【文章內(nèi)容簡介】 △ ○ ○ 注：◎：很適合 ○：適合 △：有附加條件時適合 ：不適合 超聲探傷 超聲波探傷作為無損檢驗的一種重要手段，在工業(yè)上已獲得廣泛的應(yīng)用。目前，從儀器品 種、探頭種類、探傷方法、自動化水平等各方面都在不斷的革新和發(fā)展中。在超聲波探傷中，由于使用的波型、發(fā)射和接收的方法、信號的顯示方式、探頭與工件耦合的特點(diǎn)、工件形狀和缺陷類型、實現(xiàn)探傷的手段等都不相同，所以從不同的方面出發(fā)，就可以按不同的歸納方式分類。如按自動化程度可以分為自動化探傷、半自動化探傷、手工探傷：按缺陷在熒屏上顯示的方式可以分為：顯示缺陷深度及反射波幅度的 A 型顯示、顯示在橫截面上缺陷的形狀和分布情況的 B 形顯示、顯示水平截面上缺陷形狀和分布情況的 C 型顯示。所以，要想把探傷的方法按一種格式嚴(yán)格分類是不 可能的，現(xiàn)僅就常用的金屬超聲波探傷方法綜合歸納于下表。 表 32常用超聲波探傷方法的分類 14 脈沖反射法是目前運(yùn)用最廣泛的一種超聲波探傷法。它使用的不是連續(xù)波，而是有一定持續(xù)時間按一定頻率發(fā)射超聲脈沖。探傷結(jié)果用示波器顯示。脈沖發(fā)射法包括縱波直探頭探傷法及橫波斜探頭探傷法兩種。 超聲探傷的設(shè)備與器材 超聲檢測設(shè)備與器材包括超聲檢測儀、探頭、試塊、耦合劑等，其中儀器和探頭對超聲檢測系統(tǒng)的能力起關(guān)鍵性作用。了解其原理、構(gòu)造和作用及其主要性能，是正確選擇檢測設(shè)備與器材并進(jìn)行有效檢測的保證。 (1) 超聲波探傷儀 超聲探傷儀是超聲檢測的主體設(shè)備，它的主要作用是產(chǎn)生電震蕩并施加于換能器（探頭）上，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時接收來自探頭的電信號，將其放大后以一定方式顯示出來，從而得到被檢工件中有關(guān)缺陷的信息。超聲波檢測儀按其指示參量可以分為 以 下 三 類 ： 第一類指示聲的穿透能量，稱為穿透視檢測儀。這種儀器發(fā)射頻率不變的超聲連續(xù)波，根據(jù)透過工件的超聲波強(qiáng)度變化判斷工件中有無缺陷及缺陷大小。這種儀器靈敏度低，且不能確定缺陷深度位置，須從兩側(cè)接近工件，目前已很少使用。 第二類指示頻率可變的超聲連續(xù)波 在工件中形成駐波的情況，可用于共振測厚，但由于只適宜檢查與檢測面平行的缺陷，目前已很少使用。 15 第三類指示脈沖波的幅度和運(yùn)行時間，稱為脈沖波檢測儀。這類儀器通過探頭向工件周期性地發(fā)射一持續(xù)時間很短的電脈沖，激勵探頭發(fā)射脈沖超聲波，并接收從工件中反射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間和幅度判斷是否存在缺陷和缺陷大小等情況，稱為脈沖反射式超聲檢測儀。目前還出現(xiàn)了采用一發(fā)一收雙探頭方式，接收從工件中衍射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間來判斷是否存在缺陷和缺陷大小等情況，稱為衍射時差法超聲檢測儀，目前也 在迅速的發(fā)展之中。脈沖波檢測儀的信號顯示方式可分為 A 型顯示和超聲成像顯示，其中超聲成像顯示又可分為 B、 C、 D、S、 P 型顯示等類。其中 A 型脈沖反射式超聲檢測儀是適用范圍最廣、最基本的一種類型。 按缺陷顯示方式分類，超聲波探傷儀分為三種。 A 型： A 型顯示是一種波形顯示，探傷儀的屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播距離，縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。 B 型： B 型顯示是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表探頭的掃查軌跡，縱坐標(biāo)代表聲波的傳播距離，因而可直觀地顯示出被探工件任 一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。 