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超声波检测方法和通用工艺长春
超声波检测方法和通用工艺(2010长春)
第五章超声波检测方法和通用工艺
第一节超声波检测方法概述
一、按原理分类
脉冲反射法、穿透法和共振法
1、脉冲反射法:
超声波探头发射脉冲到被检试件内,根据发射波的情况来检测试件缺陷的方法,称脉冲反射法。
包括:
缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。
2、穿透法:
依据脉冲或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法,称穿透法。
3、共振法:
若超声波在被检工件内传播,当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时,将引起共振,仪器显示出共振频率,但试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时,将改变试件的共振频率。
依据试件的共振特性,来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称共振法。
二、按波形分类
纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法
1、纵波法:
使用直探头发射纵波,进行检测的方法。
包括:
单晶探头反射法、双晶探头反射法和穿透法。
2、横波法:
将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件检测面,利用波型转换得到横波进行检测的方法,称横波法。
3、表面波法:
使用表面波进行检测的方法,称表面波法。
4、板波法:
使用板波进行检测的方法,称为板波法。
5、爬波法:
(爬波是指表面下的纵波,它是当第一介质中的纵波入射角位于第一临界角附近时在第二介质中产生的表面下横波,这种表面下纵波不是纯粹的纵波,还有折射横波。
)爬波对于检测表面比较粗糙的工件表面缺陷,灵敏度分辨率比表面波高。
三、按探头数目分类
1、单探头法
使用一个探头兼在发射和接收超声波的检测方法称为单探头法。
特点:
对于与波束轴线垂直的片状缺陷和立体缺陷的检出效果好。
与波束轴线平行的片状缺陷难以检出。
2、双探头法
使用两个探头(一个发射,一个接收)进行检测的方法称为双探头法。
其主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。
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
串列式图1
3、多探头法
使用二个以上的探头成对的组合在一起进行检测的方法,称为多探头法。
例如:
相控阵检测方法。
四、按探头接触方法分类
1、直接接触法
探头与试件探测面之间,涂有很薄的耦合剂层,这种检测方法称直接接触法。
特点:
检测图形较简单,判断容易,检出缺陷灵敏度高。
操作方法简单,但要求检测面光洁度高。
2、液浸法
将探头和工件浸于液体中以液体耦合剂进行检测的方法,称为液浸法。
分为全浸没式和局部浸没式(喷液式、通水式、满溢式)。
第二节仪器与探头的选择
一、检测仪器选择
1、仪器和各项指标要符合检测对象标准规定的要求。
2、对于定位要求高的情况,应选择水平线性误差小的仪器。
3、对于定量要求的情况,应选择垂直线性好,衰减器精度高的仪器。
4、对于大型零件检测,应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。
5、为了有效的发现近表面缺陷和区分相邻缺陷,应选择盲区小、分辨力好的仪器。
6、对于室外检测,应选择重量轻,荧光屏亮度好,抗干扰能力强的携带仪器。
二、探头选择
1、型式选择:
