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超声波探伤检测物理基础

日期:2020-09-20 14:51
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摘要:

超声波探伤检测物理基础



1.1
超声波检测原理

利用超声波在缺陷界面的反射来进行对缺陷的定位、定量和定性。

1.2超声波的产生和接受

产生:逆压电效应:使用高频电压作用于压电晶片,使之产生高频的机械振动。

接收:压电效应:将机械振动作用于压电晶片产生电荷,以电能的形式进入仪器。

1.3超声波的特征

1.3.1 频率高f20KHz,检测使用范围为0.3MHz10MHz,常用15MHz,可作为直线传播,可使用几何光学的理论,讨论反射、透射等实际问题。

1.3.2 波长短如c=5900m/s2.5MHz,λ=2.36mm。属于毫米波,超声波传播距离长,探测厚度大,大大超过X-ray,穿透能力强

1.3.3 具有波形转换的能力可以使用纵波检测还可以使用于横波检测,  讨论波形的传播路径。

1.3.4 检测灵敏度高可检测的最小缺陷为波长的一半。

1.4超声波检测方法

1.4.1 穿透法

一收一发探头,两平行面检测,会漏检(缺陷距底面距离大于声影长度)。

1.4.2 共振法

 连续波,用于测厚。δ=nλ/2,n共振次数。c=fλ, δ=c(fn-fn-1)/2

   探头晶片厚度的计算

压电晶片的晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振,此时,在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅,晶片中心为共振的驻点。

   通常把晶片材料的频率f和厚度T的乘积称为频率常数Nt,若:

               T= λ/ 2 ,则:Ntf ·T C/2      

式中:C为晶片材料中的纵波声速。

   由式可知,频率越高, 晶片越薄,制作越困难,且Nt小的晶片材料不宜用于制作高频探头。

1.4.3 脉冲反射法(A型为主)向工件中发射脉冲,脉冲遇到界面产生反射,根据反射信号来确定缺陷的存在,完成定位、定量和定性。

 

2超声波的一般概念

2.1机械振动与机械波

2.1.1 机械振动

定义:物体在一定位置附近作来回重复的运动,称为振动。

简谐振动表达式

物体在弹性力作用下发生的谐振动规律可用下是式表示:
                     x
Acos(ωt+φ)

谐振动的运动方程式表示位移x与时间t的关系式。物体作谐振动时,位移是时间的余弦(或正弦)函数。

基本参数

振幅A :振动质点离开平衡位置的最大位移;

相位(ωt+φ):称为振动的相位;

初相位φ:为t=0时的相位,表示物体在开始振动时的运动状态;

周期T:振动质点完成一次完全振动(来回一次)所需的时间,T2π/ω;

频率f f表示单位时间内振动质点所作完全振动的次数。其单位为周/秒,称为Hz;f=1/T=ω/(2π)

角频率ω

2.1.2 机械波

机械波定义

由于机械振动在弹性介质中引起的波动(或传播)过程,例如水波、声波、超声波等。

波动是物质的一种运动形式,振动是产生波动的根源。

机械波的形成过程

质点在弹性介质中作机械振动时,将它的振动传递给与之邻近的质点,使此邻近的质点也同样地发生振动,然后振动又传给下一质点。依此类推,这样振动就由近及远向各个方向以一定的速度传播出去,从而形成了机械波。

机械波产生的条件

有作机械振动的物体作为波(声)源;有能够传播这种机械振动的介质。

超声波属于机械波,超声波的产生必须具备上述两个条件:

有一个作频率很高的机械振动的物体即超声源(晶片);

有传播超声波的介质(耦合剂,材料)。

注意:波动只是振动状态的传播,介质中各质点并不随波前进,而只以交变的振动速度在各自的平衡位置附近振动;

振动的传播速度称为波速(或声速),不要把波速与质点的振动速度混淆起来;

质点振动的方向与波动传播方向不一定相同。

波动方程

用数学方程式来描述介质中质点相对于平衡位置的位移是怎样随时间变化的方程式称为波动方程:

                                             y=Acosω(t-x/c)

波动方程的意义

如果x给定,那么位移y单纯是t的函数。波动方程表示距原点为x处的质点在各不同时间的位移,即表示质点振动情况;

如果给定t,则位移y将单纯是x的函数,这时波动方程表示在某一给定时刻波线上各质点的位移

如果tx都在变化,则波动方程表示波线上各个质点不同时刻的位移

 

2.2超声波的类型

2.2.1 由质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分

纵波(Longitudinal waves

弹性介质当受到交替变化的拉应力和压应力时,质点产生疏密相间的纵向振动,振动又作用于相邻的质点而在介质中传播。这种波称为纵波

介质质点的振动方向和波动的传播方向相同,用符号L表示。波速用CL表示。

任何弹性介质在体积变化时都能产生弹性力,所以纵波可在任何弹性介质(固体、液体、气体)中传播。

用于直探头锻件检测和水浸法超声波检测等。

横波(Transverse waves or Shear waves)

固体介质当受到交变的剪切力作用时,将会相应地发生交变的剪切形变,介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动,振动又作用于相邻的质点而在介质中传播。这种波称为横波,又称切变波。

