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1、2-2 超声检测方法2-2-1 超声检测用仪器与探头的选择(1)仪器选择 探伤仪器的选择，应从探伤对象的材料和缺陷的状况考虑，如果仪器选得不正确，不但导致不可靠的探伤结果，而且在经济上也带来损失。,仪器的选择应从选择最合适的探头开始，因为探头的性能是检测缺陷的关键，而探伤装置本身则应使探头的性能获得最充分地发挥。在考虑探伤操作要求的同时，还要考虑仪器的自动化程度，同时考虑选择试块、辅助工具以及耦合介质等。,超声波探伤仪是根据超声波传播原理、电声转换原理和无线电测量原理设计的，其中应用最广泛的是脉冲式超声波探伤仪。按照超声波在两个不同声阻抗介质的界面上将发生反射，反射能量将取决于界面两种介质声阻
2、抗的差异大小以及界面的取向和大小。,脉冲式超声波探伤仪主要分为A型显示和平面显示两大类，其中A型显示超声波探伤仪如图,荧光屏上纵坐标代表反射波幅度，横坐标代表声波传播时间，以缺陷波的幅度和位置来确定缺陷的大小和在工件中的位置。,这种仪器具有结构简单、使用方便和适用面广等许多优点，因此在目前应用最为广泛，在我国已形成系列产品。,A型显示超声探伤仪的缺点，是难以判断缺陷的几何形状和缺乏直观性。为了更好地进行定量、定位探伤，设计了可对缺陷几何形状作出判断的仪器，如B型显示、C型显示、准三维显示和超声透视等。,B型显示是一种可以显示出工件的某一纵断面的显示方法，探头移动距离作为横轴，探伤距离(深度)作
3、为纵轴,若对应于探头各个位置的纵向扫查有反射，把它作为辉度变化显示，以固定速度移动探头，即完成探伤图形。,在B型显示中所用示波管的荧光屏是由长余辉荧光物质组成，当声束照射大缺陷时，其后面小缺陷和底面反射就无法记录。,C型显示是使探头工件上纵、横交替扫查，把在探伤距离特定范围内的反射作为辉度变化的显示方式，能得到平面的横截面图。,C型显示利用探头在探伤面上的位移与荧光屏上亮点的位移同步，工件如有缺陷，则在荧光屏上相应位置就显示出亮点。,早期C型显示的缺点是只能检测出缺陷的长度和宽度，不能测出缺陷埋藏深度，现改用彩色荧光屏显示，以不同颜色来表示埋藏深度。C型显示是很直观的显示方法，同时采用高分辨力
4、探头，主要用于要求高的工件的探伤。,若把接收探头放在发射探头的对面，也就是说把探头放在被检工件的两侧，则所得图象已不是显示的某断面，而是超声投影面，称为超声透视。,当然在获得B型显示和C型显示的基础上，通过计算机信号处理技术，可以获得缺陷图象的准三维显示，具有立体形象。选择探伤装置时，首先要考虑所要求的探伤条件如频率高低。例如，铸件应选用低频率。要探伤装置能否配合采用高分辨率探头，能否满足高灵敏度探伤的高信噪比要求等。,(2)探头选择 目前应用最广、数量最多的超声换能器是以压电效应为原理的超声换能器，它将来自发射电路的电脉冲加到压电晶片上，变成同频率的机械振动，从而向被检测对象辐射出超声波。,
5、同时，它又将从声场中反射回来的声信号转换成电信号，送入接收、放大电路，变为可供在荧光屏上观察和判断的检 测信号。,探头的基本形式是直探头和斜探头，直探头用于发射和接收纵波，斜探头常用的有横波探头、表面波探头和板波探头,其它各种探头(例如聚焦探头、组合探头、高分辨力探头和高温探头)都是它们的变型。探头的迅速发展给人们留下了深刻的印象，使人们充分认识到探头虽小，但它集中了大量声学中的基本问题。例如，探头中存在吸收衰减、电声能量转换以及多层波传导传播等，因此它是探伤仪的主体，而不是探伤装置的附件。,在探头中，最重要的是压电晶片和阻尼块(吸收块)，压电晶片下面的保护膜也很重要。压电晶片是探头的核心，由
