第四章超聲波探傷方法和通用探傷技術
超聲波探傷方法雖然很多,各種方法的操作也不盡相同,但它們在探測條件、耦合可與補償、儀器的調節、缺陷的定位、定量、定性等方面卻存在一些通用的技術問題。掌握這些通用技術對於發現缺陷並正確評價是很重要的。
§4.1超聲波探傷方法概述
一、按原理分類
超聲波探傷方法按原理分類,可分為脈衝反射法、穿透法和共振法。
1、脈衝反射法
超聲波以持續極短的時間發射脈衝到被檢試件內,根據反射波的情況來檢測試件缺陷的方法,稱為脈
衝反射法。
按照判斷缺陷情況的回波性質,脈衝反射法還可分為：
(1)缺陷回波法
根據儀器示波屏上顯示的缺陷探傷圖形進行判斷的探傷,稱為缺陷回波法。該方法是反射法的基本方法。
圖是缺陷回波探傷法的基本原理。當試件完好時，超聲波可順利傳播到達底面，在底面光滑且與探測面平行的條件下,探傷圖形中只有表示發射脈的始波t及底面回波b兩個訊號，表示缺陷的回波f。
(2)底面回波高度法
當試件的材質和厚度不變時,底面回波高度應是基本不變的。如果試件內存在缺陷,底面回波高度會下降甚至消失,如圖所示。
這種依據底面回波的高度變化判斷試件缺陷情況的探傷方法,稱為底面回波高度法。
底面回波高度法的特點在於同樣投影大小的缺陷可以得到同樣的指示,而且不出現盲區,但是要求被探試件的探測面與底面平行,耦合條件一致。由於該方法檢出缺陷的靈敏度較低,因此,實用中很少作為一種獨立的探傷方法,而經常作為一種輔助手段,配合缺陷回波法發現某些傾斜的和小而密集的缺陷。
(3)底面多次回波法
當透入試件的超聲波能量較大,而試件厚度較小時,在試件完好無缺陷的情況下,超聲波可在探測面與底面之間往復傳播多次,示波屏上出現多次底波……。這種依據底面回波次數,而判斷試件有無缺陷的方法,即為底面多次回波法。
底面多次回波法主要用於厚度不大的,形狀簡單,探測面與底面平行的試件探傷,缺陷檢出的靈敏度低於缺陷二次回波法。
2.穿透法
穿透法是依據脈衝波或連續波穿透試件之後的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法,如圖4.4所示。
穿透法常採用兩個探頭,乙個作發射用,乙個作接收用,分別放置在試件的兩腳探頭進行探測,圖4.4(a)為無缺陷時的波形,因4.4(b )為有缺陷時的波形。
3.共振法
若聲波(頻率可調的連續波)在被檢工件內傳播,當試件的厚度為超聲波的半波長或半波長的整數倍時,由於入射波和反射波的相位相同,則引起共振,因而儀器可顯示出共振頻率點,用相鄰的兩個共振頻率之差,由以下公式算出試件厚度。
式中：一一第n點的共振頻率；
c一一被檢試件的聲速；
一一試件厚度。
當試件內存在缺陷時,將改變試件的共振頻率。
依據試件的共振特性,來判斷缺陷情況的方法稱為共振法。
共振法常用於試件測厚。
二、按波形分類
根據探傷採用的波型,可分為以下幾種方法。
1、 縱波法
使用直探頭發射縱波,進行探傷的方法,稱為縱波法。此法常將波束垂直入射至試件探測面,以不變的波型和方向透入試件,所以又稱為垂直入射法,簡稱垂直法。如圖4.5所示。
垂直法分為單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。常用的是單晶探頭反射法,垂直法主要用於鑄造、鍛壓、軋材及其製品的探傷,該法對與探測面平行的缺陷檢出效果最佳,由於儀器盲區和分辨力的限制,只能發現試件內部離探測面一定距離以外的缺陷。
在同一介質中傳播時,縱波速度大於其它波型的速度,穿透能力強,晶界反射或散射的敏感性較差,所以可測試工件的厚度是所有波型中最大的,而且可用於粗晶材料的探傷。
由於垂直法探傷時,波型和傳播方向一般不變,所以缺陷定位比較方便。
2、橫波法
將縱波通過模組、水等介質傾斜入射至試件探測面,利用波型轉換得到橫波進行探傷的方法,稱為橫波法。由於透入試件的橫波束與探測麵成銳角,所以又稱斜射法.
