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1、第二章超声波检测技术探头换能器：探头换能器：直探头直探头斜探头斜探头双晶探头双晶探头聚焦探头聚焦探头Wallthicknessmeasurementwithadigitalthicknessgaugeinpractice斜探头检测斜探头检测直探头斜探头双晶探头聚焦水浸探头1.3超声波的特征1.3.1频率高f20KHz,检测使用范围为0.3MHz10MHz,常用15MHz，可作为直线传播，可使用几何光学的理论，讨论反射、透射等实际问题。1.3.2波长短如c=5900m/s，2.5MHz，=2.36mm。属于毫米波，超声波传播间隔长，探测厚度大，大大超过X-ray，穿透才能强。1.3.3具有波形转
2、换的才能可以使用纵波检测还可以使用于横波检测,讨论波形的传播途径。主要波形：纵波Longitudinalwaves横波(TransversewavesorShearwaves)1.3.4检测灵敏度高可检测的最小缺陷为波长的一半。1.3.5超声波声场的近场和指向性近场：声源轴线上的声压有假设干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的间隔称为近场长度N，N=Rs2/=Ds2/(4)=Fs/()N=Rs2/=Ds2/(4)=Fs/()式中Ds-圆盘源直径，Fs-圆盘源面积非圆盘源可用Fs源面积作近似计算。(3)讨论NDs，N1/，NFs；f，N指向性：指向性：声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声声
3、束集中向一个方向辐射的性质，叫做声场的指向性。场的指向性。定量描绘：定量描绘：用用0称，为半扩散角或指向称，为半扩散角或指向角，角，20范围内的声束叫做主声束。范围内的声束叫做主声束。0=arcsin(1.22/Ds)。讨论：0，01/Ds；f，0,N边长为2d和2b的矩形声源辐射的纵波声场半扩散角按下式计算：平行于2b边的平面内半扩散角：057/(2b)度平行于2d边的平面内半扩散角：057/(2d)度1.4超声波检测方法1.4.1穿透法一收一发探头，两平行面检测，会漏检缺陷距底面间隔大于声影长度。1.4.2共振法连续波，用于测厚。=n/2,n共振次数。c=f,=c(fn-fn-1)/21.
4、4.3脉冲反射法A型为主向工件中发射脉冲，脉冲遇到界面产生反射，根据反射信号来确定缺陷的存在，完成定位、定量和定性。a射频显示;b视频显示1.4.4相控线阵相控线阵phasedarray4相控阵声波发射和返回示意图相控阵声波发射和返回示意图UltrasonicTOFDTime-of-flightdiffraction探头探头TOFD原理1.波形衍射当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，另外在裂纹外表还会产生反射。另外在裂纹外表还会产生反射。TOFD就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生
5、的衍射波来对缺陷进展定位定量。对缺陷进展定位定量。探头入射波反射波衍射波探头被测工件探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头发射探头发射探头接收探头接收探头被测工件2.TOFD扫查焊缝扫查焊缝形成的A扫脉冲图像直通波上端点下端点底波TOFD扫描成像扫描成像+发射探头发射探头接收探头接收探头TOFD的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时探头所接收到的探头所接收到的A扫图形转换为黑白两色的灰度图，为了能扫图形转换为黑白两色的灰度图，为了能有更明晰的图像因些要求至少有更明晰的图像因些要求至少256级的灰度分辨率级的灰度分辨
6、率100%0%100%利用灰阶度来表示振幅，当回波处于利用灰阶度来表示振幅，当回波处于0位时用位时用中间灰色表示，当波形向正半周变化时向中间灰色表示，当波形向正半周变化时向100%灰度白色渐变，当波形向负正半周灰度白色渐变，当波形向负正半周变化时向变化时向-100%灰度黑色渐变灰度黑色渐变A扫图像扫图像D扫图像扫图像直通波直通波上端点上端点下端点下端点底波底波连续扫查时得到的扫描图像连续扫查时得到的扫描图像(非平行扫查非平行扫查)(纵向扫查纵向扫查)A扫波形扫波形D扫图像扫图像直通波直通波底波底波有缺陷时扫描图像有缺陷时扫描图像A扫图像扫图像D扫图像扫图像上端点上端点下端点下端点TOFD扫查机
7、构标准报批稿承压设备无损检测承压设备无损检测第第10部分：衍射时差法超声检测部分：衍射时差法超声检测UltrasonictimeofflightdiffractiontechniqueJB/T4730.1020072超声波检测通用技术2.1检测前的准备工作标准的选择标准的选择仪器的选择仪器的选择耦合剂的选择耦合剂的选择探头的选择探头的选择探头种类，大小和频率斜探头入射角、折射角和K值探头的类型探头的类型常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、外表波常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、外表波探头、双晶探头、聚焦探头等。一般根据工件的形状和可探头、双晶探头、聚焦探头等。一般根据工件的形状和可能
