【正文】 姚志忠 單位：三浦工業(yè)設(shè)備（蘇州）有限公司 地址：蘇州工業(yè)園區(qū)勝港街南前巷 8號(hào) 電話： 051288168333 13306261810 傳真： 051288168261 郵編： 215024 超聲波探傷方法與探傷工藝 《 超聲波探傷 》 補(bǔ)充教材 (修改版 ) 編寫：姚志忠 中國(guó)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)協(xié)會(huì) 教育工作委員會(huì) 二 00六年四月 超聲波探傷方法與探傷工藝 (修改版 ) 編寫說(shuō)明 ? 根據(jù)鍋爐壓力容器壓力管道特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)人員 Ⅲ 級(jí)資格考核培訓(xùn)班組織委員會(huì)的安排，于 2022年 4月將將本人負(fù)責(zé)超聲波探傷方法和工藝講課部分的講稿編印成冊(cè)，作為Ⅲ 級(jí)人員超聲波探傷專業(yè)培訓(xùn)的補(bǔ)充教材。閱讀本補(bǔ)充教材時(shí)，應(yīng)同時(shí)閱讀 《 超聲波探傷 》 教材。 ? 本補(bǔ)充教材內(nèi)容為：第四章超聲波探傷方法和通用探傷技術(shù)，第五章板材和管材超聲波探傷，第六章鍛件與鑄件超聲波探傷，第七章焊縫超聲波探傷，第八章超聲波探傷工藝。每章中的內(nèi)容和順序均與 《 超聲波探傷 》 教材全部對(duì)應(yīng)。自 JB/T47302022《 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 》 頒布后發(fā)現(xiàn)原補(bǔ)充教材涉及超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)部分的相關(guān)內(nèi)容與 ? JB/T47302022《 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 》 第 3部分超聲檢測(cè)中相應(yīng)規(guī)定不完全符合，為了更好地貫徹執(zhí)行 JB/T47302022《 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 》 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原補(bǔ)充教材涉及 JB/T47302022《 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 》 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容均按 JB/T47302022《 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 》標(biāo)準(zhǔn)第 3部分超聲檢測(cè)規(guī)定內(nèi)容要求進(jìn)行了修改，現(xiàn)印刷的為修改版。 ? 由于本人的局限性、缺點(diǎn)和錯(cuò)誤難免，請(qǐng)閱讀本補(bǔ)充教材的人員提出寶貴意見和建議，使本補(bǔ)充教材更加完善。 ? 本補(bǔ)充教材編寫過(guò)程中得到中國(guó)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)協(xié)會(huì)教育工作委員會(huì)杜京社同志的支持與幫助，在此表示感謝！ ? 編寫者：姚志忠 ? 第四章 超聲波探傷方法和通用探傷技術(shù) ? 第一節(jié) 超聲波探傷方法概述 ? 超聲波探傷方法按波的類型可分為脈沖波法和連續(xù)波法，按探傷方法原理可分為反射法、穿透法和共振法，按波形可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法和爬波法，按耦合方式可分為直接接觸法和液浸法，按探頭個(gè)數(shù)可分為單探頭法、雙探頭法和多探頭法，現(xiàn)將各種探傷方法分類列于下圖 ： ? 超聲波探傷方法圖例 4 并列式 交叉式 V 形式 K 型式 串列式 表面下橫波 超聲波探傷方法 脈沖波法 連續(xù)波法 單探頭法 反 射 法 反 射 法 液 浸 法 雙探頭法 共 振 法 直接接觸法 穿 透 法 檢測(cè)分層性缺陷 及衰減較大的材料 測(cè)厚及測(cè)腐蝕性 斜角探傷法 縱波法 垂直入射 縱波法 斜入射 縱波斜射法 橫 波 法 板 波 法 縱波垂直法 橫 波 法 表面波法 板 波 法 爬 波 法 串列式法 不銹鋼焊縫與螺檢檢測(cè) 管材檢測(cè) 薄板檢測(cè) 鋼板、鍛件、鑄件等材料內(nèi)部檢測(cè) 缺陷 回波法 底波高度法 多次底波法 檢測(cè)焊縫、管材、筒體鍛件、板材等 檢測(cè)表面及近表面缺陷 檢測(cè)薄板、薄壁管、復(fù)合材料 表面下縱波 檢測(cè)粗糙表面下缺陷 檢測(cè)與探測(cè)面垂直的缺陷 多探頭及雙探頭法 圖 4 1 第二節(jié) 儀器與探頭的選擇 ? 一、探傷儀選擇 。 ，如對(duì)定位要求高時(shí)，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器， ? 選擇數(shù)字式探傷儀更好。對(duì)定量要求高時(shí)，應(yīng)選擇垂直線性誤差小，衰減器精度高的儀器，對(duì) ? 大型工件或粗晶材料工件探傷，可選擇功率大，靈敏度余量高，信噪比高，低頻性能好的儀器。對(duì)近表面缺陷檢測(cè)要求高時(shí)，可選擇盲區(qū)小，近區(qū)分辨好的儀器。 ? 主要考慮：靈敏度、分辨力、定量要求，定位要求和便攜、穩(wěn)定等方面。 ? 二、探頭選擇 ? 1. 型式選擇：原則為根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)目的決定： ? 如：焊縫 ——斜探頭 ? 鋼板、鑄件 ——直探頭 ? 鋼管、水浸板材 ——聚焦探頭（線、點(diǎn)聚集） ? 近表面缺陷 ——雙晶直探頭 ? 表面缺陷 ——表面波探頭 ? ? 2. 探頭頻率選擇 ? 超聲波檢測(cè)靈敏度一般是指檢測(cè)最小缺陷的能力，從統(tǒng)計(jì)規(guī)律發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺陷大小為 ? 時(shí)，可穩(wěn)定地發(fā)現(xiàn)缺陷波，對(duì)鋼工件用~5MHZ， λ為：縱波 ~，橫波~，則縱波可穩(wěn)定檢測(cè)缺陷最小值為：~，橫波可穩(wěn)定檢測(cè)缺陷最小值為： ~。 2?? 這對(duì)壓力容器檢測(cè)要求已能滿足。 ? 故對(duì)晶粒較細(xì)的鑄件、軋制件、焊接件等常采用 ~5MHZ。 ? 對(duì)晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等因會(huì)出現(xiàn)許多林狀反射，（由材料中聲阻抗有差異的微小界面作為反射面產(chǎn)生的反射），也和材料噪聲干擾缺陷檢測(cè)，故采用較低的~，主要是提高信噪比，減少晶粒反射。 ? 此外應(yīng)考慮檢測(cè)目的和檢測(cè)效果，如從發(fā)現(xiàn)最小缺陷能力方面，可提高頻率，但對(duì)大工件因聲程大頻率增加衰減急劇增加。對(duì)粗晶材料如降低頻率，且減小晶片尺寸時(shí)，則聲束指向性變壞，不利于檢測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)缺陷，所以應(yīng)綜合考慮。 ? 3. 晶片尺寸選擇： ? 原則：①晶片尺寸要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如滿足JB/T47302022要求，即晶片面積 ≤500mm2，任一邊長(zhǎng) ≤25mm。 ? ② 其次考慮檢測(cè)目的，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷，如工件較薄，則晶片尺寸可小些，此時(shí) N小。鑄件、厚工件則晶片尺寸可大些， N大、 θ0小。發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力強(qiáng)。 ? ③ 考慮檢測(cè)面的結(jié)構(gòu)情況 ? 如對(duì)小型工件，曲率大的工件復(fù)雜形狀工件為便于耦合要用小晶片，對(duì)平面工件，晶片可大一些。 ? 4. 斜探頭 K值選擇： ? 原則：①保證聲束掃到整個(gè)檢測(cè)斷面，對(duì)不同工件形狀要具體分析選擇。 ? ②盡可能使檢測(cè)聲束與缺陷垂直，在條件許可時(shí)，盡量用 K大些的探頭。薄工件 K大些，厚工件 K可小些。 ? ③根據(jù)檢測(cè)對(duì)象選 K： ? 如單面焊根部未焊透，選 K=，即在K=。 第三節(jié) 耦合與補(bǔ)償 ? 耦合就是實(shí)現(xiàn)聲能從探頭向工件的傳遞，它可用探測(cè)面上聲強(qiáng)透過(guò)率來(lái)表示耦合的好壞，聲強(qiáng)透過(guò)率高，表示聲耦合好。 ? 一、耦合劑 ——在工件與探頭之間表面，涂敷液體、排除空氣，實(shí)現(xiàn)聲能傳遞該液體即耦合劑。 ? 實(shí)際耦合劑聲阻抗在 ~ 106公斤 /米 2，而鋼聲阻抗為 45 106公斤 /米 2。所以靠耦合劑是很難補(bǔ)償曲面和粗糙表面對(duì)探測(cè)靈敏度的影響。 ? 水銀耦合效果最好，聲阻抗為： 106kg/m2與鋼接近，但有毒、很貴，故不推薦。 ? 對(duì)耦合劑的要求： ? ①對(duì)工件表面和探頭表面有足夠浸潤(rùn)性，并既有流動(dòng)性，又有附著力強(qiáng)，且易清洗。 ? ②聲阻抗大，應(yīng)盡量和被檢工件接近。 ? ③對(duì)人體無(wú)害，對(duì)工件無(wú)腐蝕作用。 ? ④來(lái)源廣，價(jià)格低廉。 ? ⑤性能穩(wěn)定。 ? 二、影響聲耦合的主要因素 d： ? 在均勻介質(zhì)中： ? 最好： d=n ? 即半波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)聲壓透射率為 1，幾乎無(wú)反射，聲能全部透射。