此方法主要用於管材,焊縫的探傷。其它試件探傷時,則作為一種有效的輔助手段,用以發現垂直探傷法不易發現的缺陷。
3、表面波法
使用表面波進行探傷的方法,稱為表面波法。這種方法主要用於表面光滑的試件。
表面波波長比橫波波長還短，因此衰減也大於橫波。同時，它僅沿表面傳播，對於表面上的複層，油汙，不光潔等，聲束反應敏感，並被大量地衰減。利用此特點，觀察缺陷回波高度的變化,對缺陷定位。
對各類反射體波高度的試驗表明：除了糟的回波與其深度成正比(僅在2倍波長以內時)外,其餘缺陷回波與其大小沒有明顯的聯絡,而且,球、圓槽等反射體直徑愈大,回波反而下降,對於與表面平行的平直缺陷,表面波幾乎無法發現。
表面缺陷,有的可以用肉眼看出,有的用磁粉或滲透法檢測效果更好,所以表面波法的實際應用,通常是那些己為其它部件覆蓋的部位,或肉眼不易檢測的深孔、內腔等部件的表面缺陷檢查。
4、板波法
使用板波進行探傷的方法,主要用於薄板、薄壁管等形狀簡單的試件探傷,板波充塞於整個試件,可以發現內部的和表面的缺陷。但是檢出靈敏度除取決於儀器工作條件外,還取決於波的形式。
三、按探頭數目分類
1、單探頭法
使用乙個探頭兼作發射和接收超聲波的探傷方法稱為單探頭法。單探頭法操作方便,大多數缺陷可以檢出,是目前最常用的一種方法。
單探頭法探傷,對於與波束軸線垂直的片狀缺陷和立體型缺陷的檢出效果最好。與波束軸線平行的片狀缺陷,由於繞射現象而難以檢出,當缺陷與波束軸線傾斜時,則根據傾斜角度的大小,能夠收到部分回波或者因反射波束全部反射在探頭之外而無法檢出。
2、雙探頭法
使用兩個探頭進行探傷的方法稱為雙探頭法。乙個發射,→個接收,主要為發現單探頭法難以檢出的缺陷,並提高測定缺陷大小、型別的準確程度。
雙探頭法又可根據兩個探頭排列方式和工作方式作進一步分類。
按排列方式分類：
(1) 並列式：
兩個探頭並列放置,探傷前兩者作同步又同向地移動。一般結構的直探頭作並列放置時,通常是乙個探頭固定,另乙個探頭移動,以便發現與探測面傾斜的缺陷,如圖4.7(α)所示。
分割式探頭的原理,就是將兩個並列的探頭組合在一起,具有較高的分辨能力和訊雜比,適用於薄試件、近表面缺陷粗晶材料的探傷。
(2)交叉式：
兩個探頭軸線交叉,兩線相交之點應為要探測的部位,如圖4.7(b )所示。此種探傷方法可用來發現與探測面垂直的片狀缺陷,在焊縫探傷中,常用來發現橫向缺陷。
(3)v型串列式：
兩探頭相對放置在同一面上,乙個探頭發射的聲波被缺陷反射,反射的回波剛好落在另乙個探頭的入射點上,如圖4.7(c)所示。此種探傷方法主要用來發現與探測面平行的片狀缺陷。
(4)k型串列式：
兩探頭以相同的方向分別放置於試件的上下表面上,乙個探頭發射的聲波被缺陷反射,反射的回波進入另乙個探頭,如圖4.7(d )所示。此種探傷方法主要用來發現與探測面垂直的片狀缺陷。
(5) z串列式：
兩探頭一前一後,以相同方向放置在同一表面上,乙個探頭發射的聲波被缺陷反射的回波,經底面反射進入另乙個探頭,如圖4.7(c )所示。此種探傷方法用來發現與探測面垂直的片狀缺陷(如厚焊縫的中間未焊
