焊缝的超声波探伤及缺陷评定.docx

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焊缝的超声波探伤及缺陷评定

焊缝的超声波探伤及缺陷评定

超声波探伤作为无损检测一种方法，因其探伤效率高、成本低、穿透能力强，而被广泛应用。

它是利用频率超过20KHz的高频声束在试件中与试件内部缺陷（如裂缝、气孔、夹渣等）中传播的特性，来判定是否存在缺陷及其尺度的一种无损检测技术。

超声检测因其固有特点，它比较适合于检测焊缝中的平面型缺陷，如裂纹、未焊透、未熔合等。

焊缝厚度较大时，其优点愈明显。

4.1焊缝超声波探伤

焊缝探伤主要采用斜探头横波探伤，斜探头使声束斜向入射，斜探头的倾斜角有多种，使用斜探头发现焊缝中的缺陷与用直探头探伤一样，都是根据在始脉冲与底脉冲之间是否存在伤脉冲来判断。

当发现焊缝中存在缺陷之后，根据探头在试件上的位置以及缺陷回波在显示屏上的高度，就可确定出焊缝的缺陷位置和大小。

这是因为在探伤前按一定的比例在超声仪荧光屏上作有距离—波幅曲线。

下面详细介绍。

（1）检测条件的选择

由于焊缝中的危险缺陷常与入射声束轴线呈一定夹角，基于缺陷反射波指向性的考虑，频率不宜过高，一般工作频率采用2.0-5.0MHz：

板厚较大，衰减明显的焊缝，应选用更低一些的频率。

探头折射角的选择应使声束能扫查到焊缝的整个截面，能使声束中心线尽可能与主要危险性缺陷面垂直。

常用的探头斜率为K1.5~K2.5。

常用耦合剂有机油、甘油、浆糊、润滑脂和水等，从耦合剂效果看，浆糊与机油差别不大，但浆糊粘度大，并具有较好的水洗性，所以，常用于倾斜面或直立面的检测。

（2）检测前的准备

（3）探测面的修整

探测面上的焊接飞溅、氧化皮、锈蚀和油垢等应清除掉，探头移动区的深坑应补焊后用砂轮打磨。

探测面的修整宽度B应根据板厚t和探头的斜率K计算确定，一般不应小于2.5Kt。

（4）斜探头入射点和斜率的测定

1）斜探头的入射点测定。

斜探头声束轴线与探头楔块底面的交点称为斜探头的入射点，商品斜探头都在外壳侧面标志入射点，由于制造偏差和磨损等原因，实际入射点往往与标志位置存在偏差，因此需经常测定。

其测定方法如下：

用CSK-2B或IIW试块测定，将斜探头置于试块R100圆心处，探测R100圆弧，如图4-1所示。

前后移动探头，使所获得的反射回波最高。

此时探头壳侧面与R100圆心的刻度线所对应的点即为入射点。

图4-1斜探头入射点的测定

2）斜探头K值的测定。

斜探头的标称K值为斜探头声束在钢中折射角的正切值。

K值与入射点等参数的准确性对缺陷定位精度影响很大，其标称值也因制造、磨损等原因与实际值往往存在差异，因此需在使用前和使用中经常测定。

K值的测定方法如下：

用CSK-2B或IIW试块测定，将被测探头置于试块上，探头沿试块侧面前后移动，当对应于φ50圆弧面所获得最高反射回波时，斜探头的入射点所对应的试块上的角度刻度或K值刻度指示即为该探头的折射角或K值（见图4-2）。