好象耦合層不存在。 ? 最不好： d=（ 2n+1） ? 即四分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍時(shí)，聲壓透射率最低，反射率最高。 2?4?? 此時(shí)相當(dāng)于鋼保護(hù)膜直探頭探測(cè)鋼件。根據(jù)均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層對(duì)聲波的反射特性，其聲壓反射 r為： ? 在非均勻介質(zhì)中，根據(jù)教材 ，當(dāng) d=n時(shí)和 d=（ 2n+1） , ? 且 Z2= 時(shí)，聲強(qiáng)透射率最大，超聲檢測(cè)大多情況滿足次種條件。 2?4?31ZZ22221222222122241124111????dS inZZZZdS inZZZZr???????? ?????????? ??? 由式可看出：當(dāng)耦合層 d=時(shí)， r=0、 t=1，靈敏度可以保證，但發(fā)射反射 ? 脈沖后面干擾振蕩增加，也影響缺陷檢測(cè)，故實(shí)際上常使用 d→0 的光滑工件使耦合層d→0 ，效果好。 ? 如果再增加耦合層厚度，可以使界面波和工件多次反射波分得很開，探傷圖 ? 形變得很清晰，如控制在底面回波在第二次界面回波前出現(xiàn)，對(duì)缺陷判斷有利（這是水浸探傷中的水層耦合原理）。 ? 為使耦合層耦合效果好，由教材 ，則必須使 r≈0，此時(shí) t≈1，或 T= 達(dá)最大，即聲能從探頭全部透到工件，則由聲壓反射率表示式知， r≈0得 Sin ≈0，即d≈0或 d→0 ，但 d≠0，即工件表面越平整，耦合劑層厚 d越接近零，耦合越好。 221 21 )(4 ZZ ZZ???d2 ? 由上面均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層對(duì)聲波的聲壓反射率表示式可知 d→0 時(shí)，可得 r≈0。耦合效果越好。表示工件表面光潔度越光越好，表面粗糙度越差。則 d越大耦合越差。但是當(dāng)表面太光后探頭和工件之間耦合層由于表面張力吸附作用，變成真空使探頭移動(dòng)困難。同時(shí)因真空不能傳播聲波，使耦合變差。 ? 一般工件要求粗糙度 Ra= ? 一般液體耦合劑聲阻抗均比工件聲阻抗小，故對(duì)同一探測(cè)面（光潔度相工件 ? 材質(zhì)相同）聲阻抗越大的耦合劑耦合效果越好。 6. 工件表面形狀影響 ? 平面工件耦合最好。 ? 凸曲面和凹曲面均耦合不好。 ? 在實(shí)際工作中， T最大處聲壓透射率為平面接觸時(shí)，透射率一半時(shí)的曲率半徑 ? 為聲耦合臨界曲率半徑 R0。 圖4 2? 則： R0=（ 1+Zt/Zm） ? f——頻率， D——晶片直徑， Zt——保護(hù)膜或斜透聲楔聲阻抗， ? Z0——耦合劑聲阻抗， Zm——工件聲阻抗，C0——耦合劑聲速。 ? 當(dāng)工件曲率半徑 R與臨界曲率半徑 R0比較R/R0=1時(shí)，修正值 ， ? R/R0≥1時(shí)，可不修正，此時(shí)修正值為 以下，當(dāng) R/R01時(shí)要修正，可用實(shí)測(cè)修正。 ? 大致值為： ? R/R0 = 1 4 ? 5dB 7dB 9 dB 15dB 0dB ? 三、表面耦合損耗測(cè)定與補(bǔ)償 ? 1. 耦合損耗測(cè)定 ? 試塊和工件在材質(zhì)、反射體、探頭、儀器相同條件下，僅表面光潔度不同測(cè)出相同反射體（聲程相同）回波高度 dB差。聲程不同時(shí)，應(yīng)對(duì)聲程變化引起的 dB差進(jìn)行修正。 ? 2. 補(bǔ)償 ? 將試塊上反射體回波高調(diào)至某高 h，再提高測(cè)得的 dB值，即為補(bǔ)償。 ? 利用底波反射橫波耦合損耗測(cè)試實(shí)例： ? 用兩個(gè)相同規(guī)格斜探頭，作一發(fā)一收方式先在試塊上相對(duì)探測(cè)，分別測(cè)得兩探頭相距一跨距和二跨距時(shí)底面回波高 H1和 H2，在示波屏上作出 H1和 H2連線。再將兩探頭在工件上相對(duì)探測(cè)，同樣分別測(cè)得兩探頭相距一跨距和二跨距時(shí)底面回波 ? 高 h1和 h2，在示波屏上作出 h1和 h2連線。則H1和 H2連線位于 h1和 h2連線上方，這是因?yàn)楣ぜ砻娲植隈詈喜钜鸬慕Y(jié)果，則此兩線高度差即為表面耦補(bǔ)償差 dB值。 ? 當(dāng)試塊厚度小于工件時(shí)， h1位于 H1和 H2中間，當(dāng)試塊厚度大于工件時(shí)， H1位于 h1和 h2中間。 第四節(jié) 探傷儀調(diào)節(jié) ? 一、掃描線比例調(diào)節(jié) ：以工件厚度聲程為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)，一般將工件二次底波調(diào)節(jié) 10格。 ? （直探頭）一般將工件一次底波調(diào)節(jié) 5格。 ? 多次反射： Bn。根據(jù)工件厚和反射次數(shù)決定。 ①聲程調(diào)節(jié)法常用于 直探頭 管座角焊縫 斜探頭