介质质点的振动方向和波动的传播方向垂直,用符号TS表示,波速用CS表示。

固体介质除具有体积弹性外,还具有剪切弹性,能传播横波。液体和气体由于没有剪切弹性,所以液体和气体内部只能传播纵波,而不能传播横波和具有横向振动分量的其他波。

用于斜探头检测(如焊缝,钢管)。

表面波(瑞利波)(Surface waves ) (Rayleigh)

固体介质表面受到交替变化的表面张力,使质点发生纵向振动和横向振动,两种振动合成为椭圆振动,椭圆振动又作用于相邻的质点而在介质表面传播,这种波称为表面波,用符号R表示。

实践和理论证明,当表面波传播的深度等于两个波长时,质点振动的振幅已经很小了,因此可以认为表面波探伤时只能发现距工件表面两个波长深度范围内的表面缺陷。(检测的局限性)。

板波在板状介质中传播的弹性波称为板波,其类型很多,主要的一种是兰姆波。狭义他讲,通常所说的板波即指兰姆波。

产生条件:Sinα=CL/CP,

2.2.2 根据波振面的形状区分

波的形式亦称波形,它是根据波阵面的形状来区分的

术语介绍

波的传播的方向称为波线1(垂直波前和波阵面);

某一时刻振动所达到的空间各点所连成的轨迹称为波前2任何时刻只能有一个波前

介质中振动相位相同的所有质点所连成的轨迹称为波阵面3波阵面的数目,是任意多的

1)  平面波

波阵面为平面的波称为平面波,其波阵面是与声源平面相平行。另外,从无穷远的点状声源传来的波,其波阵面可视为平面,故也称为平面波。

波动方程为:         y=Acosω(t-x/c)           无衰减,振幅A不变。

2)  球面波

波阵面为球面的波波称为球面波,球面波的振幅随距离逐渐减小。

球面波的波动方程为:     y=A/rcosω(t-r/c

式中 r----离开声源的距离,半径;

3)  柱面波波阵面是同轴圆柱面的波称为柱面波,其声源是一无限长的直圆柱形。 

波动方程为:  y=A/r1/2cosω(t-r/c

4)活塞波片状振源在一个很大的刚性壁上发出的振动,在无限大的各向同性的介质中激发的波。

   当距离大于三倍近场时,活塞波与球面波一样。

2.2.3 按振动的持续时间分

连续波

波源持续不断地振动所辐射的波,频率一定。持续不断的波易产生干涉。

主要用于公式的理论推导

脉冲波

波源振动持续时间很短,间歇辐射的波,频率有一定范围。间歇时间与脉冲发射频率有关。

重复频率:一个振动在单位时间内重复发生的次数。

主要用于实际应用

 

2.3超声波的传播速度

声波在介质中向前传播的速度称为声速,它是表征介质声学特性的一个物理量。 

对于不同波型的超声波,其传播速度也不同。

2.3.1 影响因素

声波类型(cLcScR);

材料的弹性模量(EGK

材料的密度和泊松比(σ)

材料的形状(如气阀)

温度

2.3.2 固体中的声速

2.3.2.1 无限大固体介质中的声速(介质均匀、无反射、介质尺寸»λ)

1)纵波声速cl

2)横波声速ct

3)表面波声速cr

固体介质中传播速度的讨论:

①介质的弹性性能愈强(即EG愈大),密度ρ愈小,则超声波在该介质中传播的速度就愈高。

②比较式clct ,可得:

若介质为钢

则σ≈0.28cl/ct1.82  cr0.9 ct

传播速度的这一性质在超声波探伤中(线性调节)有其实际指导意义。

同一种材料横波比纵波速度慢,波长短,探伤灵敏度高,衰减大。

③由于气体和液体没有刚性,不能承受切应力,所以横波,表面波(瑞利波)只能在固体介质中传播,而不能在气体或液体介质中传播。

2.3.2.2 在细长棒中的声速

2.3.3 液体、气体介质中的声速

 

3超声波声场的特征值和分贝

3.1 声压(Sound pressure

3.1.1 定义

超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为声压P

3.1.2计算                         P-Aωρcsinω(t-x/c)=ρcv

3.1.3 讨论

由公式可见,超声波在介质中传播时,介质的声压随时间、距离而变化。

声压的优良值与波速成正比,也与角频率成正比,而ω=2πf,所以声压的优良值也与频率成正比。故超声波与可闻声波相比,其声压很大。

3.2 声强(Intensity of acoustic power)

3.2.1 定义

垂直于超声波传播方向上单位面积,单位时间内通过的声能量称为声强度(以下简称声强)。

3.2.2 计算    J=ρc A2ω2/2

其他表达式    J=ρc vm2/2     JPm2/(2ρc)

3.2.3 讨论

声强与质点振动位移振幅的平方成正比;

与质点振动角频率的平方成正比(由于角频率ω=2πf,亦即与质点振动频率的平方成正比);

与质点振动速度振幅的平方成正比;

声压振幅的平方成正比。

3.3声阻抗(acoustic impedance

3.3.1 定义:介质中某点的声压与该处质点振动速度之比。

3.3.2 计算:  Z=ρc

从式P=ρcv可知,在同一声压P的情况下,ρc越大,质点振动速度v越小;反之,ρc越小,质点振动速度v越大。所以把ρc称为介质的声阻抗,以符号Z表示,声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。

