第四章超聲波探傷

1、第四章超聲波探傷教學(xué)目標(biāo)：一、了解超聲波檢測的基礎(chǔ)知識，熟悉各種規(guī)則反射體回波聲壓的規(guī)律；二、了解超聲波檢測的設(shè)備，熟悉超聲波檢測儀和探頭性能的測定方法；三、了解超聲波檢測的一般工藝，掌握對接焊縫超聲波檢測工藝及焊縫質(zhì)量的評定方法；四、能夠依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對焊縫質(zhì)量做出評定。一、任務(wù)導(dǎo)入：超聲波探傷是利用超聲波在物體中的傳播、反射和衰減等物理特性來發(fā)現(xiàn)缺陷的一種無損檢測方法。它可以檢查金屬材料、部分非金屬材料的表面和內(nèi)部缺陷，如焊縫中裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔等缺陷。超聲波探傷具有靈敏度高、設(shè)備輕巧、操作方便、探測速度快、成本低、對人體無害等優(yōu)點(diǎn)，但對缺陷進(jìn)行定性和定量的準(zhǔn)確判定方面還存在著

2、一定的困難。二、相關(guān)知識知識點(diǎn)一：超聲波的產(chǎn)生及其性質(zhì)超聲波是頻率大于20000Hz的聲波，它屬于機(jī)械波。在金屬探傷中使用的超聲波，其頻率為0.510MHz其中以25MHz最為常用。1. 超聲波的產(chǎn)生與接收探傷中采用壓電法來產(chǎn)生超聲波。壓電法是利用壓電晶體片來產(chǎn)生超聲波的。壓電晶體片是一種特殊的晶體材料，當(dāng)壓電晶體片受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的作用產(chǎn)生變形時(shí)，會在晶片表面出現(xiàn)電荷；反之，其在電荷或電場作用下，會發(fā)生變形，前者稱為正壓電效應(yīng)，后者稱為逆壓電效應(yīng)。超聲波的產(chǎn)生和接收是利用超聲波探頭中壓電晶體片的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。由超聲波探傷儀產(chǎn)生的電振蕩，以高頻電壓形式加載于探頭中的壓電晶體片的兩面上，由于

3、逆壓電效應(yīng)的結(jié)果，壓電晶體片會在厚度方向上產(chǎn)生持續(xù)的伸縮變形，形成了機(jī)械振動。若壓電晶體片與工件表面有良好的耦合時(shí)，機(jī)械振動就以超聲波形式傳播進(jìn)入被檢工件，這就是超聲波的產(chǎn)生。反之，當(dāng)壓電晶體片受到超聲波作用而發(fā)生伸縮變形時(shí)，正壓電效應(yīng)的結(jié)果會使壓電晶體片兩表面產(chǎn)生具有不同極性的電荷，形成超聲頻率的高頻電壓，以回波電信號的形式經(jīng)探傷儀顯示，這就是超聲波的接收。2. 超聲波的性質(zhì)（1）超聲波具有良好的指向性由于超聲波的波長非常短，因此，它在彈性介質(zhì)中能象光波一樣沿直線傳播。而且超聲波在固定的介質(zhì)中傳播速度是個(gè)常數(shù)，所以，根據(jù)傳播時(shí)間就能求得其傳播距離，這樣就為探傷中缺陷的定位提供了依據(jù)。（2）超

4、聲波能在彈性介質(zhì)中傳播，不能在真空中傳播一般探傷中通常把空氣介質(zhì)作為真空處理，所以認(rèn)為超聲波也不能通過空氣進(jìn)行傳播。（3）超聲波如同聲波一樣，通過介質(zhì)時(shí)，根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向之間的相互關(guān)系的不同，有不同的波型3. 超聲波的類型（1）縱波（L）聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向和波的傳播方向相同的波，稱之為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。（2）橫波（S）聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向和波的傳播方向相互垂直的波，稱之為橫波。橫波只能在固體中傳播。橫波探傷有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度較高，分辨率較好等，在探傷中常用于焊縫及縱波難以探測的場合，應(yīng)用比較廣泛。（3）表面波（R）

5、僅在固體表面?zhèn)鞑デ医橘|(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動的聲波，稱之表面波。在實(shí)際探傷中，表面波常用來檢驗(yàn)工件表面裂紋及滲碳層或覆蓋層的表面質(zhì)量。對于普通鋼材，超聲波在其中傳播的縱波速度最快，橫波速度次之，表面波速度最慢。因此，對同一頻率超聲波來說縱波的波長最長，橫波次之，表面波最短。由于探測缺陷的分辨力與波長有關(guān)，波長短的分辨力高，因此表面波的探測分辨力優(yōu)于橫波，橫波優(yōu)于縱波。綜上所述，由于超聲波在金屬介質(zhì)中能夠通過不同傳播速度的不同波型，因此對金屬焊縫進(jìn)行探傷時(shí)必須選定所需超聲波的波型，否則會使回波信號發(fā)生混亂從而得不到正確的探傷結(jié)果。4. 超聲波入射異質(zhì)界面時(shí)的透射、反射、折射和波型轉(zhuǎn)換（1）超聲波垂直

6、入射異質(zhì)界面時(shí)的透射、反射和繞射當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)垂直入射到第二種介質(zhì)上時(shí)，其能量的一部分被反射而形成與入射波方向相反的反射波，其余能量則透過界面產(chǎn)生與入射波方向相同的透射波。超聲波反射能量W反與入射能量W入之比稱之為超聲波能量的反射系數(shù)K,即K=W反/W入。超聲波在異質(zhì)界面上的反射是很嚴(yán)重的，尤其在固-氣界面上K=1,因此探傷中良好的耦合是一個(gè)必要條件。當(dāng)然，焊縫與其中的缺陷構(gòu)成的異質(zhì)界面，也正因?yàn)橛袠O大的反射才使探傷成為可能。當(dāng)界面尺寸很小時(shí)，超聲波能繞過其邊緣繼續(xù)前進(jìn)，即產(chǎn)生波的繞射。由于繞射使反射回波減弱，一般認(rèn)為超聲波探傷中能探測到的缺陷尺寸為入/2，這是一個(gè)重要原因。顯然，要想能探

