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第四章 超声波探伤方法和通用探伤技术
2025-10-02 14:59:10 责编:小OO
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第四章 超声波探伤方法和通用探伤技术

                                 By adan
 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、底波高度法和多次底波法。

    (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,该方法是反射法的基本方法。

    图4.l是缺陷回波探伤法的基本原理;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。

            

若试件中存中缺陷,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,底面回波高度应是基本不变的。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)多次底波法: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多次,示波屏上出现多次底波B1、B2、B3……。如果试件存在缺陷,则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,即为多次底波法。

    多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

    若声波(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、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佳。由于盲区和分辨力的,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,所以缺陷定位比较方便。

    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,则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.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。

表面波波长比横波波长还短,因此衰减也大于横波。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,可以发现内部的和表面的缺陷。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

    爬波是指表面下纵波,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

质中产生的表面下纵波。这时第二介质中除了表面下纵波外,还存在折射横波。这种表面下纵波不是纯粹的纵波,还存在有垂直方向的位移分量。

    爬波对于检测表面比较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表面波高。

    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,则根据倾斜角度的大小,能够受到部分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、近表面缺陷的探伤。

(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表面上。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表面上,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)。两个探头在一个表面上移动,操作比较方便,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,所以此方法适用于表面粗糙的试件,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:把被检试件的一部分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表面的液流进入试件,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)为了有效地发现近表面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、横波斜探头表面波探头、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。

表面波探头用于探测工件表面缺陷,双晶探头用于探测工件近表面缺陷。聚焦探头用于水浸探测管材或板材。

2.探头频率的选择

超声波探伤频率在O.5~10MHz之间,选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因索。

(1)由于波的绕射,使超声波探伤灵敏度约为,因此提高频率,有利于发现更小的缺陷。

(2)频率高,脉冲宽度小,分辨力高,有利于区分相邻缺陷。

(3)可知,频率高,波长短,则半扩散角小,声束指向性好,能量集中,有利于发现缺陷并对缺陷定位。

(4)可知,频率高,波长短,近场区长度大,对探伤不利。

(5)可知,频率增加,衰减急剧增加。

由以上分析可知,频率的离低对探伤有较大的影响。频率高,灵敏度和分辨力高,指向性好,对探伤有利。但频率高,近场区长度大,衰减大,又对探伤不利。实际探伤中要全面分析考虑各方面的因索,合理选择频率。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。

对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等,一般选用较高的频率,长用2.5~5.0MHz。对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率,常用O.5~2.5MHz。如果频率过高,就会引起严重衰减,示波屏上出现林状回波,信噪比下降,甚至无法探伤。

3.探头晶片尺寸的选择

探头圆晶片尺寸一般为φ10~φ30mm,晶片大小对探伤也有一定的影响,选择晶片尺寸时要考虑以下因素。

(l)可知,晶片尺寸增加,半扩散角减少,波束指向性变好,超声波能量集中,对探伤有利。

(2)由N=等可知,晶片尺寸增加,近场区长度迅速增加,对探伤不利。

(3)晶片尺寸大,辐射的超声波能量大,探头未扩散区扫查范围大,远距离扫查范围相对变小,发现远距离缺陷能力增强。

以上分析说明晶片大小对声柬指向性,近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响。实际探伤中,探伤面积范围大的工件时,为了提高探伤效率宜选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时,为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。探伤小型工件时,为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。探伤表面不太平整,曲率较大的工件时,为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。

4.横渡斜探头K值的选择

在横波探伤中,探头的K值对探伤灵敏度、声束轴线的方向,一次波的声程(入射点至底面反射点的距离)有较大的影响。由图l.39可知,对于用有机玻璃斜探头探伤钢制工传,βs=40°(K=O.84)左右时,声压往复透射率最高,即探伤灵敏度最高。由K=tgβs可知,K值大,βs大,一次波的声程大。因此在实际探伤中,当工件厚度较小时,应选用较大的K值,以便增加一次波的声程,避免近场区探伤。当工件厚度较丈时,应选用较小的K值,以减少声程过大引起的衰减,便于发现深度较大处的缺陷。在焊缝探伤中,还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。对于单面焊根部未焊透,还要考虑端角反射问题,应使K=O.7~l.5,因为Kl.5,端角反射率很低,容易引起漏检。

 

第三节  耦合与补偿

 

一、耦合剂

超升耦合是指超声波在探测面上的声强透射率。声强透射率高,超声耦合好。

为了提高偶合效果,在探头与工件表面之间施加的一层透声介质称为耦合剂。耦合剂的作用在于排除探头与工件表面之间的空气,使超声波能有效地传入工件,达到探伤的目的。此外耦合剂还有减少摩擦的作用。一般耦合剂应满足以下要求:

(1)能润湿工件和探头表面,流动性、粘度和附着力适当,不难清洗。

(2)声阻抗高,透声性能好。

(3)来源广,价格便宜。

(4)对工件无腐蚀,对人体无害,不污染环境。

(5)性能稳定,不易变质,能长期保存。

超声波探伤中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。它们的声阻抗Z如下:

   耦合剂           机油      水      水玻璃       甘油 

Z×106kg/m2·s      1.28      1.5      2.17        2.46

由此可见,甘油声阻抗高,耦合性能好,常用于一重要工件的精确探伤,但价格较贵,对工件有腐蚀作用。水玻璃的声阻抗高,耦合性能好,常用于表面粗糙的工件探伤,但清洗不太方便,且对工件有腐蚀作用。水的来源广,价格低,常用于水浸探伤,但使工件生锈。机油和变压器油粘度、流动性、附着力适当,对工件无腐蚀、价格也不贵,因此是目前应用最广的耦合剂。  

二、影响声耦合的主要因素

影响声耦合的主要因素有:耦合层的厚度,耦合剂的声阻抗,工件表面粗糙度和工件表面形状。

1.耦合层厚度的影响

如图4.10所示,耦合层厚度对耦合有较大的影响。当耦合层厚度为的奇数倍时,透声效果差,耦合不好,反射回波低。当耦合层厚度为的整数倍或很薄时,透声效果好,反射回波高

2.表面粗糙度的影响

由图4.11可知,工件表面粗糙度对声耦合有明显的影响。对于同一耦合剂,表面粗糙度高,耦合效果差,反射回波低。声阻抗低的耦合剂,随粗糙度的变差,耦合效果降低得更快。但粗糙度也不必太低,因为粗糙度太低,耦合效果无明显增加。而且使探头因吸附力大而移动困难。 

一般要求工件表面粗糙度Ra不高于6.3μm。

3.耦合剂声阻抗的影响

由图4.11还可以看出,耦合剂的声阻抗对耦合效果也有较大的影响。对于同一探测面,耦合剂声阻抗大,耦合效果好,反射回波高,例如表面粗糙度Rz=100 μm时,Z=2.4的甘油耦合回波比Z=l.5的水耦合回波高6~7dB。

4.工件表面形状的影响

工件表面形状不同,耦合效果不一样.其中平面耦合效果最好,凸曲面次之,凹曲面最差。因为常用探头表面为平面,与曲面接触为点接触或线接触,声强透射率低。特别是凹曲面,探头中心不接触,因此耦合效果更差。

不同曲率半径的耦合效果也不相同,曲率半径大,耦合效果好。

三、表面耦合损耗的测定和补偿

 

 

在实际探伤中,当调节探伤灵敏度用的试块与工件表面粗糙度、曲率半径不同时,往往由于工件耦合损耗大而使探伤灵敏度降低。为了弥补耦合损耗,必须增大仪器的输出来进行补偿。

1.耦合损耗的测定

为了恰当地补偿耦合损耗,应首先测定工件与试块表面耦合损耗的分贝差。

一般的测定耦合损耗差的方法为:在表面耦合状态不同,其他条件(如材质、反射体、探头和仪器等)相同的工件和试块上测定二者回波或穿透波高分贝差。

下面以横波斜探头为例来说一、二次波探伤时耦合损耗的测定方法。一次波探伤又称直射法,二次波探伤又称一次反射法。一、二次波对应的水平距离为一倍跨距,常用IS表示。

首先制作两块材质与工件相同、表面状态不同的试块。一块为对比试块、粗糙度同试块,另一块为待测试块,表面状态同工件。分别在两试块同深度处加工相同的长横孔反射体,然后将探头分别置于两试块上,如图4.12所示,测出二者长横孔回波高度的△dB差,此△dB即为二者耦合损耗差。

以上是一次波探伤时耦合损耗差的测定法。当用二次波探伤时,常用一发一收的双探头穿透法测定。

当工件与试块厚度、底面状态相同时,只需在同样探测条件下用穿透法测定二者反射波高的△dB即可

当工件厚度小于试块厚度时,如图4.13所示。图中R1、R2分别为工件上一倍跨距离(1S)

和两倍跨距(2S)测试点的底面反射波高,R为试块上一倍跨距(1S)测试点底面反射波高,在R1、R2两波峰之间连一直线,则用[衰减器]测得的R与R1R2连线高度差,△dB即为二者的表面耦合差补偿量。

当工件厚度大雨试块时,如图4.14所示。图中R1、R2分别为试块上1S和2S测试点上的底面反射波高,R为工件上1S测试点上地面反射波高,则R1R2连线与R的高度差即为二者的耦合差补偿量。

2补偿方法

设测得的工件与试块表面耦合差补偿是△dB。具体补偿方法如下:

   

先用“衰减器”衰减△dB,将探头置于试块上调好探伤灵敏度.然后再用“衰减器”增益△dB即减少△dB衰减量),这时耦合损耗恰好得到补偿,试块和工件上相同反射体回波高度相同。

 

第四节  探伤仪的调节

    

