【正文】 第 五 章 超聲波檢測方法和通用工藝 第一節(jié) 超聲波檢測方法概述 一、按原理分類 脈沖反射法、穿透法和共振法 脈沖反射法： 超聲波探頭發(fā)射脈沖到被檢試件內(nèi)，根據(jù)發(fā)射波的情況來檢測試件缺陷的方法，稱脈沖反射法 。包括 ： 缺陷回波法、底波高度法和多次底波法 。 穿透法 ： 依據(jù)脈沖或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法，稱穿透法。 共振法 ： 若超聲波在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長的整數(shù)倍時，將引起共振 ，儀器顯示出共振頻率，但試件內(nèi)存在缺陷或工件厚度發(fā)生變化時，將改變試件的共振頻 率。依據(jù)試件的共振特性，來判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱共振法。 二、按 波形分類 縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法 縱波法： 使用直探頭發(fā)射縱波，進(jìn)行檢測的方法 。包括： 單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。 橫波法：將縱波通過楔塊、水等介質(zhì)傾斜入射至試件檢測面，利用波型轉(zhuǎn)換得到橫波進(jìn)行檢測的方法，稱橫波法。 表面波法：使用表面波進(jìn)行檢測的方法，稱表面波法。 板波法：使用板波進(jìn)行檢測的方法，稱為板波法。 爬波法： （ 爬波是指表面下的縱波，它是當(dāng)?shù)谝唤橘|(zhì)中的縱波入射角位于第一臨 界角附近時在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的表面下橫波，這種 表面下縱波不是純粹的縱波，還有折射橫波。） 爬波對于檢測表面比較粗糙的工件表面缺陷，靈敏度分辨率比表面波高。 三、按探頭數(shù)目分類 單探頭法 使用一個探頭兼在發(fā)射和接收超聲波的檢測方法稱為單探頭法。 特點： 對于與波束軸線垂直的片狀缺陷和立體缺陷的檢出效果好。與波束軸線平行的片狀缺陷難以檢出。 雙探頭法 使用兩個探頭（一個發(fā)射，一個接收）進(jìn)行檢測的方法稱為雙探頭法。其主要用于發(fā)現(xiàn)單探頭法難以檢出的缺陷。 方法：并列式、交叉式、 V 型串列式、 K 型串列式、串列式等。 并列式 K 形式 交叉式 V 形式 串列式 圖 1 多探頭法 使用二個以上的探頭成對的組合在一起進(jìn)行檢測的方法，稱為多探頭法。例如：相控陣檢測方法。 四、按探頭接觸方法分類 直接接觸法 探頭與試件探測面之間，涂有很薄的耦合劑層，這種檢測方法稱直接接觸法。 特點：檢測圖形較簡單，判斷容易，檢出缺陷靈敏度高。操作方法簡單，但要求檢測面光潔度高。 液 浸法 將探頭和工件浸于液體中以液體耦合劑進(jìn)行檢測的方法，稱為液浸法。分為全浸沒式和局部浸沒式 （噴液式、通水式、滿溢式） 。 第二節(jié) 儀器與探頭的選擇 一、檢測儀器選擇 儀器和各項指標(biāo)要符合檢測對象標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。 對于定位要求高的情況，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器。 對于定量要求的情況，應(yīng) 選擇垂直線性好，衰減器精度高的儀器。 對于大型零件檢測，應(yīng)選擇靈敏度余量高、信噪比高、功率大的儀器。 為了有效的發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)小、分辨力好的儀器。 對于室外檢測，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好， 抗干擾能力強(qiáng)的攜帶儀器。 二、探頭選擇 型式選擇：原則為根據(jù)檢測對象和檢測目的的決定 例如：焊縫 — 斜探頭 鋼板、鑄件 — 直探頭 鋼管、水浸板材 — 聚焦探頭（線、點聚焦） 近表面缺陷 — 雙直探頭 表面缺陷 — 表面波探頭 不銹鋼焊縫 與螺栓檢測 — 縱波斜探頭 探頭頻率選擇 超聲波檢測靈敏度一般為 2? ，對于鋼工件用 ， λ為：縱波 — ，橫波 — ， 則縱波檢測缺陷最小值為 — 之間，橫波檢測缺陷最小值： — 之間 .這對承壓類設(shè)備檢測要求已能滿足。 對晶粒較細(xì)的鑄件、軋制件、焊接件等常采用 。 對晶粒較粗的鑄件、奧氏體鋼等會出現(xiàn) 許林狀反射，（ 由 材料中聲阻抗有差異的微小界面反射面），也和材料噪聲干擾缺陷檢測，故采用較低的 的頻率，主要是提高信噪比，減少晶粒反射。 另外還要考慮以下因素： 1）、由于波的繞射 ， 使超聲波 檢測靈敏度 約為2?，因此提高頻率，有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷。 (f= ?C f 升高 λ減少 ) 2）、頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區(qū)分相鄰缺陷。 θ =D? 3)、由θ = D? 