7、測到更小的缺陷，就必須提高超聲波的頻率。（2）超聲波傾斜入射異質(zhì)界面時(shí)的反射、折射、波型轉(zhuǎn)換和聚焦若超聲波由一種介質(zhì)傾斜入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在異質(zhì)界面上將會產(chǎn)生波的反射和折射，并產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。不同波型的入射角、反射角、折射角的關(guān)系遵循幾何光學(xué)的原理。由于超聲波通過介質(zhì)時(shí)具有折射的性質(zhì)，因此如同光線一樣，可利用透鏡進(jìn)行聚焦。聚焦所用的聲透鏡可用液體、金屬、有機(jī)玻璃和環(huán)氧樹脂等材料制作。5. 超聲波具有可穿透物質(zhì)和在物質(zhì)中衰減的特性超聲波的這一性質(zhì)與射線相似，但超聲波的能量很大，因而具有更強(qiáng)的穿透能力。超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中，尤其在鋼等金屬材料中傳播時(shí)，傳輸損失少，傳播距離最大可以達(dá)到數(shù)米遠(yuǎn)。所以，

8、超聲波探傷能夠有較大的探測深度，這一優(yōu)勢是其他探傷方法沒有的。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量隨著傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。在金屬材料的超聲波探傷中，引起超聲波衰減的原因主要是散射，其聲壓按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，其規(guī)律如下：Px=Poe-"x（4-1）式中Px離壓電晶體片表面為X處的聲壓（Pa）;Po超聲波原始聲壓（Pa）;e自然對數(shù)的底；a金屬材料的衰減系數(shù)（dB/m）;X超聲波在金屬材料中傳播的距離（m）。知識點(diǎn)二：超聲波探傷設(shè)備簡介超聲波探傷設(shè)備主要由超聲波探頭及其附屬部件組成，評判調(diào)整超聲波探傷儀的性能，一般采用標(biāo)準(zhǔn)試塊。1、超聲波探頭超聲波探頭又稱壓電超聲換能器

9、，是實(shí)現(xiàn)電-一聲能量相互轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換器件。（1）探頭的種類1）直探頭聲束垂直于被探工件表面入射的探頭稱為直探頭。它可發(fā)射和接收縱波。由壓電兀件、吸收塊、保護(hù)膜和殼體等組成。2）斜探頭利用透聲斜楔塊使聲束傾斜于工件表面入射工件的探頭稱為斜探頭。它可發(fā)射和接收橫波。典型的斜探頭結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，它由探頭、斜楔塊、吸收塊和殼體等組成。探頭與直探頭相似，也是由電壓元件和吸收塊組成。斜楔塊用有機(jī)玻璃制作，它與工件組成固定傾斜的異質(zhì)界面，使探頭中壓電元件發(fā)射的縱波通過波型轉(zhuǎn)換，以折射橫波在工件中傳播。通常橫波斜探頭以鋼中折射角標(biāo)稱：有丫=40°、45°、50°、60

10、76;、70°等幾種；有時(shí)也以折射角的正切值標(biāo)稱：k=tg丫=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。圖8-1斜探頭結(jié)構(gòu)1-吸收塊2-斜楔塊3-壓電晶片4-內(nèi)部電源線5-外殼6-接頭水浸聚焦探頭一種由超聲探頭和聲透鏡組合而成的探頭。聲透鏡由環(huán)氧樹脂澆鑄成球形或圓柱形凹透鏡，類似光學(xué)透鏡能使光線聚焦一樣，它可使超聲波束集聚成一點(diǎn)或一條線。由于聚焦探頭的聲束變細(xì)，聲能集中，從而大幅度改善了超聲波的指向性，提高了靈敏度和分辨力。雙晶探頭為了彌補(bǔ)普通直探頭探測近表面缺陷時(shí)存在著盲區(qū)大、分辨力低的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的探頭。探頭內(nèi)含兩個(gè)壓電元件，分別是發(fā)射晶片和接收晶片，中間用隔聲層分開。雙晶探頭又稱為

11、分割式TR探頭，主要用于探測近表面缺陷和薄工件的測厚。2探頭的主要參數(shù)探頭性能的好壞，直接影響著探傷結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。因此，對探頭性能的有關(guān)指標(biāo)，國家規(guī)定了基本的要求，生產(chǎn)中需定期測試以保證探傷質(zhì)量。焊縫超聲波探傷常用斜探頭。斜探頭的主要性能參數(shù)如下：折射角丫或k值丫或K值大小決定了聲束入射工件的方向和聲波傳播途徑，是為缺陷定位計(jì)算提供的一個(gè)有用數(shù)據(jù)，因此探頭使用磨損后均需測量丫或k值。前沿長度聲束入射點(diǎn)至探頭前端面的距離稱為前沿長度，又稱為接近長度。它反映了探頭對有余高的焊縫接近的程度。入射點(diǎn)是探頭聲束軸線與楔塊底面的交點(diǎn)。探頭在使用前和使用過程中要經(jīng)常要測定入射點(diǎn)位置，以便對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)

