超声波检测方法和通用工艺(长).doc

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1、第五章 超声波检测方法和通用工艺第一节 超声波检测方法概述一、按原理分类脉冲反射法、穿透法和共振法1、脉冲反射法：超声波探头发射脉冲到被检试件内，根据发射波的情况来检测试件缺陷的方法，称脉冲反射法。包括：缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。2、穿透法：依据脉冲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，称穿透法。3、共振法：若超声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，但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共振法。二、按波形分类纵波法、横波法、表面波

2、法、板波法、爬波法1、纵波法：使用直探头发射纵波，进行检测的方法。包括：单晶探头反射法、双晶探头反射法和穿透法。2、横波法：将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件检测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法，称横波法。3、表面波法：使用表面波进行检测的方法，称表面波法。4、板波法：使用板波进行检测的方法，称为板波法。5、爬波法：（爬波是指表面下的纵波，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横波，这种表面下纵波不是纯粹的纵波，还有折射横波。）爬波对于检测表面比较粗糙的工件表面缺陷，灵敏度分辨率比表面波高。三、按探头数目分类1、单探头法使用一个探头兼在发射和接收超声

3、波的检测方法称为单探头法。特点：对于与波束轴线垂直的片状缺陷和立体缺陷的检出效果好。与波束轴线平行的片状缺陷难以检出。2、双探头法使用两个探头（一个发射，一个接收）进行检测的方法称为双探头法。其主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。方法：并列式、交叉式、V型串列式、K型串列式、串列式等。 并列式K形式 交叉式 V形式 串列式 图13、多探头法使用二个以上的探头成对的组合在一起进行检测的方法，称为多探头法。例如：相控阵检测方法。四、按探头接触方法分类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，这种检测方法称直接接触法。特点：检测图形较简单，判断容易，检出缺陷灵敏度高。操作方法简单，但要

4、求检测面光洁度高。2、液浸法 将探头和工件浸于液体中以液体耦合剂进行检测的方法，称为液浸法。分为全浸没式和局部浸没式（喷液式、通水式、满溢式）。第二节 仪器与探头的选择一、检测仪器选择1、仪器和各项指标要符合检测对象标准规定的要求。2、对于定位要求高的情况，应选择水平线性误差小的仪器。3、对于定量要求的情况，应选择垂直线性好，衰减器精度高的仪器。4、对于大型零件检测，应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。5、为了有效的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。6、对于室外检测，应选择重量轻，荧光屏亮度好，抗干扰能力强的携带仪器。二、探头选择1、型式选择：原则为根据检测对

5、象和检测目的的决定例如：焊缝斜探头 钢板、铸件直探头 钢管、水浸板材聚焦探头（线、点聚焦） 近表面缺陷双直探头 表面缺陷表面波探头 不锈钢焊缝与螺栓检测纵波斜探头 2、探头频率选择超声波检测灵敏度一般为，对于钢工件用2.5-5MHZ，为：纵波2.361.18，横波1.290.65，则纵波检测缺陷最小值为0.61.2mm之间，横波检测缺陷最小值：0.30.6mm之间.这对承压类设备检测要求已能满足。对晶粒较细的铸件、轧制件、焊接件等常采用2.5-5MHz。对晶粒较粗的铸件、奥氏体钢等会出现许林状反射，（由材料中声阻抗有差异的微小界面反射面），也和材料噪声干扰缺陷检测，故采用较低的0.5-2.5M

6、Hz的频率，主要是提高信噪比，减少晶粒反射。另外还要考虑以下因素：1）、由于波的绕射，使超声波检测灵敏度约为，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。(f= f升高 减少) 2）、频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。 =arcsin1.22 3)、由=arcsin1.22可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并定位。4）、由N=,频率高，波长短，近场区长度大，对检测不利。5）、=C2Fd3f4，频率增加，衰减急剧增加。3、晶片尺寸选择原则：1）、晶片尺寸要满足标准要求，如满足JB/T4730-2005的要求，即晶片面积一般不应大于500mm2，且任

