第6章 棒材、板材和管材

• 入射角可由下式确定：
sin Cl
Cp
（6－4）
式中，C l — 透声斜楔中纵波传播速度；
C p— 板中所激起的兰姆波相速度。
• 兰姆波的激励： ➢ 要求激励脉冲持续时间长，晶片尺寸大； ➢ 为使激励的兰姆波模式相对单一，超声检测仪发射脉冲 的带宽和接收放大器的带宽要求尽可能窄。为了达到最 佳检测效果，兰姆波检测应选用具有窄带滤波的检测仪。
（1）兰姆波的速度 • 兰姆波的相速度 ➢ 相速度：对称型和反对称型两种基本形式。每种类型可 分成具有不同的多种模式。 ※ 对称型兰姆波 S0、S1、S2、······模式。 ※ 反对称型兰姆波 A0、A1、A2、······模式。 ➢ 相速度随频率、板厚和兰姆波模式三个因素而变化。 • 兰姆波的群速度 ➢ 群速度：将一个脉冲波谐波中最大振幅的频率及其附近 频率成分的群速度定为此脉冲波的群速度。 ➢ 群速度随频率、板厚和兰姆波模式三个因素而变化。
• 计算兰姆波相速度cp的公式：

对
称形
tanh ，

tanh

d
2 d

4 2 2 2 2

2

反 对 称 形,
tanh tanh

d
2 d

2 2 2 4 2

2

1
1




2f
cp
,

1


cp cl
➢ 擦净探头至通孔间的耦合剂，调整检测仪增益，使通孔 反射波高达到规定的高度。
➢ 将选定频率的可变角探头放置在板材上，使其发射的超 声束垂直于板的端面，在改变入射角的同时，观测板的 端面反射信号的幅度变化，作出入射角与反射波高的关 系曲线，并根据Cp与f d 的关系曲线，以及出现峰值时的 相应入射角，确定各反射波的模式。
➢ 计算各反射波模式的u、v分量曲线，u分量越大，发现该 深度缺陷的能力越高。
➢ 由于凹面的聚焦作用，形成的缺陷反射波幅度比直接由 缺陷反射得到的回波高，位于缺陷反射波和第一次底反 射波之后。
• 棒材中的三角形反射： ➢ 反射信号位于一次底反射信号的1.3倍或1.67倍处。 ➢ 反射波均出现在一次底反射信号之后。
6.2 板材检测技术 6.2.1 板材类型及特点 1. 普通板材 • 成型工艺：由板坯轧制而成，或由坯料轧制或锻造制成。 • 分类：按厚度划分为薄板和厚板
时特有的规律，以便正确地识别和判断缺陷信号。
（1）接触法 • 平探头接触法检测 ➢ 平面探头与棒材表面呈线接触，使接触面积减小，入射 到棒材内的声束扩散角变大 。
➢ 接触面为曲面，耦合剂厚度比平面接触时厚，声能透射 减小，声能分散，检测灵敏度降低，提高仪器增益达到 与平入射面同样的检测灵敏度。
• 改善耦合条件的方法： ➢ 在探头晶片前安装一块与棒材表 面相吻合的曲面有机玻璃。
➢ 聚焦探头的焦区长度有限， 需要使 用多个不同焦距的探 头分别进行不同深度范围内的缺陷检测。
（3）棒材检验常用试块 • GJB1580A－2004《变形金属超声波检验》中规定的棒
材纵波检测用试块。 • 试块用与被检棒材相近的材料制作。 • 主要用于检测时仪器灵敏度的调整与缺陷评定。
B3 B2 B1
➢ 应注意不宜选择群速度较慢的模，以免在端面反射波前 出现由模转换形成的附加信号，影响缺陷信号的判别。
（5）兰姆波对薄板缺陷的检测 • 灵敏度调整 ➢ 检测用对比试块：在板材上距端面一定距离处加工通孔， 或在板材厚度方向上的某些位置加工切槽
➢ 灵敏度调整时，将探头对准人工通孔，使探头前沿与人 工通孔的间距等于所确定的扫查行距。
• 穿透反射法（反射板法） ➢ 检测方法：采用纵波直入射，使超 声束垂直穿透板材，从一光滑平整 的反射面反射，测量反射波穿透薄 板返回后探头接收到的信号幅度变 化，判断板材中有无缺陷存在。 ➢ 特点：对有一定面积的分层缺陷比 较灵敏。
• 横波斜入射 ➢ 纵波直入射方式的补充，对有特殊要求的板材进行检测。 ➢ 横波对与表面成一定角度的缺陷较为灵敏。 ➢ 灵敏度调整可采用带切槽的对比试块进行，切槽的形状和 尺寸应符合相关技术条件要求。
• 沿棒材表面传播的表面波。 ➢ 表面纵向裂纹形成的前后移动的 表面波反射信号。
（2）水浸法 • 水浸法平探头检测 ➢ 由于水中声能的损失，一般灵敏度和信噪比不高。 ➢ 检测效果不及接触法。 • 聚焦探头检测： ➢ 提高水浸法检测的灵敏度 和信噪比，应将焦点调整 到适当位置。
➢ 焦点位置不适当时，棒材 中声束会产生发散和收敛。
• 检测时没有界面回波，上盲区 较小。
• 对棒材中心的缺陷具有较高灵 敏度，对不在中心区的径向缺 陷也有较高的灵敏度。
（2）纵波单探头水浸法 • 近表面分辨力较好，适合小直径棒材的检测。 • 聚焦探头检测 ➢ 避免声束在棒材中的严重扩散。 ➢ 提高检测灵敏度、分辨力和信噪比等方面效果明显。
（3）单探头斜角入射法 • 检测表面和近表面裂纹、折叠 等类型缺陷。 • 探头的倾角根据棒材直径确定。 • 为改善耦合条件，将斜楔接触 面按棒的曲面修磨。
（4）兰姆波检测模式的选择 • 对于给定材料的薄板，当工作频率和板厚确定时，改变入 射角在板中得到不同模式的兰姆波。 • 不同模式的兰姆波的灵敏度沿深度的分布不同，应选择两 种甚至两种以上的模式，分别对同一板材进行检测。
• 模式选择的方法如下：
➢ 根据测得的材料纵波速度和横波速度，计算并绘制该板 材的相速度曲线和群速度曲线。
➢ 耦合方式：板材全部浸入水中或局部喷水，探头与板材 间保持一定的水层距离。