12、確定位。聲軸偏離角它反映了主聲束中心軸線與晶片中心法線的重合程度。聲軸偏離角除直接影響缺陷定位和指示長度的測量精度外，還會導(dǎo)致探傷者對缺陷方向產(chǎn)生誤判，從而影響對探傷結(jié)果的分析。3探頭型號探頭型號由五部分組成，用一組數(shù)字和字母表示，其排列順序如下:-一-二二-三四五基本頻率晶片材料晶片尺寸探頭種類探頭特征壓電晶片材料常用的壓電晶片材料及其代號見表8-1所示。壓電晶片尺寸單位為mm。圓形晶片為晶片直徑；方形晶片長度x寬度，分割探頭晶片為分割前的尺寸。探頭種類用漢語拼音縮寫字母表示，見表8-1所示。表8-1常用壓電晶片材料和探頭的代號壓電晶片材料代號探頭種類代號鋯鈦酸鉛陶瓷P直探頭Z鈦酸鋇陶瓷B斜

13、探頭（用K值表示）K鈦酸鉛陶瓷T斜探頭（用丫表示）X鈮酸鋰單晶L分割探頭FG碘酸鋰單晶I水浸探頭SJ石英單晶Q表面波探頭BM其它材料N可變角探頭KB探頭特征斜探頭用K值或丫表示，單位為度；分割探頭為被探工件中聲束交區(qū)深度，單位為mm;水浸聚焦探頭為水中焦距，單位為mm,DJ表示點(diǎn)聚焦，XJ表示線聚焦。示例5P6x6k3基本頻率為5MHz晶片用鋯鈦酸鉛陶瓷職稱方形晶片尺寸6mmx6mm以K值表示的斜探頭斜探頭K=3.0、超聲波探傷儀超聲波探傷儀的主要功能是產(chǎn)生超聲頻率的電振蕩，以此來激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波。同時(shí),它又將探頭接收到的回波電信號予以放大、處理，并通過一定方式顯示出來。1. 超聲波探傷儀的

14、分類按超聲波的連續(xù)性可將探傷儀分為脈沖波、連續(xù)波和調(diào)頻波探傷儀三種。其中，后兩種探傷儀，由于其探傷靈敏度低，缺陷測定有較大的局限性，所以在焊縫探傷中均不采用。按缺陷顯示方式，可將超聲波探傷儀為A型顯示（缺陷波幅顯示）、B型顯示（缺陷俯視圖象顯示）、C型顯示（缺陷側(cè)視圖象顯示）和3D型顯示（缺陷三維圖象顯示）等。按超聲波的通道數(shù)目又可將探傷儀分為單通道和多通道探傷儀兩種。前者是由一個(gè)或一對探頭單獨(dú)工作；后者是由多個(gè)或多對探頭交替工作，而每一通道相當(dāng)于一臺單通道探傷儀，適用于自動化探傷。目前，焊縫超聲波探傷中廣泛使用A型顯示脈沖反射式單通道超聲波探傷儀。2. A型脈沖反射式超聲波探傷儀A型脈沖反射

15、式探傷儀電路框圖如圖8-2所示。接通電源后，同步電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖同時(shí)加至掃描電路和發(fā)射電路。掃描電路受觸發(fā)后開始工作，產(chǎn)生的鋸齒波電壓加至示波管水平（x軸）偏轉(zhuǎn)板上使電子束發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)，從而在示波屏產(chǎn)生一條水平掃描線（又稱時(shí)間基線）。與此同時(shí)，發(fā)射電路受觸發(fā)產(chǎn)生高頻窄脈沖加至探頭，激勵(lì)壓電晶片振動而產(chǎn)生超聲波，再通過探測表面的耦合劑將超聲波導(dǎo)入工件。超聲波在工件中傳播遇到缺陷或底面時(shí)會發(fā)生反射，回波被同一探頭或接收探頭所接收并被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)接收電路放大和檢波后加到示波管垂直（y軸）偏轉(zhuǎn)板上，使電子束發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn)，在水平掃描線的相應(yīng)位置上產(chǎn)生始波T（表面反射波）、缺陷波F、底波B。實(shí)際上，

16、該探傷儀示波屏上橫坐標(biāo)反映了超聲波的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)反映了反射波的振幅，因此通過始波T和缺陷F之間的距離，便可確定缺陷離工件表面的位置，同時(shí)通過缺陷波F的高度可決定缺陷的大小。圖8-2A型脈沖反射式超聲波探傷儀原理三、試塊試塊是一種按一定用途設(shè)計(jì)制作的具有簡單形狀的人工反射體。它是探傷標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)組成部分，是判定探傷對象質(zhì)量的重要尺度。在超聲波探傷技術(shù)中，確定探傷靈敏度、顯示探測距離、評價(jià)缺陷大小以及測試儀器和探頭的組合性能等，都是利用試塊來實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)用試塊為參考依據(jù)來進(jìn)行比較是超聲波探傷的一個(gè)特點(diǎn)。根據(jù)使用的目的和要求，通常將試塊分成標(biāo)準(zhǔn)試塊和對比試塊兩大類。1.標(biāo)準(zhǔn)試塊由法定機(jī)構(gòu)對材質(zhì)、形狀

17、、尺寸、性能等作出規(guī)定和檢定的試塊稱為標(biāo)準(zhǔn)試塊。這種試塊若是由國際機(jī)構(gòu)（如國際焊接學(xué)會、國際無損檢測協(xié)會等）制定的，則稱為國際標(biāo)準(zhǔn)試塊（如IIW試塊）；若是國家制定的，則稱為國家標(biāo)準(zhǔn)塊（如日本STBG試塊）。我國規(guī)定：CSKIB試塊為焊縫探傷用標(biāo)準(zhǔn)試塊。CSKIB試塊是ISO2400標(biāo)準(zhǔn)試塊（即IIWI型試塊）的改進(jìn)型，其形狀和尺寸如圖8-3所示。圖8-3CSKIB試塊該試塊的主要用途是：利用R100mm圓弧面測定探頭入射點(diǎn)和前沿長度，利用$50mm孔的反射波測定斜探頭折射角（K值）。校檢探傷儀水平線性和垂直線性。利用$1.5mm橫孔的反射波調(diào)整探傷靈敏度，利用R100圓弧調(diào)整探測范圍。利用$

