1、第三章 焊缝的超声波探伤,一、概念 种用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种探伤方法 二、特点 优点：成本低，操作方便，检测厚度大，对人和环境无害，对裂纹、未熔合等面状缺陷有较高的检测灵敏度 缺点：判伤不直观、探伤结果不便于永久保存，随意性大,三、分类 1 按工作原理分 脉冲反射法 穿透法 共振法 2 按显示缺陷的方式分 A型显示显示缺陷的脉冲波 B型显示显示工件的垂直截面 C型显示显示工件的横截面 3D型显示显示准三维图像,3 按所使用的波型分 纵波， 横波， 表面波， 板波法 4 按声耦合方式分 直接接触法，浸液法在焊缝超声检测中，广泛使用的是A型脉冲反射式超声检测方
2、法,一、超声波的基本概念超声波是频率大于20000Hz的机械振动在弹性介质中的一种传播过程。 1-5MHz是金属材料探伤常用频率2-2.5MHz是焊缝探伤常用频率1 超声波的波型纵波（L）可在固、液、气介质中传播横波（S） 只能在固体介质中传播,第一节 超声波探伤基本原理,2 超声波的声速(c)波长()频率(f)以及关系传播介质一定 波型一定 c为常数c =f ,表31 几中材料的声学特性,3.2压电晶体产生压电效应的机理,三、超声场声源发出的超声源能集中在一定区域 1 描述超声场的三个物理量 声压(p) 超声场内某瞬时，某点具有的压强与该点无超声波扰动时所具有的静压强之差 p = c 分别是
3、介质密度、声速、质点振动速度,声阻抗(Z) 介质密度与声速的乘积Z c 声强(I) 单位时间内通过垂直于超声波传播方向的单位面积的声能量 Ip2/2Z,2 超声场的结构,图3.3 直探头发出的超声波束,一般由主声束和副声束构成 主声束：截面大，能量集中，很好的指向性() 副声束：截面小，能量弱，方向易变主声束轴线上的声压分布 以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例：,3.4圆盘源超声场 a 声束未扩散区与扩散区b 轴线上声压分布,a,b,近场：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。 近场长度：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离 远场：近场以外的部分 未扩散区:远场
4、中紧靠近场的一段区域内，声压的幅度与声强基本无关 探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。,近场长度 就直探头纵波而言，N可近似表示为： ND2/4 D:直探头压电晶片直径 N：近场长度 ：波长, 指向特性 由指向角(半扩散角)表征 越小则越好 圆形直探头纵波而言: arcsin1.22/D ：半扩散角， ：波长 D：直径 Df( ) 则 超声波不能在真空中传播,四、超声波在界面上的反射与透射、折射和波型转换,1 垂直入射异质界面时的透射、反射和波型转换,pe,3.5 垂直入射超声波在界面两侧声压的分配,界面声压反射率: Rp=pr/pe=(Z2-Z1)/(Z2+Z1) 界面声压透射率：
5、Dp=pd/pe=2Z2/(Z2+Z1) 由上两式可见： 如Z1Z2 则 Rp 0 Dp 1 超声波检测无法检出声阻抗与焊缝金属很接近的金属夹杂物的原因。 如Z2Z1 则 Rp -1 Dp 0 钢中的分层或焊缝中的裂纹被检出的几率会很高。,另一方面，从减小超声波耦合损失的角度考虑，界面的Dp 越大越好。,3.6超声波的绕射现象,超声波探伤中能探测到的最小缺陷尺寸为 df=/2,2 倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦,3.6超声波纵波倾斜入射时的反射与折射（Z1Z2）,斜探头内压电晶片发出的超声波在有机玻璃/钢界面发生的波形转换,Sin/CL SinL/CL1 SinS/C S1=S