在实际探伤中,为了在确定的探测范围内发现规定大小的缺陷,并对缺陷定位和定量,就必须在探测前调节好仪器的扫描速度和灵敏度。

一、扫描速度的调节

仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值τ与实际声程χ(单程)的比例关系,即τ:χ=1:

n称为扫描速度或时基扫描线比例。它类似于地图比例尺,如扫描速度l:Z表示仪器示波屏上水平刻度lmm表示实际声程2mm。

探伤前应根据探测范围来凋节扫描速度,以便在规定的范围内发现缺陷并对缺陷定位。

调节扫描速度的一般方法是根据探测范围利用已知尺寸的试块或工件上的两次不同反射波的前沿分别对准相应的水平刻度值来实现。不能利用一次反射波和始波来调节,因为始波与一次反射波的距离包括超声波通过保护膜、耦合剂(直探头)或有机玻璃斜楔(斜探头)的时间,这样调节扫描速度误差大。

下面分别介绍纵波、横波、表面波探伤时扫描速度的调节方法。

1.纵波扫描速度的调节

纵波探伤一般按纵波声程来调节扫描速度。具体调节方法是:将纵波探头对准厚度适当的平底面或曲底面,使两次不同的底波分别对准相应的水平刻度值。

例如探测厚度为4OOmm工件,扫描速度为1:4,现利用IIW试块来调节。将探头对准试块上厚为lOOmm的底面,调节仪器上“深度微调”、“脉冲移位”等旋钮,使底波B2、B4分别对准水平刻度50、lOO,这时扫描线水平刻度值与实际声程的比例正好为1:4,如图4.15(a)。

2.表面波扫描速度的调节

表面波探伤一般也是按声程调节扫描速度,具体调节方法基本上与纵波相同。只是表面波不能在同一反射体上形成多次反射。调节时要利用两个不同的反射体形成的两次反射波分别对准相应的水平刻度值来调节。如图4.l5(b),探头置于图示位置,调节仪器使棱边A、B的反射波A波和B波分别对准水平刻度值40、65,这时表面波扫描速度为1:1。

3.横波扫描速度的调节

如图4.16所示,横波探伤时,缺陷位置可由折射角β和声程χ来确定,也可由缺陷的水平距离l和深度d来确定。

一般横波扫描速度的调节方法有三种:声程调节法、水平调节法和深度调节法。

(1)声程调节法:声程调节法是使示波屏上的水平刻度值r与横波声程χ成比例。即r:χ=l:n。这时仪器示波屏上直接显示横波声程。

按声程调节横波扫描速度可在IIW、CSK一IA、IIW2、半圆试块以及其它试块或工件上

进行。

1利用IIW试块调节:IIW试块R100圆心处未切槽,因此横波不能在Rl00圆弧面上形成多次反射,这样也就不能直接利用R100来调节横波扫描速度。但IIW试块上有91mm尺寸,钢中纵波声程91mm相当于横波声程50mm的时间。因此利用91mm可以调节横波扫描速度。

下面以横波1:1为例说明之。如图4.17所示,先将直探头对准91mm底面,调节仪器使底波B1、B2分别对准水平刻度50、100,这时扫描线与横波声程的比例正好1:1。然后换上横波探头,并使探头入射点对准R100圆心,调“脉冲移位”使R100圆弧面回波B1对准水平刻度100,这时零位才算校准。即这时水平刻度“0”对于斜探头的入射点,始波的前沿位于“0”的左侧。

以上调节方法比较麻烦,针对这一情况,我国的CSK—IA试块在R100圆弧处增加了一个R50的同心圆弧面这样就可以将横波探头直接对准R50和R100圆弧面,使回波B1(R50)对50,B2(R100)对 100,于是横波扫描速度1:1和“0”点同时调好校准。

              

2利用IIW2和半圆试块调节:当利用IIW2和半圆试块调横波扫描速度时,要注意它们

的反射特点。探头IIW2试块R25圆弧面时,各反射波的间距为25、75、75……,对准R50圆弧面时,各反射波间距为50、75、75……。探头对准R50半圆试块(中心不切槽)的圆弧面,各反射波的距离为50、100、100……。

下面说明横波1:1扫描速度的调整方法。

利用IIW2试块调:探头对准R25圆弧面,调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度25、100

即可,如图4.18(a)。

    利用R50半圆试块调:探头对准R50圆弧面,调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度0、

100,然后调“脉冲移位”使B1对准50即可,如图4.18(b)。

    (2)水平调节法:水平调节法是指示波屏上水平刻度值τ与反射体的水平距离l成比例,

即τ:l=1:n。这时示波屏水平刻度值直接显示反射体的水平投影距离(简称水平距离),多用

子薄板工件焊缝横波探伤。

    探水平距离调节横波扫描速度可在CSK—IA试块、半圆试块、横孔试块上进行。

    ①利用CSK—IA试块调节:先计算R50、R100对应的水平距离11、12:

                                                       (4.2)

式中  K——斜探头的K值(实测值)。

然后将探头对准R50、R100,调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度11、12。当K=1.0时,11=35mm,12==70mm,若使B1一35,B2—70,则水平距离扫描速度为1:1。

    ②利用R50半圆试块调节:先计算B1、B2对应的水平距离11、12:

                                                        (4.3)

然后将探头对准R50圆弧,调节仪器使使B1、B2分别对准水平刻度值11、12。当K=1.0时,11=35mm,12=105mm。先使B1、B2、分别对准0、70,再调“脉冲移位”使B1一35,则水平距离扫描速度为1:1。

③利用横孔试块调节:以CSK一ⅢA试块为例说明之。

    设探头的K=1.5,并计算深度为20、60的φl×6对应的水平距离11、12:

                               11=Kd1=1.5×20=30

                               12=Kd2=1.5×60=90

    调节仪器使深度为20、60的φl×6的回波H1、H2分别对准水平刻度3O、90,这时水平距离扫描速度1:1就调好了。需要指出的是,这里H1、H2不是同时出现的,当H1对准30时。H2不一定正也对准90、因此往往要反复调试,直至H1对准3O,H2正好对准90。

(3)深度调节法:深度调节法是使示波屏上的水平刻度值r与反射体深度d成比例,即τ:d=1:n,这时示波屏水平刻度值直接显示深度距离。常用于较厚工件焊缝的横波探伤。

    按深度调节横波扫描速度可在CSK—IA试块、半圆试块和横孔试块等试块上调节。

    ①利用CSK—IA试块调节:先计算R50、R100圆弧反射波B1、B2对应的深d1、d2:

                                                      (4.4)

    然后调节仪器使B1、B2分别对准承平刻度值d1、d2。当K=2.0时,d1=22.4mm。d2=

44.8mm,调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度22.4、44.8,则深度l:l就调好了。

2利用R50半圆试块调节:先计算半圆试块B1、B2对应的深度d1、d2:

                                                       (4.5)

    然后调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度值d1、d2即可,这时深度1:l调好。

    ③利用横孔试块调节:探头分别对准深度d=40,d=80的CSK—IA试块上的l×6横

孔,调节仪器使d1、d2对应的φl×6回波H1、H2分别对准水平刻度40、80,这时深度1:1就调好了。这里同样要注意反复调试。使H1对准40时的H2正好对准80。

二、探伤灵敏度的调节

    探伤灵敏度是指在确定的声程范围内发现规定大小缺陷的能力,一般根据产品技术要求

或有关标准确定。可通过调节仪器上的[增益]、[衰减器]、[发射强度]等灵敏度旋钮来实现。

    调整探伤灵敏度的目的在于发现工件中规定大小的缺陷,并对缺陷定量。探伤灵敏度太高或太低都对探伤不利。灵敏度太高,示波屏上杂波多,判伤困难。灵敏度太低,容易引起漏检。

    实际探伤中,在粗探时为了提高扫查速度而又不致引起漏检,常常将探伤灵敏度适当提

高,这种在探伤灵敏度的基础上适当提高后的灵敏度叫做搜索灵敏度或扫查灵敏度。

调整探伤灵敏度的常用方法有试块调整法和工件底波调整法两种。

    l.试块调整法

    根据工件对灵敏度的要求选择相应的试块,将探头对准试块上的人工缺陷,调整仪器上的有关灵敏度旋钮,使示波屏上人工缺陷的最高反射回波达基准高,这时灵敏度就调好了。

    例如,压力容器用钢板是利用φ5平底孔来调整灵敏度的。具体方法是:探头对准φ5平底孔,[衰减器]保留一定的衰减余量,[抑制]至“0”,调[增益]使φ5平底孔最高回波达示波屏满幅度80%或6O%,这时灵敏度就调好了。

    又如,超声波探伤厚度为100mm的锻件,探伤灵敏度要求是:不允许存在φ2平底孔当量大小的缺陷。探伤灵敏度的调整方法是:先加工一块材质、表面光洁度、声程与工件相同的φ2平底孔试块,将探头对准φ2平底孔,仪器保留一定的衰减余量,[抑制]至“O”,调[增益]使φ2平底孔的最高回波达80%或60%高,这时探伤灵敏度就调好了。

2.工件底波调整法

    利用试块调整灵敏度,操作简单方便,但需要加工不同声程不同当量尺寸的试块,成本高,携带不便。同时还要考虑工件与试块因耦合和衰减不同进行补偿。如果利用工件底波来调整探伤灵敏度,那么既不要加工任何试块,又不需要进行补偿。

    利用工件底波调整探伤灵敏度是根据工件底面回波与同深度的人工缺陷(如平底孔)回波分贝差为定值,这个定值可以由下述理式计算出来。

                                      (4.6)

式中  χ——工件厚度;

      Df——要求探出的最小平底孔尺寸。

利用底波调整探伤灵敏度时,将深头对准工件底面,仪器保留足够的衰减余量,一般大予△+(6~lO)dB(考虑搜索灵敏度),[抑制]至“O”,调[增益]使底波B1最高达基准高(如80%),然后用[褒减器]增益△dB(即褒减余量减少△dB),这时探伤灵敏度就调好了。

由于理式只适用于χ≥3N的情况,因此利用工件底波调灵敏度的方法也只能用于厚度尺寸χ≥3N的工件,同时要求工件具有平行底面或圆柱曲底面,且底面光洁干净。当底面粗糙或有水油时,将使底面反射率降低,底波下降,这样调整的灵敏度将会偏高。