6、压电材料加工而成，压电材料近年来发展很快，品种繁多。,在超声检测中用得最广泛的压电材料是锆钛酸铅(PZT)，灵敏度高，成本低和工艺简单。其次是石英和钛酸钡，晶片厚度取决于所需频率。,吸收块是对压电晶片的振动起阻尼作用，目的是提高探头分辨缺陷的能力，常用环氧树脂加钨粉，要求吸收系数要大，能使声波散射。,同时，吸收块在靠近压电晶片的地方、其声阻抗尽可能接近压电晶片的声阻抗。通常是从工艺上采取措施，提高环氧树脂钨粉吸收块的声阻抗值、使之接近压电晶片，是制作高分辨力探头的关键。当然采用高阻尼吸收块将显著降低超声检测的灵敏度，因此应视具体情况综合考虑这两方面的要求。,一般来说，由于产生纵波最容易，而且转
7、换效率也高，因此在需要其它波型时，大都考虑首先获得纵波，然后用波型转换来得到其它波形。斜探头就是采用斜楔对波型转换的作用原理，利用纵波在斜楔与工件界面上的波型转换而在工件产生所需的波型。,对斜探头来说，除了考虑获得所需的波型及足够的声能外，还应注意不致由于斜楔的存在而使杂波增加，影响缺陷波形的判别。必须认真设计斜楔的形状，使斜楔中由界面反射回来的声能不回到压电晶片上来。斜楔的材料一般都采用有机玻璃，在斜楔的某些部位增填吸收材料，以便把从斜楔与工件界面反射回来的杂波尽可能吸收掉。,双晶探头，由两块分别发射和接超声波的晶片所组成。双晶斜探头的结构，透声楔分为两部分，中间设有隔声层。,透声楔上放置晶
8、片的斜面，除具有斜探头的入射角外，还有对称倾角(一般=4o10o)。,双晶探头采用收发分离的两块晶片，消除了有机玻璃与工件界面上的反射杂波，始脉冲不能进入接收放大器，盲区减小，可以发现近表面缺陷。,双晶探头具有聚焦作用，其声场主声束轴线相交于Q点。在由a，b，c、d 点构成菱形区，是检测灵敏度较高的部位。检测灵敏度随深度改变，b到Q逐渐升高，Q到d逐渐降低，Q点的灵敏度最高。,多分量换触器同时产生和接收2个以上信号，例如2分量换能器可以产生和接收一个纵波和一个横波分量，或两个互相垂直的横波分量。,3分量换能器可以产生和接收一个纵波分量和两个互相垂直的横波分量。多分量换能器的工作原理如图所示。,
9、多分量换能器用于声发射检测和应力测试。包括纵波-横波(L-T)二分量、横波-横波(T-T)二分量、纵波-横波-横波(L-T-T)三分量换能器。,箭头和为晶片2的振动方向，和为信号电极的极性。由于晶片之间不能共用信号线，彼此之间采用了隔离层(G)，其中G1为背衬。,有时需要不同入射角，可采用可变角度探头。例如在板波探伤中，为选择合适板波，采用变角度探头。图是几种可变角度探头的结构原理。,图a通过转动上面楔块来改变入射角，缺点是没有吸收块。图b缺点是当改变入射角时探头入射点、折射角和在透声楔内声程改变。图c缺点是在透声楔内声程较大、衰减大、灵敏度下降。,近年来出现了一种新型薄膜探头，用高聚合物压电
10、薄膜制造，适用于任何形状的工件。该探头具有良好的宽频带特性，高压电常数，密度小，特性阻抗小，加工性好，性能稳定。其缺点是灵敏度偏低，加工难度较大。,探头的主要指标除频率外，还有检测灵敏度和分辨力，检测灵敏度是指探头与探伤仪配合起来，在最大深度上发现最小缺陷的能力、它与探头的换能特性有关，辐射效率高、接收灵敏度高的探头的检测灵敏度高。辐射面积愈大、检测灵敏度愈高。检测分辨能力可分为横向分辨率和纵向分辨率，纵向分辨力是指声波传播方向对两个相邻缺陷的分辨能力。脉冲愈窄则分辨能力愈高，频率愈高则分辨能力愈高，灵敏度愈高则分辨力愈低。,横向分辨力是指传播方向上对两个并排缺陷的分辨能力，探伤用声束愈窄、频
11、率愈高、则横向分辨力愈高。上述分析知，探头频率和频率特性以及辐射特性，对超声检测均有很大的影响。,要探出以任何形式及任何位置上的缺陷，要求探头的声场能够以同样的灵敏度覆盖试件的最大范围。但指向角大时检测灵敏度降低。高强度细声束的探头能探出小缺陷，但是探伤的范围非常小，同时能探出的缺陷也只限于其反射面接近垂直于声束中心轴上的缺陷，用这种探头必须用比较小的扫查间隔。,即使如此，仍有漏检的缺陷。很明显，只有牺牲检查速度才能提高检测灵敏度。大多数探头直径为540mm，直径大于40mm时，由于很难获得与之对应的平坦接触面，故不适于大部分检测。直径小于5mm时，灵敏度显著下降，这是因为近场区底波高度与换能