8、出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。束轴线尽量与缺陷垂直。晶片尺寸晶片尺寸探头圆晶片尺寸一般为探头圆晶片尺寸一般为1030mm，晶片大小对探，晶片大小对探伤也有一定的影响，选择晶片尺寸时要考虑以下因素。伤也有一定的影响，选择晶片尺寸时要考虑以下因素。1由由0=arcsin(l.22/D)可知，晶片尺寸增加，半扩散角可知，晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。2由由ND2/(4)可知，晶片尺寸增加，近场区长度迅可知，晶片尺寸增加，
9、近场区长度迅速增加，对探伤不利。速增加，对探伤不利。3晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远间隔扫查范围相对变小，发现远间隔缺陷才能增强。探伤面积范围大的工件时，为了进步探伤效率宜选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远间隔的缺陷宜选用大晶片探头。探伤小型工件时，为了进步缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。探伤外表不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。频率大小超声波探伤频率在0.51OMHz之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素：1由于波的绕射，使超声波探伤灵敏度约为/2，因此进步频率，有利于发现更小的缺陷。2频率高，脉冲宽度小，分
10、辨力高，有利于区分相邻缺陷。3由0=arcsin(l.22/D)可知，频率高，波长短，那么半扩散角小，声束指问性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。4由N=D2/(4)可知，频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。5)由s=C2Fd2f4可知，频率增加，衰减急剧增加。对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2.55.0MHz，对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用0.52.5MHz。假如频率过高，就会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法探伤。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。探头探头K值值探头的探头的K值对探伤灵敏
11、度、声束轴线的方向，一次波值对探伤灵敏度、声束轴线的方向，一次波的声程入射点至底面反射点的间隔的声程入射点至底面反射点的间隔有较大的影响。对有较大的影响。对于用有机玻璃斜探头探伤钢制工件，于用有机玻璃斜探头探伤钢制工件，s40KO.84左右时，即探伤灵敏度最高。左右时，即探伤灵敏度最高。K值大，大，一次波的声程大，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，防止近场区探伤。当工件厚度较大时，应选用较小的K值，以减少声程过大引起的衰减。便于发现深度较大处的缺陷。在焊缝探伤中，还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。对于单面焊根部未焊透，还要考虑端角反射问题，应使K=O.71.5，因为K0
12、.7或K1.5，端角反射率很低，容易引起漏检。2.2线性调节扫描线调节2.2.1概念仪器示波屏上时基扫描线的程度刻度值与实际声程x单程的比例关系,即:x=1:n称为扫描速度或时基扫描线比例。如扫描速度1:2表示仪器示波屏上程度刻度1小格表示实际声程2mm。如扫描速度2:1表示仪器示波屏上程度刻度2小格表示实际声程1mm。2.2.2纵波扫描速度的调节纵波探伤一般按纵波声程来调节扫描速度。详细调节方法是：将纵波探头对准厚度适当的平底面或曲底面，使两次不同的底波分别对准相应的程度刻度值。如探测厚度为100mm工件，扫描速度为1:4，现利用IIW试块调节。将探头对准试块上厚为100mm的底面，调节仪器
13、“深度微调、“脉冲移位旋钮,使底被B2、B4分别对准程度刻度50、100，这时扫描线程度刻度值与实际声程的比例正好为l:4。2.2.3横波扫描速度的调节横波探伤时，缺陷位置可由折射角和声程x来确定，也可由缺陷的程度间隔l和深度d来确定。横波扫描速度的调节方法有三种：声程调节法、程度调节法和深度调节法。1声程调节法声程调节法是使示波屏上的程度刻度值与横波声程x成比例，即:x=1:n。这时仪器示波屏上直接显示横波声程。按声程调节横波扫描速度可在IIW、CSK-IA、IIW2、半圆试块以及其它试块或工件上进展。2程度调节法程度调节法是指示波屏上程度刻度值与反射体的程度间隔l成比例,即:l=1:n。示
