超声波无损探伤

GB/T11345—1989标准中把检验划分为A、B、C 三个级别：
A级—检验时完善程度最低，难度系数最小。适用于 普通钢结构检验。
B级—检验时完善程度一般，难度系数较大。适用于 压力容器检验、船舶等。
C级—检验时完善程度最高，难度系数最大。适用于 核容器与管道等检验。
各检验等级的的检验范围见表3—7。
第三章 超声波探伤
本章将重点讲述超声 波的性质，直接接触法 超声波探伤；简单介绍 超声波探伤设备。
超声波探伤
第一节 超声波的产生、性质及衰减 第二节 超声波探伤设备简介 第三节 超声波探伤原理及其应用 第四节 直接接触法超声波探伤
第一节 超声波的产生、性质及衰减
声波及其分类
– 声波是一种机械波，它的频率（通常用字母f表示） 范围很宽，按照人的听力极限，将声波划分为三种： 即次声波、声波和超声波。其中：
夹渣
点状夹渣的回波信号类似于单个气孔。 条状夹渣回波信号多呈锯齿状，波幅不 高且形状多呈树枝状。探头平移和绕缺 陷移动时，波幅都会发生变化。
未焊透
未焊透的回波波幅均较高。探平头移 时，波形较稳定。在焊缝两侧探伤时， 均能得到大致相同的反射波幅。
未熔合
当声波垂直入射该缺陷表面时，回波高 度大。探头平移时，波形稳定。焊缝两 侧探伤时，反射波幅不同，有时只能从 一侧探测到。
束射性
– 声源发出的超声波能集中在一定区域内定向辐射。
2、超声波能在弹性介质中传播， 不能在真空中传播
超声波也有不同的波形，并且各类型波的传播介质、 传播速度和本身具有的特点也不完全相同。(表3-1、 表3-2)
超声波在同一介质中传播时，纵波速度最快，横波次 之，表面波最慢。
对同一频率在同一介质中传播的超声波纵波波长最长， 横波次之，表面波最短。
1
≥6 10
4
4
2、探伤面及探伤方法的选择
选择探伤方法要根据工件的结构特点和采用的 焊接方法的特点，并结合有关标准进行，见表 3—8
探伤面应根据不同的检验等级和板厚来选择， 见表3—7、表3—8的规定。
表3—8 探伤面及使用折射角
板厚/mm ≤25
＞25～50
＞50～ 100
＞100
探伤面 探伤方法
– 一次反射法：超声波只在底面反射一次而对准缺陷 的探伤方法，又称二次波法。
第四节 直接接触法超声波探伤
一、探伤前的准备 二、实时探伤操作 三、缺陷性质估判和定位 四、焊缝质量评定
一、探伤前的准备
1、检验等级的确定 2、探伤面及探伤方法的选择 3、探头的选择 4、探伤仪的调节
1、检验等级的确定
二、超声波的性质
1、超声波具有良好的指向性 2、超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中
传播 3、异质界面上的透射、反射、折射和波形转换 4、具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性
1、超声波具有良好的指向性
直线性
– 在弹性介质中能象光波一样沿直线传播，并符合几 何光学规律。
– 超声波在固定的介质中传播速度是常数
– 利用R100mm圆弧面测定探头入射点和前沿长度， 利用Φ50mm孔的反射波测定斜探头折射角或K 值。
– 校验探伤仪的水平线性和垂直线性。 – 利用Φ1.5mm横通孔的反射波调整探伤灵敏度，
利用R100mm圆弧面调整探测范围。
对比试块（RB试块）
RB试块主要用于绘制距离—波幅曲线，调整探测范围 和扫描速度，确定探伤灵敏度和评定缺陷大小。
斜角探伤法
斜角探伤法（简称斜射法）是采用斜探头将声 束倾斜入射工件表面进行探伤。
该法是利用横波进行探伤，故又称横波法。 斜角探伤法能发现与探测表面成角度的缺陷，
常用于焊缝、环状锻件、管材的检查。
– 直射法：在0.5跨距的声程以内，超声波不经底面 反射而直接对准缺陷的探伤方法，又称一次波法。
固体
焊缝、钢管
表 面 质点仅在固体表面作椭 波 (R)圆形运动
钢板、钢管、 固体表面 锻件表面
表3—2 常见固体材料的声速
材料种类 铝
铸铁 钢 铜
有机玻璃 陶瓷 机油
水(20℃) 空气
密度(g/cm3) 2.7 7.3 7.8 8.9 1.18 2.4 0.92 1.0