7、一边长原则上不大于25mm。 2）、其次考虑检测目的，有利于发现缺陷，如工件较薄，则晶片尺寸可小，此时N小。铸件、厚工件则晶片尺寸可大些，N大、小，发现远距离缺陷能力强。3）、考虑检测面的结构情况如对小型工件，曲率大的工件、复杂形状工件为便于耦合要用小晶片，对平面工件，晶片可大一些。4、斜探头K值选择 原则：1）、保持声束扫到整个检测断面，对不同工件形状要具体分析选择。 2)、尽可能是检测声束与缺陷垂直，在条件许可时，尽量用K大些的探头。薄工件K大些，厚工件K可小些。 3）、根据检测对象选K: 单面焊根部未焊透，选K=0.7-1.5，即在K=0.84-1时检测灵敏度最高。第三节 耦合与补强耦合

8、就是实现声能从探头向工件的传递，它是用检测面上声强透过率来表示耦合的好坏，声强透过率高，表示耦合好。一、 耦合剂：在工件与探头之间表面，涂敷液体、排除空气，实现声能传递该液体即耦合剂。实际耦合剂声阻抗在1.5-2.5106kg/m2，而钢声阻抗为45106kg/m2。所以靠耦合剂是很难补偿曲面和粗糙表面对检测灵敏度的影响。所以探伤时都要加补偿。水银耦合效果最好，声阻抗为19.8106kg/m2与钢接近，但有毒、很贵，故不推荐。对耦合剂的要求：）、对工件表面和探头表面有足够浸润性，并既有流动性，又有附着力，且易清洗。）、声阻抗大，应尽量和被检工件接近3）、对人体无害，对工件无腐蚀作用，不污染环境

9、。4）、来源广，价格低廉。5）、性能稳定，不易变质，能长期保存。二、影响耦合的主要因素1、耦合层厚度d2: d2=n d=0最好d2=n 即半波长整数倍时声压透射率为1，几乎无反射，声压全部透射 ，在工件中的反射回波高。最不好d2=(2n+1)（四分之一波长奇数倍时，声压透射率最低，反射率最高，在工件中的反射回波低。）实际上，当耦合层d= 时，r=0 ,t=1,灵敏度可以保证，但发射脉冲和发射脉冲后面干扰振荡增加，也影响缺陷检测，故实际上常使用d 0的光滑工件使耦合层d 0，效果好，使图形变得很清晰，如果控制在底面回波在第二次界面回波前出现，对缺陷判断有力。（这是水浸检测中的水层耦合原理）为使

10、耦合层耦合效果最好，则必须使r0，t=1，即声能从探头全部透到工件，r= sin0 即d=0即工件表面越平整，t=耦合剂层厚d越接近零，耦合越好。2、工件表面粗糙度影响由上面式可知d 0时，可得r0。耦合效果越好。表示工件表面光洁度越光越好，表面粗糙度越差， 但是当表面太光后探头和工件之间耦合层由于表面张力吸附作用，变成真空使探头移动困难。一般工件粗糙度Ra=6.3m 。3、耦合剂声阻抗影响一般液体耦合剂声阻抗均比工件声阻抗小，故对同一探测面（光洁度相同，工件材质相同）声阻抗越大的耦合剂耦合效果越好。4、工件表面形状影响平面工件耦合最好，凸曲面次之，凹曲面最差。不同曲率半径的耦合效果也不相同，

11、曲率半径大，耦合效果好。三、 表面耦合损耗测定与补偿1、耦合损耗测定 表面状况不同 对比试块 待测试块 （材料相同和工件形状相同） 一次波检测又称直接反射法1S 1STR1R2工件RT试块R1RdBR2 试块工件dB图2第四节 探伤仪调整一、扫描线比例调整 1、纵波：一般将工件二次底波调节10格 （直探头）一般将工件一次底波调节5格 多次反射：Bn.根据工件厚和反射次数决定 例如：t=50mmT B1 B250mm 50 100mmt=20mm CSK-IA20mm 0 20 40 60 80 100mmTB1100mm400 1:42、横波1）、声程调节法 IIW IIW2IIW2R25R5

12、00 25 100mm50 100mm 图32）、水平调节法 CSK-IA R50 R100 L1=L2=2L1 K:为斜探头的K值K=2 L1=44 L2=88K=1L1=35 L2=70 例如：2.5P99K2 前沿距离15 CSK-IIIA 45mm4010mm 20mm65mm 0 20 40mm 图43）、深度调节法 CSK-IA CSK-IIIA CSK-IIAd1=d2=2d1K=2 d1=22 d2=44 0 22 44 45mm4010mm 20mm65mm 0 1 0 20mm 图5二、检测灵敏度的调节检测灵敏度是指声程范围内发现规定大小缺陷的能力。实际检测中，在粗查时为了