3.4 分贝

3.4.1 定义:同量纲的两个参量的比值用对数表示的单位。

超声检验中,在进行声压和声强衰减等计算与量度时,经常用到分贝概念。探伤时,探伤仪荧光屏上显示的反射波的高度往往是用相对于某一确定的基准高度为多少分贝来表示的。

3.4.2 计算

如声强为I1I0,声压为P1P0,波高为H1H0则:

分贝数n=10lg(I1/I0)=20lg(P1/P0) =20lg(H1/H0)  (dB)

3.4.3举例例如,探伤仪荧光屏上显示出来的某两个回波高度H1=60毫米,H230毫米,

由于回波高度与回波的声压成正比,所以       H1/H2=P1/P260/30=2

分贝数n= 201gP1/P2)=201g(H1/H2=201g26 dB

反之,H2/H1P2/P1=30/60=0.5, 则:

分贝数n= 20lgH2/H1=20lg0.5-6 dB

3.4.3 作用引入仪器衰减(增益)器

 

4.超声波在界面上的反射和折射

4.1 垂直入射界面时的超声波

4.1.1 声压反射率R

在两种介质的界面上,用反射声压(振幅)Pr与入射声压(振幅)P0的比值表示声压反射率R,即:

R = Pr / P0

4.1.2 声压透射率D

在两种介质的界面上,以透射声压(振幅)Pd与入射声压P0的比值表示声压透射率D,即:

D = Pd / P0

4.1.3 RD的计算

R = PrP0 = (Z2Z1)/(Z2 + Z1)

D = PdP0 = 2 Z2/(Z2 + Z1)

4.1.4 讨论

Z1Z2,则由上式可以看出R0,而D1。这时声波几乎没有反射而全部透射;

Z2»Z1,则声波在界面上几乎全反射,而透射极大;

又若Z2«Z1,亦得全反射,但这时反射波的声压和入射波的声压将有180°相位改变,反射率为负号。

R小于1D可以大于1

4.1.5 举例

以钢/水界面为例来计算RD

4.1.6 声强反射率RI和声强透射率DI

RI = Ir / I0 = Pr2/ P02 =R2

DI = Id / I0 =1 RI =1 R2

4.1.7 声压往复透射率T

T=D1×D2 = 4 Z1 Z2/(Z2 + Z1)2 =DI

4.2 倾斜入射界面时的超声波

4.2.1 波形转换

条件:     倾斜入射      固体介质

超声纵波(或横波)在固体中以某一角度倾斜入射于异质界面,超声波将产生反射纵波(或横波),同时产生反射横波(或纵波),**介质为固体时,产生透射波,入射波分离为折射纵波和折射横波。

4.2.2 反射和折射定律

 

 

4.2.3 临界角

如果入射波为纵波,且cl1cl2,则由反射和折射定律可知βl>α,且βl随着α的增大而增大。

**临界角:当βl90°时,纵波入射角叫做**临界角,用符号α表示

αsin-1(cl1/cl2

**临界角:

当βt = 90°时,纵波入射角叫做**临界角,用符号α表示

αsin-1(cl1/ct2

4.2.4 举例

例如,纵波倾斜入射到有机玻璃/钢、铝界面

有机玻璃中:cl1=2730m/s

钢中:cl Fe=5900m/sct Fe =3230m/s

铝中:cl Al=6260m/sct Al =3080m/s

则钢**、**临界角分别为α=27.6°和α=57.7°

则铝**、**临界角分别为α=25.8°和α=62.4°

结论:钢中有机玻璃横波探头的入射角α应满足以下条件:57.7°>α≥27.6°此时材料中只有横波。

4.2.4 斜探头角度表示方法

用入射角表示,国外用得较多,入射角为楔块的角度,使用时用折射定律计算折射角。

用折射角表示,国内用得较多,折射角为声波在工件中传播的角度,定位计算使可直接使用。同样可用折射定律计算入射角,获得楔块的角度。

探头标注用K值,K值为折射角的正切,即:

K=tg β

注意:探头一定时,探头的K值与**种介质的波速有关,一般**种介质默认为钢材。如为其它材料,K值必须进行换算。

1:已知某探头的K值为2,即K = tg β= 2,如用此探头检查铝材,铝中的折射角为多少?K值增加还是减小?

2:探头在使用中,若探头前端磨损,探头K值会发生什么变化?

4.3平面波和球面波在曲面和透镜上的反射和折射

4.3.1 反射

在讨论超声波的反射现象时,可应用几何光学的反射定律。应用简单的反射,可以清楚地阐明声波通过曲面镜的反射情况。

反射发生在同一种介质中,曲面可为凹面或凸面。

凹面反射后聚焦;凸面反射后发散。

4.3.2 折射

在讨论超声波的折射现象时,可应用几何光学的折射定律。曲界面对相邻介质中的透射波所起的作用,就象光学上的聚焦透镜和发散透镜一样,同样要考虑界面的弯曲方向和声速比(c2/c1

折射发生在两种介质中,c2/c1可以大于1,也可以小于1,曲面可为凹面或凸面。

c2/c1>1,凹面折射后聚焦,凸面折射后发散

c2/c1<1,凹面折射后发散,凸面折射后聚焦。

应用举例

聚焦水浸探头

焦距F=c1r/(c1-c2)=nr/(n-1)