6、inL/CL2= Sin S/CS2CL，CL1介质纵波声速 C S1 横波声速 CL2纵波 CS2横波 L S L S 反射，折射角,由几何光学原理：,由于CL2 CS2 CL1 所以 L S 当纵波折射角L90o ，只有横波 此时称第一临界角，记1m 当横波折射角S90o ， 介质界面上产生表面波的传播 此时称第二临界角，记2m,若是有机玻璃 ，是钢，则有 1m arcsin(CL1 SinL/ CL2)= arcsin(2730* Sin90/ 5900)=27.6o2marcsin(CL1 SinS/ CS2)= arcsin(2730* Sin90/ 3230)=57.7o,1m ,
7、2m物理意义： 1m ，中有纵、横波，不采用 =1m -2m ， 中仅有横波，斜探头设计原理。 2m ， 中无纵、横波，表面探头设计原理。,L,s,s,L,L,S1,L1,介质,介质,3.7有耦合剂的反、折射, 横波入射到钢/空气界面将会产生反射纵横波,S,3.8 3m示意图,3m33.2o, 聚焦,五、超声波的衰减 随着声程的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象 1 衰减的原因 散射引起的衰减 超声波遇到尺寸与波长可比的障碍物，并因此而产生球面波的现象称为超声波的散射。对奥氏体钢焊缝进行探伤时，宜选用频率较低的探头。,吸收引起的衰减 因介质的粘滞性使部分声能转变为热能而导致的声能损耗 声束扩散引
8、起的衰减 随着传播距离的增大，波束截面增大使单位面积上声能逐渐减小所致。,2 衰减表示方法与衰减系数 用底波高度或底波反射次数的多少粗略估计。,（a）,（b）,3.8,用衰减系数表示 所谓衰减系数是因散射和吸收而导致的平面波声能损耗程度的常数 在金属材料的超声波探伤中，主要考虑散射引起的衰减，其规律为： px=poe-x px离压电晶片表面为X处的声压。 po超声波原始声压 e自然对数的底 金属材料的（散射）衰减系数 x 超声波在材料中传播的距离,研究指出：散射衰减系数根据晶粒大小（d）与波长（）之比分为三种： d : =C2Fd3f4 d : =C3Fdf2 d : =C4Fd-1f C2，
9、C3，C4常数 F-各向异性因子 d-晶粒直径 探伤晶粒较粗大工件时，为减少散射衰减而常选用较低的工作频率。,第二节 超声波探伤设备,超声波探伤仪，探头和试块是超声波探伤的重要设备。 一、A型脉冲反射式超声波探伤仪 预备知识： 脉冲反射法基本原理：是将一定频率间断发射的超声波（称脉冲波）通过一定介质（称耦合剂）的耦合传入工作，当遇到异质界面（缺陷或工件底面）时，超声波将产生反射，回波（即反射波）为仪器接收并以电脉冲信号在示波屏上显示出来，由此判断缺陷的有无，以及进行定位，定量和评定。,根据回波表示方法不同，以分为A型B型C型3D型显示。 1仪器的工作原理 1)A型显示,同步电路,扫描电路,发射
10、电路,接收放大 电路,缺陷,电源,工件,探头,触发脉冲,锯齿形扫描电压,始波,缺陷波,底波,电信号,高频窄脉冲,触发脉冲,3.9,同步电路 以称触发电路 仪器各部分的时序以它决定，产生同步触发脉冲 扫描电路 以称时基电路，产生锯齿波电压。,由于仪器水平扫描线的长短与扫描电压有关，而扫描电压与时间成正比，所以反射波的位置能反映声波传播的时间，即反映声波的传播距离，由此可以对缺陷定位，又由于反射波幅度的高低与接收的电信号大小有关，电信号的大小取决于接收的反射声能多少，而反射声能又与缺陷反射面的形状和尺寸有一定关系，所以反射波辐高低将间接反映出缺陷的大小，由此可以对缺陷定量和评价。纵坐标代表反射波的
