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1、第5章 超声检测方法分类与特点,中国特种设备检测研究院全国特种设备无损考委会 郑晖,8/26/2023,2,概述,超声检测方法分类的方式有多种，较常用的有如下几种：1、按原理分类：脉冲反射法、衍射时差法（TOFD）、穿透法、共振法。2按显示方式分类：A型显示和超声成像显示（可细分为B、C、D、S、P型显示等）。3按波型分类：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。4、按探头数目分类：单探头法、双探头法、多探头法。5、按探头与试件的接触方式分类：接触法、液浸法、电磁耦合法。6、按人工干预的程度分类：手工检测、自动检测。每一个具体的超声检测方法都是上述不同分类方式的一种组合，如最常用的：单探头
2、横波脉冲反射接触法（A型显示）。每一种检测方法都有其特点和局限性，针对每一检测对象所采用的不同的检测方法，是根据检测目的及被检工件的形状、尺寸、材质等特征来进行选择的。,8/26/2023,3,5.1 按原理分类的超声检测方法,超声检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、衍射时差法、穿透法和共振法。脉冲反射法 超声波探头发射脉冲波到被检工件内，通过观察来自内部缺陷或工件底面反射波的情况来对试件进行检测的方法，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。缺陷回波法 底波高度法 多次底波法,8/26/2023,4,5.1.2 衍射时差法,定义：Time Of Flight Di
3、ffraction 衍射时差法超声检测TOFD 方法利用缺陷端点的衍射波信号探测和测量缺陷的尺寸 TOFD基本结构：一发一收双探头 宽角度纵波斜探头（通常）,8/26/2023,5,2、TOFD检测设备举例,8/26/2023,6,3、TOFD检测显示示例,A扫描显示TOFD图像,8/26/2023,7,4、物理基础衍射,8/26/2023,8,衍射（续）,缺陷,衍射波,衍射波,入射波,反射波,特点：1、全方位2、低能量,8/26/2023,9,发射探头,接收探头,埋藏缺陷的检测原理,8/26/2023,10,扫查面开口缺陷的检测原理,发射探头,接收探头,无直通波,8/26/2023,11,底
4、面开口缺陷的检测原理,发射探头,接收探头,8/26/2023,12,层间缺陷的检测原理,发射探头,接收探头,8/26/2023,13,TOFD检测图像灰度图,幅度,时间,时间,将每一个A扫描信号转化为灰度线，沿探头的运动方向拼接成二维灰度图,8/26/2023,14,TOFD扫查方式,非平行扫查 平行扫查 偏置非平行扫查,8/26/2023,15,1、表面开口裂纹,2,1,8/26/2023,16,2、X形坡口根部未焊透,2,1,1,2,3,4,8/26/2023,17,3、V形坡口根部未焊透,根部未焊透,1,2,3,8/26/2023,18,4、密集气孔,1,2,8/26/2023,19,5
5、、横向裂纹,1,2,3,4,1,2,3,8/26/2023,20,6、根部未焊满,1,2,3,8/26/2023,21,7、层间未熔合,8/26/2023,22,8、根部未熔合,TOFD technique,Lack of root fusion defect,8/26/2023,23,9、根部凹陷,TOFD technique,Root Concavity defect,8/26/2023,24,10、根部过厚,TOFD technique,Over penetration defect,8/26/2023,25,TOFD优点,与脉冲反射法超声检测和射线检测相比，TOFD的主要优点在于：（1
6、）能探测不利取向的缺陷，缺陷检出率高；（2）超声波束覆盖区域大；（3）缺陷高度测量精确；（4）实时成像，快速分析；（5）非基于波幅，波幅影响小；（6）快速、安全、方便。,8/26/2023,26,荷兰焊接协会的对比试验POD 缺陷检出率 FCR 误报率 R可靠性,8/26/2023,27,TOFD局限性,（1）由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围的缺陷波难以被发现，因此在扫查面和底面存在几毫米的表面盲区；（2）TOFD信号较弱，易受噪声影响；（3）倾向于“过分夸大”中壁缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等；（4）TOFD数据分析对检测人员要求高。,8/26/2023,28
7、,5.1.3 穿透法,穿透法是采用一发一收双探头分别放置在试件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来检测试件缺陷的方法。,8/26/2023,29,5.1.4 共振法,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。常用于试件测厚。共振法测厚的原理见4.1.6，目前已很少使用共振法测厚。,8/26/2023,30,5.2 A型显示和超声成像,按超声信号的显示方式，可将超声检测方法分为A型显示和超声成像方法，其中超声成像显示按成像方式的不同又可再分为B、C、D、S、P型显示等。5.1.1 A型显示如4.1.1中所述，A型显示是一种波形显示，是将超声信号的幅度