14、波屏程度刻度值直接显示反射体的程度投影间隔简称程度间隔，多用于薄板工件焊缝横波探伤。按程度间隔调节横波扫描速度可在CSK-A试块、半圆试块、横孔等试块上进展。3深度调节法深度调节法是使示波屏上的程度刻度值与反射体深度d成比例，即:d=1:n，这时示波屏程度刻度值直接显示深度间隔。常用于较厚工件焊缝的横波深伤。深度调节横波扫描速度可在CSK-A试块、半圆试块和横孔试块等试块上调节。2.3检测灵敏度的调节和校准探伤灵敏度是指在确定的声程范围内发现规定大小缺陷的才能，一般由产品技术要求或有关标准确定。探伤灵敏度太高或太低都对探伤不利。灵敏度太高，示波屏上杂波多，判伤困难，灵敏度低，容易引起漏检。灵敏
15、度可通过调节仪器上的增益、衰减器、发射强度等灵敏度旋钮来实现。调整探伤灵敏度的常用方法有试块调整法和工件底波调整法两种。试块调整法将规定的人工缺陷的最高反射回波达基准高，这时灵敏度就调好了。工件底波调整法利用工件底波调整探伤灵敏度是根据工件底面回波与规定的同深度的人工缺陷如平底孔回波波高差值调整探伤灵敏度。2.4扫查方式1锯齿形扫查：探头沿锯齿形道路进展扫查。扫查时，探头要作1015转动，每次前进齿距d不得超过探头晶片直径。2左右扫查与前后扫查：当用锯齿形扫查发现缺陷时，可用左右扫查和前后扫查找到回波的最大值，用左右扫查来确定缺陷沿焊缝方向的长度；用前后扫查来确定缺陷的程度间隔或深度。3转角扫
16、查：利用它可以推断缺陷的方向。4环绕扫查：它可用于推断缺陷的形状。环绕扫查时，回波高度几乎不变，那么可判断为点状缺陷。5平行或斜平行扫查：为了检验焊缝或热影响区的横向缺陷，但灵敏度要适当进步。6串列式扫查：在厚板焊缝探伤中，与探伤面垂直的内部未焊透、未熔合等缺陷用单一K值斜探头很难探出，可采用两种不同K值探头探伤，也可采用串列式扫查探伤。2.5缺陷位置的测定超声波探伤中缺陷位置的测定是确定缺陷在工件中的位置，简称定位。一般可根据示波屏上缺陷波的程度刻度值与扫描速度来对缺陷定位。纵波直探头探伤时缺陷定位纵波直探头探伤时缺陷定位仪仪器器按按1:n调调节节纵纵波波扫扫描描速速度度，缺缺陷陷波波前前沿
17、沿所所对对的的程程度度刻刻度度值值为为f，那那么么缺缺陷陷至至探头的间隔探头的间隔xf为：为：xf=nf。例例如如：用用纵纵波波直直探探头头探探伤伤某某工工件件，仪仪器器按按1:2调调节节纵纵波波扫扫描描速速度度，探探伤伤中中示示波波屏屏上上程程度度刻刻度度值值70处处出出现现一一缺缺陷陷波波，那那么么此此缺缺陷陷至探头的间隔至探头的间隔xf为：为：xf=nf=270=140mm横波探伤平面时缺陷定位横波探伤平面时缺陷定位横波斜探头探伤时，波束轴线在探测横波斜探头探伤时，波束轴线在探测面处发生折射，工件中缺陷的位置由探面处发生折射，工件中缺陷的位置由探头的折射角和声程确定或由缺陷的程度头的折射
18、角和声程确定或由缺陷的程度和垂直方向的投影来确定。和垂直方向的投影来确定。由于横波扫描速度可按声程、程度、由于横波扫描速度可按声程、程度、深度来调节，因此缺陷定位的方法也不深度来调节，因此缺陷定位的方法也不一样。一样。例：用=40的探头探测T30mm的对接焊缝，仪器按声程1l调节扫描速度，探伤中在示波屏程度刻度60处出现一缺陷波，求此缺陷在焊缝中的位置。解：由得一、二次波的声程为x1=T/cos=30/cos40=39.2mmx2=2x1=78.4mm39.2mmxf60mm78.4mm可见此缺陷是二次波发现的，因此有lfxfsin=60sin4038.6mmhf2T-xfcos230-60c
19、os4014mm答：此缺陷的程度间隔为38.6mm，深度为14mm。2.6缺陷定量缺陷定量包括确定缺陷的大小大小和数量数量，缺陷的大小指缺陷的面积面积和长度长度。常用的定量方法有当量法、底波高度法和测长测长法法三种。当量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于声束截面的情况，测长法用于缺陷尺寸大于声束截面的情况。2.6.1当量法当量试块比较法当量计算法当量AVG曲线法;当量法概念当量法概念所谓所谓“当量法就是将缺陷波与某一当量法就是将缺陷波与某一规那么形状的反射体的回波相比较，当缺规那么形状的反射体的回波相比较，当缺陷的波高与同样探测条件下规那么形状反陷的波高与同样探测条件下规那么形状反射体的波高相等时
20、，该反射体的尺寸即称射体的波高相等时，该反射体的尺寸即称为所发现缺陷的当量尺寸。为所发现缺陷的当量尺寸。当量法概念当量法概念所谓所谓“当量法就是将缺陷波与某一当量法就是将缺陷波与某一规那么形状的反射体的回波相比较，当缺规那么形状的反射体的回波相比较，当缺陷的波高与同样探测条件下规那么形状反陷的波高与同样探测条件下规那么形状反射体的波高相等时，该反射体的尺寸即称射体的波高相等时，该反射体的尺寸即称为所发现缺陷的当量尺寸。为所发现缺陷的当量尺寸。2.6.2底波高度法底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。当工件中存在缺陷时，由于缺陷反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底