11、幅度，横坐标代表超声波传播时间。,2）B型显示 是脉冲回波超声波平面成象的一种，以亮点显示接收信号。 3）C型显示 以亮点或暗点显示接收信号 4）3D显示 产生一个准三维图象。,2 探伤仪主要性能 水平线性 指扫描线上的反射波距离与反射体距离成正比的程度。 GB1134589规定误差不超过1% 垂直线性 指示波屏反射波幅与接收回波信号电压成正比的程度。 GB1134589规定误差不超过1%,动态范围 指示波屏上回波高茺从满幅降至消失时仪器衰减器的变化范围。 衰减器精度 指衰减器上dB刻度指示脉冲下降幅度的正确程度，以及组成衰减各同量级间可换性能称为,二、探头 压电超声换能器 1探头的种类 直探
12、头（纵波探头） 直探头由壳体、吸收块、压电晶片、和保护膜组成。其基本内部结构如下图,压电晶片 两表面敷有银层作电极，“”极引出导线接发射端，“”极接地。其厚度与产生的超声波的频率成反比。,3.10直探头内部结构及工作原理,匹配电感,吸收块,压电晶片,保护膜,工件,吸收块（阻尼块） 由环氧树脂、硬化剂、增塑剂、橡胶液和钨粉等浇铸在“”极上。作用： a 吸收杂波 b 吸收压电晶片的自由振荡。 保护膜 使压电晶片免于和工件直接接触受磨损。 分软膜和硬膜。,壳体 标明探头的类型和主要的性能指标。,晶片直径14mm,匹配电感,斜探头 标记：,内部电源线,吸收块,吸收块,斜楔块,压电晶片,3.11斜探头结
13、构简图,斜探头一般由探头芯、透声楔（斜楔块）、壳体等部分组成。 结构上与直探头的主要区别是：在压电元件的正前方设置了透声楔。,有机玻璃,钢,L,3.12,外壳形状,5P812k2.5,k=折射角的正切值,发射接收f=5MHz的超声波,晶片面积812mm2,2 横波探头的主要性能 折射角值（k值） 决定了声束入射于工件的方向和声波传播途径，是缺陷定位计算的重要数据。 公称折射角：45 50 60 70 K值: 1.0 1.5 2.0 2.5,前沿长度（接近长度） 声束入射点至探头前端面的距离,接近长度,L,入射点,3.13,声轴偏斜角 探头主声束轴线与晶片中心法线之间的夹角。,晶片中心法线,主声
14、束轴线,水平方向不大于20，垂直方向不应有明显的双峰。,3.14,三、仪器与探头组合的系统性能 灵敏度余量：组合灵敏度 系统中，在规定条件下的标准缺陷检测灵敏度与仪器最大检测灵敏度的差值，以dB表示 分辩力 超声探伤系统能够区分两个相近而不连续的缺陷能力 一般指远场纵向分辩力,电噪声电平 表示系统的探头在直接对空辐射时，将探伤仪的灵敏度和扫描范围调至最大，在避免外界干扰条件下，读取时基线上的电噪声的平均幅度与垂直满幅度的百分比，即： E电噪声幅度/垂直满幅度100% 反映仪器抗干扰能力，一般应小于8% 盲区 在规定探伤灵敏度下从探伤面至能够测出缺陷的最小距离。 表征系统的近距离分辩能力。,四、
15、试块 按一定用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件。 探伤标准的一个组成部分。 1。标准试块 由法定机构对材质、形状、尺寸、性能等作出规定和检定的试块 GB1134589规定CSKIB试块是焊缝探伤用标准试块。,k1.5,k1.0,300,91,25,100,R100,R50,3.15 CSK-IB试块,其主要用途： 1）利用R100圆弧面测定斜探头入射点和前沿长度，利用50孔的反射波测定斜探头折射角值。 2)校验探伤仪水平线性和垂直线性 3)利用1.5横孔的反射波调整探伤灵敏度利用R100圆弧面调整探测范围 4)利用50圆孔估测直探头盲区和斜探头前后扫查声束特性,5）采用测试回波幅度或反