➢ 水层距离调整：使界面反射波与板材底面多次反射波相 重合，使检测波形清晰，便于分辨和解释。
• 水程距离 H 与板材厚度 T 的关系为：
H k C水 T C板 材
（6－1）
➢ 钢板纵波声速约等于水中纵波速度的4倍，检测时取水程 等于钢板厚度，使第二次界面回波与第四次底面回波重合。
➢ 检测时水层增大到一定程度，可使检测在探头的远场区进 行，有利于灵敏度调整和缺陷评定。
• 双晶直探头检测 ➢ 应用：用于厚度较小的板材。 ➢ 特点： ※ 声束会聚区检测灵敏度较高。 ※ 会聚区在近表面的探头，近表面分辨率高。 ➢ 注意： ※ 双晶探头聚焦区外的部位灵敏度明显降低。 ※ 检测时根据板厚，选择聚焦区合适的探头，以满足整 个板厚范围灵敏度和分辨力要求。
6.1.2 棒材超声检测常用技术 1. 大直径棒材检测方法 • 缺陷分布：多数缺陷均位于棒材中心部位。 • 检测技术：与锻轴的检测基本相同。
➢ 纵波垂直入射脉冲反射法 ※ 检测内部的缺陷。
➢ 周向斜入射横波 ※ 检测近表面的裂纹、折叠等缺陷。
• 检测方式：接触法和水浸法。 • 检测时需考虑曲面对检测的影响，以及声波在棒材中传播
由基材保证。 • 成型工艺：复合层与基材的结合常用轧制法﹑爆炸复合法等。 • 缺陷类型：复合板中的缺陷主要是复合层和基材结合不良，
界面处出现完全脱开或不完全脱开现象。
6.2.2 板材超声检测常用技术 1. 厚板检测常用技术 （1）检测方式 • 纵波直探头接触法检测
➢ 特点：人工操作，效率较低，不适合板材大面积检测。 ➢ 检测的典型波形：
• 兰姆波的传播 ➢ 用脉冲波激励兰姆波时，兰姆波是以群速度传播的。 ➢ 由于不同频率的相速度不同，随着探头的后移，探头与 棱边的距离增大，棱边反射波的宽度会随之变宽，幅度 逐渐变小。
➢ 板波在传播过程中，如果遇到板的端面或缺陷，不仅会 产生反射，而且根据缺陷形状的不同会产生兰姆波模式 的转换。
（3）u、v 分量 • u、v 分量：兰姆波在板中传播时质点振动的垂直位移分 量 v和水平位移分量 u 。 ➢ u 分量平行于传播方向，即板材延伸方向； ➢ v 分量垂直于传播方向，与板面垂直。 • u、v 分量沿板材厚度方向的变化曲线，代表质点在两个 方向上的振动幅度随距表面深度的变化。 • u 分量的大小，与缺陷检测灵敏度直接相关。
➢ 小缺陷叠加效应
➢ 注意问题 ※ 纵波直探头检测板材时，经常使用的是探头的近场区， 缺陷在稍偏离的缺陷反射波最高位置出现。 ※ 近场区内发现的缺陷应用试块对比法进行当量尺寸评定。
• 纵波垂直入射水浸法检测 ➢ 特点：适用于大面积板材的自动化检测，检测效率和可
靠性较高，近表面分辨力也比接触法高，检测需要配备 专门的检测装置。
（4）对比试块 • 三种小直径棒材对比试块
➢ 纵波检测试块 ➢ 斜入射横波检测试块（Φ＞50mm）
➢ 斜入射横波检测试块（Φ＜50mm）
D/8 7D/16 D/4
3D/8 D/4
d1
A B
C
D/16
3. 棒材中纵波垂直入射波形特点 • 当平探头与棒材的圆柱面接触时，发散的入射纵波声束在
棒材底部的凹面反射后会聚焦在F点处。 • 在F点处缺陷的声波传输路径及波形
（2）检测条件的选择 • 检测频率和灵敏度 ➢ 检测频率： 2～5MHz，根据板厚和材质情况选择。 ➢ 检测灵敏度： ※ 平底孔对比试块调节。
※ 平底孔的直径根据相应的技术条件要求确定，平底孔 的埋深根据板厚和加工余量确定。
• 扫查方式 ➢ 全面扫查： ※ 100％的扫查，相邻扫查线之间至少有10％有效声束 覆盖。 ※ 单晶片纵波直探头的移动方向应垂直于板的压延方向。
第6章 棒材、板材和管材 检测技术
6.1 棒材检测技术 6.1.1 棒材类型及特点 • 棒材：采用轧制、挤压或锻造工艺制成的半成品。
• 棒材缺陷 ➢ 内部缺陷：由铸锭和坯料内缺 陷在轧制过程中延展而成。 ※ 缩孔和夹杂物：位于棒材中 心部位。 ※ 裂纹：轧制过程中由原材料缺陷而产生。
➢ 表面缺陷：裂纹、折叠。 ➢ 分布特点：棒材中的多数缺陷都沿纵轴方向延展。 • 检测方法：从圆周面垂直入射和以一定的倾斜角入射。必 要时采用表面波在圆周方向进行表面缺陷的检测。
➢ 格子线扫查：在板边缘50mm以内100％扫查，其余部分 画成方格子线（200×200），探头沿格子线扫查。
➢ 边缘检查：只在板材边缘一定区域内100％扫查，或在焊 接件坡口线两侧，如50mm范围内100%扫查。
➢ 列线扫查：在整个板材检测面上，沿垂直板的压延方向 划出一定间隔（如100mm）的直线，探头沿此直线扫查。
25 25 25
25 25 l2
15
θ
l1 25 25 l2
15
3.2:0.02
71 %
R
θ
2. 小直径棒材检测方法 • 缺陷分布：沿轧制方向延伸，在横截面上的分布不全集中
于棒材中心。 • 检测技术：纵波直入射检测，辅以纵波斜入射检测。
（1）联合双探头法 • 检测区是发射晶片和接收晶片 的作用重合区。
• 双晶探头扫查
➢ 扫查方向：隔声层的纵向平行于缺陷可能的延伸方向。 ➢ 缺陷测定：
※ 细长缺陷，相对于缺陷延伸方向，在测定缺陷的纵向 长度时，探头隔声层可沿与缺陷延伸方向垂直的方向 放置，并沿缺陷纵向移动。
※ 测定缺陷的宽度时，探头隔声层沿缺陷延伸方向放置， 并沿缺陷宽度方向移动。
* 2. 薄板检测 • 兰姆波检测的基本原理：