12、器面积成正比，而远场区与换能器面积的平方成正比。,一个良好的超声换能器，应该在远场区具有良好的灵敏度，而在近场区则具有良好的分辨力，但两者往往是矛盾的。选择探头时，应考虑不同的探伤对象。形状复杂工件，选用直径10mm和5mm小振子探头。厚壁大件选择频率低、直径20mm探头。薄壁件则相反，可采用分割式探头。大衰减材料选用频率低、脉冲窄、直径20mm探头。,选择探头时，对缺陷的状况应做考虑。超声波束轴线要尽可能与缺陷主要扩展方向正交，用斜角探伤时、要选择合适的折射角。根据缺陷在工件中的大致位置选择合适的频率与振子尺寸。,例如，近表面缺陷，可选用分割式探头。薄工件，要用高分辨力探头。为了不漏检，散乱
13、的缺陷要选用较低的频率。固定缺陷位置的水浸探伤，要选用聚焦探头。对微小缺陷，一般采用高频探头。,频率上限由衰减大小决定，下限则由检测灵敏度、脉冲宽度和声束指向性决定。对横波斜探头来说，为了使工件中的折射角度范围能覆盖到90o，探头斜楔中的声速应小于工件中的声速。一般斜探头主要用于横波，因此设计时要求斜楔中的纵波速度小于工件中的横波速度。,对钢来说常用有机玻璃或聚乙烯做斜楔。斜楔采用有机玻璃的另一个优点是，具有明显的衰减特性，有利于消除干扰反射波。折射角为45o70o的斜探头，由于干扰反射波引起的麻烦最少，而且在这个角度范围内的所有换能器具有大致相同的灵敏度，换能器的方向特征也不失真，因此应用最
14、广。,斜楔的存在对压电晶片的振动可起到一定的阻尼作用，而且即使脉冲持续时间较长，一般也不会超过在斜楔内的传播时间，因此晶片背面往往不再附加吸收块。为了防止斜楔内回波影响缺陷回波的辨认或近表面缺陷的发现，需在斜楔的顶面和端面粘加吸声材料，以消除楔内回波。,(3)探头与仪器的连结 探头用高频电缆与探伤仪相连结，为消除外来电波对探头激励脉冲及回波脉冲的影响，并防止这种高频脉冲以电波形式向外辐射，常采用同轴电缆连结。,2-2-2 试块的选用 脉冲反射法超声探伤基本的测定对象，是反射源反射波的位置及其大小，测定其绝对值比较困难，实际上都是采用与已知量相比较的办法来确定被检物状况。,超声检测对缺陷的定量主
15、要以试块为比较的依据，通常把被检物中的缺陷反射声压的声源位置与试块中规则反射体(如平底孔、横通孔等)的反射声压的声源位置相比，称为当量法。常用试块来确定合适的探伤方法，来确定和调整探伤仪的测定范围、检验仪器和探头的性能以 及确定探伤灵敏度和评价缺陷大小。,试块主要可分两种：即标准试块(简称STB)和参考试块(简称RB)。标准试块的材质、形状、几何尺寸及性能等是由有关技术权威机关规定的，用以测试探伤仪的性能、调整灵敏度和时间的测定范围。例如国际标准试块IIW、IIW2，我国标准试块CSK-1B等。,超声波探伤用的标准试块的材料均为低碳镇静钢，如20号钢，经正火热处理。参考试块是针对特定条件，而设
16、计的非标准试块，大都采用与被检测工件材质相同或相似的材料制作。参考试块中可以设置人工缺陷(反射体)，或者存在自然缺陷，从本质上说，它与标准试块是一致的。,超声波探伤标准试块为IIW试块，如图所示,IIW试块是国际焊接协会在1958年确定为用于焊缝超声探伤用的标准试块，由于它是荷兰人于1955年首先提出的，故又名荷兰试块。用于测定斜探头的入射点、折射角、最大灵敏度、修正时间轴原点和调整时间轴的测定范围。使用直探头时，可用来测定直探头的分辨率、盲区、时间轴的水平线性，以及调整时间轴的测定范围等。,IIW2试块如图所示，是国际焊接学1974年通过的标准试块。其优点是容易加工，便于携带。我国GB113