图4-2斜探头折射角（K值）的测定

（5）仪器时间基线的调整

时间基线的调整包括零点校正和扫描速度调整。

在横波检测时，为了定位方便，需要将声波在斜楔块中的传播时间扣除，以便将探头的入射点作为声程计算的零点，扣除这段声程的作业就是零点校正。

扫描速度的调整则是与零点校正同时进行的，可使定位更为直接。

时间基线的调整方法有如下几种：

1）按声程调整。

调整后荧光屏上的时间基线与声程成正比，具体做法：

用斜探头在IIW标准试块（或CSK-2B试块）上调试，使横波斜探头的入射点标记同IIW标准试块上R100圆心（试块上的“0”点）重合。

这时，由于R100圆弧面的回波被R100圆心处的反射槽反射，在荧光屏上会出现R100圆弧面的多次回波。

根据测量范围的要求，使某两个回波分别对准荧光屏上各自的相应刻度，则荧光屏上多标尺零点即对应于探头入射点。

满刻度相当于声程250mm。

2）按水平距离调整。

调整后荧光屏上的基线刻度与反射体的水平距离成正比。

由于水平距离L与声程s的关系是：

（β=arctanK）

故可利用CSK-ZB试块上R50和R100两个圆弧面的反射进行调整，此时：

将斜探头对准R50、R100，调整仪器使其回波B1、B2分别对准基线刻度

、

即可。

3）按深度调整。

调整后荧光屏上的基线刻度与反射体的深度h成正比。

由于深度h与声程s的

关系是：

（β=arctanK）

故可利用CSK-2B试块上R50和R100两个圆弧面的反射进行调整，此时：

将斜探头对准R50、R100，调整仪器使其回波B1、B2分别对准基线刻度h1、h2即可。

（6）距离一波幅（DAC）曲线的绘制

由于相同大小的缺陷因声程不同，回波幅度也不相同。

超声波检测时要根据缺陷回波波幅高度判定缺陷是否有害，必须按不同声程的回波波幅进行修正。

通常是用指定的对比试块来制作距离一波幅（DAC）曲线。

《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》（GB11345-89）中采用对比试块（3×40横通孔试块）绘制DAC曲线，其主要步骤如下：