0.0012
纵波CL(m/s) 6260 5600 5950 4700 2730 5600 1400 1500 340
1）探头K值
– K值大小决定声束入射工件的方向和在工件中的传 播途径，可以依据该值进行缺陷的定位计算，因此 探头使用磨损后应重新测量K值。
2）前沿长度
– 声束入射点至探头前端面的距离称为前沿长度。
3、探头的主要参数与型号
2.5 B 20 Z
直探头 圆晶片直径(mm) 钛酸钡陶瓷晶片 基本频率2.5Mz
2．介质吸收引起的衰减
– 由于质点之间的相对运动和相互摩擦使部分声能转换为热能， 通过热传导引起衰减，这种衰减称为介质吸收引起的衰减。
3．声束扩散引起的衰减
– 超声波在传播过程中会发生扩散，且随传播距离的增加，扩散 程度也将会增大。声束扩散导致声束的截面增大，从而使单位 面积上的声能减小。这种形式引起的超声波能量衰减称为扩散 衰减。
第二节 超声波探伤设备简介
一、探头 二、超声波探伤仪 三、试块
一、探头
1、直探头 2、斜探头 3、探头的主要参数与型号
1、直探头
声束垂直于被检工件表面入射的探头称 为直探头。
直探头用于发射和接收纵波。 组成：
– 压电元件：产生和接收超声波 – 吸收块：吸收杂波 – 保护膜：保护元件不受磨损 – 壳体：安装上述元件
横波CS(m/s) 3080 3200 3230 2260 1460 3500 — — —
3、异质界面上的 透射、反射、折射和波形转换
垂直入射：透射、反射和绕射 倾斜入射：反射、折射和波形转换
4、具有可穿透物质 和在物质中有衰减的特性
1．散射引起的衰减
– 超声波在传播过程中，遇到不均匀的和各向异性的金属晶粒时 则会在界面上发生散乱反射、折射和波形转换，从而消耗超声 波的能量，这种衰减称为散射衰减。
探伤使用的超声波频率一般为0.5～10Mz， 其中以2～5Mz最为常用。
一、超声波的产生与接收
压电法是利用压电晶体（水晶、钛酸钡、锆钛 酸铅和硫酸锂）来产生超声波。
用压电晶体切出的晶片称为压电晶片。 压电晶片具有压电效应，即晶片受拉应力或压
应力作用而变形时，会在晶片表面出现电荷； 反之，在电荷或电场作用下，晶片会发生变形， 前者称为正压电效应；后者称为逆压电效应。 超声波是由压电晶片的逆压电效应产生的。
2、斜探头
利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面射入工 件的探头称为斜探头。
用于发射和接收横波。 组成：
– 探头蕊(压电元件和吸收块组成，与直探头相似) – 斜楔块 – 壳体
斜楔块
斜楔块由有机玻璃制成，它与工件组成固定倾斜的异 质界面，使压电元件发射的超声波通过波形转换，使 在工件中传播的只有折射横波。
试块有三种，分别适用于不同的板厚 。
第三节 超声波探伤原理及应用
直接接触法超声波探伤
– 垂直入射法 – 斜角探伤法
液浸法超声波探伤
垂直入射法
垂直入射法（简称垂直法）是采用直探头将 声束垂直入射工件表面进行探伤。
该法是利用纵波进行探伤，故又称纵波法
垂直法探伤能发现与探伤面平行或近似于平 行的缺陷，适用于厚钢板、轴类、轮等几何 形状简单的工件。
测定探头值
– 利用Φ50mm孔的反射，用同样方法找出其最高反 射波，此时与入射点对应的K值，即为探头K值。
4、探伤仪的调节
探伤范围的调节 扫描速度的调节 探伤灵敏度的选定及其调整
二、实时探伤操作
1．确定检验区宽度
– 检验区宽度应是焊缝宽度加上焊缝两侧相当于母材厚度30％的 区域，一般为10～20 mm
A级 B级 C级
使用K值
单面单 侧
无A级
直射法 2.5；2.0
单面双侧
一次反射 法
2.5；2.0；1.5
或
双面单侧
1 或 1.5 ； 1 和
1.5并用；
直射法 1和2.0并用
双面双侧
1和1.5或2.0并 用
3、探头的选择
1、探头形式：焊缝探伤选用斜探头 2、晶片尺寸：根据工件厚度选择，一般直径
为5～40mm 3、探头频率：焊缝探伤推荐采用2～2.5Hz 4、探头K值：焊缝探伤中，薄工件宜采用 K 值大的
四、缺陷定位