透)。兩個探頭在乙個表面上移動,操作比較方便,是一種常用的探測方法。
3、多探頭法
使用兩個以上的探頭成對地組合在一起進行探傷的方法,稱為多探頭法。多探頭法的應用,主要是通過增加聲束來提高探傷速度或發現各種取向的缺陷。通常應由多通道儀器和自動掃瞄裝置來配合。
如圖4.8所示。
四、按擦頭接觸方式分類
依據探傷時探頭與試件的接觸方式,可以分為以下幾種方法。
1、直接接觸法
探頭與試件探測面之間,塗有很薄的耦合劑層,因此可以看作為兩者直接接觸,這種探傷方法稱為直接接觸法。
此方法操作方便,探傷圖形較簡單,判斷容易,檢出缺陷靈敏度高,是實際探傷中用得最多的方法。但是,直接接觸法探傷的試件,要求探測面光潔度較高。
2、液浸法
將探頭和工件浸於液體中的探傷方法。此液體起耦合劑作用,若用水作耦合劑,則稱為水浸法。
液浸法探傷,探頭不直接接觸試件,所以此方法適用於表面粗糙的試件,探頭也不易磨損,耦合穩定,探測結果重複性好,便於實現自動化探傷。
液浸法的探傷方式按接觸型別分類,
(1)浸沒式
被檢試件全部授沒於液體之中,適用於體積不大,形狀複雜的試件探傷,如圖4.9(a)所示。
(2)區域性水浸法
把被檢試件的一部分浸設在水中或被檢試件與探頭之間保持一定的水層而進行探傷的方法,適用於大體積試件的探傷。區域性水浸法又分為噴液式通水式和滿溢式。
1 噴液式：超聲波通過以一定壓力噴射至探測表面的液流進入試件,稱為噴液式,如圖4.9（b）所示。
2 通水式：借助於乙個專用的有進水、出水口的液罩,以使罩內經常保持一定容量的液體,這種方法稱為通水式,如圖4.9(c)所示。
3 滿溢式：
滿溢罩結構與通水式相似,但只有進水口,多餘液體在罩的上部溢位,這種方法稱為滿溢式,如圖4.9(d)所示。
根據探頭與試件探測面之間液層的厚度,液浸法又可分為高液層法和低液層法。
§4.2儀器與探頭的選擇
探測條件的選擇一般是指儀器、探頭、耦合和掃瞄方式等方面的選擇。正確選擇探測條件對於有效地發現缺陷,並對缺陷定位、定量和定性是至關重要的。實際探傷中一般根據工件結構形狀、加工工藝和技術要求來選擇探測條件。
一、探傷儀的選擇
超聲波探傷儀是超聲波探傷的主要裝置。目前國內外探傷儀種類繁多,效能各異,探傷前應根據探測要求和現場條件來選擇探傷儀。一般根據以下情況來選擇儀器。
1、對於定位要求高的情況,應選擇水平線性誤差小的儀器。
2、對於定量要求高的情況,應選擇垂直線性好,衰減器精度高的儀器。
3、對於大型零件的探傷,應選擇靈敏度餘量高、訊雜比高、功率大的儀器。
4、為了有效地發現近表面缺陷和區分相鄰缺陷,應選擇盲區小、分辨力好的儀器。
5、對於室外現場探傷,應選擇重量輕,螢光屏亮度好,抗干擾能力強的攜帶式儀器。
此外要求選擇效能穩定,重複性好和可靠性好的儀器。
二、探頭的選擇
超聲波探傷中,超聲波的發射和接收都是通過探頭來實現的。探頭的種類很多,結構型式也不一樣。探傷前應根據被探物件的形狀、衰減和技術要求來選擇探頭。
探頭的選擇包括探頭型式、頻率、晶元尺寸和斜探頭k值的選擇等。
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