8、与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来，横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。A型显示是最基本的一种信号显示方式。此时，示波管的电子束是振幅调制的。换言之，A型显示的内容是探头驻留在工件上某一点时，沿声束传播方向的回波振幅分布。结合脉冲放射法的A型显示超声检测是目前用的最多的一种方法，目前特种设备行业常用的JB/T 4730.32005标准规定的就是A型脉冲反射法超声检测，采用该方法时，检测结果受检测人员的素质、经验等人为因素影响较大。,8/26/2023,31,5.1.2 超声成像方法,超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。由于声波可以穿透很多不透光的物体，故利用声波可以获得
9、这些物体内部结构声学特性的信息，超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图像，即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。物体的超声图像可提供直观和大量的信息，直接显示物体内部情况，且可靠性、复现性高，可以对缺陷进行定量动态监控。一般而言，超声成像方法是基于A型显示形成的工件不同截面的图像显示，大都具有自动数据采集、自动数据处理和自动作出评价的功能。超声成像的研究历史超声成像方法发展到现代，主要采用扫描接收信号、再进行图像重构的方式，因此又称为超声扫描成像技术，起初主要为B、C扫描成像，随后为检测焊缝而开发出D、P扫描（投影扫描成像）；因为相控阵技术的出现，又出现S扫描（扇形扫描成像）等。而对应的
10、，A型显示又可称为A扫描显示。,8/26/2023,32,1B、C、D扫描成像 B、C、D扫描成像设备较简单、操作容易，已成为最普及的三种超声成像方法。其中的B扫描广泛用于医疗诊断，俗称B超。现在用于无损检测也取得了良好的效果。,8/26/2023,33,2.P扫描成像,8/26/2023,34,3.ALOK超声成像,8/26/2023,35,4 相控阵和S扫描成像相控阵技术(2009年3级复试）.ppt,8/26/2023,36,5.3 按波型分类的超声检测方法,纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等 5.3.1 纵波法 使用纵波进行检测的方法，称为纵波法。1纵波直探头法 单晶直探头脉冲
11、反射法、双晶直探头脉冲反射法和穿透法 垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的检测 2.纵波斜探头法 将纵波倾斜入射至试件探测面，利用折射纵波进行检测的方法探头移动范围较小、检测范围较深的一些部件;粗晶材料;TOFD,8/26/2023,37,5.3.2 横波法,将纵波倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法，称为横波法。由于入射声束与探测面成一定夹角，所以又称斜射法。产生的两种方式横波法主要用于焊接接头和管材的检测，是目前特种设备行业中应用最多的一种方法。检测其它试件时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现与检测面有一定倾角的缺陷。,8/26/2023,38,5.3.3 表面波
12、检测,使用表面波进行检测的方法，称为表面波法。表面、近表面缺陷 1表面波的性质 传播运动状态速度能量分布2、表面波的产生（1）Y切石英法（2）纵波折射法3人工反射体的反射特点（1）柱孔（2）横孔（3）沟槽（4）棱边的反射,8/26/2023,39,5.3.3 表面波检测,4影响表面波传播的其他因素油 表面光洁度和材料组织 圆柱曲面 5表面波检测的应用（1）强度法检测表面裂纹扫描速度调整灵敏度调整和定量 直角棱边反射波（2）时延法测量表面裂纹的纵向尺寸 特点：利用裂纹开口处的反射信号和裂纹尖端处的反射信号在传播时间上的差值作为测定裂纹纵向尺寸的信息，而不是裂纹反射信号的强度。双探头法 单探头法
13、只适用于测量表面开口缺陷,8/26/2023,40,5.3.4 板波检测,使用板波进行检测的方法，称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件检测。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。1板波的种类 使用板波进行检测的方法，称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件检测。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。根据质点振动情况分类 根据边界条件分类根据板的变形分类2板波的产生 选择不同的板波型式 探头入射角 入射角可根据被探测工件的板厚乘所用频率 和选用的