C 型： C 型顯示也是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都代表探頭在工件表面的位置，探頭接收信號幅度以光點(diǎn)輝度表示，因而當(dāng)探頭在工件表面移動時，屏上顯示出被探工件內(nèi)部缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。 目前，探傷中廣泛使用的超聲波探傷儀都是 A 型顯示脈沖反射式探傷儀。 除了上述按照原理的差異分類以外，根據(jù)采用的信號處理技術(shù)，超聲檢測儀還可分為模擬式和數(shù)字式。目前使用的超聲檢測儀多為數(shù)字式。 (2) 探頭 超聲波探頭是組成超聲波檢測系統(tǒng)的最重要組件之一。探頭的性能直接影響超聲檢測能力和效果。 下面介紹探頭的工作原理、主要性能及其及結(jié)構(gòu)。 1） 壓電效應(yīng) 某些晶體材料在交變拉壓應(yīng)作用下，產(chǎn)生交變電場的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。反之當(dāng)晶體材料在交變電場作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。 16 超聲波探頭中的壓電晶片具有壓電效應(yīng)，當(dāng)高頻電脈沖激勵壓電晶片時，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能 (機(jī)械能 )，探頭發(fā)射超聲波。當(dāng)探頭接收超聲波時，發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換為電能。不難看出超聲波探頭在工作時實現(xiàn)了電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換，因此常把探頭叫做換能器。 2）探頭的種類和結(jié)構(gòu) 直探頭用于發(fā)射和接收縱波，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如板材、鍛件探傷等。 斜探頭可分為縱波斜探頭、橫波斜探頭和表面波斜探頭，常用的是橫波斜探頭。橫波斜探頭主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫、汽輪機(jī)葉輪等。當(dāng)斜探頭的入射角大于或等于第二臨界角時，在工件中產(chǎn)生表面波，表面波探頭用于探測表面或近表面缺陷。 雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發(fā)射超聲波，另一塊用于接收超聲波。根據(jù)入射角不同，分為雙晶縱波探頭和雙晶橫波探頭。 雙晶探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)： 區(qū)長度小 雙晶探頭主要用于探傷近表面缺陷。 聚焦探頭種類較多。 2） 探頭型號 探頭型號的組成項目及排列順序如下： 基本頻率 晶片材料 晶片尺寸 探頭種類 特征 基本頻率：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為 MHz。 晶片材料：用化學(xué)元素縮寫符號表示。 晶片尺寸：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為 mm。 探頭種類：用漢語拼音縮寫字母表示。 探頭特征：斜探頭鋼中折射角正切值（ K值）用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。 (3) 耦合劑 17 超聲耦合是指超聲波在檢測面上的聲強(qiáng)透射率。聲強(qiáng)透射率高，超聲耦合好。為了改善探頭與工件間聲能的傳遞，而加 在探頭和檢測面之間的液體薄層稱為耦合劑。耦合劑可填充探頭與工件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入工件，這是使用耦合劑的主要目的。 耦合劑還有減少磨擦的作用 。 常用耦合劑有水、甘油、機(jī)油、變壓器油、化學(xué)糨糊等。 