13、提高扫查速度而又不至于引起漏检，1、试块调节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 回波达到基准高，这时仪器的灵敏度调节好。例如：板厚大于20mm钢板检测时。 100%CBII 50%50例如：工件检测距离大于等于45mm的锻件100%60% CSI 2 图62、工件底波调节法利用工件底波调节检测灵敏度是根据工件底波回波与同深的人工缺陷（如平底孔）回波分贝差为定值，一般要求工件底面和探测面平行，工件底面和探测面形状相同，且规则。=20lg x3N例如：用2.5P20Z直探头检测x=400mm的饼形锻件，钢的CL

14、=5900m/s,检测灵敏度为400mm处平底孔400/2(JB/T4730.3-2005规定扫查灵敏度为最大检测距离的2平底孔)。工件底波调整灵敏度利用的方法如下：=2.36mm=20lg=20lg=43.5(dB)44(dB)调整：将探头对准工件大平底，衰减器50dB，跳增益使底波B1达到80%，然后使衰减器的衰减量减少44dB，即衰减器保持6dB，这时2平底孔灵敏度调好了。第五节 缺陷位置的测定一、纵波（直探头）检测是缺陷定位仪器按1：n 调节纵波扫查速度，缺陷波前沿所对的水平刻度值为f、测量缺陷至探头的距离xf为：xf=nf 例如：利用纵波检测某锻件，仪器按1：5调节 TBF XfL

15、0 7080 图7 Xf=570=350mm L=580=400mm二、表面波检测时缺陷定位仪器表面波为1:1 Xf= nf T B70 Xf=70mm 图8三、横波检测平面时缺陷定位1、直射波进行检测TlfBXf df T图9f1）、声程调节扫查速度lf=Xfsin df= Xfcos 2）、按水平调节扫查速度采用水平距离进行调节，即示波器的水平刻度为探头到缺陷的水平距离。称水平1：n lf=nf df= ( K=)例如；采用2.5P1313K2探头检测，仪器按水平1：1调节，检测T=40mm钢板焊缝，在水平刻度40mm处发现一处缺陷，求缺陷的深度。Lf=40mm ，df=3）、按深度调节扫

16、查速度采用水平距离进行调节，即示波器的水平刻度为探头到缺陷的深度距离。lf=K nf df= nf例如：用2.5P1313K1.5探头检测，仪器按深度1：1调节，检测T=60mm钢板焊缝，在水平刻度40mm处发现一处缺陷，求缺陷的水平距离。df=40mm lf= Kdf=1.540=60mm2、一次反射波进行检测1）、声程调节扫查速度TlfBXf df T图10flf= Xf sin=nf sindf=2T- Xfcos=2T- nfcos2）、按水平调节扫查速度lf= nfdf=2T-例如：用2.5P1313K2探头检测，仪器按水平1：1调节，检测T=20mm钢板焊缝，在水平刻度50mm处发

17、现一处缺陷，求缺陷的垂直距离。lf=50mmdf=2T-=220-=15mm3）、按深度调节扫查速度lf=K nfdf=2T- nf例如：用2.5P1313K1.5探头检测，仪器按深度1：1调节，检测T=30mm钢板焊缝，在水平刻度40mm处发现一处缺陷，求缺陷的垂直距离。lf=K nf=1.540=60mmdf=2T- nf=230-40=20mm四、横波周向探测园轴曲面时缺陷定位1、外圆周向检测缺陷的位置由深度H和弧长L来确定，AC=d（平板工件中缺陷深度）BC=dtg=Kd=lAO=R CD=R-dtg= =tg-1 BO= 图11H=OD-OB=R-L=2、内壁周向检测缺陷的位置是由深

18、度h和弧长L来确定。AC=d (平板工件中缺陷的速度)BC=dtg=Kd=l（平板工件中缺陷的水平距离）AO=r CD=r+dtg= =tg-1BO= 图12h=OB-OD=L=例如:K1.5横波斜探头外圆周检测108085压力容器纵缝。仪器按深度1：2调节扫描速度，检测中在水平刻度40处出现一缺陷波，试确定此缺陷的位置。解：d=240=80mm k=1.5l=kd=1.580=120mm R=mmH=R-L=当探头从圆柱曲面外壁作周向检测时，弧长总比水平距离大，但深度却总比d值小但探头从圆柱曲面内壁作周向检测时，弧长总比水平距离小，但深度却总比d值大第六节 缺陷大小的测定当量法、底波高度法和