原则为根据检测对象和检测目的的决定
例如:
焊缝—斜探头
钢板、铸件—直探头
钢管、水浸板材—聚焦探头(线、点聚焦)
近表面缺陷—双直探头
表面缺陷—表面波探头
不锈钢焊缝与螺栓检测—纵波斜探头
2、探头频率选择
超声波检测灵敏度一般为,对于钢工件用2.5-5MHZ,
λ为:
纵波2.36—1.18,横波1.29—0.65,则纵波检测缺陷最小值为0.6—1.2mm之间,横波检测缺陷最小值:
0.3—0.6mm之间.这对承压类设备检测要求已能满足。
对晶粒较细的铸件、轧制件、焊接件等常采用2.5-5MHz。
对晶粒较粗的铸件、奥氏体钢等会出现许林状反射,(由材料中声阻抗有差异的微小界面反射面),也和材料噪声干扰缺陷检测,故采用较低的0.5-2.5MHz的频率,主要是提高信噪比,减少晶粒反射。
另外还要考虑以下因素:
1)、由于波的绕射,使超声波检测灵敏度约为,因此提高频率,有利于发现更小的缺陷。
(f=f升高λ减少)
2)、频率高,脉冲宽度小,分辨力高,有利于区分相邻缺陷。
θ=arcsin1.22
3)、由θ=arcsin1.22可知,频率高,波长短,则半扩散角小,声束指向性好,能量集中,有利于发现缺陷并定位。
4)、由N=,频率高,波长短,近场区长度大,对检测不利。
5)、α=C2Fd3f4,频率增加,衰减急剧增加。
3、晶片尺寸选择
原则:
1)、晶片尺寸要满足标准要求,如满足JB/T4730-2005的要求,即晶片面积一般不应大于500mm2,且任一边长原则上不大于25mm。
2)、其次考虑检测目的,有利于发现缺陷,如工件较薄,则晶片尺寸可小,此时N小。
铸件、厚工件则晶片尺寸可大些,N大、θ小,发现远距离缺陷能力强。
3)、考虑检测面的结构情况
如对小型工件,曲率大的工件、复杂形状工件为便于耦合要用小晶片,对平面工件,晶片可大一些。
4、斜探头K值选择
原则:
1)、保持声束扫到整个检测断面,对不同工件形状要具体分析选择。
2)、尽可能是检测声束与缺陷垂直,在条件许可时,尽量用K大些的探头。
薄工件K大些,厚工件K可小些。
3)、根据检测对象选K:
单面焊根部未焊透,选K=0.7-1.5,即在K=0.84-1时检测灵敏度最高。
第三节耦合与补强
耦合就是实现声能从探头向工件的传递,它是用检测面上声强透过率来表示耦合的好坏,声强透过率高,表示耦合好。
一、耦合剂:
在工件与探头之间表面,涂敷液体、排除空气,实现声能传递该液体即耦合剂。
实际耦合剂声阻抗在1.5-2.5×106kg/m2,而钢声阻抗为45×106kg/m2。
所以靠耦合剂是很难补偿曲面和粗糙表面对检测灵敏度的影响。
所以探伤时都要加补偿。
水银耦合效果最好,声阻抗为19.8×106kg/m2与钢接近,但有毒、很贵,故不推荐。
对耦合剂的要求:
1)、对工件表面和探头表面有足够浸润性,并既有流动性,又有附着力,且易清洗。
2)、声阻抗大,应尽量和被检工件接近
3)、对人体无害,对工件无腐蚀作用,不污染环境。
4)、来源广,价格低廉。
5)、性能稳定,不易变质,能长期保存。
二、影响耦合的主要因素
1、耦合层厚度d2:
d2=nd=0
最好d2=n即半波长整数倍时声压透射率为1,几乎无反射,声压全部透射,在工件中的反射回波高。
最不好d2=(2n+1)(四分之一波长奇数倍时,声压透射率最低,反射率最高,在工件中的反射回波低。
)
实际上,当耦合层d=时,r=0,t=1,灵敏度可以保证,但发射脉冲和发射脉冲后面干扰振荡增加,也影响缺陷检测,故实际上常使用
d0的光滑工件使耦合层d0,效果好,使图形变得很清晰,如果控制在底面回波在第二次界面回波前出现,对缺陷判断有力。
(这是水浸检测中的水层耦合原理)
为使耦合层耦合效果最好,则必须使r≈0,t=1,即声能从探头全部透到工件,
r=sin≈0即d=0即工件表面越平整,
t=
耦合剂层厚d越接近零,耦合越好。
2、工件表面粗糙度影响