14、波型，由特定的曲线图上查出,8/26/2023,41,5.3.4 板波检测,3兰姆波的传播特点（1）衰减的非单调变化（2）反射时兰姆波波型的变化（3）板波回波信号的宽度4板波检测的一般程序 a、尽可能选用宽的发射脉冲 b、制作一个与被测板材料相同的对比试块 c、选择合适的波型 根据波型、频率乘板厚的数值，从相应的图中查得入射角 d、根据入射角选择合适的探头，在试块上调整扫描速度 e、根据人工缺陷的反射，选择合适的探测灵敏度 f、检测时注意点,8/26/2023,42,5.3.5.爬波法,产生：第一临界角附近入射概念优点,8/26/2023,43,5.4 按探头数目分类的检测方法,5.4.1 单
15、探头法 使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法称为单探头法。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，能够收到部分回波或者因反射波束全部反射在探头之外而无法检出。,8/26/2023,44,5.4.2 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。主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。双探头法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。,8/26/2023,45,5.4.3 多探头法,使用两个以上的探头组合在一起进行检测的方
16、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检测速度或发现各种取向的缺陷。通常与多通道仪器和自动扫查装置配合,8/26/2023,46,5.5 按探头接触方式分类的检测方法,接触法、液浸法和电磁耦合法。5.5.1 接触法和液浸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，这种检测方法称为直接接触法，或简称接触法。将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行检测的方法，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。液浸法检测，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，便于实现自动化检
17、测。,8/26/2023,47,5.5.1 接触法和液浸法,接触法和液浸法特点比较：（1）接触法优点：（2）接触法缺点：（3）液浸法优点：（4）液浸法缺点：在实际检测时，应根据应用的对象、目的和场合，结合两种方法的优缺点综合选择。,8/26/2023,48,5.5.2 电磁耦合法,采用电磁超声探头激发和接收超声波的检测方法，通常称为电磁超声检测（EMAT）。探头与工件之间无耦合剂，也不相互接触。电磁超声探头结构及工作原理见4.2.3。1、电磁超声产生的机理 2、电磁超声激发和接收 3、电磁超声的特点和现状,8/26/2023,49,5.6 手工检测和自动检测,按人工干预的程度分类，超声检测可分
18、为手工检测和自动检测。5.6.1 手工检测 手工检测一般指由操作者手持探头进行的A型脉冲反射式超声检测。手工检测方便易操作，大量应用，JB/T 4730.3-2005主要的适用范围即为手工检测。检测结果受操作者的人为因素影响是较大的检测过程中的超声信号无法连续记录检测结果的可靠性、复现性难以保证。,8/26/2023,50,5.6.2 自动检测,自动检测指使用自动化超声检测设备，在最少的人工干预下进行并完成检测的全部过程。一般指采用自动扫查装置，或在检测过程中可自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据的检测方式。在自动检测中，检测结果受人为因素影响较小。若满足如下任何一个条件，可称为自动检测：
19、1）采用自动扫查装置。探头固定于机械扫查装置上，扫查装置或工件按照设定的方式运动，从而完成超声检测全过程。2）自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据。为跟踪和记录探头位置，自动超声设备必须配备位置传感器，一般采用编码器或声定位技术，但相控阵方法是个例外，因为相控阵可以采用电子扫描以替代机械扫描。在扫查过程中，自动超声设备应能够自动采集超声信号以及相对应的位置信息，并以不可更改的方式记录下来。一般也使用扫查装置，按照驱动扫查装置的动力而言，可分为马达驱动和人驱动。若采用马达驱动，称为全自动；若采用人驱动，则称为半自动。全自动和半自动均简称为自动检测。超声成像技术涉及二维或三维成像，成像算法中需要超声信号以及相对应的位置信息，因此都属于自动超声检测。,8/26/2023,51,谢谢！,