17、45-89标准推荐该试块为现场校验检测灵敏度和时基线试块。,我国GB11345-89标准规定CSK-1B试块为新标准试块，结构与IIW试块类似。它是国际标准化组织ISO-2400标准试块(即IIW-1型试块)的改变型。在原有CSK-1A基础上增加了测试斜探头折射角的刻度面。,美国材料试验学会(ASTM)提出了一套铝合金超声波标准试块。这套试块用铝合金制作，是因为不同成分的铝合金透声性能基本相同。,试块由下述三组组成。1)基本组，由3种不同孔径、8种不同金属距离的8个试块组成；2)面积幅度组，由8种不同孔径、相同金属距离的8个试块组成；3)距离幅度组，由30种不同金属距离、每种又有3种不同孔径的
18、共90个试块组成。这套试块主要用于纵波检测，可用于探头、探伤仪的性能测试，灵敏度的调整、和测量范围的调整等。,2-2-5 超声检测方法分类(1)脉冲反射法与穿透法 穿透法，在工件两侧各放一探头，一个探头向工件内发射超声波，另一个探头接收超声波,当工件完好时，可接收到较强信号。当工件内有面积大于声束截面的缺陷时，声能被缺陷全部反射，另一个探头完全收不到超声信号。,穿透法的优点是不存在盲区，声程衰减少。缺点是检测灵敏度低，不能对缺陷定位，现场操作不便，应用比较少。,脉冲反射法如图所示，只需采用一个又发又收的探头进行检测。当工件完好无缺陷时，荧光屏上只有始脉冲和底波显示。,工件中有小缺陷时，在始波和
19、底波之间有缺陷波显示，通过缺陷波在时基轴上的位置来确定缺陷在工件中位置，缺陷波的高度取决于缺陷大小,当有缺陷波出观时，底波高度下降。当工件中有大于声束截面的大缺陷时，全部声能被缺陷所反射，荧光屏上只有始波和缺陷波，底波消失。,脉冲反射法的优点是检测灵敏度高，缺陷可以定位，操作灵活方便，适用范围广，是当前国内外应用最广泛的超声检测方法。,脉冲反射法的缺点是存在盲区，对近表面缺陷的检测能力差，当缺陷反射面与声束轴线不垂直时容易漏检，以及往复声程的超声波衰减大。,(2)直接接触法与液浸法接触法，探头通过耦合薄层、与工件检测面接触的探伤方法，具有方便、灵活、耦合层薄、声能损失小等优点，应用广泛，可用于
20、纵波检测、横波检测、表面波检测和板波检测等。,该方法对探头所加压力大小、耦合层厚薄、接触面积大小等影响因素难于操纵，以及探头容易磨损、检测速度低等缺点，使其应用受到限制。,液浸法检测，就是在探头与工件间设置一层一定厚度的液体耦合层，常用水做耦合剂，故又称水浸法检测。,液浸法检测时，探头与工件不发生直接接触，既可减少探头的磨损，又能消除直接接触法中那些难以控制的因素，同时也可提高检测速度，便于实现自动检测。,采用液浸法检测方法，由于声束在水中和钢中两次扩散，声束指向性差，声压损失也大，往往采用聚焦探头。,(3)探头与工件的耦合工件表面形状和粗糙度对检测灵敏度、检测速度和探头磨损等都有直接影响。为
21、提高声能从探头向工件内的传递效率，在探头和工件之间填加耦合剂，同时可减少探头磨损、便于探头移动。,在接触法，一般采用液态接触，即在探头与工件之间涂敷液体、排除空气间隙，这层液体称为耦合剂。影响耦合效果的因素很多，主要有工件表面形状、表面粗糙度和耦合剂种类等。,工件表面愈粗糙，入射到工件中的超声能量就愈少，检测灵敏度较低。要求工件表面粗糙度不大于1/10波长，否则耦合情况显著变差，出观比较大的侧向散射。能够机械加工的表面最好在加工后检测，不能加工的应进行适当清理和打磨，去掉表面附着的氧化皮、涂料以及其它附着物。,常用的超声耦合剂，包括水、甘油、水玻璃和机油等。机油最常用，根据工件表面状况和环境温度可选用适当粘度的机油。甘油的耦合效果比较好，但有腐蚀性，成本也高。水玻璃效果也不错，适用于粗糙表面，但容易损坏探头。,水浸探伤时探头不直接接触工件表面，为了对工件表面有足够的浸润性，应在水中加入适量的活性剂。另外也需要加入适量防锈剂。,手工探伤时应对探头施加1020N的压力，自动检测时，除靠探头自重外还需适当弹簧力。,