18、50mm圓孔估測直探頭盲區(qū)和斜探頭前后掃查聲束特性。采用測試回波幅度或反射波寬度的方法可測定遠(yuǎn)場分辨力。2.對比試塊對比試塊又稱參考試塊，它是由各專業(yè)部門按某些具體探傷對象規(guī)定的試塊。國標(biāo)規(guī)定RB試塊為焊縫探傷用對比試塊。該試塊共有三種，即RB1（適用于825mm板厚）、RB2（適用于8100mm板厚）和RB3（適用于8150mm板厚），其形狀和尺寸分別如圖8-4、圖8-5、圖8-6所示。RB試塊主要用于繪制距離一波幅曲線，調(diào)整探測范圍和掃描速度，確定探傷靈敏度和評定缺陷大小。它是對工件進(jìn)行評級判廢的重要依據(jù)。圖8-4RBI試塊圖8-5RB2試塊圖8-6RB3試塊第三節(jié)超聲波探傷的基本方法在超

19、聲波探傷中有各種探傷方式及方法。按探頭與工件接觸方式分類，可將超聲波探傷分為直接接觸法和液浸法兩種。一、直接接觸法使探頭直接接觸工件進(jìn)行探傷的方法稱為直接接觸法。使用直接接觸法應(yīng)在探頭和被探工件表面涂有一層耦合劑，作為傳聲介質(zhì)。常用的耦合劑有機(jī)油、變壓器油、甘油、化學(xué)漿糊、水及水玻璃等。焊縫探傷多采用化學(xué)漿糊和甘油。由于耦合劑層很薄，因此可把探頭與工件看作二者直接接觸。直接接觸法主要采用A型脈沖反射法探傷儀，由于操作方便，探傷圖形簡單，判斷容易且探傷靈敏度高，因此在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。1.垂直入射法垂直入射法（簡稱垂直法）是采用直探頭將聲束垂直入射工件探傷面進(jìn)行探傷的方法。由于該法是利用縱

20、波進(jìn)行探傷，故又稱縱波法，如圖8-7所示。當(dāng)直探頭在工件探傷面上移動時(shí)，經(jīng)過無缺陷處探傷儀示波屏上只有始波T和底波B，如圖8-7a。若探頭移到有缺陷處，且缺陷的反射面比聲束小時(shí)，則示波屏上出現(xiàn)始波T、缺陷波F和底波B，如圖8-7b。若探頭移至大缺陷（缺陷比聲束大）處時(shí)，則示波屏上只出現(xiàn)始波T和缺陷波F,如圖8-7c。顯然，垂直法探傷能發(fā)現(xiàn)與探傷面平行或近于平行的缺陷，適用于厚鋼板、軸類、輪等幾何形狀簡單的工件。圖8-7垂直法探傷a）無缺陷b）小缺陷c）大缺陷2.斜角探傷法斜角探傷法（簡稱斜射法）是采用斜探頭將聲束傾斜入射工件探傷面進(jìn)行探傷的方法。由于它是利用橫波進(jìn)行探傷，故又稱橫波法，如圖8-

21、8所示。當(dāng)斜探頭在工件探傷面上移動時(shí)，若工件內(nèi)沒有缺陷，則聲束在工件內(nèi)徑多次反射將以“w”形路徑傳播，此時(shí)在示波屏上只有始波T,如圖8-8a。當(dāng)工件存在缺陷，且該缺陷與聲束垂直或傾斜角很小時(shí)，聲束會被缺陷反射回來，此時(shí)示波屏上將顯示出始波T、缺陷波F，如圖8-8b。當(dāng)斜探頭接近板端時(shí)，聲束將被端角反射回來，此時(shí)在示波屏上將出現(xiàn)始波T和端角波B，如圖&8c。圖88斜角法探傷a）無缺陷b）有缺陷c）接近板端斜角探傷法能發(fā)現(xiàn)與探側(cè)表面成角度的缺陷，常用于焊縫、環(huán)狀鍛件、管材的檢查。在焊縫探傷中，有時(shí)也采用一發(fā)一收兩個(gè)斜探頭，并用專門夾具固定成組，對焊縫進(jìn)行所謂串列式掃查，稱串列斜角探傷法，如

22、圖8-9所示。前邊為發(fā)射探頭，其發(fā)射聲束遇缺陷時(shí)，產(chǎn)生的反射波會被后邊的接收探頭所接收，從而在示波屏上出現(xiàn)示波T、缺陷波F。探傷時(shí)，儀器的探頭必須處在一發(fā)一收的工作狀態(tài)。串列斜角探傷對垂直于探傷面且具有平滑反射面的缺陷檢查非常有效。圖8-9串列斜角探傷、液浸法液浸法是將工件和探頭頭部浸在耦合液中，探頭不接觸工件的探傷方法。根據(jù)工件和探頭浸沒方式，分為全沒液浸法、局部液浸法和噴流式局部液浸法等。其原理如圖8-10所示。圖810液浸法a）全沒液浸法b）局部浸法c）噴流式液浸法1探頭2耦合液3工件液浸法當(dāng)用水作耦合介質(zhì)時(shí)，稱作水浸法。水浸法探傷時(shí)，探頭常用聚焦探頭。其探傷原理和波形如圖8-11所示，