16、射波宽度的方法可测定远声分辩力。 2。对比试块 由各专业部门按某些具体探伤对象规定的试块。 GB1134589规定RB-1,RB-2, RB-3为焊缝探伤用对比试块。,第三节 焊缝的超声检测技术,焊缝的超声检测采用直接触法 对钢焊缝而言，该方法的主要探伤标准为GB1134589钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级 一、垂直入射法和斜角探伤法 1、垂直入射法（垂直法、纵波法） 采用直探头将声束垂直入射工件探伤面进行探伤的方法。,T,T,T,B,B,F,F,3.16 垂直法探伤,纵波探伤最适于发现与检测面平行或近于平行的缺陷。,当工件中无缺陷时只有始波T和底波B 当工件中的缺陷面积小于同深度下的
17、声束截面积有T，B，F 当工件中的缺陷面积大于同深度下的声束截面积只有T，F,2 斜角探伤法 是采用斜探头将声束倾斜入射工件探伤面进行探伤的方法。 1)表现形式如下图,3.17斜射法探伤,无缺陷时，只有T 存在缺陷时有T，F 接近板端时，声束将被端角反射回来。,2）斜角探伤法几何关系,跨距点：声束中心线经底面反射后到探伤面的一点。 跨距：探头入射点至跨距点的距离。 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。 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。,缺陷水平距离:缺陷在探伤面的投影点至探头入射点的距离。 简化水平距离
18、：缺陷在探伤面的投影点至探头前端的距离。 缺陷深度:缺陷距探伤面的垂直距离,根据三角函数基本公式：可有 0.5跨距：P 0.5tg 1跨距：P tg 缺陷深度（直射）h=scos 缺陷深度（一次反射）h=2 scos 水平距离 L =s sin 水平距离与深度间关系 直射法 L= h tg=khh=L/ tg=L/k 一次反射法L= (2 h) kh= 2 L/ k,串列斜角探伤法：一发一收两个斜探头对焊缝进行串列式扫查。,对垂直于探伤面而且具有平滑反射面的缺陷检出非常有效。,二、探伤条件的选择 1选择原则 检验等级的选择 按GB1134589规定，根据质量要求，检验等级分为A、B、C三级。
19、各等级的检验范围如下： A级检验： 用一种角度的斜探头 单面单侧 一般情况下，不要求检测横向缺陷，当母材厚度大于50mm时，不允许采用A级检验。 一般适用于普通钢结构,面,B级检验 一种角度探头 单面双侧 厚度100mm时，双面双侧 应检测横向缺陷 一般适用于压力容器,C级检验 至少用两种角度的斜探头，单面双侧 在两个扫查方向上用两种角度的斜探头检测横向缺陷，当厚度大于100mm时，双面双侧。 附加条件： 磨平焊缝余高 直探头斜探头配合检测 母材厚度100mm或窄间隙焊时40mm时，增加串列式扫查。 适用于核容器及管道。,探伤灵敏度的选定 是指在确定的探测范围内的最大声程处发现规定大小缺陷的能
20、力。 根据有关标准或技术要求确定。如：GB1134589规定距离波幅曲线如下;,判废线,2 探伤仪的选择 按有关标准和规程要求选用。 3耦合剂的选择 特点： 种类： 常用的有：水、机油、甘油和化学浆糊 厚度 4探伤面的选择与准备,5探头的选择 检测频率 一般应在2-5MHz的范围内，其中2-2.5MHz被推荐为公称检测频率 粗晶材料厚大工件宜选用较低频率，对晶粒细小薄壁工件宜选用较高频率,探头尺寸 探头尺寸应随检测距离的减小而减小，对提高分辩力有好处。 较小厚度工件小晶片探头 较大厚度或粗晶材料工件大晶片探头 检测面不平或曲率较大小晶片探头 探头声束折射角 薄工件宜采用大K值，大厚度工件宜采用
21、小K值。 探头型式的选择,三、焊接接头的探伤 主要采用斜角探伤法，辅以垂直入射法 1平板对接接头的探伤 准备工作 按探伤条件选择探伤面、探伤方法、斜探头或K 检验区域的宽度应是焊缝本身加上焊缝两侧各相当于母材料厚度的30%的一段区域，最小为10mm，最大为20mm,l应为:l1.25P(一次反射法)l0.25P(直射法),检验区域,单探头扫查方式 锯齿形扫查检测焊缝及其热影响区的纵向缺陷 一般在初始检测中使用,基本扫查,转角扫查,环绕扫查,左右扫查,前后扫查,斜探头基本扫查法,转角扫查：探头作定点转动区，区分点状或条状缺陷 环绕扫查：有助于点状缺陷的识别 左右扫查：区分点状或条状缺陷，指示缺陷