 

 

5.超声波的衰减

超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,其能量逐渐减弱,这种现象叫做超声波的衰减,直接影响缺陷的定量。

5.1 超声波的衰减分类及其原因

5.1.1.由声束扩散引起的超声波衰减(扩散衰减)

超声波的扩散衰减仅决定于波的几何形状(例如是球面波还是柱面波)而与传播介质的性质无关

5.1.2.由散射引起的超声波衰减

声波在其传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时,就将产生散乱反射(简称散射),从而损耗了声波的能量,我们把声波的这种衰减叫做散射衰减。

散射衰减与材质的缺陷、杂质、晶粒大小有关,当材质的晶粒粗大时散射衰减严重,被散射的超声波在介质中沿着复杂路径传播到探头,在屏幕上产生林状回波,使信噪比下降。 

5.1.3.由介质吸收引起的超声波衰减

由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦,使一部分声能转变为热能,这就是介质的吸收现象。通常由于介质的吸收引起超声波的衰减叫做粘滞(吸收)衰减。

5.1.4 耦合衰减

由于材料表面粗糙度、表面曲率大小和表面附着物等因素所引起的超声波能量的下降或损耗。

示方法和衰减系数

5.2.1用底波多次反射的次数来表示

5.2.2理论上定量计算的表示方法

即用衰减系数来表示声波的衰减。

衰减系数α与超声波的频率、传播速度有关,也与介质的粘滞系数、导热性、不均匀性和晶粒大小等因素有关。

对大多数固体和金属介质来说,通常所说的超声波的衰减,即由衰减系数α表征的衰减,仅包括散射衰减和粘滞(吸收)衰减,不包扩散衰减。

α=αs+αa

αa为吸收衰减系数:αa=C1f

吸收衰减系数αa与超声波的频率f成正比

散射衰减系数αs,根据晶粒大小与波长之比分为三种不同情况

衰减与频率的选择

粗晶选择低频

厚板选择低频

薄板选择高频

 

 

6超声波发射声场

超声波声场结构与探伤结果是紧密相关的,因此了解声场的波动物理、声场特性,对实际检验是十分重要的。

这里讨论的圆盘状声源轴线上声压计算公式,是在声波为连续正弦波、传声介质为液体的条件下导出的,在一定条件下和一定范围内可以应用于固体介质,而且是进一步讨论固体介质中脉冲超声波声场的基础。

6.1 圆盘源辐射的纵波声场

6.1.1.声源轴线上的声压分布

圆盘源的轴线上任一点Q的声压P

 

由式可知,声压P随时间t周期性的变化

探伤时超声波探伤仪测得的信号高度与声压振幅成正比,因此只需要考虑声压振幅

当λa/Rs23时,声压振幅符合球面波的衰减规律,可简化为:

PP0Fs/(λa)

(1)P有若干极大值与极小值,最后一个声压极大值*声源的距离称为近场长度N该范围的声场叫做近场或菲涅耳区。

距离大于近场长度的声场叫做远场或夫琅和费区。在远场中,声压随距离的增加而单调衰减。

(2)计算

N=Rs2/λ=Ds2/(4λ)=Fs/(πλ)

(3)讨论

NDs N∝(1/λ),NFs

f↑,λ↓,N

6.1.3 声场按近场分区

声场按近场分为三个区域:

6.1.4 圆盘源前足够远处(任一点)的声压及指向性

(1)声压分布

2)指向性

定义:声束集中向一个方向辐射的性质,叫做声场的指向性。

定量描述:

θ0则称为半扩散角(**零值发散角、指向角、),2θ0范围内的声束叫做主声束。

计算:

讨论:

θ0 λθ0 ∝(1/ Ds ),f↑,λ↓,θ0 ↓,N

6.2 斜探头辐射的横波声场

横波声场远场声压分布近似理论计算方法:

 

7.规则反射体的回波声压

7.1 当量法概念

7.1.1 当量法

所谓当量法就是将缺陷波与某一规则形状的反射体的回波相比较,当缺陷的波高与同样探测条件下规则形状反射体的波高相等时,该反射体的尺寸即称为所发现缺陷的当量尺寸。

7.1.2 讨论反射体反射波声压目的

1)在实际超声波探伤中,由于自然缺陷的形状是各种各样的,缺陷性质又不尽相同,所以目前还很难确定缺陷的真实大小。为此,人们多采用当量法来给缺陷定量,且必须了解当量反射体的反射声压。

2)常用的规则形状反射体有:圆片形、球形、圆柱形和矩形等人工缺陷及大平面。采用当量法必须了解反射体的反射波声压、反射体尺寸及反射体深度之间的关系。

7.2 反射体声压计算原理

设有一个圆片形缺陷处于声束的轴线上,且距离声源较远,距离缺陷为afaf3Nf,此时可以认为缺陷是被均匀的球面波照射。缺陷处声压近似值和缺陷波反射声压近似值分别为:

PP0F0/(λas)

PfPFf/(λaf)= PπDf2/(4λaf)=Pπ·Nf/af

Pf/P0=Fs Ff/(λ2a2)

对于A型显示脉冲反射式超声波探伤仪,缺陷波波高H与缺陷波声压成正比,

Hf/H0=Pf/P0=FsFf/(λ2a2)