23、超聲波從探頭發(fā)出后，經(jīng)過耦合層再射到工件表面，有一部分聲能將被工件表面反射回來而形成一次界面反射波。同時(shí)大部分聲能傳入工件，若工件中存在缺陷時(shí)，傳入工件的聲能的一部分被缺陷反射形成缺陷反射波F,其余聲能傳至工件底面產(chǎn)生底面反射波B。因此，探傷波形中T0F及FB之間的距離，各對應(yīng)于探頭到工件底面之間各段的距離。當(dāng)改變探頭位置時(shí)，探傷波形中TS1的距離也將隨之改變，而S1F、FB的距離則保持不變。圖811水浸聚焦探傷原理和波形1探頭2工件3缺陷4水T始波Si一次界面反射波F缺陷波B工件底波S2二產(chǎn)供銷界面射波用液浸法探傷時(shí)，應(yīng)注意使探頭和工件之間耦合介質(zhì)層有足夠厚度，以避免二次界面反射S2出現(xiàn)在工

24、件底波B之前。一般要求探頭到工件表面的距離應(yīng)在工件厚度的1/3以上。液浸法探傷由于探頭與工件不直接接觸，因而它具有探頭不易磨損，聲波的發(fā)射和接收比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是，它需要一些輔助設(shè)備，如液槽、探頭橋架、探頭操縱器等。另外，由于液體耦合層一般較厚，因而聲能損失較大。第四節(jié)焊縫的超聲波探傷超聲波探傷是通過探傷儀示波屏上反射回波的位置、高度、波形的靜態(tài)和動態(tài)特征來顯示被探工件質(zhì)量優(yōu)劣的。采用超聲波探傷法對焊縫探傷時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、焊接方法、使用條件、載荷等，確定不同的探傷方案。一、焊縫超聲波探傷的一般程序焊縫超聲波探傷由探傷準(zhǔn)備和現(xiàn)場探傷兩部分組成，其一般程序如下：1編寫委托檢驗(yàn)

25、書委托書內(nèi)容應(yīng)有工件編號、材料、尺寸、規(guī)格、焊接方法、坡口形式等，同時(shí)也應(yīng)注明探傷部位、探傷百分比、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、級別或質(zhì)量等級，并附有工件簡圖。2確定參加檢驗(yàn)的人員超聲波探傷一般安排二人同時(shí)工作，由于超聲波檢驗(yàn)通常要當(dāng)即給出檢驗(yàn)結(jié)果，所以至少應(yīng)有一名二級檢驗(yàn)員擔(dān)任主探傷。3檢驗(yàn)員探傷前的準(zhǔn)備探傷人員了解工件和焊接工藝情況，是探傷前的一項(xiàng)重要準(zhǔn)備工作。檢驗(yàn)員根據(jù)材質(zhì)和工藝特征，可以預(yù)先判斷可能出現(xiàn)的缺陷及分布規(guī)律。同時(shí)，向焊工了解在焊接過程中偶然出現(xiàn)的一些問題及修補(bǔ)等詳細(xì)情況，可有助于對可疑信號進(jìn)行分析和判斷。4現(xiàn)場粗探傷以發(fā)現(xiàn)缺陷為主要目的，包括探測縱向、橫向缺陷和其他取向缺陷，以及鑒別假信號等

26、。5現(xiàn)場精探傷針對粗探傷中發(fā)現(xiàn)的缺陷，進(jìn)一步確切的測定缺陷的有關(guān)參數(shù)，例如缺陷的位置參數(shù)：縱向坐標(biāo)、橫向坐標(biāo)、深度坐標(biāo)；缺陷的尺寸參數(shù)：最大回波幅度dB值及在距離波幅曲線上分區(qū)的位置、缺陷的當(dāng)量或缺陷指示長度等。6評定焊接缺陷依據(jù)探傷結(jié)果對缺陷反射波幅的評定、指示長度的評定、密集程度的評定及缺陷性質(zhì)的估判。根據(jù)評定結(jié)果給出檢焊縫的質(zhì)量等級。但是，焊縫超聲波探傷有其特殊性，有些評定項(xiàng)目并不規(guī)定等級，而是與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系在一起，直接給出合格與否的結(jié)論。二、焊縫直接接觸法超聲波探傷（一）超聲波探傷檢驗(yàn)等級的確定焊縫中缺陷的位置、形狀和方向直接影響缺陷的聲反射率。超聲波探測焊縫的方向愈多，波束垂直于缺陷

27、平面的機(jī)率愈大，缺陷的檢出率也愈高，評結(jié)果也就愈準(zhǔn)確。根據(jù)對焊縫探測方向的多少，目前把超聲波探傷劃分為三個(gè)檢驗(yàn)級別：A級檢驗(yàn)的完善程度最低，難度系數(shù)（K=1）最小。適用于普通鋼結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)。B級一檢驗(yàn)的完善程度一般，難度系數(shù)（K=56）較大。適用于壓力容器檢驗(yàn)。C級一檢驗(yàn)的完善程度最高，難度系數(shù)（K=1012）最大。適用于反應(yīng)性容器與管道等的檢驗(yàn)。（二）超聲波探傷面及探傷方法的選定1 探傷面的選擇與準(zhǔn)備探傷面應(yīng)根據(jù)不同的檢驗(yàn)等級和板厚來選擇。同時(shí)，探傷前必須對探頭需要接觸的焊縫兩側(cè)表面修整光潔，清除焊縫飛濺、鐵屑、油垢及其它外部雜質(zhì)，便于探頭的自由掃查，并保證有良好的聲波耦合。修整后的表面粗糙度應(yīng)