由上面式可知d0时,可得r≈0。
耦合效果越好。
表示工件表面光洁度越光越好,表面粗糙度越差,但是当表面太光后探头和工件之间耦合层由于表面张力吸附作用,变成真空使探头移动困难。
一般工件粗糙度Ra=6.3μm。
3、耦合剂声阻抗影响
一般液体耦合剂声阻抗均比工件声阻抗小,故对同一探测面(光洁度相同,工件材质相同)声阻抗越大的耦合剂耦合效果越好。
4、工件表面形状影响
平面工件耦合最好,凸曲面次之,凹曲面最差。
不同曲率半径的耦合效果也不相同,曲率半径大,耦合效果好。
三、表面耦合损耗测定与补偿
1、耦合损耗测定
表面状况不同
对比试块待测试块(材料相同和工件形状相同)
一次波检测又称直接反射法
1S1S
TR1R2
工件
R
T
试块
R1R
△dB
R2
试块
工件
△dB
图2
第四节探伤仪调整
一、扫描线比例调整
1、纵波:
一般将工件二次底波调节10格
(直探头)一般将工件一次底波调节5格
多次反射:
Bn.根据工件厚和反射次数决定
例如:
t=50mm
TB1B2
50mm
50100mm
t=20mmCSK-IA
20mm
020406080100mm
T
B1
100mm400
1:
4
2、横波
1)、声程调节法IIWIIW2
IIW2
R25R50
025100mm
50100mm
图3
2)、水平调节法CSK-IAR50R100
L1=
L2==2L1
K:
为斜探头的K值
K=2L1=44L2=88
K=1
L1=35L2=70
例如:
2.5P9×9K2前沿距离15CSK-IIIA
45mm
40
10mm
20mm
65mm
02040mm
图4
3)、深度调节法CSK-IACSK-IIIACSK-IIA
d1=
d2==2d1
K=2d1=22d2=44
02244
45mm
40
10mm
20mm
65mm
01020mm
图5
二、检测灵敏度的调节
检测灵敏度是指声程范围内发现规定大小缺陷的能力。
实际检测中,在粗查时为了提高扫查速度而又不至于引起漏检,
1、试块调节
根据工件对灵敏度的要求选择相应的试块,将探头对准试块上的人工缺陷,调整仪器上的有关灵敏度旋钮,使示波屏上人工缺陷的最高反射回波达到基准高,这时仪器的灵敏度调节好。
例如:
板厚大于20mm钢板检测时。
100%
CBII
50%
φ5
0
例如:
工件检测距离大于等于45mm的锻件
100%
60%
CSI
φ2
图6
2、工件底波调节法
利用工件底波调节检测灵敏度是根据工件底波回波与同深的人工缺陷(如平底孔)回波分贝差为定值,一般要求工件底面和探测面平行,工件底面和探测面形状相同,且规则。
Δ=20lgx≥3N
例如:
用2.5P20Z直探头检测x=400mm的饼形锻件,钢的CL=5900m/s,检测灵敏度为400mm处平底孔400/φ2
(JB/T4730.3-2005规定扫查灵敏度为最大检测距离的φ2平底孔)。
工件底波调整灵敏度利用的方法如下:
λ===2.36mm
Δ=20lg=20lg=43.5(dB)≈44(dB)
调整:
将探头对准工件大平底,衰减器50dB,跳[增益]使底波B1达到80%,然后使[衰减器]的衰减量减少44dB,即[衰减器]保持6dB,这时φ2平底孔灵敏度调好了。
第五节缺陷位置的测定
一、纵波(直探头)检测是缺陷定位
仪器按1:
n调节纵波扫查速度,缺陷波前沿所对的水平刻度值为
τf、测量缺陷至探头的距离xf为:
xf=nτf
例如:
利用纵波检测某锻件,仪器按1:
5调节
T
B
F
Xf
L
07080
图7
Xf=5×70=350mmL=5×80=400mm
二、表面波检测时缺陷定位
仪器表面波为1:
1
Xf=nτf
T
B
70
Xf=70mm图8
三、横波检测平面时缺陷定位
1、直射波进行检测
T
lf
B
βXfd
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