对于两个不同大小的平底孔,在探头不变的情况下,可有以下公式:

Hf1 / Hf2 = Pf1 / Pf2 = [Df12  a22  ] / [Df22  a12 ]= [(Df1  a2  ) / (Df2  a1 )] 2

声压比和波高差别如用分贝表示,则:

n= 40lg[(Df1  a2  ) / (Df2  a1 )]

根据当量法的概念,如将其中任一平底孔作为基准,另一平底孔作为缺陷,则:

n= 40lg[(Dj  af ) / (Df  aj )]

 

7.3 各种规则形状反射体的反射波波高及其应用

7.3.1 反射体类型

点状反射体(缺陷)

点状缺陷包括圆片形(如平底孔)、球形和短圆柱形等小尺寸反射体(缺陷)。

长条形反射体(缺陷)

长条形缺陷系指一个方向的尺寸是小的,而另一方向的尺寸超过了声束的横截面尺寸。

大底面反射体(缺陷)

大底面系指各方向尺寸都大于声束横截面的反射面,包括大的平底面、凹圆弧面(例如实心轴)和凸圆弧面(例如空心轴外探)

7.3.2 反射体反射声压计算

平底孔

大底面

短横孔

长横孔

球孔

大底面回波声压

大平底PB= P0Fs/(2λa)

实心圆柱体PB= P0Fs /(2λa)

凹圆弧面(空心轴内探)PB=K1P0Fs /(2λa)

凸圆弧面(空心轴外探)PB=K2P0Fs /(2λa)

其中:K1=(D0/Di)1/2    K2=(Di /D0)/1/2

 

7.3.3 反射体反射声压计算应用

确定检测灵敏度

反射体(缺陷)定量计算

反射体(缺陷)定量比较和换算

AVG曲线(DGS曲线)原理

7.3.4反射体反射声压计算(距离大于3N)应用举例

确定检测灵敏度

[1] 用φ12毫米、5兆赫的纵波探头,对厚40毫米的钢工件探伤,欲发现φ3毫米平底孔当量的缺陷,利用底波调灵敏度,如何调整?

[2]  2.5P20Z2.5MHzφ20mm直探头)探伤厚度T=400mm的饼型钢制工件,钢中CL=5900m/s,探伤灵敏度为400/Ф2平底孔(在400mm处发现Ф2平底孔缺陷)。

当量计算

1)平底孔与平底孔

n= 40lg[(Dj  af ) / (Df  aj )]

2) 平底孔与大平底

1,用2.5p14Z 探头探伤厚度为420mm饼形钢制工件,钢中CL=5900ms, 不考虑介质衰减,利用底波调整Ф2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。

2.2.5P20z探头径向探伤直径为500mm的实心圆柱钢工件, CL=5900ms ,α=0.01dBmm,利用底波调整500/Ф2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。

AVG曲线(DGS曲线)原理

 

8.超声波通用检测技术与工艺 

8.1超声波检测前的准备 

1) 规格、尺寸、材料、工作状态的了解

2)检测部位的确定,环境条件的选择

3)技术规范、方法标准、验收标准的确定

8.1.2  器材的准备

1)仪器的计量、鉴定

2) 仪器的型号及性能

3)      耦合剂的选择(作用、种类和性能)

4)试块的选择

5)探头的选择

探头的类型

晶片尺寸

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。

频率大小

探头K

K值大,β大,一次波的声程大,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。当工件厚度较大时,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。

8.2  检测灵敏度的调节和校准

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,一般由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。

调整探伤灵敏度的常用方法有试块调整法和工件底波调整法两种。

利用试块和底波调整探伤灵敏度的方法应用条件不同,利用底波调整探伤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;利用试块调整探伤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、钢板探伤和钢管探伤等。

横波试块调整法

横波试块调整法最典型的应用例子为焊缝探伤和管子探伤,方法的实质为斜探头AVG曲线的应用。

1)焊缝探伤灵敏度调整

缺陷波高与缺陷大小及距离有关,大小相同的缺陷由于距离不同,回波高度也不相同。描述某一确定反射体回波高度随距离变化的关系曲线称为距离-波幅曲线。

 

距离-波幅曲线由定量线、判废线和评定线组成。评定线(测长线)和定量线之间(包括评定线)称为Ⅰ区,定量线与判废线之间(包括定量线)称为Ⅱ区,判废线及其以上区域称为Ⅲ区。

 

距离-波幅曲线有两种形式:一种是波幅用dB值表示作为纵坐标,距离为横坐标,称为距离-dB曲线。另一种是波幅用毫米(或百分比)表示作为纵坐标,距离为横坐标,实际探伤中将其绘在示波屏面板上,称为面板曲线。

 

调整探伤灵敏度时,标准要求焊缝探伤灵敏度不低于最大检测深度处评定线灵敏度。

例如T30mm时,评定线为φ1×6-9dB (φ3×40-16dB) ,二次波探伤最大深度为60mm。假如60mm深时测长线灵敏度为29dB(可由实测得到),只要将[衰减器]打到29dB时灵敏度就调好了。若考虑耦合补偿3dB,那么灵敏度为26dB