28、不大于Ra6.3（1m。要求去除余高的焊縫，應(yīng)將余高打磨到與鄰近母材平齊。而保留余高的焊縫，如焊縫表面有咬邊、較大的隆起和凹陷等，也應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)的修磨并作圓滑過渡，以免影響檢驗(yàn)結(jié)果的評定。修磨好的焊縫應(yīng)打上探傷部位編號作為缺陷定位和記錄的依據(jù)。2探傷方法的選擇應(yīng)當(dāng)考慮工件的結(jié)構(gòu)特征選擇探傷方法,并以所采用的焊接方法容易生成的缺陷為主要探測目標(biāo),結(jié)合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來選擇。（三）超聲波探頭的選擇1探頭形式的選擇根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件選擇探頭形式，原則上應(yīng)盡量使聲束軸線與缺陷反射面相垂直。對于焊縫的探測，通常選用斜探頭。2晶片尺寸的選擇晶片尺寸大，聲束指向性好，能量大且集中，對探傷有

29、利。但同時(shí)，又會使近場區(qū)長度增加，對探傷不利。實(shí)際探傷中，對于大厚度工件或粗晶材料的探傷，常采用大晶片探頭；而對于薄工件或表面曲率較大的工件探傷，宜選用小晶片探頭。3頻率的選擇頻率是制定探傷工藝的重要參數(shù)之一。探傷頻率的選擇應(yīng)根據(jù)工件的技術(shù)要求、材料狀態(tài)及表面粗糙度等因素綜合加以考慮。對于粗糙表面、粗晶材料以及厚大工件的探傷，宜選用較低頻率；對于表面粗糙度低、晶粒細(xì)小和薄壁工件的探傷，宜選用較高頻率。焊縫探傷中由于裂紋等面狀缺陷大都與聲束軸線呈一定夾角，此時(shí)若頻率過高，則缺陷反射波指向性很強(qiáng)，且聲束在工件中衰減過大，探頭反而不易收到回波。焊縫探傷時(shí)，一般選用超聲波頻率，以25MHz為宜，推薦采

30、用22.5MHz。4探頭角度或K值的選擇原則上應(yīng)根據(jù)工件厚度和缺陷方向選擇，即盡可能探測到整個(gè)焊縫厚度，并使聲束盡可能垂直于主要缺陷。焊縫探傷中，薄工件宜采用大K值探頭，以拉開跨距，提高分辨力和定位精度。大厚度工件宜采用小K值探頭，以減小修整面的寬度，有利于縮短聲程，減小衰減損失，提高探傷的靈敏度。如果從探測垂直于探傷面的裂紋考慮，K值愈大，聲束軸線與缺陷反射面愈接近于垂直，缺陷回波就愈高，即靈敏度愈高。對有些要求比較嚴(yán)格的工件，探傷時(shí)應(yīng)采用多K值、多探頭進(jìn)行掃查，以便發(fā)現(xiàn)不同方向取向的缺陷。K值是按板厚選擇的，探傷時(shí)要根據(jù)產(chǎn)品中的板厚找出標(biāo)稱K值探頭，但K值常因斜楔塊中的聲波衰減、探頭的磨損

31、等而產(chǎn)生變化，因此，探傷時(shí)必須對探頭K值進(jìn)行校驗(yàn)。（四）超聲波探傷儀的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)前首先要對選定的儀器和探頭系統(tǒng)性能進(jìn)行校驗(yàn)，以確保系統(tǒng)性能滿足檢驗(yàn)對象和探傷標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)，在使用斜探頭之前還應(yīng)先測定入射點(diǎn)，校驗(yàn)探頭的前沿長度和K值。儀器調(diào)節(jié)有二項(xiàng)主要內(nèi)容：其一，探傷范圍和掃描速度調(diào)節(jié)；其二，靈敏度調(diào)整。1探傷范圍和掃描速度的調(diào)節(jié)探傷范圍的選擇應(yīng)以盡量擴(kuò)大示波屏的觀察視野為原則，一般要求受檢工件最大探測距離的反射信號位置應(yīng)不小于刻度范圍的2/3。探傷范圍可通過儀器上的“深度（粗調(diào)）”旋鈕，改變不同檔級來調(diào)節(jié)。直探頭進(jìn)行探傷時(shí)，底面反射波可利用已知尺寸的試塊或工件上的兩次不同底面反射波的前沿，通過

32、儀器上“深度”、“微調(diào)”、“水平”旋鈕使其分別對準(zhǔn)示波屏上相應(yīng)刻度值來實(shí)現(xiàn)。2探傷靈敏度的選定探傷靈敏度是指在確定的探測范圍內(nèi)的最大聲程處發(fā)現(xiàn)規(guī)定大小缺陷的能力。它也是儀器和探頭組合后的綜合指標(biāo)，因此可通過調(diào)節(jié)儀器上的“增益”、“衰減器”等靈敏度旋鈕來實(shí)現(xiàn)。焊接結(jié)構(gòu)的工作條件不同，對質(zhì)量的要求也不一樣，具體的探傷靈敏度可根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求來確定。應(yīng)當(dāng)注意，探傷靈敏度越高，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力就越強(qiáng)。但當(dāng)靈敏度過高時(shí)，由于多種原因會使信噪比下降，所以不一定越高越好。三、各種焊接接頭的探傷在焊縫探傷中，經(jīng)常使用斜角探傷法，其原因是焊縫有一定增強(qiáng)量，表面凹凸不平，用直探頭垂直入射法探傷，探頭難于放置，

33、所以必須在焊縫兩側(cè)即母材上，用斜角入射的方法進(jìn)行探傷；另外，焊縫中危險(xiǎn)性的缺陷大致垂直于焊縫表面，用斜角探傷容易發(fā)現(xiàn)。所以下面將重點(diǎn)介紹這一方法。當(dāng)然，在某些場合也輔以直探頭垂直入射法探傷，如T形接頭腹板和翼板間未焊透等的探傷。（一）平板對接接頭的探傷1探傷條件的選擇按不同檢驗(yàn)等級和板厚范圍選擇探傷面、探傷方法和斜探頭折射角或K值。2檢驗(yàn)區(qū)域?qū)挾鹊拇_定檢驗(yàn)寬度應(yīng)是焊縫本身再加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度30的一段區(qū)域，這個(gè)區(qū)域?qū)挾茸钚?0mm最大為20mm3探頭移動區(qū)I的確定探頭必須在探傷面上作前后左右的移動掃查，且應(yīng)有足夠的移動區(qū)寬度，以保證聲束能掃查到整修焊縫整個(gè)截面。采用一次反射法或串列