21、波就愈低，缺陷波高与底波高之比就愈大。1FBF法2FBG法3BGBF法Reflectorswithdifferentareasandtheirechoes2.6.3测长法当工件中缺陷尺寸大于声束截面时，一般采用测长法来确定缺陷的长度。测长法是根据缺陷波高与探头挪动间隔来确定缺陷的尺寸，按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。1相对灵敏度测长法相对灵敏度测长法是以缺陷最高回波为相对基准、沿缺陷的长度方向挪动探头，降低一定的dB值来测定缺陷的长度。AlargereflectorinthesoundbeamStraightbeamprobeonthereflectorboundryTopvie
22、wwithreflectorforextension.2绝对灵敏度测长法绝对灵敏度测长法绝对灵敏度测长法是在仪器灵敏度绝对灵敏度测长法是在仪器灵敏度一定的条件下，探头沿缺陷长度方向平一定的条件下，探头沿缺陷长度方向平行挪动，当缺陷波高降到规定位置时行挪动，当缺陷波高降到规定位置时如下图如下图B线，探头挪动的间隔线，探头挪动的间隔，即为，即为缺陷的指示长度。缺陷的指示长度。3端点峰值法端点峰值法探头在测长扫查过程中，如发现缺探头在测长扫查过程中，如发现缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点时，陷反射波峰值起伏变化，有多个高点时，那么可以缺陷两端反射波极大值之间探那么可以缺陷两端反射波极大值之间探头的
23、挪动长度来确定为缺陷的指示长度头的挪动长度来确定为缺陷的指示长度2.7缺陷的等级评定按选用的方法标准对已经定位和定量的缺陷进展等级评定，并按验收标准作出被检对象合格与否的断定。3.超声波检测的应用3.1板材3.2锻件3.3焊缝3.4管道3.5其他管件超声波检测管件超声波检测 液浸法检测液浸法检测 入射角入射角聚焦水浸探聚焦水浸探头水水层UltrasonicArraysRubberTyreTestStructureTransducerAxleBearingandshaftsealWaterThe RapidscanThe Rapidscan1 1 Array-Wheel Sensor Array
24、-Wheel Sensor1NDTSolutionsltd,Chesterfield,UK(tel:+44(0)1246267550,email:r.freemantlendtsolutions)Array-Wheel EvaluationArray-Wheel EvaluationPrototypeCommercialversionComposite Stringer InspectionComposite Stringer InspectionMaterialQuasi-isotropicCFRPDimensions960 x590mmThickness10-20mmSamplesuppl
25、iedbyAirbusUKComparison ScansComparison ScansImmersionscan(47mins)Array-Wheelscan(1min40s)CrackingPTFEinsertLocalPre-cureBackingfilmPrototypePlateTesterarrayTestresultonplain5mmthick1msquareplateat160kHzSourceDetectorX-YScanningStagesChargeAmplifier+200VdcDe-couplerNCA1000TektronixOscilloscopePCX-YC
26、ontrollerTestsampleApparatusforNDEofcompositesx-axis(mm)y-axis(mm)x-axis(mm)y-axis(mm)(a)(b)Imagesof10mmsquaredefectinaCFRPcompositeplate(a)amplitude,(b)traveltimeAir-coupledthrough-transmissionimagesofsolidsHIGH-RESOLUTIONTHROUGH-TRANSMISSIONIMAGINGPulseCompressionUnit(NCA1000)TektronixOscilloscopePCd.c.bias(+200V)CooknellChargeAmplifierScanningStageControllerScanningstageUltrasonic imaging using a focussed source and a planar receiver