例如,用2.5P20Z(2.5MHzφ20mm直探头)探伤厚度χ=400mm的饼形钢制工件,钢中cL

=5900m/s,探伤灵敏度为400/φ2平底孔(在400mm处发现φ2平底孔缺陷)。

利用工件底波调整灵敏度的方法如下。

①计算:利用理论计算公式算出400mm处大底度与φ2平底孔回波的分贝差△为

                          

分贝差△也可由纵波平底孔AVG曲线得到,如图2一17中MN对应的分贝整△=44dB。

②调整:将探头对准工件大平底面,[衰减器]衰减50dB,调[增益]使底波B1达80%,然后使[衰减器]的衰减量减少44dB,即[衰减器]保留6dB,这时φ2灵敏度就调好了。也就是说这时400mm处的φ2平底孔回波正好达基准高(即400mm处φ2回波高为6dB)。如果粗探时为了便于发现缺陷,可采用使[衰减器]再去6dB的搜索灵敏度来进行扫查。但当发现缺陷以后对缺陷定量时,衰减器应打回到6dB。

利用试块和底波调整探伤灵敏度的方法应用条件不同。利用底波调整灵敏度的方法主要

用于具有平底面或曲底面大型工件的探伤,如锻件探伤。利用试块调整灵敏度的方法主要用于无底波和厚度尺寸小于3N的工件探伤。如焊缝探伤、钢板探伤、钢管探伤等。

    此外,还可以利用工件某些特殊的固有信号来调整探伤灵敏度,例如在螺栓探伤中常利用螺纹波来调整探伤灵敏度,在汽轮机叶轮键槽径向裂纹探伤中常利用键槽圆角反射的键槽波来调整探伤灵敏度。

 

第五节  缺陷位置的测定

    

超声波探伤中缺陷位置的测定是确定缺陷在工件中的位置,简称定位。一般可根据示波屏上缺陷波的水平刻度值与扫描速度来对缺陷定位。

一、纵波(直探头)探伤时缺陷定位

仪器按1:n调节纵波扫描速度,缺陷波前沿所对的水平刻度值为τf、测缺陷至探头的距隔χf为:

χf=nτf                                           (4.7)

若探头波束轴线不偏离,则缺陷正位于探头中心轴线上。

例如用纵波直探头探伤某工件,仪器按l:2调节纵波扫描速度,探伤中示波屏上水平刻

度值70处出现一缺陷波,那么此缺陷至探头的距离χf:

                                χf=nτf=2×70=140(mm)

二、表面波探伤时缺陷定位

表面波探伤时,缺陷位置的确定方法基本同纵波。只是缺陷位于工件表面,并正对探头中心轴线。

例如表面波探伤某工件,仪器按1:1调节表面波扫描速度。探伤中在示波屏水平刻度60处出现一缺陷波,则此缺陷至探头前沿距离χf为:

                                  χf=nτf=1×60=60(mm)

三、横波探伤平面时缺陷定位

横波斜探头探伤平面时,波束轴线在探测两处发生折射,工件中缺陷的位置由探头的折射角和声程确定或由缺陷的水平和垂直方向的投影来确定。由于横波扫描速度可按声程、水平、深度来调节,因此缺陷定位的方法也不一样。下面分别加以介绍。

1.按声程调节扫描速度时

仪器按声程1:n调节横波扫描速度。缺陷波水平刻度为τf。

一次波探伤时,如图4.19(a),缺陷至入射点的声程χf=nτf,如果忽略横线孔直径,则缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为:

                                               (4.8)

           

二次波探伤时,如图4.19(b),缺蹈至入射点的声程χf=nτ,则缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为

                                               (4.9)

式中   T一工件厚度;

   β——探头横波折射角。

2.按水平调节扫描速度时

仪器按水平距离1:n调节横波扫描速度,缺陷波的水平刻度值为τf,采用 K值探头探

伤。

一次波探伤时,缺陷在工件中的水平距离lf和深度d,为:

                                                         (4.10)

二次波探伤时,缺陷波在工件中的水平距离lf和深度df为:

                                               (4.11)

    例如用K2横波斜探头探伤厚度T=15mm的钢板焊缝;仪器按水平l:l调节横波扫描

速度,探伤中在水平刻度τf=45处出现一缺陷波,求此缺陷的位置。

    由于KT=2×15=30,2KT=60,KT<τf=45<2KT,因此可以判定此缺陷是二次波发

现的。那么缺陷在工件中的水平距离lf,和深度df为:

                                  

    3.按深度调节扫描速度bf

    仪器按深度1:n调节横波扫描速度,缺陷波的水平刻度值为τf,采用K值探头探伤。一次波探伤时,缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为:

                                                              (4.12)

    二次波探伤时,缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为:

                                                       (4.13)

    例如用Kl.5横波斜探头探伤厚度T=30mm的钢板焊缝,仪器按深度1:1调节横波扫

描速度,探伤中在水平刻度r=40处出现一缺陷波,求此缺陷位置。

    由于T深度df为:

                       lf=Knτf=l.5×l×40×60(mm)

                       df=2T-nτf =2×30一l×4O一20(mm)

    四、横波周向探测圆柱曲面时缺陷定位

    前面讨论的是横波探伤中探测面为平面对的缺陷定位问题。当横波探测圆柱面时,若沿轴想探测,缺陷定位与平面相同;若沿周向探测,缺陷定位测与平面不同。下面分外圆和内壁探测两种情况加以讨论。

l.外圆周向探测

    如图4.20所示,外圆周向探测圆柱曲面时,缺陷的位置由深度H和弧长L来确定,显然H、L与平板工件中缺陷的深度d和水平距离l是有较大差别的。

    图4.20中:

    AD=d(平板工件中缺陷深度)

    BC=dtgβ=Kd=l(平板工件中缺陷

水平距离)

AO=R,CO=R-d

从而可得:

          

由(4.14)式算出用K1.0探头外圆周向探测φ2388×148(外径×壁厚)圆柱曲面时不同d

值所对应的H和L列于表4.1。

   表4.1                    外圆周向探测定位修正表K1.0

a(l)

102020405060708090100110120130140150160
L102031415263748597109120132145157170183
H10203039495868778695104113122131139148
从表4.1可以看出,当探头从圆柱曲面外壁作周向探测时,弧长L总比水平距离I值大,

但深度H却总比d值小。而且差值随d值增加而增大。

  2.内壁周向探测

  如图4.21所示,内壁周各探测圆柱曲面时,缺陷的位置由深度h和弧长l来确定,这里的h和l与平板工件中缺陷深度d稠水平距离l是有较大差别的。

    图4.21中:

    AC=d(平板工件中缺陷的深度)

    BC=dtgβ=Kd=l(平板工件中缺陷的水平距离)

    

    从而可得:

          

由(4.15)式算出用K1.0探头内壁周向探测φ2388×148圆柱曲面时,不同d值所对应的K和l值列于表4.2。

    表4.2                  内孔周向探测定位修正表K1.0

a(l)102030405060708090100110120130140
L10202938485765748291199107115123
H102030415162728394104115126137148
 

由表4.2可以看出,当探头从圆柱曲面内壁作周向探测时,弧长l总比水平距离l小,但深度h却总比d值大。

下面举例说明周向探测圆柱曲面缺陷定位。

    例如用K1.5横波斜探头外圆周向探测φ1080×85压力容器纵缝。仪器按深度l:2调节扫描速度,探伤中在水平刻度40处出现一缺陷波,试确定此缺陷的位置。

    由已知得:

          

以此代入(4.14)式得:

           

这说明该缺陷至外圆的距离H=.6mm,对应的外圆弧长L=137.7mm。

3.最大探测壁厚

    如图4.22所示,当用横波外圆周向探测简体工件时,对应于每一个确定的K值探头,都有一个对应的最大探测厚度。当波束轴线与简体内壁相切时,对应的壁厚为最大搽测厚度Tm。当工件厚度大于Tm时,波束轴线将扫查不到内壁。不同K值探头最大探测壁厚Tm与工

件外径D之比Tm/D可由下述方法导出。

             

式中  Tm——可探测的最大壁厚;

      D——工件外径;

      K——探头的K值,K=tgβ。

由(4.16)式算出不同K值探头对应的Tm/D列于表4.3。

表4.3                    不同K值(β)对应的Tm/D的范围

K00.6510203040506070 
β33.2°

35°

38.7°

45°

56.3°

63.4°

68.2°

71.5°

74°

r/R0.54760.57360.62520.70710.83200.420.92850.94870.9613
Tm/D0.22620.21230.18740.14650.08400.05290.03580.02560.0194
由上表可知,探头的K值愈小,可探测的最大壁厚就愈大,K值愈大,可探测的最大壁厚就愈小。当K值取最小值时,对应的可探测壁厚最大。从理论上讲,β=33.2°,K=0.65时,可探测的壁厚最大为Tm/D=0.2262,r/R=0.5476。但出于这时的横波声压往复透射率低,容易漏检,因此,实际探伤中K值往往选得大一些。例如我国一般的焊缝超声波探伤标准都规定K值最小为Kl.0。当K=1.0时,可探测的最大壁厚与外径之比Tm/D=0.1465,内外半径之比r/R=O.7071。但由于随着r/R接近临界值,将会产生表面波,使声程偏差急剧增大。考虑到缺陷定位、定量的准确性,故一般把简体可搽测的内外半径范围定为r/R≥80%。

4.声程修正系数弘和跨距修正系数m。

    如图4.23所示,横波周向探测筒体工件与平板工件不同,不但内表面的入射角变大了,而且探头跨距和声程也变大了。这样仪器探测范围的调节及缺陷定位与平板工件也有所不同。

对于平板工件,横波一次波声AG与跨距AH为

                         (4.17)

对于筒体工件,纵向探测时锈可按上式计算,但周向探测时就不能应用上式了。迭时需要推导新的计算公式。

    设筒体工件横波一次波声程为AC,跨距为AE。刚有

    声程修正系数 

    跨距修正系数 

    当探头和工件一定时,由几何关系可知,超声波倾斜入射到筒体工件内壁时,其入射角β′比探头折射角β大 。于是有

                                                                     (4.18)