19、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情况。一、当量法 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当量的方法。利用试块比较法对缺陷定量要尽量使试块与被检工件的材质、表面光洁度和形状一致，并且气体其它检测条件不变，如仪器、探头、灵敏度旋钮的位置、对探头施加的压力等。仅在X3N的情况下或特别重要零件的精度定量是使用。优点：直观易懂，当量观念明确，当量比较稳妥可靠。缺点：需要制作大量试块，成本高；同时操作也比较繁琐，现场检测要携带很多试块，很不方便。

20、2、当量计算法 当x3N 时，规则反射体的回波声压变化规律符合理论回波声压公式。当量计算法就是根据检测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定量尺寸的定量方法。当量计算法对缺陷定量不需要任何试块。平底孔和大平底的回波声压公式为： PB=(大平底X3N)Pf=(平底孔X3N)不同距离处的大平底与平底孔回波分贝差为Bf=20lg=20lg+2(xf-xB)Bf:底波与缺陷的dB差Xf:缺陷至检测面得距离XB:底波至检测面得距离Df:缺陷的当量平底孔直径:波长：材料衰减系数（单程）不同平底孔回波分贝差为12=20lg12:平底孔1、2的dB 差Df1、D

21、f2:平底孔1、2的当量直径X1、X2:平底孔1、2的距离例 ：用2.5P14Z探头检测厚度为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2平底孔检测灵敏度，检测中在210mm处发现一缺陷，其回波比底波低26dB ,求此缺陷的当量大小。解：=N=3N=321=63210mm设420处大平底回波声压为PB，210mm处缺陷回波声压为Pf，则Bf=20lgdBDf=答：该缺陷当量平底孔为2.8mm例 ：用2.5P20Z探头径向检测直径为500mm的实心圆柱钢工件，CL=5900m/s，=0.01dB/mm，利用底波调整500/2灵敏度，检测在400mm处发现一缺陷

22、，其回波比灵敏度基准波高22 dB，求此缺陷的当量大小。解：=N=3N=342.4=127.22040单晶直探头51420 mm40250单晶直探头2.52025 mm四、标准试块 1、 用双晶直探头检测厚度不大于20mm的钢板时，采用如图1所示的CB标准试块。2、 用单直探头检测厚度大于20mm的钢板时，CB标准试块应符合图2和表2的规定。试块厚度应与被检钢板厚度相近。如经合同双方协商同意，也可采用双晶直探头进行检测。图26 CB标准试块图27 CB标准试块表2 CB标准试块 mm试块编号被检钢板厚度检测面到平底孔的距离s试块厚度TCB-120401520CB-240603040CB-360

23、1005065CB-410016090110CB-5160200140170CB-6200250190220五、基准灵敏度1、板厚不大于20mm时，用CB试块将工件等厚部位第一次底波高度调整到满刻度的50%，再提10dB作为基准灵敏度。2、 板厚大于20mm时，应将CB试块5平底孔第一次反射波高调整到满刻度的50%作为基准灵敏度。3、板厚不小于探头的3倍近场区时，也可取钢板无缺陷完好部位的第一次底波来校准灵敏度，六、 检测方法1、 检测面可选钢板的任一轧制表面进行检测。若检测人员认为需要或设计上有要求时，也可选钢板的上、下两轧制表面分别进行检测。2、耦合方式 耦合方式可采用直接接触法或液浸法。

24、3、 扫查方式 a) 探头沿垂直于钢板压延方向，间距不大于100mm的平行线进行扫查。在钢板剖口预定线两侧各50mm（当板厚超过100mm时，以板厚的一半为准）内应作100%扫查，扫查示意图见图3。b) 根据合同、技术协议书或图样的要求，也可采用其他形式的扫查。（全面扫查、列线扫查、格子扫查、边缘扫查。）图28 探头扫查示意图七、 缺陷的测定与记录1、 在检测过程中，发现下列三种情况之一即作为缺陷： a) 缺陷第一次反射波（F1）波高大于或等于满刻度的50%，即F150%。 b) 当底面第一次反射波（B1）波高未达到满刻度，此时，缺陷第一次反射波（F1）波高与底面第一次反射波（B1）波高之比大