垂直入射法缺陷定位 斜角探伤法缺陷定位
– 水平调节法定位 – 深度调节法定位
垂直入射法缺陷定位
用垂直入射法探伤时，缺陷就在直探头的下面， 缺陷定位只需确定缺陷在工件中的深度即可。
当探伤仪按1：n调节纵波扫描速度时，则有 Zf=nτf
水平调节法定位
缺陷在探头前方的下面，其位置可用入射点至 缺陷的水平距离Lf、缺陷到探伤面的垂直距离Zf 两个参数来确定。
焊缝探伤中广泛使用的是A型显示脉冲反射式单通道 超声波探伤仪。
试块
试块是按一定用途设计制作的具有简单形状人 工反射体的试件。
它是探伤标准的一个组成部分，是判定探伤对 象的重要尺度。
超声波探伤的灵敏度通过试块来确定。
试块分为标准试块和对比试块。
标准试块
CSK—IB试块的主要用途：
表3—7 相应检验等级的主要检验项目
项目
检验等级 A
板厚
δ≤
50
探头角度数量
1
探伤面数量
1ห้องสมุดไป่ตู้
探伤侧数量
1
串列扫查
母材检验
纵向缺陷探测方向与次数 1
横向缺陷探测方向与次数 0
B
δ≤ δ＞ 100 100
1或2 2
1或2 2
2
2
2或4 4 0或4 0或4
C
δ≤ 100
δ＞ 100
2
2
1
2
2
2
0或2 2
1
2．确定探头移动区
– 直射法探伤时，移动区宽度L﹥0.75P； – 一次反射法时，移动区宽度L﹥1.25P
3．单探头的扫查方法
– 锯齿形扫查、基本扫查、平行扫查、斜平行扫查
4．双探头的扫查方法
– 串列扫查、交叉扫查和V形扫查
三、缺陷性质估判
气孔 裂纹 夹渣 未焊透 未熔合
气孔
5 P 6x6 K 3
斜探头k=3
以K值表示的斜探头 方形晶片尺寸
锆钛酸铅陶瓷晶片 基本频率5.0Mz
二、超声波探伤仪
分类：
– 按超声波的连续性分类：脉冲波、连续波和调频波三种。 – 按缺陷显示方式分类：探伤仪分为A型显示（缺陷波幅显
示）、B型显示（缺陷侧视图象显示）、C型显示（缺陷俯 视图象显示）和3D型显示（ 缺陷三维图象显示） 三种。 – 按超声波的通道数目：按超声波的通道数目又可将其分为单 通道和多通道两种。
斜楔块的角度不同就使得入射工件的超声波的角度不 同，因而可以探测不同厚度的工件。
通常斜探头是以横波在钢中的折射角标称：γ=400、 450 、 500 、 600 、 700 ； 或 以 折 射 角 的 正 切 值 标 称 ： k=tgγ=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。
3、探头的主要参数与型号
由于探测缺陷的分辨力（超声波分辨相邻缺陷的能力） 与波长有关，波长越短分辨力越高，因此表面波的分 辨力最高，横波次之，纵波最低。
表3—1 各类型超声波的主要特点
波 形
定义
传播介质 应用范围
纵波 质点振动方向与波的传 固 体 、 液 钢板、锻件、
(L) 播方向相同
体、气体 焊缝
横波 质点振动方向与波的传 (S) 播方向垂直
单个气孔回波高度低，波形为单峰，较稳定， 当探头绕缺陷转动时，缺陷波高大致不变，但 探头定点转动时，反射波立即消失；密集气孔 会出现一簇反射波，其波高随气孔大小而不同， 当探头作定点转动时，会出现此起彼伏现象。
裂纹
缺陷回波高度大，波幅宽，常出现多峰。 探头平移时，反射波连续出现，波幅有 变动；探头转动时，波峰有上下错动现 象。
当f＜20Hz时，叫做次声波； 当f为20Hz～20kHz时，叫做声波； 当f＞20kHz时，叫做超声波。
注：声波是人耳可以听得见的，而次声波和超声波则 是人耳听不见也感觉不到的 。
一、超声波的产生与接收
目前金属探伤中最常用的产生超声波的方法 是压电法。
超声波的产生与接收是利用超声波探头中压 电晶片的压电效应来实现的。
探头；大厚度工件宜采用 K 值小的探头。且探头K 值在每次使用前和使用过程中要重新测定。
探头K值测定
测定探头入射点
– 把探头放在CSK—IB试块上前后移动，找出 R100mm圆弧面最高反射波，此时在斜楔块上与 R100mm圆弧面圆心对应的点即为探头的入射点， 同时还可求得入射点至探头底面前端的距离，即前 沿长度。