2)管子探伤灵敏度调整

管子探伤时,对比试块应选取与被检管材规格相同,材质、热处理及表面状态相同或相似的管材制成,对比试块上的人工缺陷为尖角槽。

灵敏度调节时,将探头置于对比试块上探测,将试块上内壁尖角槽的最高回波调*满幅度的80 %,再移动探头找到外壁尖角槽的最高回波,二者波峰的连线为距离--波幅曲线,作为基准灵敏度。在基准灵敏度的基础上提高6dB作为扫查灵敏度。

8.3扫描速度的调节

概念

仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值τ与实际声程x(单程)的比例关系,即τ:x=1:n 称为扫描速度或时基扫描线比例,

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。

纵波扫描速度的调节应用举例

水浸检测线性调节----多次重合法多次重合法水层厚度H与钢板厚度T的关系为:

H= n T c/c nT/4

横波扫描速度的调节

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

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

8.4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

8.5   缺陷定量

缺陷定量包括确定缺陷的大小数量

缺陷的大小指缺陷的面积长度

常用的定量方法有当量法底波高度法测长法三种。

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。

8.5.1当量法

当量试块比较法

当量计算法

当量AVG曲线法;

8.5.2 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。

1FBF

2FBG

3BGBF

8.5.3   测长法

当工件中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。

   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。

   16dB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。

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

 

   2.优良灵敏度测长法

   优良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(如图所示B 线),探头移动的距离,即为缺陷的指示长度。

   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的指示长度

 

9 焊缝超声波探伤

9.1探测条件的选择

9.1.1探测面的修整

    焊缝两测探侧面的修整宽度一般根据母材厚度和扫查方法确定。

焊缝采用二次波探伤,探测面修整宽度为1.25P

焊缝采用一次波探伤,探测面修整宽度为0.75P

P=2KT

式中  K----探头的调值; T----工件厚度。

表面粗糙度Ra一般不大于6.3μm

9.1.2耦合剂的选择

    在焊缝探伤中,常用的耦合剂有机油、甘油和浆糊等。

9.1.3频率选择

    焊缝的晶粒比较细小,可选用较高的频率探伤,一般为2.55.0MHz。对于板厚较小的焊缝,可采用较高的频率;对于板厚较大,衰减明显的焊缝,应选用较低的频率。

9.1.4 K值选择

    探头K值的选择应从以下三个方面考虑。

   1)使声束能扫查到整个焊缝截面。

   2)使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直。

 

 

 

 

 

5-27  探头K值的选择

   3)保证有足够的探伤灵敏度。

K(a+b+l0)/T

式中  a----上焊缝宽度的一半;

      b----下焊缝宽度的一半;

      l0----探头的前沿距离:

      T----工件厚度:

      K----探头的K值。

对于单面焊,b可忽略不计,这时K(a+l0)/T

    探伤时要注意,K值常因工件中的声速变化和探头的磨损而产生变化,所以探伤前必须在试块上实测K值,并在以后的探伤中经常校验。

    实际探伤中,常利用CSK-A试块来测定探头的K值。

    CSK-A试块测定法:探头对准CSK-A试块上φ1.5(K3.5)或φ50(K3.5)反射体,前后平行移动探头,找到最高回波,这时探头入射点对应的刻度值为探头的K值。但这种方法不太**,若量出探头前沿*试块端面的距离L,用K=(L+l0-35)/30计算,对结果会**一些。

9.1.5探测方向的选择

 

 

 

 

 

 

 

 

焊缝横向缺陷的探测

    (1)纵向缺陷:

 

 

 

 

 

 

 

焊缝纵向缺陷的探测

  2)横向缺陷:

 

9.2扫描速度(时基线比例)的调节

当板厚小于20mm时,常用水平法。当板厚大于20mm时,常用深度法。声程法多用于结构复杂的工件。具体内容参考通用技术。

    1.声程法

声程法是使示波屏水平刻度值直接显示反射体实际声程。

2.水平法

    该方法是使示波屏水平刻度值直接显示反射体的水平投影距离。

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

5-30  CSK-A试块横孔反射法

3.深度法


此方法是使示波屏水平刻度值直接显示反射体的垂直深度。焊缝探伤中常用CSK-ACSK-ACSK-ARB、半圆试块等来调整。下面介绍利用CSK-A试块来调整的方法。

探头分别对准AB两横孔,如图5-30所示。反复调节[脉冲侈位][微调],使两孔的最高回波分别对准水平刻度d1d2即可。如果要求**,应扣除横孔半径对应的深度值。

9.3距离-波幅曲线的绘制与应用

    缺陷波高与缺陷大小及距离有关,描述某一确定反射体回波高度随距离变化的关系曲线称为距离-波幅曲线。它是AVG曲线的特例。

JB4730-94,不同板厚范围的距离-波幅曲线的灵敏度见下表。

试块型式

板厚(mm

测长线

定量线

判废线

CSK-A

846

ф2×40-18dB

ф2×40-12dB

ф2×40-4dB

46120

ф2×40-14dB

ф2×40-8dB

ф2×40+2dB

 

CSK-A

815

ф1×6-12dB

ф1×6-6dB

ф1×6+2dB

1546

ф1×6-9dB

ф1×6-3dB

ф1×6+5dB

46120

ф1×6-6dB

ф1×6

ф1×6+10dB

CSK-A

120300

фd×40-16dB

фd×40-10dB

фd×40

 