由图4.23可以看出

          

由(4.19)式可知,μ是β、r/R的函数,当β给定时,μ仅随r/R而变化。μ与β(k)、r/R的关系曲线如图4.24所示。由图4.24可知,当β

(K)一定时,μ随r/R增大而减小。当μ一定时,β(K)大,对应的r/R大。

声程修正系数μ曾在JB1152—8l标准中得到应用。该标准规定利用横波探测简体纵焊缝时,以μ=1.1作为用曲面试块进行修正的条件。当μ≤1.l时,筒体工件与等厚的平板工件声程差小,可以不用曲面试块修正。当μ>1.l时,筒体工件与等厚的平板工件声程差大,

要用特制的曲面试块修正。

    由图4.24得μ>1.1时用曲面试块修正的

条件是:

       

    由(4.21)式得声程修正系数μ与T/D的关系曲线如图4.25所示,由(4.22)式得跨距修

正系数m与T/D的关系曲线如图4.26所示。

    由图4.25可知

    ①β一定时,μ随T/D增加而增大。这说明用特定的探头探测不同壁厚的工件,其声程修正系数μ不同。壁厚愈大(T/D愈大),声程修正系数μ愈丈。

    ②μ值一定时,β值大者对应的T/D小。这说明用不用β探头探测工件,欲使声程修正系数μ一定,那么β值小的探头可探测的工件壁厚大(T/D大)。

    ③对于β一定的探头,T/D均有一个变化范围,当T/D大于某一特定值时,μ值不存在。

这时声束轴线扫查不到工件内壁。这一特定值就是该探头可探测的最大壁厚(T/D)m。例如,β=45°时(T/D)m=O.l46。

由图4.26可知,跨距修正系数m与T/D的关系类似于μ与T/D的关系。

图4.25在跨距点的声程修正系数产    图4.26跨距点的探头距离修正系数m

在实际探伤中,可根据图4.25与图4.26查得μ、m、然后计算出横波周向探测筒体工件时的声程和跨距。

一次波探伤时的声程AC和半跨距 为

                                               (4.23)

二次波探伤时的声程2AC和跨距AE

                                                (4.24)

式中  T——筒体工件壁厚;

  μ——声程修正系数;

  m——跨距修正系数;

  β——斜探头的折射角。

注意,以上公式只适用于筒体内外表面缺陷定位。这也是实际探伤中最常见的缺陷。但有时缺陷不在内外表面上,这时上述公式不适用。

对于壁厚较大的工件,一般按深度调节探测范围和比例。这时需要知道一、二次波对应的深度d1和d2。

扫查探测过程中,当缺陷波对应的深度df=μT时,说明该缺陷位于内壁。当df=2μT时,说明该缺陷位于外壁。当df<μT时,说明该缺陷在一次波范围内.可据(4.14)式确定缺陷位置。当μT/横波周向探测简体工件时缺陷定位计算将在后面的管材探伤、锻件探伤和焊缝探伤中得到应用。

 

第六节  缺陷大小的测定

    

缺陷定量包括确定缺陷的大小和数量,而缺陷的大小指缺陷的面积和长度。

目前,在工业超声波探伤中,对缺陷的定量的方法很多,但均有一定的局限性。常用的定量方法有当量法、底波高度法和测长法三种。当量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于声束截面的情况,测长法用于缺陷尺寸大于声束截面的情况。

一、当量法

采用当量法确定的缺陷尺寸是缺陷的当量尺寸。常用的当量法有当量试块比较法、当量计算法和当量AVG曲线法。

1.当量试块比较法

当量试块比较法是将工件中的自然缺陷回波与试块上的人工缺陷回波进行比较来对缺陷定量的方法。

加工制作一系列含有不同声程不同尺寸的的人工缺陷(如平底孔)试块,探伤中发现缺陷

时,将工件中自然缺陷回波与试块上人工缺陷回波进行比较。当同声程处的自然缺陷回波与某人工缺陷回波高度相等时,该人工缺陷的尺寸就是此自然缺陷的当量大小。

利用试块比较法对缺陷定量要尽量使试块与被探工件的材质、表面光洁度和形状一致,并且其他探测条件不变,如仪器、探头,灵敏度旋钮的位置埘探头施加的压力等。

当量试块比较法是超声波探伤中应用最早的一种定量方法,其优点是直观易懂。当量概念明确,定量比较稳妥可靠。但这种方法需要制作大量试块,成本高。同时操作也比较烦琐.现场探伤要携带很多试块,很不方便。因此当量试块比较法应用不多,仅在χ<3N的情况下或特别重要零件的精确定量时应用。

2.当量计算法

当χ≥3N时,规则反射体的回波声压变化规律基本符合理论回波声压公式。当量计算法就是根据探伤中测得的缺陷波高的dB值,利用各种规则反射体的理论回波声压公式进行计算来确定缺陷当量尺寸的定量方法。应用当量计算法对缺陷定量不需要任何试块。是目前广泛应用的一种当量法。下面以纵波探作伤为例来说明平底孔当量计算法。

平底孔和大平底面的回波声压公式为

   

不同距离处的大平底与平底孔回波分贝差为

                           (4.26)

式中  △Bf一底波与缺陷波的dB差;

χf——缺陷至探测面的距离;

χB——底面至探测面的距离;

Df~缺陷的当量平底孔直径;

λ——波长;

α一一材质衰减系数(单程)。

不同平底孔回波分贝差为

                           (4.27)

式中△12——平底孔l.2的dB差;

    Df1、Df2——平底孔1、2勰当量直径;

    χ1、χ2——平底孔l、2的距离。

    利用以上两式测试试结果可以算出缺陷的当量平底孔尺寸。

例1,用2.5P14Z探头探伤厚度为420mm饼形钢制工件,钢中CL=5900m/s,不考虑介质

衰减,利用底波调整φ2平底孔探伤灵敏度。探伤中在210mm处发现一缺陷,其回波比底波低26dB,求此缺陷的当量大小。 

由已知得:

所以可以应用当量计算法。

  设420mm处大平底回波声压为PB,210mm处缺陷回波声压为Pf,则有

      

即该缺陷的当量平底孔尺寸为φ2.8mm。

    例2,用2.5P20Z探头径向探伤直径为500MM的实心圆柱钢工件,CL=5900m/s,α=

O.01dB/mm,利用底波调整500/φ2灵敏度,探伤中在400mm处发现一缺陷,其回波比灵敏度

基准波高22dB,求此缺陷的当量大小。

由已知得:

    因此可以利用当量计算法。

设400mm处缺陷回波声压为Pf1,500mm处φ2回波声压为Pf2,则有

即此缺陷的当量平底孔尺寸为φ5.1mm。

3.当量AVG曲线法法 

当量AVG曲线法是利用通用AVG或实用AVG曲线来确定 工件中缺陷的当量尺寸。

例1,条件同当量计算法例1。

    由已知条件得:

查如图4.27所示的AVG曲线,由横坐标AB=20作垂直线交大平底B曲线于a点,由于

Af=10处的缺陷回波比AB=20处的大平底回波低26dB,因此,由a点向下数26dB到b点,过b点作水平线交过Af=l0所作的垂线于c,c点落在G=0.2曲线上,于是缺陷的当量平底孔尺寸为

此结果与当量计算法结果相同。

例2:条件同当量计算法例2,用实用AVG定量。实用AVG曲线图4.24未考虑介质衰减,因此这里也应扣除介质衰减的分贝差:

在图4.30中,由χB=500作垂直线交φ2曲线于a点,由a向上数20dB至b点,过b点作水平线交过χf=400作垂直线于c点,c点对应的当量大小为φ5,即此缺陷的当量平底孔尺寸为φ5mm。

此结果与当量计算结果基本一致。

         

二、测长法

当工件缺陷尺寸大于声束截面时,一般采用测长法来确定缺陷的长度。

测长法是根据缺陷波高与探头移动距离来确定缺陷的尺寸。按规定的方法测定的缺陷长

度称为缺陷的指示长度。由于实际工件中缺陷的取向、性质、表面状态等都会影响缺陷回波高,因此缺陷的指示长度总是小于或等于缺陷的实际长度。

根据测定缺陷长度时的灵敏度基准不同将测长法分为相对灵敏度法、绝对灵敏度法和端

点峰值法。

1.相对灵敏度测长法

相对灵敏度测长法是以缺陷最高回波为相对基准、沿缺陷的长度方向移动探头,降低一定的dB值来测定缺陷的长度。降低的分贝值有3dB、6dB、10dB、12dB、20dB等几种。常用的是6dB法和端点6dB法。 

(1)6dB法(半波高度法):由于波高降低6dB后正好为原来的一半,因此6dB法又称为半波高度法。

半波高度法具体做法是:移动探头找到缺陷的最大反射波(不能达到饱和)然后沿缺陷方

向左右移动探头,当缺陷波高降低一半时,探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度。

6dB法的具体体做法是:移动探头找到缺陷的最大反射波后,调节衰减器,使缺陷波高降至基准波高。然后用衰减器将仪器灵敏度提高6dB,沿缺陷方向移动探头,当缺陷波高降至基准波高时,探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度,如图4.29所示。 

半波高度法(6dB法)是用来对缺陷测长较常用的一种方法。适用于测长扫查过程中缺陷

波只有一个高点的情况。

(2)端点6dB法(端点半波高度法):当缺陷各部分反射波高有很大变化时,测长采用端点6dB法。 

端点6dB法测长的具体做法是:当发现缺陷后,探头沿着缺陷方向左右移动,找到缺陷两端的最大发射波,分别以这两个端点反射波高为基准,继续向左,向右移动探头,当端点反射波高降低一半时(或6dB时),探头中心线之间的距离即为缺陷的指示长度.如图4.30所示。这种方法适用于测长扫查过程中缺陷反射波有多个高点的情况。