水的優(yōu)點(diǎn)是來源方便，缺點(diǎn)是容易流失，容易使工件生銹，有時不易潤濕工件。液浸檢測中常使用水作耦合劑，使用時可以加入潤濕劑和防腐劑等。甘油的優(yōu)點(diǎn)是聲阻抗大，耦合效果好，缺點(diǎn)是要用水稀釋，容易使工件形成腐蝕坑，價格較昂貴。機(jī)油和變壓器油的附著力、黏度、潤濕性都較適當(dāng)，也無腐蝕性，價格又不貴，因此是最常用的耦合劑。 化學(xué)糨糊的耦合效果比較好，也是一種常用的耦合劑。 (4) 試塊 試塊是按一定用途設(shè)計制作的具有簡單幾何形狀人工反射體的試樣。試塊和儀器、探頭一樣，是超聲波探傷中的重要工具。 1）試塊的作用 超聲波探傷靈敏度太高或太低都不好，太高雜波多，判傷困難，太低會引起漏檢。因此在超聲波探傷前，常用試塊上某一特定的人工反射體來調(diào)整探傷靈敏度。 超聲波探傷儀和探頭的一些重要性能，如放大線性、水平線性、靈敏度余量、分辨力、盲區(qū)、探頭的入射點(diǎn)、 K值等都是利用試塊來測試的。 度 利用試塊可以調(diào)整儀器屏幕上水平刻度值與實際聲程之間的比例關(guān)系，即掃描速度，以便對缺陷進(jìn)行定位。 利用某些試塊繪出的距離 波幅 當(dāng)量曲線（即實用 AVG）來對缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特別是 3N 以內(nèi)的缺陷，采用試塊比較法仍然是最有效的定量方法。此外還可利用試塊測量材料的聲速、衰減性能等。 2）試塊的分類 ：標(biāo)準(zhǔn)試塊和對比試塊。 18 ：平底孔試塊、橫孔試塊和槽形試塊等。 3）焊縫探傷常用試塊舉例 a.Ⅱ W 試塊 Ⅱ W 試塊是標(biāo)準(zhǔn)試塊其結(jié)構(gòu)尺寸如圖 31 所示。Ⅱ W 試塊材質(zhì)相當(dāng)于我國 20 號鋼，正火處理，晶粒度 7~8 級。在焊縫探傷中多用于儀器調(diào)試。 試塊 RB2 試塊是 GB113451989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果》中規(guī)定的焊縫檢測用對比試塊。結(jié)構(gòu)尺寸如圖 32 所示。 RB2 試塊主要用于厚度為8~100mm 的對接焊縫檢測，材質(zhì)與被檢材料的聲學(xué)性能相同或相近。 圖 31 Ⅱ W試塊 圖 32 RB2試塊 橫波斜探頭探傷技術(shù) 目前檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量最常用的是射 線和超聲波探傷法。對于焊縫中的危險缺陷 ——裂紋、未焊透，尤其是微裂紋和輕微未焊透，用超聲波探傷比用射線更容易發(fā)現(xiàn)，而且超聲波探傷還具備儀器簡單、檢查速度快等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。在焊縫探傷中，由于焊縫加強(qiáng)高的影響及焊縫中存在的缺陷往往是與探測面近于垂直或形成一定角度，所以在一定情況下采用超聲波傾斜入射到工件內(nèi)部的探傷方法，即橫波斜探頭法進(jìn)行。 1010050有機(jī)玻璃166。181。 50166。181。 其余 19 橫波斜探頭探傷原理 橫波斜探頭探傷技術(shù)是利用超聲波傾斜入射到界面時，產(chǎn)生的波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，從而利用波形轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的橫波穿透工件，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部 缺陷的。其原理圖如圖 33 所示。 1工件 2焊縫 3缺陷 4超聲波束 5斜探頭 圖 33 橫波斜探頭探傷原理 為了發(fā)現(xiàn)缺陷和對缺陷的定性、定量，常用不同的移動方式。斜探頭的掃查方式一般分為以下幾類：單探頭的掃查、特殊掃查及雙探頭掃查。 (1) 單探頭的掃查 單探頭掃查是用一個探頭同時發(fā)射超聲波和接收回波，根據(jù)探頭不同移動方式，單探頭掃查又可分為以下幾類： 這是在焊縫探傷中經(jīng)常使用的一種探頭移動方式，即以鋸齒形往復(fù)移動， 每次前進(jìn)的齒距寬度 d 不得超過晶片寬度，如圖 34 所示。 