GB11345-89,不同板厚范围的距离-波幅曲线的灵敏度见下表。

             级别

板厚mm

DAC

A

B

C

850

850

50300

判废线

DAC

DAC-4dB

DAC-2dB

定量线

DAC-10dB

DAC-10dB

DAC-8dB

评定线(测长线)

DAC-16dB

DAC-16dB

DAC-14dB

距离-波幅曲线的绘制方法及其应用。

1.距离-dB曲线(设板厚T=30mm

(1)距离-dB曲线的绘制

①测定探头的入射点和K值,并根据板厚按水平或深度调节扫描速度,一般为11,这里按深度11调节。

    ②探头置于CSK-A试块上,衰减48dB(假定),调[增益]使深度为10mm的声φ1×6孔的最高回波达基准60%高,记下这时[衰减器]读数和孔深,然后分别探侧不同深度的φ1×6,[增益]不动,用[衰减器]将各孔的最高回波调*60%高,记下相应的dB值和孔深填入表5-12。并将板厚T=30mm对应的定量线、判废线和评定线的dB值填入表中(实际探伤中只要测到60mm孔深即可)。

③利用表5-12中所列数据,以孔深为横坐标,以dB值为纵坐标,在坐标纸上描点绘出定量线、判废线和评定线,标出Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区,并注明所用探头的频率、晶片尺才和K值,如图5-33

5-12  不同深度的φ1×6孔的最高回波dB

孔深(mm)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

ф1×6

52

50

47

44

41

38

36

34

32

ф1×6+5dB

57

55

52

49

46

43

41

39

37

ф1×6-3dB

49

47

44

41

37

35

33

31

29

ф1×6-9dB

43

41

38

35

32

29

27

25

23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  距离-波幅曲线

④用深度不同的两孔校验距离-波幅曲线,若不相符,应重测。

2)距离-dB曲线的应用

a了解反射体波高与距离之间的对应关系。

    b调整探伤灵敏度。

c比较缺陷大小。

    d确定缺陷所处区域。在定量线以下,即Ⅰ区,故不必测长。在定量线以上,应测定缺陷长度。

    2.面板曲线(设板厚T=30mm

    实际探伤中,使用距离-dB曲线比较麻烦,而面板曲线使用方便,可根据缺陷波高直接确定缺陷当量和区域。

   1)面板曲线的绘制

 

 

 

 

 

 

 

 

  面板曲线

①测定探头的入射点和K值,根据板厚按深度或水平调节扫描速度,这里按深度11调节。

②探头对淮CSK-A试块上深为10mm的φ1×6横孔找到最高回波,调*满幅度的100%(但不饱和),在面板上标记波峰对应的点①,并记下此时的dB值(假定N=30dB)

③固定[增益][衰减器],分别探测深度为2030405060mm的φ1×6横孔,找到最高回波,并在面板上标记相应波峰对应的点②、③、④、⑤、⑥,然后连接点①、②、③、④、⑤、⑥得到一条φ1×6的参考曲线。这就是面板曲线。

   2)面板曲线的应用

    ①灵敏度的调节:若工件厚度在1546mm范围内,只要在N=30dB的基础上再提高9dB,即[衰减器]读数为21dB,这时灵敏度就调好了。如果考虑补偿,应再提高需补偿的dB数,设补偿5dB,则[衰减器]读数为16dB即可。

确定缺陷区域:探伤时若缺陷波高低于参考线,则说明缺陷波低于评定线,可以不予考虑。若缺陷波高于参考线,则用[衰减器]将缺陷波调*参考线,根据衰减的dB值求出缺陷的当量和区域。

缺陷达定量线,注意测长。缺陷达到判废线,应判废,测长返修。

    目前有些地方将判废线、定量线、评定线都绘在示波屏面板上,使用更为方便。不过这时要求仪器的动态范围较大,垂直线性更好一些。

9.4声能损失差的测定

    在焊缝探伤中,试块与上件上相同反射体的回波往往不同,其原因是二者声能传输损失存在差异:①二者表面粗糙度不同、曲率不同引起的表面耦合损失不同。②二者材质不同引起的材质衰减不同。③二者底面状况不同引起的底面反射损失不同(二次波探伤)。实际探伤中,当用试块调灵敏度对工件进行探伤时,应进行适当的补偿。

 

 

 

 

 

 

 

5-39  锯齿形扫查


 9.5扫查方式

   1)锯齿形扫查:探头沿锯齿形路线进行扫查。扫查时,探头要作10°~15°转动,每次前进齿距d不得超过探头晶片直径。

 

 

 

 

 

 

 

5-40  四种基本扫查方式


   2)左右扫查与前后扫查:当用锯齿形扫查发现缺陷时,可用左右扫查和前后扫查找到回波的最大值,用左右扫查来确定缺陷沿焊缝方向的长度;用前后扫查来确定缺陷的水平距离或深度。

   3)转角扫查:利用它可以推断缺陷的方向。


   4)环绕扫查:它可用于推断缺陷的形状。环绕扫查时,回波高度几乎不变,则可判断为点状缺陷。

 

 

 

 

 

 