34、式掃查探傷時(shí)，探頭移動區(qū)I應(yīng)滿足：I>1.25P（8-2）式中P跨距（mr）I>0.75P（8-3）4. 單探頭的掃查方法單探頭掃查是用一個(gè)發(fā)射兼接收的探頭進(jìn)行掃查。為了發(fā)現(xiàn)缺陷及對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位，必須正確移動探頭和布置探頭。1）鋸齒形掃查探頭以鋸齒形軌跡作往復(fù)移動掃查，同時(shí)探頭還應(yīng)在垂直于焊縫中心線位置上作土10。15°的左右轉(zhuǎn)動，以便使聲束盡可能垂直于缺陷的掃查方法，常用于焊縫的粗探傷。2 ）基本掃查基本掃查方式有四種:轉(zhuǎn)角掃查的特點(diǎn)是探頭作定點(diǎn)轉(zhuǎn)動，用于確定缺陷方向并區(qū)分點(diǎn)、條狀缺陷。同時(shí)，轉(zhuǎn)角掃查的動態(tài)波形特征有助于對裂紋的判斷；環(huán)繞掃查的特點(diǎn)是以缺陷為中心，變

35、換探頭位置，主要估判缺陷形狀，尤其是對點(diǎn)狀缺陷的判斷；左右掃查的特點(diǎn)是探頭在平行于焊縫或缺陷方向作左右移動，主要是通過缺陷沿長度方向的變化情況來判斷缺陷形狀，尤其是區(qū)分點(diǎn)、條狀缺陷，并用此法來確定缺陷長度；前后掃查的特點(diǎn)是探頭垂直于焊縫前后移動，常用于估判缺陷形狀和估計(jì)缺陷高度。3 ）平行掃查其特點(diǎn)是在焊縫邊緣或焊縫上作平行于焊縫的移動掃查，此法可探測焊縫及熱影響區(qū)的橫向缺陷如橫向裂紋。4 ）斜平行掃查其特點(diǎn)是探頭與焊縫方向成一定夾角（a=10°45°）的平行掃查，該法有助于發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)的橫向裂紋和與焊縫方向成一定角度的缺陷。為保證夾角a與焊縫相對位置穩(wěn)定不變，需要使

36、用掃查工具。5. 雙探頭的掃查方法雙探頭掃查是用兩個(gè)斜探頭，一個(gè)用于發(fā)射超聲波，另一個(gè)用于接收超聲波。根據(jù)不同的探測目的，可以采用以下掃查方式:1 ）串列掃查其特點(diǎn)是將兩個(gè)斜探頭垂直于焊縫作前后布置進(jìn)行橫向方形或縱向方形掃查，該法主要用于探測垂直于探測面的平面狀缺陷如窄間隙焊中的邊界未熔合，常用于板厚大于是100mm的焊縫及板厚大于40mm的窄間隙焊縫的探傷。2 ）交叉掃查兩個(gè)探頭置于焊縫的同側(cè)或兩側(cè)且成60°90°布置，探頭作平行于焊縫移動，該法可探測焊縫中的橫向或縱向面狀缺陷。3）V形掃查將接收和發(fā)射探頭分別置于焊縫兩側(cè)且垂直于焊縫作對向布置，該法可探測與探測面平行的面

37、狀缺陷如多層焊中的層間未熔合。（二）曲面工件對接接頭的探傷1.當(dāng)探傷面曲率半徑R>時(shí)W為接頭接觸寬度，檢驗(yàn)環(huán)縫時(shí)以探頭寬度計(jì)，檢驗(yàn)縱縫時(shí)以探頭長度計(jì)，可采用平板對接接頭的探傷方法進(jìn)行檢驗(yàn)。2當(dāng)探傷面曲率半徑RW時(shí)，檢驗(yàn)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)（1）試塊其接觸面應(yīng)為曲面?？v縫檢驗(yàn)時(shí)采用曲率半徑與R相同的對比試塊且二者之差應(yīng)小于10%;環(huán)縫檢驗(yàn)時(shí)，對比試塊曲率半徑可為（0.91.5）R（2）探頭根據(jù)工件表面的曲率和厚度選擇探頭角度，并考慮幾何臨界角的限制，確保聲束能掃查到整個(gè)焊縫厚度。探頭楔塊應(yīng)修磨成與工件曲面相吻合。（3）定位修正在平板對接焊縫探傷中，缺陷位置是由埋藏深度和水平距離確定。而在曲面工

38、件對接焊縫探傷中，由于工件曲率的影響，缺陷位置要由埋藏深度和水平距離弧長來決定，若不修正將會使定位產(chǎn)生很大誤差。（三）其他結(jié)構(gòu)焊接接頭的探傷原則上應(yīng)盡可能采用平板對接焊縫探傷中已經(jīng)行之有效的各種方法。在選擇探傷面和探頭時(shí)，應(yīng)考慮到檢測各種類型缺陷的可能性，并使聲束盡可能垂直于該結(jié)構(gòu)焊縫中的主要缺陷。第五節(jié)焊縫缺陷的位置、大小測定及其性質(zhì)的估判超聲波探傷的最終目的就是確定焊縫中缺陷的位置、大小，將探傷數(shù)據(jù)、工件結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝概況進(jìn)行歸納總結(jié)，根據(jù)缺陷情況對焊縫進(jìn)行評級，才能確定焊接結(jié)構(gòu)的合格性。一、缺陷位置的測定測定缺陷在工件或焊接接頭中的位置稱為缺陷定位。缺陷定位必須解決缺陷在探傷面上的投影位