2

2
,


1


cp ct

2Hale Waihona Puke Baidu

2
• 计算兰姆波群速度cg的公式：




cg c p 1
1
cp



fd

dc p
d fd

（6－2） （6－3）
（2）兰姆波的激励和传播 • 兰姆波的激励方法：通过透声斜楔将纵波斜入射至薄板， 在薄板中激励兰姆波。
➢ 薄板：板厚在6mm以下 ➢ 厚板：板度大于6mm以上
• 缺陷类型：分层﹑夹杂﹑裂纹﹑折叠﹑白点等。 • 缺陷分布：分层和折叠大多呈平面状，并与表面平行。分
层常存在于板厚的中间部位和板宽的中间部位。
2. 复合板 • 构成：复合板是由基材和复合层组成的。 • 复合层的作用：提高耐磨和耐腐蚀等性能，复合板强度主要
• 斜楔修磨的注意要点： ➢ 探头前沿入射角可能
超过第Ⅱ临界角，在 棒表面产生表面波。
➢ 后沿入射角可能小于 第Ⅰ临界角，在棒中 产生折射纵波。
➢ 在棒中可能同时存在横波、表面波，甚至纵波，各波速度 不同，在荧光屏上显示为杂乱的柱面反射波，当棒材旋转 时，这些波在荧光屏上的相对位置并不改变。
➢ 缺陷形成的反射波则随着棒的旋转，在荧光屏时间基线上 的位置是变化的游动信号。