1）将测试范围调整到探伤使用的最大探测范围，并按深度、水平或声程调整时的基线扫描比例。

2）依据工件厚度和曲率选择合适的对比试块，在试块上所有孔深小于等于探测深度的孔深中，选取能产生最大反射波幅的横孔为第一基准孔。

3）调节“增益”使该孔的反射波为荧光屏满幅高度的80%，将其峰值标记在荧光屏前的辅助面板上。

依次探测其它横孔，并找到最大反射波高，分别将峰值点标记在辅助面板上；如果做分段绘制，可调节衰减器分段绘制曲线。

4）将各标记点连成圆滑曲线，并延伸到整个探测范围，该曲线即为φ3mm横孔DAC曲线基准线（如图4-3）。

图4-3距离一波幅（DAC）曲线的范围

5）依据表4-1规定的各线灵敏度，在基准线下分别绘出判废线、定量线、评定线，并标记波幅的分区（如图4-4）。

图4-4距离一波幅曲线（DAC）示意图

表4-1距离波幅曲线的灵敏度

检验级别

板厚/mm

灵敏度DAC

A

8~50

B

8~300

C

8~300

判废线

DAC

DAC-4dB

DAC-2dB

定量线

DAC-10dB

DAC-10dB

DAC-8dB

评定线

DAC-16dB

DAC-16dB

DAC-14dB

备注

一般采用B级检验，原则上在焊缝单面双侧进行

6）在作上述测试的同时，可对现场使用的便携式试块上的某一参考反射体作同样测量，并将其反射波位置和峰值标记在曲线板上，以便现场进行灵敏度验。

（7）探伤作业

超声波检验应在焊缝及探伤表面经外观检查合格后进行。

检验前，探伤人员应了解受检工件的材质、曲率、厚度、焊接方法、焊缝种类、坡口形式、焊缝余高及背面衬垫、沟槽等情况。

探伤灵敏度不应低于评定线灵敏度。

当受检工件的表面耦合损失及材质衰减与试块不一致时，应考虑探伤灵敏度的补偿。

探伤扫查速度不应大于150mm/s，相邻两次探头移动间隔要保证至少10%的探头宽度重叠。

为探测纵向缺陷，斜探头垂直于焊缝中心线放置在探伤面上，作锯齿形扫查（见图4-5）。

探头前后移动的范围应保证扫查到全部焊缝截面及热影响区。

在保持探头垂直焊缝作前后移动的同时，还应作

的左右转动。

为探测焊缝及热影响区的横向缺陷，应进行斜平行扫查（见图4-6），可在焊缝两侧边缘使探头与焊缝中心线成

作斜平行扫查。

图4-5锯齿形扫查图

图4-6斜平行扫查

为确定缺陷的位置、方向、形状，观察缺陷动态波形或区分缺陷讯号与伪讯号，可采用前后、左右、转角、环绕等四种探头基本扫查方式。

通过左右扫查测定缺陷指示长度；通过前后扫查并结合左右扫查找出缺陷的最高回波；通过定点转动和环绕运动推断缺陷的形状和缺陷性质。

对所有反射波幅超过定量线的缺陷，均应确定其位置、最大反射波幅所在区域和缺陷指示长度。

当时间基线按水平距离调整时，缺陷的水平距离l可由缺陷最大反射波在荧光屏上的位置直接读出；缺陷的深度h可通过计算或作图求出。

奇次波h=l/K－（n－1）t,n=1、3...

偶次波h=nt－1/K,n=2、4…

式中n—波次；

t—试件厚度；

l—缺陷水平距离；

h—缺陷深度；

K—探头斜率。

缺陷指示长度△l的测定采用1/2波高法。

当缺陷反射波只有一个高点时，用降低6dB相对灵敏度测长（见图4-7）；当缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点时，则以缺陷两端反射波降至1/2最大反射波波高之间探头的移动长度作为缺陷长度（见图4-8）。

图4-76dB法测长图

图4-8端点峰值法测长

（4）焊缝缺陷的评定

超过评定线的信号，应注意其是否具有裂纹等危害性缺陷的特征，如有怀疑时应采取改变探头角度、增加探伤面、观察动态波形、结合结构工艺特征作判定；如对波形不能准确判断时，应辅以其他检验方法判定。

相邻两缺陷各向间距小于8mm时，两缺陷指示长度和作为单个缺陷的指示长度。

最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，其指示长度小于10mm时按5mm计。

GB11345-89标准将焊缝质量分为

、

、

、

四个等级。

其中

级质量最高，

级质量最低，具体分级规定如下。

最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，根据缺陷指示长度按表4-2的要求进行评定。

最大反射波幅不超过评定线的缺陷，均评为Ⅰ级；最大反射波幅超过评定线的缺陷，检验者判定为裂纹、未焊透等危险性缺陷时，无论其波幅和长度如何，均评定为Ⅳ级；反射波幅位于I区的非裂纹性缺陷，均评为I级；反射波幅位于Ⅲ区的缺陷，无论其指示长度如何，均评定为Ⅳ级。

不合格的缺陷应返修。

外观缺陷的返修比较简单，对焊缝内部缺陷应用碳弧气刨刨去缺陷；为防止裂纹扩大或延伸，刨去长度应在缺陷两端各加50mm;刨削深度也应将缺陷完全彻底清除，露出金属母材，并经砂轮打磨后施焊；返修区域修补后应按原探伤要求进行复验。