可知，頻率高，波長短，則半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，能量集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并定位。 4）、 由 N= ?42D ,頻率高，波長短，近場區(qū)長度大，對檢測不利。 5）、α =C2Fd3f4，頻率增加，衰減急劇增加。 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/T47302020 的要求，即 晶片面積一般不應(yīng)大于 500mm2，且任一邊長原則上不大于 25mm。 2）、其次考慮檢測目的，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷，如工件較薄，則晶片尺寸可小，此時 N 小。 鑄件、厚工件則晶片尺寸可大 些， N 大、θ小，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力強(qiáng)。 3）、 考慮檢測面的結(jié)構(gòu)情況 如對小型工件，曲率大的工件、復(fù)雜形狀工件為便于耦合要用小晶片，對平面工件，晶片可大一些。 斜探頭 K 值選擇 原則： 1）、保持聲束掃到整個檢測斷面，對不同工件形狀要具體分析選擇。 2)、盡可能是檢測聲束與缺陷垂直，在條件許可時，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)檢測對象選 K: 單面焊根部未焊透，選 K=，即在 K= 時檢測靈敏度最高。 第三節(jié) 耦合與補(bǔ)強(qiáng) 耦合就是實現(xiàn)聲能從探頭向工件的傳遞，它是用檢測面上聲強(qiáng)透過率來表示耦合的好壞，聲強(qiáng)透過率高，表示耦合好。 一、 耦合劑 ： 在工件與探頭之間表面，涂敷液體、排除空氣，實現(xiàn)聲能傳遞該液體即耦合劑。 實際耦合劑聲阻抗在 106kg/m2，而鋼聲阻抗為 45106kg/m2。所以靠耦合劑是很難補(bǔ)償曲面和粗糙表面對檢測靈敏度的影響。 所以探傷時都要加補(bǔ)償。 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。 對耦合劑的要求 ： １）、對工件表面和探頭表面有足夠浸潤性，并既有流動 性，又有附著力，且易清洗。 ２）、聲阻抗大， 應(yīng)盡量和被檢工件接近 3）、對人體無害，對工件無腐蝕作用，不污染環(huán)境。 4）、來源廣，價格低廉。 5）、性能穩(wěn)定，不易變質(zhì)，能長期保存。 二、影響耦合的主要因素 耦合層厚度 d2: d2=n2? d=0 最好 d2=n2? 即半波長整數(shù)倍時聲壓透射率為 1，幾乎無反射，聲壓全部透射 ，在工件中的反射回波高 。 最不好 d2=(2n+1)4?（四分之一波長奇數(shù)倍時，聲壓透射率最低，反射率最高，在工件中的反射回波低。 ） 實際上，當(dāng)耦合層 d= 2?時， r=0 ,t=1,靈敏度可以保證，但發(fā)射脈沖和發(fā)射脈沖后面干擾振蕩增加，也影響缺陷檢測，故實際上常使用 d 0 的光滑工件使耦合層 d 0，效果好，使圖形變得很清晰，如果控制在底面回波在第二次界面回波前出現(xiàn)，對缺陷判斷有力。（這是水浸檢測中的水層耦合原理） 為使耦合層耦合效果最好，則必須使 r≈ 0， t=1，即聲能從探頭全部透到工件， r=2222222s in)1(4112s in)1(41????dmmdmm??? sin222?d? ≈ 0 即 d=0 即工件表面越平整， t=222 2s in)1(4111?? dmm ?? 耦合劑層厚 d 越接近零，耦合越好。 工件表面粗糙度影響 由上面式可知 d 0 時，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， 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困難。 一般工件粗糙度 Ra= m 。 耦合劑聲阻 抗影響 一般液體耦合劑聲阻抗均比工件聲阻抗小，故 對同一探測面（光潔度相同，工件材質(zhì)相同）聲阻抗越大的耦合劑耦合效果越好。 工件表面形狀影響 平 面工件耦合最好，凸曲面次之，凹曲面最差。 不同曲率半徑的耦合效果也不相同，曲率半徑大，耦合效果好。 三、 表面耦合損耗測定與補(bǔ)償 耦合損耗測定 表面狀況不同 對比試塊 待測試塊 （材料相同和工件形狀相同） 一次波檢測又稱直接反射法 1S 1S T R1 R2 工件 R T 試塊 R1 R △ dB R2 試塊 工件 △ dB 圖 2 第四節(jié) 探傷儀調(diào)整 一、掃描線比例調(diào)整 縱波：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： 例如： t=50mm T B1 B2 50mm 50 100mm t=20mm CSKIA 20mm 0 20 40 60 80 100mm T B1 100mm 400 1:4 橫波 1）、聲程調(diào)節(jié)法 IIW IIW2 IIW2 R25 R50 0 25 100mm 50 100mm 圖 3 2）、水平調(diào)節(jié)法 CSKIA R50 R100 L1=2501 KKR? L2=21001 kKR? =2L1 K:為斜探頭的 K 值 K=2 L1=44 L2=88 K=1 L1=35 L2=70 例如： 9K2 前