22、长度 前后扫查：估判缺陷形状，估计高度,平行扫查 可探焊缝及热影响区的横向缺陷,平行扫查,斜平行扫查 发现焊缝及热影响区的横向裂纹或与焊缝方向成倾斜角度的缺陷,1045o,双探头扫查方式 按两个探头相对焊缝放置位置的不同，分为串列式、交叉式、V型、K型。,60-90o,串列式,交叉式,V式,K式,串列扫查,检测焊缝中垂直于表面的竖直状缺陷特别是反射面较光滑的缺陷,交叉扫查 两探头同侧或两侧成6090o，易检焊缝中横向或纵向面状缺陷。 V型或K型 V型焊缝两侧垂直于焊缝对向布置 K型焊缝两面垂直于焊缝同各布置。,2 其他结构焊缝接头探伤 T型接头的探伤 可用斜、直探头探伤，频率通常选用2.5MH
23、z 直探头探伤（只适合较厚的T型焊缝）,T,T,T,B1,B2,B3,F,F1,F2,T型焊缝的直探头探伤,斜探头探伤 斜探头在腹板一侧作直射法和一次反射法探伤，探测焊缝及腹板侧热影响区的裂纹。,T型焊缝的斜探头探伤,角接接头的探伤 斜探头折射角按表48选择,角接接头探伤,管座角焊缝的探伤 以直探头检验为主，辅以斜探头检验。,1,3,2,1,3,2,图一,图二,管座角焊缝探伤,在接管内壁表面采用直探头探伤，图一、1 在容器内表面采用直探头探伤 图二、1 在接管外表面采用斜探头探伤 图二、2 在接管内表面采用斜探头探伤 图一二、3 在容器外表面采用斜探头探伤 图一、2,四、缺陷的定位、定量和定性
24、 定位 1直探探伤时检测范围的调节 缺陷的位置确定就是确定缺陷的Z坐标，即缺陷的埋藏深度,2 斜探头探伤时检测范围的调节 可将时基线分别按比例调节为代表缺陷的水平距离L、深度h或声程X，并分别称相应的时基线调节方法为水平定位、深度定位和声程定位。,S,L,h,深度（1：1）定位法 用荧光屏时基线的刻度值表示反射体到检测面垂直距离的方法称为深度定位法 水平（1：1）定位法 用荧光屏时基线的刻度值表示反射体到斜探头声束入射点水平距离的方法称为水平定位法,缺陷定量 测定工件或焊接接头中缺陷的大小和数量称为缺陷定量 大小面积和长度 1 当量法 对于小于声束截面的缺陷可用当量法评定其大小 当量：指用已知
25、形状和尺寸的人工缺陷回波与探测到的缺陷回波，在同样的探测条件下相比较，如二者的声程、回波相等则这个已知的人工缺陷尺寸就是探测到的缺陷的所谓缺陷当量,当量曲线法 也称在DGS法，又称AVG图。 是一种描述缺陷距离、缺陷波高及缺陷大小三者间相互关系的曲线图。 是为现场探伤使用而预先制作的距离波幅曲线（DAC曲线） GB11345-89: 焊缝探伤中，8板厚100mm采用横通孔，用RB-2对比试块和深度调节法。,斜探头入射点、折射角的测定，用深度调节法对时基线调节。,300,即得3通孔的dB距离曲线 按表46作出判废线、定量线、评定线,求缺陷的区域和当量 探头移动法 当缺陷尺寸大于声束截面时，一般用
26、探头移动法来测量其指示长度或范围。 GB1134589规定，缺陷指示长度的测定推荐采用以下两种方法。,降低6dB相对灵敏度法测长,端点峰值法,3、缺陷性质的估判与假信号的识别 缺陷性质的估判 是指用焊接缺陷术语为缺陷定名 气孔 一般呈球形，反射面较小，对声波反射不大 单个气孔 密集气孔 夹渣 点状夹渣 条状夹渣 块状夹渣,裂纹 未焊透 未熔合 假信号的识别4 缺陷的评定与检测结果分级 距离波幅曲线是缺陷评定与检测结果分级的依据。 缺陷评定 检测结果的分级,四、缺陷的定位、定量和定性 定位 1直探探伤时检测范围的调节 缺陷的位置确定就是确定缺陷的Z坐标，即缺陷的埋藏深度 2斜探头探伤时检测范围的调节 可将时基线分别按比例调节为代表缺陷的水平距离L、深度h或声程X，并分别称相应的时基线调节方法为水平定位、深度定位和声程定位。,