半波高度法和端点6dB法都属于相对灵敏度法,因为它们是以被测缺陷本身的最大反射

波或以缺陷本身两端最大反射波为基准来测定缺陷长度的。

2.绝对灵敏度测长法

绝对灵敏度测长法是在仪器灵敏度一定的条件下,探头沿缺陷长度方向平行移动,当缺陷波高降到规定位置时(如图4.3l所示B线),探头移动的距离,即为缺陷的指示长度。

绝对灵敏度测长法测得的缺陷指示长度与测长灵敏度有关。测长灵敏度高,缺陷长度大。

在自动探伤中常用绝对灵敏度法测长。

3.端点峰值法

探头在测长扫查过程中,如发现缺陷反射波峰值起伏变化,有多个高点时,则可以缺陷两端反射波极大值之间探头的移动长度来确定为缺陷指示长度,如图4.32所示。这种方法称为端点峰值法。

端点峰值法测得的缺陷长度比端点6dB法测得的指示长度要小一些。端点峰值法也只适

用于测长扫查过程中,缺陷反射波有多个高点的情况。

三、底波高度法

底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。

当工件中存在缺陷时,由于缺陷反射,使工件底波下降。缺陷愈大,缺陷波愈高,底波就愈低,缺陷波高与底波高之比就愈大。

底波高度法常用以下几种方法来表示缺陷的相对大小。

1.F/BF法

F/BF法是在一定的灵敏度条件下,以缺陷波高F与缺陷处底波高BF之比来衡量

缺陷的相对大小。如图4.33(a)。

2.F/BG法

F/BG法是在一定的灵敏度条件下,以缺陷波高F与无缺陷处底波高BG之比来衡

量缺陷的相对大小,如图4.33(6)。

3.BG/BF法

BG/BF法是在一定的灵敏度条件下,以无缺陷处底波BG与缺陷处底波BF之比来衡量缺陷的相对大小。

底波高度法不用试块,可以直接利用底波调节灵敏度和比较缺陷的相对大小,操作方便。

但不能给出缺陷的当量尺寸,同样大小的缺陷,距离不同,F/BF不同,距离小时F/BF大,距离大时F/BF小。因此F/BF相同的缺陷当量尺寸并不一定相同。此外底高度波法只适用于具有平行底面的工件。

 

          

最后还要指出:对于较小的缺陷底波B1往往饱和;对于密集缺蹈往往缺陷波不明显,这时上述底波高度法就不适用了,但这时可借助于底波的次数来判定缺陷的相对大小和缺陷的密集程度。底波次数少,缺陷尺寸大或密集程度严重。

底波高度法可用于测定缺陷的相对大小、密集程度、材质晶粒度和石墨化程度等。

 

第七节  缺陷自身高度的测定

    

设备的安全可靠性除与缺陷长度有关外,还与缺陷自身高度有关。在脆性断裂玻坏中,有时缺陷高度比长度更为重要。然而缺陷高度测定比长度困难更大。迄今为止,缺陷高度测定,还处于研究阶段。显然测定方法较多,但实际应用时,测量精度不高,误差较大。下面介绍几种用得较多的方法。

这里的缺陷包括表面开口和未开口缺陷,表面开口缺陷又分为上表面开口和下表面开口

两种情况。

一、表面波波高法

如图4.34所示,表面波入射到上表面开口缺陷时,会产生一个反射回波,其波高与缺陷深度有关。当缺陷深度较小时,波高缺缺陷深度增加而升高。实际探测中,常加工一些具有不同深度的人工缺陷试块,利用试块比较法来确定缺陷的深度。

这种方法只适用于测试深度较小的表面开口缺陷。当缺陷深度超过两倍波长时。测试误差大。

                 

二、表面波时延法

(1)单探头法:如图4.35所示,仪器按表面波声程1:n调节比例,表面波在缺陷开口A

处和尖端B处产生A、B两个反射回波。根据A、B波前沿岁对的水平刻度τA、τB确定缺陷深度h。

                      (4.28)

这种方法只适用于深度较大的开口缺陷。深度太小,难以分辨。缺陷表面过于粗糙,测试误差增加。如果缺陷中充满了油或水,误差会更大。

(2)双探头法:如图4.36所示,仪器接表 面波声程1:n调节比例,先将两个一发一收的表面波探头置于无缺陷处的工件表面,这时示波屏上出现一个波H1,记录该波前沿的刻度值τ1和两探头之间距a,然后将两探头置于缺陷两测,间距保持不变,这时发射探头发出的表面波绕过缺陷被接收探头接收,示波屏上出现一个波H2,其水平刻度值为τ2,这时缺陷的深度h为:

           

这种方法只适用于测量表面开口缺陷。实验室测试误差可达±1mm。但当缺陷内含油或

水等液体时,表面波有可能跨越缺陷开口,使测试误差大大增加。此外,缺陷端部太尖锐,接收到的波低甚至接收不到。还有缺陷表面过于粗糙,接收回波低,且误差增大。

三、端部回波峰值法

如图4.37所示,当横波斜探头主声束轴线打到缺陷端部时,产生一个段高的回波F。根据探头前沿至缺陷的距离a和探头的K(β)值可得缺陷深度h为:

 

        

式中  lo——探头前沿长度。

试验表明,缺陷深度的测试误差与探头的K(β)值有关。当K值大于1.O时误差较大,当K=l.0时误差较小。

利用端部回波峰值法还可测定表面未开口缺陷的高度,如图4.40所示。当声波主声束轴线入射到缺陷中部时。由于缺陷表面凹凸不平,示波屏上将产生回波F。当探头前后移至1、2处时,波束轴线打到缺陷上、下端点,产生较强的回波F1、F2,据l、2处的声程χ1、χ2和探头的K(β)值可求得缺陷自身高度h:

               

                                             (4.31)

利用探头l、2处的间距a也可求得h:

                         

当缺陷倾斜时,根据缺陷端部回波声程和探头的K(β)值,利用有关的几何关系同样可以求得缺陷的尺寸。具体方法这里不再赘述。    

    这种方法对于上端点至表面的距离小于5mm的缺陷.测试困难大。

    横波端部回波峰值法是目前应用较广的一种方法,其测试误差较小。特别是采用点聚焦探头来测试,精度更是明显提高。

四、横波端角反射法

如图4.39(a)所示,横波入射到下表面开口缺陷时产生端角反射回波,其回波高与缺陷深度h同波长λ之比h/λ有关。如图4.39(b)所示,缺陷深度在2mm内,波高随h/λ的变化不是单调的,而是起伏变化。特别是探头K(β)值较大,这种起伏变化更大。因此实测中常用对比试块来测定缺陷的深度。这种方法用于测试下表面开口缺陷深度。

五、横波串列式双探头法

    如图4.40所示。对于表面光洁且垂直于探测面的缺陷,单探头接收不到缺陷反射波。需用两个K(β)值相同的斜探头进行串列式探测来测定缺陷的高度。这时两个探头作一发一收,当工件中无缺陷时,接收探头接收不到回波。当工件中存在缺陷时,发射探头发出的波从缺陷反射到底面,再从鹿面反射至接收探头,在示波屏上产生一个回波。该回波位置固定不动。两探头前后平行扫查,确定声束轴线入射到缺陷上下端点时的位置A、A′和B、B′。然后根据探头A、B处的距离AB和K(β)值求得h:

                        (4.44)

式中  H1——探头A、A′位置的间距;

      H2——探头B、B′位置的间距。

   

串列式双探头法测定缺陷下端点时,存在一个探测不到的死区,如图4.41所示。死区高度h′取决于两探头靠在一起时两入射点的距离b(即探头长度)

                                                       (4.34)

式中  β——探头的折射角,K=tgβ。

这种方法用于测试表面未开口缺陷高度。

    六、相对灵敏度lOdB法

如图4.42所示。先用一次波找到缺陷最高回波,前后移动探头,确定缺陷回波下降10dB时探头的位置A、B。最后根据A、B位置的声程xl、x2和K(β)求得h:

               式中  β1、β2——声束轴线声压下降10dB时的折射角,可用试块上的人缺陷测定。

相对灵敏度法也可采用6dB、20dB法测定,测试方法同10dB法。目前国内外用得较多的是lOdB。

七、散射波法(衍射法)   

如图4.43所示,将两个K(β)值相同的斜探头置于缺陷两侧,作一发一收。发射探头发出

的波在缺陷端部产生散射衍射。被接收探头接收。平行对称移动探头找到最高回波,这时缺陷深度h为:

                           

                                                     (4.36)

这种方法适用于检测高≥3mm的表面开口缺陷。测试误差约±l~2mm。

 

第八节  影响缺陷定位、定量的主要因素

 

目前A型脉冲反射式超声波探伤仪是根据荧光屏上缺陷波的位置和高度来评价被检工

件中缺陷的位置和大小,然而影响缺陷波位置和高度的因素很多。了解这些影响因素,对于提高定位、定量精度是十分有益的。

一、影响缺陷定位的主要因素

1.仪器的影响

(1)仪器水平线性:仪器水平线性的好坏对缺陷定位有一定的影响。当仪器水平线性不佳时,缺陷定位误差大。

(2)仪器水平刻度精度:仪器时基线比例是根据示波屏上水平刻度值来调节的,当仪器水平刻度不准时,缺陷定位误差增大。

2.探头的影响

    (1)声束偏离:无论是垂直入射还是倾斜入射探伤,都假定波束轴线与探头晶片几何中心重合,而实际上运两者往往难以重合。当实际声束轴线偏离探头几何中心轴线较大时.缺陷定位精度定会下降。

    (2)探头双峰:一般探头发射的声场只有一一个主声束。远场区轴线上声压最高。但有些探头性能不佳,存在两个主声束,发现缺陷时。不能判定是哪个主声束发现的,因此也就难以确定缺陷的实际位置。