39、置（X、Y方向數(shù)值）及存在深度（Z方向數(shù)值），如圖8-12所示。一般可根據(jù)反射波在示波屏上的位置及掃描速度來對缺陷進(jìn)行定位。圖8-12缺陷的坐標(biāo)位置1垂直入射法時(shí)缺陷定位用垂直入射法探傷時(shí)，缺陷就在直探頭的下面，缺陷定位只需測定沿工件Z軸的坐標(biāo)，即缺陷在工件中的深度即可。當(dāng)探傷儀按1：n調(diào)節(jié)縱波掃描速度時(shí)，則有Zf=ntf（84）式中Zf缺陷在工件中的深度（mr）n探傷儀調(diào)節(jié)比例系數(shù)；Tf示波屏上缺陷波前沿所對應(yīng)的水平刻度值。示例探傷儀按1：2調(diào)節(jié)縱波掃描速度，探傷中示波屏上水平刻度“75”處出現(xiàn)一缺陷波，求此缺陷在工件中的深度Zf。解:Zf=ntf=2x75mm=150mm2斜角探傷時(shí)缺陷定

40、位用斜探頭探傷時(shí)，缺陷在探頭前方的下面，其位置可用入射點(diǎn)至缺陷的水平距離lf和，缺陷到探傷面的垂直距離zf兩個(gè)參數(shù)來描述。（1）水平調(diào)節(jié)法定位探傷儀按水平1：n調(diào)節(jié)橫波掃描速度時(shí)，則有直射法探傷（85）一次反射法探傷（86）式中f缺陷在工件中的水平距離（mr）;Zf缺陷在工件中的深度（m）;Tf缺陷波前沿所對應(yīng)的水平刻度值；n探傷儀調(diào)節(jié)比例系數(shù);S探傷厚度（mn）;K探頭值（K=tg）。示例K2橫波斜探頭探傷厚度為15m）的鋼板焊縫，儀器按水平1：1調(diào)節(jié)橫波掃描速度，探傷中在水平刻度tf=45mm處出現(xiàn)一缺陷波，求此缺陷位置。（2）深度調(diào)節(jié)法定位探傷儀按深度1：n調(diào)節(jié)橫波掃描速度時(shí)，則有Zf=

41、2S=2X15-mm=7.5mm解：由于K3=2X15mm=30mm,2Kvtfv2K3,可以判定此缺陷是二次波發(fā)現(xiàn)的，因此f=nTf=1x45mm=45mm87)直射法探傷一次反射法探傷（88）示例用K1.5橫波斜探頭探傷，探測厚度為30mm的鋼板焊縫，儀器按深度1:1調(diào)節(jié)橫波掃描速度，探傷中在水平刻度tf=40mm處出現(xiàn)一缺陷波，求此缺陷位置。解：由于3vtfv23,可以判定缺陷是二次波發(fā)現(xiàn)的，因此f=Kntf=1.5x1x40mm=60mmZ、缺陷大小的測定f=23-nTf=(2x30-1x40)mm=20mm工件中缺陷是多種多樣的，但對于前者的缺陷定量一般使用當(dāng)平底孔或橫孔）回波與探測

42、到的測定工件或焊接接頭中缺陷的大小和數(shù)量稱為缺陷定量。就其大小而言，可分為小于聲束截面和大于聲束截面兩種，量法;而對于后者的缺陷定量常采用探頭移動法。1當(dāng)量法這里應(yīng)注意如下概念：將已知形狀和尺寸的人工缺陷缺陷回波相比較，如二者的聲程、回波相等，則這個(gè)已知的人工缺陷尺寸就是被探測到的缺陷的所謂缺陷當(dāng)量?！爱?dāng)量”概念僅表示缺陷與該尺寸人工反射體對聲波的反射能量相等，并不涉及尺寸與人工反射體尺寸相等的含義。當(dāng)量曲線法即DGS法,是為現(xiàn)場探傷使用而預(yù)先制定的距離一一波幅曲線。目前國內(nèi)外焊縫探傷標(biāo)準(zhǔn)大都規(guī)定采用具有同一孔徑、不同距離的橫孔試塊制作距離一一波幅曲線即DAC曲線。示例若探傷中在深度Ay=24

43、mm處有一缺陷回波，當(dāng)將其先調(diào)到最高，再調(diào)到基準(zhǔn)高度時(shí)，此時(shí)dB讀數(shù)為Vx=25dB,這時(shí)在圖8-13中過橫坐標(biāo)Ay=24mm和縱坐標(biāo)Vx=25dB分別作相應(yīng)的座標(biāo)垂線，交于圖8-13中的x點(diǎn)。據(jù)此，可以求得該缺陷的區(qū)域和當(dāng)量。圖813距離（Ay）波幅（dB）曲線1判廢線2定量線3評定線2探頭移動法對于尺寸或面積大于聲束直徑或斷面的缺陷，一般采用探頭移動法來測定其指示長度或范圍。缺陷指示長度L的測定推薦采用以下二種方法。（1）當(dāng)缺陷反射波只有一個(gè)高點(diǎn)或高點(diǎn)起伏小于4dB時(shí)，用降低6dB相對靈敏度測定指示長度，稱為相對靈敏度測長法。如圖8-14所示。（2）在測定指示長度掃查過程中，如發(fā)現(xiàn)缺陷反射波峰值起伏變化，有多個(gè)高點(diǎn)，則以缺陷兩端反射波極大