同一条焊缝一般允许连续返修补焊2次。

表4-2缺陷的等级分类

检验等级

mm

评定等级

A

B

C

8~50

8~300

8~300

2T/3最小12

T/3最小10；最大30

T/3最小10；最大20

3T/4最小12

2T/3最小10；最大50

T/2最小10；最大30

T最小20

3T/4最小16；最大75

2T/3最小12；最大50

超过

级者

注：

1.T为板材厚度；2.母材板厚不同时取薄板侧厚度值。

4.2超声检测中缺陷测量

超声检测中缺陷的定量也是人们研究的一个热点。

缺陷定量可分为小于晶片直径的缺陷定量和大于晶片直径的缺陷定量。

前者包括当量试块直接比较法、底波高度百分比法、当量计算法和AVG曲线法。

后者包括相对灵敏度测长法、绝对灵敏度测长法、极坐标作图法、包络线作图法和标准图形参照比较法等。

除常规缺陷定量方法外，精确的缺陷定量多采用聚焦探头和各种声成象设备。

4.2.1小于晶片直径的缺陷定量

（1）横波斜探头所辐射的声场

横波斜探头所辐射的声场，一般是由纵波声场在界面处斜人射时发生波型转换而得到的。

由于入射角的不同，使折射后的横波声场发生崎变的程度亦不同。

对这种横波声场内的缺陷反射有两种计算方法可供参考：

一种方法是不考虑任意入射角时折射声场所引起的变化，采用与直探头相同的横波AVG图计算斜探头探伤时的平底孔反射回波高度。

实践证明，这种方法仅对大于6N远场区是正确的。

另一种方法是将界面一侧介质I中纵波声源的面积或直径转换成与介质I的横波声场处于同一声束辐线上的假想的横波声源的面积或直径。

此时横波声场的面积和距入射点的距离都将发生相应的变化。

对圆形晶片，常用下述基本公式修正。

式中Ds—椭圆形假想声源的短轴直径；

—椭圆形假想声源的长轴直径，即圆形晶片的直径；

α—界面一侧的入射角；

β—界面另一侧的折射角。

假想声源的面积A′由下式给出

式中A—晶片的面积

假想声源至入射点的距离L'与原有声源至入射点的距离L之间的关系有两个因素需要考虑：

1）随入射角增大，假想声源的短轴直径缩短，有效面积减小，导致折射后横波声场近场长度的缩短，因而假想声源至入射点距离L'亦缩短，其变化规律可用系数Ds/Dc表示。

2）由L到L'的变化与界面两侧不同介质中的波型和声速比有关，其变化规律可用系数

表示。

综上所述，假想声源至入射点的距离L'可由下式给出：

由上述可知，在进行斜探头的AVG曲线计算时，应取4（S+L'）·λt/DL·DS作为归一化后的横坐标A，取

作为归一化后的当量曲线的参数G。

式中S—缺陷至入射点的距离；

λt—横波波长；

φ—平底孔缺陷的直径。

第二种方法在

范围可适用，而第一种方法在

范围内适用。

斜探头探伤，我国多用横孔作为标准几何反射体。

根据绕射理论，当反射体的直径φ与波长λt较接近时，由于既有绕射，又有反射，回波高度的变化将是非单调性的，但实际检测时又看不到回波的波动情况，这是由于所用探头具有相对较宽的颇谱范围，它足以同时覆盖这种波动的最大值和最小值。

用于斜探头横波声场条件下的各种标准几何反射体的反射率，应当加以修正。

4.2.2大于晶片直径的缺陷定量

大于晶片直径的缺陷定量常用以上所述5种方法，下面我们仅介绍半波高度法（6dB测长法）。

用超声测量缺陷的大小，往往是根据缺陷波的高度和探头的移动距离来决定的。

对于本文，我们介绍最大lx（相对灵敏度）法中的半波高度法（lx=6分贝）。

此法是探头沿缺陷方向平行移动，首先找到最大缺陷波H，然后左右移动探头，直到声束中心遇到缺陷边缘，使缺陷波的高度降到H/2时，此时探头移动的距离即为缺陷的指示长度（lu）。

如图（4-9）所示。

图4-9半波高测长法

使用此法时，超声波探伤仪的垂直线性一定要良好，否则将会产生较大的偏差。

注意在仪器的使用过程中若发现仪器工作不稳定，则应在现场工作1~2小时后，一定要重新调整时间扫描线和灵敏度，尤其是在确定缺陷大小时。