5-41  平行或斜平行扫查              5-42  串联式扫查

   5)平行或斜平行扫查:为了检验焊缝或热影响区的横向缺陷,但灵敏度要适当提高。

   6)串列式扫查:在厚板焊缝探伤中,与探伤面垂直的内部未焊透、未熔合等缺陷用单一K值斜探头很难探出,可采用两种不同K值探头探伤,也可采用串列式扫查探伤。

    9.6缺陷位置的测定

    探伤中发现缺陷波以后,应根据示波屏上缺陷波的位置来确定缺陷在实际焊缝中的位置。缺陷定位方法分为声程定位法、水平定位法和深度定位法三种。

    1.声程定位法

    2.水平定位法

    3. 深度定位法

    当仪器按深度1n调节扫描速度时,应采用深度定位法来确定缺陷的位置。若仪器按深度11 调节扫描速度,示波屏上缺陷波前沿所对的水平刻度值为τf

    用一次波探伤发现缺陷时

hf=nτf

lf=Khf

    用二次波探伤发现缺陷时

hf=2T-nτf

lf=Knτf

    例如用K2探头探伤T40mm的对接焊缝,仪器按深度11调节扫描速度,探伤中在示波屏水平刻度3060处各出现一个缺陷波,求这两个缺陷的位置。

    解:由已知可知,τf1=30T=40,说明F1是一次波发现的。F1的深度和水平距离分别为

hf1=nτf130mm

lf1=Khf12×3060mm

    又由已知可知,40<τf2=6080,说明F2是二次波发现的。F2的深度和水平距离分别为

hf2=2T-nτf2=2×40-60=20mm

lf2=Knτf2=2×60=120mm

 9.7缺陷大小的测定

 9.7.1缺陷幅度与指示长度的测定

    探伤中发现位于定量线或定量线以上的缺陷要测定缺陷波的幅度和指示长度。

    缺陷幅度的测定:首先找到缺陷最高回波,测出缺陷波达基准波高时的dB值,然后确定该缺陷波所在的区域。

    缺陷指示长度的测定按JB4730-94标准规定:当缺陷波只有一个高点时,且位于Ⅱ区用6dB法测其指示长度。当缺陷波有多个高点,且端部波高位于Ⅱ区时,用端点6dB法测其指示长度(GB11345-89标准规定用端点峰值法测其指示长度),当缺陷波位于Ⅰ区,如有必要,可用评定线作为优良灵敏度测其指示长度。

9.7.2缺陷长度的计量

   1)当焊缝中存在两个或两个以上的相邻缺陷时,要计算缺陷的总长。

    GB11345-89标准规定:当相邻两缺陷间距≤8mm时,以两缺陷指示长度之和作为一个缺陷的指示长度(不含间距)。

    JB4730-94标准规定:当相邻两缺陷间距<较小缺陷长度时,以两缺陷指示长度之和作为一个缺陷的指示长度(不含间距)。

   2)缺陷指长度小于10mm者,按5mm计。

9.8焊缝质量评级

    缺陷的大小测定以后,要根据缺陷的当量和指示长度结合有关标准的规定评定焊缝的质量级别。

    JB4730-94标准将焊缝质量级别分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三级,其中Ⅰ级质量最高,Ⅲ级质量最低,具体分级规定如下。

   1)焊缝中不允许存在以下缺陷:

    ①反射波幅位于Ⅲ区者。

    ②检验人员判定为裂纹等危害性缺陷者。

   2)位于Ⅱ区的缺陷按表7-4评定焊缝的质量级别。

   3)位于Ⅰ区的非危害性缺陷评为Ⅰ级。

    5-13  JB4730-94 Ⅱ区缺陷级别评定

级别

板厚(mm

单个缺陷指示长度(mm

多个缺陷的累积指示长度(mm

8120

T/3(最小为10,最大不超过30)

任意9T焊缝长度范围不超过T

120300

T/3(最大不超过50)

8120

2T/3(最小为12,最大不超过40)

任意4.5T焊缝长度范围不超过T

120300

最大不超过75

超过Ⅱ级者

注:①板厚不等的焊缝,以薄板为准;

    ②焊缝长度不足9T(Ⅰ级)或4.5T(Ⅱ级)时,可按比例折算。

 

    多个缺陷累计长度评级见表7-4

    GB11345-89标准将焊缝质量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等四级,其中Ⅰ级质量最高,Ⅳ级质量最低。具体分级规定如下。

   1)Ⅳ级焊缝:存在以下缺陷时评为Ⅳ级。

    ①反射波高位于Ⅲ区的缺陷者。

    ②反射波超过评定线,检验人员判为裂纹等危害性缺陷者。

    ③位于Ⅱ区的缺陷指示长度超过表7-5中Ⅲ级者。

   2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级焊缝:

    ①位于Ⅱ区的缺陷按表7-5评定其级别。

    ②位于Ⅰ区的非危害性缺陷评为Ⅰ级。

    5-14    GB11345-89标准Ⅱ区缺陷级别评定

级别

A

B

C

850

8300

8300

2T/3(最小12)

T/3(最小10,最大30)

T/3(最小10,最大20)

3T/4最小12

2T/3(最小12,最大50)

T/2(最小10,最大30)

T(最小20)

3T/4(最小16,最大75)

2T/3(最小12,最大50)

超过Ⅲ级者

京公网安备 11010802025993号