探頭 圖 34鋸齒形掃查示意圖 探頭作原地轉(zhuǎn)動的掃查方法。該法常與鋸齒形掃查并用，當(dāng)用鋸齒形掃查探出缺陷后，需確定缺陷的方向和形狀時，常使用這種掃查方法。 20 探頭以缺陷為中心作環(huán)繞運(yùn)動。為了估判缺陷的形狀常使用的方法。若探頭環(huán)繞缺陷時反射波高度變化不大，一般估判為曲面狀缺陷。但當(dāng)探頭靠近凸起的焊道發(fā)現(xiàn)缺陷波時，用此法估判缺陷形狀是困難的。由于焊縫中的自然缺陷在多數(shù)情況下形 狀是復(fù)雜的，有一定的方向性，所以難以找到上述典型波形。 將探頭前后和左右移動進(jìn)行掃查。當(dāng)在鋸齒形掃描中發(fā)現(xiàn)缺陷波時，可以使用左右掃查來確定缺陷的長度；使用前后掃查來估計缺陷的自身深度。使用兩種方法也可估判缺陷的形狀。 探頭多次平行于焊縫移動，此法多用于自動化、半自動或在無法辨認(rèn)真假反射波時，采用固定位置的一種掃查方式。 探頭多次垂直于焊縫移動。 (2) 特殊掃查 探頭與焊縫成一定的角度斜平行移動。可以發(fā)現(xiàn)焊縫或熱影響區(qū)的橫向缺陷 (如裂紋等 )。此法多用于具有焊縫加強(qiáng)高的工件。 在焊縫加強(qiáng)高磨平的情況下，將探頭放在焊縫上移動的一種掃查方法。從發(fā)現(xiàn)橫向缺陷的能力來講，它比平行掃查的效果好。 (3) 雙探頭掃查 雙探頭掃查是用兩個探頭進(jìn)行探傷，其中一個用于發(fā)射超聲波，另一個用于接收回波，根據(jù)兩個探頭不同位置可分為以下幾種： 探頭分別置于焊縫的兩側(cè)或一側(cè)，以便發(fā)現(xiàn)焊縫的橫向或縱向缺陷。 型掃查 兩個探頭置于焊縫的同一側(cè)，并分別置于工件的兩面，以便探測類似中部未焊透這類缺陷。 21 型掃查 探頭分別 置于焊縫兩側(cè)并與焊縫垂直，可發(fā)現(xiàn)與探測面平行的缺陷。 22 超聲波探傷作為無損檢測一種方法，因其探傷效率高、成本低、穿透能力強(qiáng)，而被廣泛應(yīng)用。它是利用頻率超過 20KHz 的高頻聲束在試件中與試件內(nèi)部缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）中傳播的特性，來判定是否存在缺陷及其尺度的一種無損檢測技術(shù)。 超聲檢測因其固有特點(diǎn)，它比較適合于檢測焊縫中的平面型缺陷，如裂紋、未焊透、未熔合等。焊縫厚度較大時，其優(yōu)點(diǎn)愈明顯。 焊縫超聲波探傷 焊縫探傷主要采用斜探頭橫波探傷，斜探頭使聲束斜向入射，斜探 頭的傾斜角有多種，使用斜探頭發(fā)現(xiàn)焊縫中的缺陷與用直探頭探傷一樣，都是根據(jù)在始脈沖與底脈沖之間是否存在傷脈沖來判斷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊縫中存在缺陷之后，根據(jù)探頭在試件上的位置以及缺陷回波在顯示屏上的高度，就可確定出焊縫的缺陷位置和大小。這是因為在探傷前按一定的比例在超聲儀熒光屏上作有距離 — 波幅曲線。下面詳細(xì)介紹。 (1)檢測條件的選擇 由于焊縫中的危險缺陷常與入射聲束軸線呈一定夾角，基于缺陷反射波指向性的考慮，頻率不宜過高，一般工作頻率采用 ：板厚較大，衰減明顯的焊縫，應(yīng)選用更低一些的頻率。 探頭折 射角的選擇應(yīng)使聲束能掃查到焊縫的整個截面，能使聲束中心線盡可能與主要危險性缺陷面垂直。常用的探頭斜率為 ~。 常用耦合劑有機(jī)油、甘油、漿糊、潤滑脂和水等，從耦合劑效果看，漿糊與機(jī)油差別不大，但漿糊粘度大，并具有較好的水洗性，所以，常用于傾斜面或直立面的檢測。 (2) 檢測前的準(zhǔn)備 (3)探測面的修整 探測面上的焊接飛濺、氧化皮、銹蝕和油垢等應(yīng)清除掉，探頭移動區(qū)的深坑應(yīng)補(bǔ)焊后用砂輪打磨。探測面的修整寬度 B 應(yīng)根據(jù)板厚 t 和探頭的斜率 K 計算確定，一般不應(yīng)小于 。 (4)斜探頭入射點(diǎn)和斜率的測定 23 1) 斜探頭的入射點(diǎn)測定。斜探頭聲束軸線與