(3)斜楔磨损:横渡探头在探伤过程中,斜楔将会磨损。当操作者用力不均时,探头斜楔前后磨损不同。当斜楔前面磨损较大时,折射角增大,探头K值增大。当斜楔后面磨损较大时.折射角减小,K值也减小。此外,探头磨损还会使探头入射点发生变化,影响缺陷定位。

(4)探头指向性:探头半扩散角小,指向性好,缺陷定位误差小,反之定位误差大。

    3.工件的影响

(1)工件表面粗糙度:工件表面粗糙,不仅耦合不良,而且由于表面凹凸不平,使声波进入工件的时间产生差异。当凹槽深度为λ/2时,则进入工件的声波相位正好相反。这样就犹如一个正负交替变化的次声源作用在工件上,使进入工件的声波互相干涉形成分叉,如图4.44所示,从而使缺陷定位困难。

(2)工件材质:工作材质对缺陷定位的影响可从声速和内应力两方面来讨论。当工件与试块的声速不同时,就会使探头的K值发生变

化。另外,工件内应力较大时,将使声波的传播速度和方向发生变化。当应力方向与波的传播方向一致时,若应力为压缩应力,则应力作用使试件弹性增加,遮时声速加快。反之,着应力为控傅应力,则声速减慢。当应力与波的传播方向不一致时,波动过程中质点振动轨迹受应力干扰,使波的传播方向产生偏离,影响缺陷定位。

(3)工件表面形状:探测曲面工件时,探头与工件接触有两种情况。一种是平面与曲面接触,这时为点或线接触,握持不当,探头折射角容易发生变化。另一种是将探头斜楔磨戏曲面。探头与工件曲面接触,这时折射角和声束形状将发生变化,影响缺陷定位。

(4)工件边界:当缺陷靠近工件边界时,由于侧壁反射波与匿接入射波在缺陷处产生干涉,使声场声压分布发生变化,声束轴线发生偏离,使缺陷定位误差增加。

(5)工件温度:探头的K值一般是在室温下测定的。当探测的工件温度发生变化时,工件中的声速发生变化,使探头的折射角随之发生变化。如图4.45所示。图中曲线表示β=45°的探头折射角变化情况。当温度低于20°时,β<45°。当温度高于20时°,β>45°。

(6)工件中缺陷情况:工件内缺陷方向也会影响缺陷定位。缺陷倾斜时,扩散波束入射至缺陷时回波较高,而定位时误认为缺陷在轴线上,从而导致定位不准。

 4.操作人员的影响

(1)仪器时基线比例:仪器时基线比例一般在试块上调节。当工件与试块的声速不同时,仪器的时基线比例发生变化。影响缺陷定位精度。

另外,调节比例时,回波前沿没有对准相应水平刻度或读数不准。使缺陷定位误差增加。

(2)入射点、K值:横波探测时,当测定探头的入射点、K值误差较大时,也会影响缺陷定位。

(3)定位方法不当:横波周向探测圆柱筒形工件时,缺陷定位与平板不同,若仍按平板工件处理,那么定位误差将会增加。例如JB1152—81标准规定声程修正系数μ=1.1且工件内外半径之比r/R小予某一规定值时(K=1.O,r/R<0.86;K=2.0,r/R三、影响缺陷定量的因素

1.仪器及探头性能的影响

仪器和探头性能的优劣,对缺陷定量精度影响很大。仪器的垂直线性、衰减器精度、频率、探头形式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影响回波高度。因此,在探伤时,除了要选择垂直线性好、衰减器精度高的仪器外,还要注意频率、探头形式、晶片尺寸和折射角的选择。

(1)频率的影响:由 可知,超声波频率f对于大平底与平底孔回波高度的分贝差△Bf,有直接影响。f增加,△Bf减少.f减少。△Bf增加。因此在实际探伤中,频率f偏差不仅影响利用底波调节灵敏度,而且影响用当量计算法对缺陷定量。

(2)衰减器精度和垂直线性的影响:A型脉冲反射式超声波探伤仪是根据相对波高来对缺陷定量的。而相对波高常常用衰减器来度量。因此衰减器精度直接影响缺陷定量,衰减器精度低定量误差大。

当采用面板曲线图对缺陷定量时,仪器的垂直线性好坏将会影响缺陷定量精度。垂直线性差,定量误差大。

(3)探头形式和晶片尺寸的影响:不同部位不同方向的缺陷,应采用不同形式的探头。如锻件、钢板中的缺陷大多平行于探测面,宜采用纵波直探头。焊缝中危险性大的缺陷大多垂直于探测面,宜采用横波探头。对于工件表面缺陷,宜采用表面波探头。对于近表面缺陷,宜采用分割式双晶探头。这样定量误差小。

晶片尺寸影响近场区长度和波束指向性,因此对定量也有一定的影响。

(4)探头K值的影响:超声波倾斜入射时。声压往复透射率与入射角有关。对于横波K值斜探头而言,不同K值的探头的灵敏度不同。因此探头K值的偏差也会影响缺陷定量。特别是横波检测平板对接焊缝根部未焊透等缺陷时.不同K值探头探测同一根部缺陷,其回波高相差较大,当K=0.7~1.5(βs=35°~55°)时,回波较高,当K=1.5~2.0(βs=55°~63°)时,回波很低,容易引起漏检。

2.耦合与衰减的影响

(1)耦合的影响:超声波探伤中,耦合剂的声阻抗和耦合层厚嚏对回波高有较大的影响。

由(1.37)式可知,当耦合层厚度等于半波长的整数倍时,声强透射率与耦合剂性质无关。

当耦合层厚度等于λ2/4的奇数倍,声阻抗为两侧介质声阻抗的几何平均值(Z2=√Z1Z3)时,超声波全透射。因此,实际探伤中耦合剂的声阻抗.对探头施加的压力大小部会影响缺陷回波高度,进而影响缺陷定量。

此外,当探头与调灵敏度用的试块和被探工件表面耦合状态不同时,而又没有进行恰当的补偿,也会使定量误差增加,精度下降。

(2)衰减的影响:实际工件是存在介质衰减的,由介质衰减引起的分贝差△1=2αχ可知,当衰减系数a较大或距离χ较大时,由此引起的衰减△也较大。这时如果仍不考虑介质衰减的影响,那么定量精度势必受到影响。因此在探伤晶粒较粗大和大型工件时,直测定材质的衰减系数a,并在定量计算时考虑介质衰减的影响.以便减少定量误差。

3.试件几何形状和尺寸的影响

试件底面形状不同,回波高度不一样,凸曲面使反射波发散.回波降低;凹曲面使反射波聚焦,回波升高。对于圆柱体而言,外圆径向探测实心圆柱体时,入射点处的回波声压理论上同平底面试件,但实际上由于圆柱面耦合不及平面,因而其回波低千平底面。实际探伤中应综合考虑以上因素对定量的影响,否则会使定量误差增加。

试件底面与探测面的平行度以及底面的光洁度、干净程度也对缺陷定量有较大的影响。当试件底面与探测面不平行、底面粗糙或沾有水迹、油污时将会使底波下降·这样利用底波调节的灵敏度将会偏高,缺陷定量误差增加。

当探测试件侧壁附近的缺陷时,由于侧壁干涉的结果而使定量不准,误差增加。侧壁附近的缺陷,靠近侧壁探测回波低,远离测壁探测反而回波高。为了减少侧壁的影响,宜选用频率高、晶片直径大的指向性好的探头探测或横波探测。必要时还可采用试块比较法来定量,以便提高定量精度。

试件尺寸的大小对定量也有一定的影响。当试件尺寸较小.缺陷位于3N以内时,利用底波调灵敏度并定量,将会使定量误差增加。

4.缺陷的影响

(1)缺陷形状的影响:试件中实际缺陷的形状是多种多样的,缺陷的形状对其回波波高有很大影响。平面形缺陷波高与缺陷面积成正比。与波长的平方和距离的平方成反比;球形缺陷波高与缺陷直径成正比,与波长的一次方和距离的平方成反比;长圆柱形缺陷波高与缺陷直径的l/2次方成正比.与波长的一次方和距离的3/2次方成反比。

对于各种形状的点状缺陷,当尺寸很小时,缺陷形状对波高的影响就变得很小。当点状缺陷直径远小于波长时,缺陷波高正比于缺陷平均直径的三次方.即随缺陷大小的变化十分急剧。缺陷变小时,波高急剧下降,很容易下降到探伤仪不能发现的程度。

(2)缺陷方位的影响:前面谈到的情况都是假定超声波入射方向与缺陷表面是垂直的,但实际缺陷表面相对于超声波入射方向往往不垂直。因此对缺陷尺寸估计偏小的可能性很大。

声波垂直缺陷表面时缺陷波最高。当有倾角时,缺陷波高随入射角的增大而急剧下降。图4.46给出一光滑面的回波波高随声波入射角变化的情况。声波垂直入射时,回波波高为l,当声波入射角为2.5°时,波幅下降到1/lO,倾斜12°时,下降至l/1000,此时仪器已不能检出缺陷。

(3)缺陷波的指向性:缺陷波高与缺陷波的指向性有关,缺陷波的指向性与缺陷大小有关,而且差别较大。

垂直入射于圆平面形缺陷时.当缺陷直径为波长的2~3倍以上是,具有较好的指向性,缺陷回波较高。当缺陷直径低于上述值时,缺陷波指向性变坏,缺陷回波降低。

当缺陷直径大于波长的3倍时,不论是垂直入射还是倾斜入射,都_可把缺陷对声波的反射看成是镜面反射。当缺陷直径小于波长的3倍时,缺陷反射不能看成镜面反射,这时缺陷波能量呈球形分布。垂直入射和倾斜入射都有大致相同的反射指向性。表面光滑与否,对反射波指向性已无影响。因此,探伤时倾斜入射也可能发现这种缺陷。

(4)缺陷表面粗糙度的影响:缺陷表面光滑与否,用波长衡量。如果表面凹凸不平的高度差小于l/3波长,就可认为该表面是平滑的,这样的表面反射声束类似镜子反射光束。否则就是粗糙表面。