25、于或等于50%，即B1100%，而F1/B150%。 c) 底面第一次反射波（B1）波高低于满刻度的50%，即B150%。2、 缺陷的边界范围或指示长度的测定方法 a) 检出缺陷后，应在它的周围继续进行检测，以确定缺陷的范围。 b) 用双晶直探头确定缺陷的边界范围或指示长度时，探头的移动方向应与探头的隔声层相垂直，并使缺陷波下降到基准灵敏度条件下荧光屏满刻度的25%或使缺陷第一次反射波波高与底面第一次反射波波高之比为50%。此时，探头中心的移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心点即为缺陷的边界点。两种方法测得的结果以较严重者为准。 c) 用单直探头确定缺陷的边界范围或指示长度时，移动探头使缺陷第

26、一次反射波波高下降到基准灵敏度条件下荧光屏满刻度的25%或使缺陷第一次反射波波高与底面第一次反射波波高之比为50%。此时，探头中心的移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心即为缺陷的边界点。两种方法测得的结果以较严重者为准。 d) 确定4.1.6.1 c）中缺陷的边界范围或指示长度时，移动探头（单直探头或双直探头）使底面第一次反射波升高到荧光屏满刻度的50%。此时探头中心移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心点即为缺陷的边界点。e) 当板厚较薄，确需采用第二次缺陷波和第二次底波来评定缺陷时，基准灵敏度应以相应的第二次反射波来校准。八、 缺陷的评定方法1、 缺陷指示长度的评定规则单个缺陷按其指示的最大

27、长度作为该缺陷的指示长度。若单个缺陷的指示长度小于40mm时，可不作记录。2、 单个缺陷指示面积的评定规则 a) 一个缺陷按其指示的面积作为该缺陷的单个指示面积。b) 多个缺陷其相邻间距小于100mm或间距小于相邻较小缺陷的指示长度（取其较大值）时，以各缺陷面积之和作为单个缺陷指示面积。c） 指示面积不计的单个缺陷见表3。表3 钢板质量分级等级单个缺陷指示长度mm单个缺陷指示面积cm2在任一1m1m检测面积内存在的缺陷面积百分比%以下单个缺陷指示面积不计cm28025391005051512010010251501001025超 过 级 者3、 缺陷面积百分比的评定规则在任一1m1m检测面积内

28、，按缺陷面积所占的百分比来确定。如钢板面积小于1m1m，可按比例折算。九、 钢板质量分级1、 钢板质量分级见表3。2、 在坡口预定线两侧各50mm（板厚大于100mm时，以板厚的一半为准）内，缺陷的指示长度大于或等于50mm时，应评为级。3、 在检测过程中，检测人员如确认钢板中有白点、裂纹等危害性缺陷存在时，应评为级。十、 横波检测1、 在检测过程中对缺陷有疑问或合同双方技术协议中有规定时，可采用横波检测。2、 钢板横波检测见JB/T4730.3附录B（规范性附录）进行。第六章 锻件检测一、锻件加工及常见缺陷锻件是由热态钢锭经锻压变形而形成。锻压过程包括加热、变形和冷却。锻件的加工方式分为锻粗

29、、拔长和滚压。为了改善的组织性能，锻后还要进行正火、退火和调质等热处理。锻造缺陷主要有：折叠、白点、裂纹等。热处理缺陷主要有：裂纹。二、检测方法1轴类锻件的检测轴类锻件的锻造工艺主要以拔长为主，应而大部分缺陷取向与轴线平行，此类缺陷的检测以纵波直探头从径向探测效果最佳。检查方法：直探头径向和轴向检测、斜探头周向及轴向检测。2、饼类、碗类锻件的检测饼类和碗类锻件的锻造工艺主要以镦粗为主，缺陷的分布主要平行于端面，所以用直探头在端面检测是检出缺陷的最佳方案。3、筒类锻件的检测筒类锻件的制造工艺是先镦粗、后冲孔，在滚压。因此筒类锻件的检测以直探头外圆面检测为主，但对于较厚的筒类锻件，须加用斜探头。1）、直探头检测用直探头从筒体外圆面或端面进行检测，其目的发现与轴线平行的周向缺陷。端面检测其目的是发现与轴向垂直的横向缺陷。 图292）、双晶探头检测检测筒体近表面缺陷3）、斜探头检测对于某些重要的筒形锻件还要用斜探头从外圆进行轴向和周向检测。轴向检测主要发现与轴线垂直的径向缺陷，周向检测主要发现与轴线平行的径向缺陷。一般原则锻件应进行纵波检测，对筒形和环形锻件还应增加横波检测。三、检测条件的选择1、探头双晶直探头的公称频率应选用5MHz。探头晶