波包絡(luò)線只有一個(gè)極大值的缺陷，可用最大波高衰減法，常用6dB法。②對(duì)缺陷回波包絡(luò)線有多個(gè)極大值缺陷，可用端點(diǎn)6dB法或端點(diǎn)峰值法。③對(duì)條形氣孔、未焊縫等宜用6