对于表面粗糙的缺陷,当声波垂直入射时,声波被乱反射。同时各部分反射波由于有相位差而产生干涉,使缺陷回波波高隧粗髓度的增大而下降。当声波倾斜入射时,缺陷回波波高随着凹凸程度与波长的比值增大而增高。当凹凸程度接近波长时,即使入射角较大,也能接触到回波。

(5)缺陷性质的影响:缺陷回波波高受缺陷性质的影响。声波在界而的反射率是由界面两边介质的声阻抗决定的。当两边声阻抗差异较大时,近似地可认为是全反射,反射声波强。当差异较小时,就有一部分声波透射,反射声波变弱。所以,试件中缺陷性能不同,大小相同的缺陷波波高不同。

通常含气体的缺陷,如钢中的白点、气孔等,其声阻抗与钢声阻抗相差很大,可以近似地认为声波在缺陷表面是全反射。但是,对于非金属夹杂物等缺陷,缺陷与材料之间的声阻抗差异较小,透射的声波己不能忽略,缺陷波高相应降低。

另外,金属中非金属夹杂的反射与夹杂层厚度有关,一般地说,层厚小于l/4波长时,随层厚的增加反射相应增加。层厚超过l/4波长时,缺陷回波波高保持在一定水平上。

(6)缺陷位置的影响:缺陷波高还与缺陷位置有关。缺陷位于近场区时,同样大小的缺陷随位置起伏变化,定量误差大。所以,实际探伤中总是尽量避免在近场区探伤定量。

 

第九节  缺陷性质分析

    

超声波探伤除了确定工件中缺陷的位置和大小外,还应尽可能判定缺陷的性质。不同性质的缺陷危害程度不同,例如裂纹就比气孔、夹渣危害大得多。因此,缺陷定性十分重要。

缺陷定性是一个很复杂的问题,目前的A型超声波探伤仪只能提供缺陷回波的时间和幅

度两方面的信息。探伤人员根据这两方面的信息来判定缺陷的性质是有困难的。实际探伤中常常是根据经验结合工件的加工工艺、缺陷特征、缺陷波形和底波博况来分析估计缺陷的性质。

一、根据加工工艺分析缺陷性质

工件内所形成的各种缺陷与加工工艺密切相关。例如焊接过程中可能产生气孔、夹渣、来熔合、未焊透和裂纹等缺陷。铸造过程中可能产生气孔、缩孔、疏检和裂纹等缺陷。锻造过程中可能产生夹层、折叠、白点和裂纹等缺陷。在探伤前应查阅有关工件的图纸和资料,了解工件的材料、结构特点、几何尺寸和加工工艺,这对于正确判定估计缺陷的性质是十分有益的。

二、根据缺陷特征分析缺陷性质

缺陷特性是指缺陷的形状、大小和密集程度

对于平面形缺陷,在不同的方向上探测,其缺陷回波高度显著不同。在垂直于缺陷方向探测,缺陷回波高;在平行于缺陷方向探测,缺陷回波低,甚至无缺陷回波。一般的裂纹、夹层、折叠等缺陷就属于平面形缺陷。

对于点状缺陷,在不同的方向探测,缺陷回波无明显变化。一般的气孔、小夹渣等属于点状缺陷。

对于密集形缺陷,缺陷波密集互相彼连,在不同的方向上探测,缺陷回波情况类似。一般白点、疏松、密集气孔等属于密集形缺陷。

三、根据缺陷波形分析缺陷性质

  缺陷波形分为静态波形和动态波形两大类。静态波形是指探头不动时缺陷渡的高度、形状

和密集程度。动态波形是指探头在探测面上的移动过程中,缺陷波的变化情况。

1.静态波形

缺陷内含物的声阻抗对缺陷回波高度有较大的影响。白点、气孔等内食气体,声阻抗很小,反射回波高。菲金属或金属夹渣声阻抗较大,反射回波低。另外,不同类型缺陷反射波的形状也有一定的差别。例如气孔与夹渣,气孔表面较平滑,界面反射率离,波形陡直尖锐。而夹渣表面粗糙,界面反射率低,同时还有部分声波透入夹渣层,形成多次反射,波形宽痊大并带锯齿,如图4.47。以上特点对于区分气孔与夹渣是有参考价值的。

单个缺陷与密集缺陷的区分比较容易。一般单个缺陷回波是出现的,而密集缺陷则是杂乱出现,互相彼连。

2.动态波形

超声波入射到不同性质的缺陷上,其动态波形是不同的。为了便于分析估计缺陷的性质,长给出动态波形图。动态波形图横坐标为探头移动距离,纵坐标为波高。常见不同性质的缺陷的动态波形如图4.48所示。

           

不同性质的密集缺陷的动态波形对探头移动的敏感程度不同。白点对探头移动很敏感,只要探头稍一移动,缺陷波立刻此起彼伏,十分活跃。但夹渣对探头移动不太敏感,探头移动时,缺陷波变化迟缓。 

四、根据底波分析缺陷的性质

工件内部存在缺陷时、超声波被缺陷反射使射达底面的声能减少,底波高度降底.甚至消失。不同性质的缺陷,反射面不同,底波高度也不一样,因此在某些情况下可以利用底波情况来分析估计缺陷的性质。

当缺陷波很强,底波消失时,可认为是大面积缺陷,如夹层、裂纹等。

当缺陷波与底波共存时,可认为是点状缺陷(如气孔、夹渣)或面积较小的其他缺陷。

当缺陷波为互相彼连高低不同的缺陷波,底波明显下降时,可认为是密集缺陷,如白点、疏松、密集气孔和夹渣等。

当缺陷波和底波都很低,或者两者都消失时,可认为是大而倾斜的缺陷或是疏松。若出现“林状回波”,可认为是内部组织粗大。

 

第十节  非缺陷回波的判别

超声波探伤中,示波屏上常常除了始波71、底波B和缺陷波F外,还会出现一些其他的信号波,如迟到波,三角反射波,61°反射波以及其他原因引起的非缺陷回波,影响对缺陷波的正确判别,因此,分析了解常见非缺陷回波产生的原因和特点是十分必要的。

一、迟到波

如图4.49所示,当纵波直探头置于细长(或扁长)工件或试块上时,扩散纵波波束在侧壁产生波型转换,转换为横波,此横波在另一侧面又转换为纵波,最后经底面反射回到探头,被探头接收,从而在示波屏上出现一个回波。由于转换的横波声程长,波速小,传播时间较直接从底面反射的纵波长,因此,转换后的波总是出现在第一次底波B1之后,故称为迟到波。又由于变型横波可能在两侧壁产生多次反射,每反射一次就会出现一个迟到波,因此迟到波往往有多个,如图4.34中的H1、H2、H3……。

               

迟到波之间的纵波声程差△χ(单程)是特定的。由图1.35可知,L斜入射到钢/空气界面,当αL=70°左右,αs==33°左右时,变型横波很强。由此可以算出△χ为:

(4.27)

式中  △w——迟到波H1与底波B1的波程差(双程);

  d——试件的直径或厚度。

由于迟到波总是位于B1之后,并且位置特定,而缺陷波一般位于B1之前,因此,迟到波不会干扰缺陷波的判别。

实际探伤中,当直探头置于IIWCSK或一IA试块上并对准l00mm厚的地面时,在各次底波之间出现一系列的波就是这种迟到波。

二、61°反射

当探头置于图4.50所示的直角三角形试件上时,若纵波入射角a与横波反射角β的关系为:α+β=90°,则会在示波屏上出现位置特定的反射波。

  由β=90°一a得:Sinβ=cοsα

  由反射定律得:

    对于钢: 

所以这种反射称为61°反射。

    61°反射的声程为:

当探头在AB边上移动时,反射波的位置不变,其声程恒等于直角三角形61°角所对的直角边长BC辐。

实际探伤中,当探头詈于图4.51所示的IIW试块上或类似结构的工件上A处时,同样会产生61°反射。

这时61。反射的声程为

                 (4.38)

当探头向左平行移动到B、C处时,还会出现两种反射回波。

B处是纵渡反射角与入射角均等于45°,其声程为

                     (4.39)

C处是纵波垂直入射并反射,其声程为

                                χc=d1-R 

对于IIW块,d1=70, d2=35,R=25,探头于A、B、C三处的回波声程分别为

    

对于结构比较复杂的工件,如焊接结构的汽轮机大轴,为了有效的探测焊缝根部缺陷,特加工61°的斜面,利用61°反射来探测,从而获得较高的探伤灵敏度,如图4.52所示。

    三、三角反射  

如图4.53所示,纵波直探头径向探测实心圆柱体时。由于探头平面与柱面接触面积小,使波束散角增加,这样扩散波就会在圆柱面上形成三角反射路径,从而在示波屏上出现三角

发射波,人们把这种反射称为三角反射。

 

          

如图4.53(a)所示,纵波散波束在圆柱面上不发生波型转换,形成等边三角形反射,其

回泼声程为:

                                              (4.40)

式中d——圆柱体直径。  

如图4.35(b)所示,纵波扩散波束在圆柱面上发生波型转换,即L→S→L,形成等腰三角形反射,其声程为:

                     

 由as=90°-2αL和反射定律得:

                  

 对于钢可求得αL=35.6°,αs=18.8°

                         (4.41)

由以上计算可知,两次三角反射波总是位于第一次底波B1之后,而且位置特定,分别为1.3d和1.67d,而缺陷波一般位于B1之前,因此三角反射波也不会干扰缺陷波的判别,

如图4.35(c)所示

    四、其他非缺陷回波

实际探伤中,还肯呢感产生其他一非缺陷回波,如探头杂波、工件轮廓回波、耦合剂反射波以及其他一波等。

1.探头杂波

当探头吸收不良时,会在始波后出现一些杂波。当斜探头有机玻璃斜楔设计不合理

时,声波在有机玻璃内的反射回到晶片,也会引起一杂波。还有双晶直探头探测厚壁工件时,

由于入射角比较小,声波在延迟块内的多次反射也可能产生一非缺陷信号,干扰缺陷回波的

判别。

    2.工件轮廓回波

当超声波射达工件的台阶、螺纹等轮廓时在示波屏上将引起一轮廓回波,如图4.54所示。

3.耦合剂反射波

表面波探伤时,工件表面的耦合剂,如油滴或水滴都会引起回波,影响对缺陷波的判别。

    4.幻象波

    手动探伤中,提高重复频率可提高单位时间内扫描次数,增强示波屏显示的亮度。但当重复频率过高时,第一个同步脉冲回波未来得及出现第二个同步脉冲又重新扫描。这样在示波屏上产生幻象波,影响缺陷波的判别。降低重复频率,幻象波消失。目前生产的新型超声波探伤仪,[重复频率]与[深度范围]同轴调节,设计时考意了重复频率与工件厚度的关系,一般不会产生幻象波。

    5.草状回波(林状回波)

    超声波探伤中,当选用较高的频率探伤晶粒较粗大的工件时,声波在粗大晶粒之间的界面上产生散乱反射,在示波屏上形成草状回波(又叫林状回波),影响对缺陷波的判别。降低探头频率,草状回波降低,信嗓比提高。

6.其他变型波

            

如图4.55(a)所示,横波探伤时可能出现出于变型纵波引起的回波。如图4.55(b)所示,表

    总之在探伤过程中可能出现各种各样的非缺陷回波,干扰对缺陷波的判别。探伤人员应注意应用超声波反射、折射和波型转换理论,并计算相直回波的声程来分析判别示波屏上可能出现的各种非缺陷回波,从面达到正确探伤的目的。此外还可以采用更换探头来鉴别探头杂波,用手指沾油触摸法来鉴别轮廓界面回波。

 

第十一节  侧壁干涉

    

一、侧壁干涉对探伤的影响

    如图4.56所示,纵波探伤时,探头若靠近侧壁,则经侧壁反射的纵波或横波与直接传播的纵波相遇产生干涉,对探伤带来不利影响。图中曲线表示探头至侧壁三种,不同距离时缺陷回波波高与至侧壁距离的关系。由图可以看出,对于靠近侧壁的缺陷,探头靠近侧壁正对缺陷探伤,缺陷回波低,探头远离侧壁探伤反而缺陷回波高。当缺陷的位置给定时,存在一个最佳的探头位置,使缺陷回波最高,这个最佳探头位置总是偏离缺陷。这说明由于侧壁干涉的影响,改变了探头的指向性,缺陷最高回波不在探头轴线上,这样不仅会影响缺陷定量,而且会影响缺陷定位。

              二、避免侧壁干涉的条件

   在脉冲反射法探伤中厂一般脉冲持续的时间所对应的声程不大于4λ。因此,只要侧壁反射波束与直接传播的波束声程差大于4A就可以避免侧壁干涉。

1.探头轴线上缺陷反射

    如图4.57(a)所示,对于侧壁附近探头轴线上的小缺陷,避免侧壁干涉的条件为:

                            2W一a>4λ

式中   W——入射点至侧壁反射点的距离;

       a——缺陷至探测面的距离;

      λ——超声波波长。

                 

由图4.57(a)和牛顿二项式得:

          

∴避免侧壁干涉的最小距离dmin为

                             

                      对于钢:           (4.42)

式中  a——缺陷至探测面的距离(mm)

        λ——超声波波长(mm);

        f——超声波频率(MHz)。

2.底面反射

    如图4—47(b)所示,对于侧壁附近的底面反射,避免侧壁干涉的条件为:

  

∴避免侧壁干涉的最小距离dmin为

                                 

                           (4.43)

式中   a′——工件底面至探测面的距离(mm)。

由上述公式可知,避免侧壁干涉的最小距离dmin与波长λ及距离a有关,λ、a增加dmin随之增加。此外还可发现,二者比较,底面发射最小距离较大。

    我CS-1、CS-2试块外径就是根据上述公式设计出来的。

例如,用2.5P20Z探头探测厚度为500mm圆柱体,圆柱体中cL=5900m/s。试分别计算底面反射和轴线上缺陷反射时避免侧壁干涉的最小直径各为多少?

    解:由已知得:f=2.5MHz,a=500mm

    ①底面反射避免侧壁干涉的最小直径为

  ②轴线上缺陷反射避免侧壁干涉的最小直径为

 

复  习   题

 1.简述超声波探伤方法的分类情况。

2.试分析超声波频率对探伤的影响。

3.试说明选择超声波探头晶片尺寸的主要原则。

4.什么是声耦合和耦合剂?耦合剂的作用是什么?耦合效果与哪因素有关?

5.对耦合剂性能的基本要求是什么?常用常用耦合剂有哪几种?各有何优缺点?

6.什么是补偿?在什么情况下进行补偿?如何测定耦合损耗补偿值?怎样补偿?

7.什么是扫描速度(时基扫描线比例)?探伤前为什么要调节仪器的扫描速度?调节扫描速度时,为什么要用二次不同的反射渡,而不用始波和一次反射波?

8.横波探伤时调节扫描速度的方法有哪三种?各适用于什么情况?

    9.试说明利用IIW或CSK—IA试块调节纵波扫描速度l:1和1:2的方法。

    lO.试说明利用IIW或CSK一IA试块调节表面波扫描速度l:l和、l:2的方法。

    11.试说明利用IIW、IIW2、CSK—IA试块和R50半圆试块(包括中心切槽和不切槽)按

  声程1:1、l:2调节横波扫描速度的方法。

    12.试说明利用IIW2、CSK一IA、CSK一IA试块按水平或深度l:l、1:2调节横波扫

描速度的方法。

    13.什么是探伤灵敏度?探伤前为什么要调节探伤灵敏度?

    14.超声波探伤中的探伤灵敏度、搜索灵敏度和灵敏度余量三者有何不同?

    15.调节探伤灵敏度的常用方法有哪几种?各适用于什么情况?并举例说明具体调节方法?

    16.简述纵波和表面波探伤时缺陷定位方法。

    17.画图说明横波探伤时缺陷定位的方法?

    18.仪器按声程l:n调节横波扫描速度,缺陷波所对的读数为τf,试分别导出用一、二次波探伤时缺陷的水平距离和深度的计算公式(K值探头)。

    19.仪器按水平l:n调节横波波扫描速度,缺陷波读数为τf,试分别导出用一、二次波探伤时缺陷定位的计算公式(K值探头)。

    20.仪器按深度1:n调节横波扫描速度。缺陷波读数为τf,试分别导出用一、二次波探伤对缺陷定位的计算公式(K值探头)。

2l.画图说明外壁或内壁周向探测圆柱曲面时,缺陷定位与平板工件有何不同?

    22.什么是声程修正系数?周向探测筒体纵缝时为什幺要引进声程修正系数?声程修正系数与哪些因素有关?并说明它在实际探伤中的应用。

    23.超声波探伤中常用定量方法有哪三种?各适用于什么情况?

    24.什么是当量法?常用当量法有哪几种?各有何优缺点?

    25.什么是相对灵敏度测长法和绝对灵敏度测长法?二者有何不同?

    26.什么是半波高度法(6dB法)、端点半波高度法(端点6dB法)和端点峰值法?简述用半波高度法和6dB法测定缺陷指示长度的方法。

    27.什么是缺陷的当量尺寸和指示长度?缺陷的指示长度和当量尺寸与缺陷的实际尺寸有何关系?

    28.缺陷的定位精度与哪因素有关?

    29.缺陷的定量精度与哪些因素有关?

    30.试分析说明缺陷状况对缺陷定量精度的影响。

    31.测定缺陷自射高度的方法有哪几种?试说明每种方法的原理、特点和应用。

    32.分析缺陷性质的基本原则是什么?

    33.什么是迟到波?迟到波是怎样产生的?迟到波有何特点?

    34.什么是三角反射波?三角反射波有何特点?

    35.什么是61°反射?61°反射有何特点?试举例说明6l°反射在实际探伤中的应用?

    36.超声波探伤中常见非缺陷信号回波有哪几种?如何鉴别缺陷回波和非缺陷回波?

37.什么是侧壁干涉?侧壁干涉对探伤有何不利影响?避免侧壁干涉的条件是什么?

38.在厚度为200mm的试件上调节纵波扫描速度,若B2对准50、B4对准100,问这时的扫描速度为多少?这时B1、B2分别对准的水平刻度值为多少(1:8.25和75)

39.在CL=5900m/s的试样上按1:l调节好纵波扫描速度后去探伤厚为75mm,cL=7390m/s的合金钢。这时的实际扫描速度为多少?B1对应的水平刻度值是多少?水平刻度40处的缺陷波对应的声程又是多少?(1:1。25,60.50mm)

40.斜探头入射点对准R40半圆试块(中心切槽)的圆心,仪器按横波声程调节扫描速度为l:4,试在示波屏时基线上域出可能出现的反射波。

41.斜探头入射点对准IIW2试块的圆心,仪器按声程1:4调节横波扫描速度,试在示波屏时基经上画出可能出现的反射波。

42.用2.5P20Z探头径向探测φ500mm的圆柱形工件,CL=5900m/s,如何利用工件底波调节500/φ2灵敏度。(45.5dB)    

43.用2.5P20Z探头径向探伤外径为φ1000mm的实心圆柱体钢工件,cL=5900m/s.如何利用底波调节500/φ4灵敏度?(27.4dB)

44. 用2.5P20Z探头探伤400mm的工件,如何利用150mm处φ4平底孔调节400/φ2灵敏度?(29dB) 

45.用2.5P20Z探头探伤500mm的工件,cL=5900m/s,探伤中在200mm处发现一缺陷,其波高比B1低12dB,求此缺陷的当量大小为多少?(φ5.5mm)

46.用25P20Z探头探测厚度为400mm的圆柱体工件,工件内CL=6260m/s试分别计算底面反射和轴线上缺陷反射时避免侧壁干涉的最小圆柱体直径各为多少?(126.5mm,90mm)

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