超声波检测技术工艺

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1、超声波检测技术工艺 Technology of Ultrasonic Testing一、焊缝的超声检测概述焊缝的超声检测多采用横波检测，其主要原因是 焊缝一般都有加强高突起，焊道表面有焊波存在 而不平整，使得平直探头在焊道上的耦合有困难 ，更重要的是焊缝中的缺陷，特别是危害性缺陷 ，例如裂纹、未焊透、坡面未熔合等的取向多与 探测面垂直或有一定的倾斜角度，采用横波检测 有利于发现这些缺陷，此外，相对于纵波而言， 横波本身具有指向性好、分辨力高和检测灵敏度 高等优点。不过，采用横波检测也带来了缺陷定 位、定量和定性评定上其特有的技术特点。二、焊缝横波检测的一般程序n（一）首先应当了解被检焊缝的各种

2、原始 情况，包括母材与焊接材料的成分（牌号 ）、冶金状态及原始质量情况，焊缝形式 、坡口型式、焊接工艺，可能产生的缺陷 种类、部位、取向，以及验收标准等等， 以便于检测时能对检测结果做出正确的判 断。n（二）选择适当的超声检测仪器、探头（K 值）、试块、耦合方法、工作频率等。n（三）选择合适的检测面：为了使检测时的声束 能覆盖焊缝的全长及整个截面，不能有“死区”（ 声束覆盖不到的区域）存在，并且应该尽量使声 轴线与缺陷取向垂直，因此对较薄的而且只能单 面接近的焊缝最好作单面双侧检测，对于较厚的 并且有可能从内外两面接近的焊缝，最好作双面 双侧检测，如果条件限制不能做双面双侧或单面 双侧检测时，

3、还要考虑在单面单侧上采用多个入 射角（不同折射角）来进行多次检测，以利于发 现各种可能取向的缺陷。n（四）折射角的选择：折射角的选择原则是应该能使声 轴线直射、一次反射或二次反射以覆盖整个焊缝截面， 并且尽可能与主要的危险性缺陷取向相垂直，保证有足 够的灵敏度。我国目前习惯上把横波折射角的正切值-即 K值作为折射角选择考虑，这样可以大大地简便了检测 中的缺陷定位评定。在选择K值时，要考虑焊缝的上下 面（焊道）宽度、斜探头的前沿距离（探头 入射点到探 头前端面的距离）对检测的影响，应能使声束轴线至少能通过焊缝截面中心以免出现死区（如图1所示），而且还要能以尽可能短的声路完成全截面检测以减少声能扩

4、散与衰减的影响。对于V型坡口的焊缝，K值的确定原则如图5.53（a）所示： K(L+a)/(t+b)/2-b， 式中：L-斜探头前沿长度； a-焊缝半宽度； t-母材厚度； b-焊缝加强高的高度。 对于X型坡口的焊缝，K值的确定原则如图5.53（b）所示： K(2a+2c+L)/t， 式中：L-斜探头前沿长度； a-上焊缝半宽度； c-下焊缝半宽度； t-母材厚度。例：已知某厚度25mm的钢板对接焊缝宽度30mm ，加强高1.5mm，V型坡口单面焊，斜探头前沿长 度12mm，请选择适当的K值。 解：注意我国商品化斜探头的K值系列为1、1.5、2、 2.5和3，在这里应选用K=2.5，此时折射声

5、束轴线 将通过焊缝截面中心的上方，若选用K=2时，声 轴线通过焊缝截面中心的下方，从而容易出现死 区。 n（五）斜探头前沿长度的选择：斜探头的前 沿长度太长时，将会导致所需K值太大，检 测声程加长，对检测不利。此外，在许多构 件情况中，前沿长度大的探头其体积和探头 总长度都比较大，从而限制了在一些空间较 狭小的部位使用，但是前沿短的探头又往往 难以消除楔内回波的干扰影响而导致始波占 宽加大，影响近表面分辨率，因此需要根据 具体被检测工件以及焊缝的具体情况选择具 有适当前沿长度的探头 。n（六）下面以对接焊缝为例说明焊缝横波检 测的具体程序：1.调整超声检测仪器的按钮，使其处于检测 条件要求的工

6、作状态。 2.测定斜探头的前沿长度：一个新探头上标 志的入射点位置未必正好是实际声轴线入射 点的位置，而经过使用的斜探头因为斜楔的 磨损，也会使得原来测定的入射点位置有变 化，因此在每次检测工作开始前均必须测定 或校验入射点位置，一般用斜探头的前沿长 度来表示将会比较方便。 斜探头前沿长度L的测定方法如图所示，把 探头平稳耦合在有一定圆半径R的试块上， 例如IIW1、IIW2或半圆试块上，前后移动 探头找到圆弧面的最大回波，此时探头入射 点将正好位于圆心上（圆心对应探头上的位 置即为入射点），用钢板尺或直尺测量试块 前边缘到探头前端面的距离X，则L=R-X， 重复23次测定并取其平均值（精确到

7、 0.5mm）作为探头前沿长度。探头前沿长度 测定的准确程度将直接影响后面的K值测定 ，因此在测定时必须注意确实找到圆弧面的 最大回波，固定好探头和准确测量。3.测定斜探头的K值：考虑到近场中声压不 均匀的影响，在测定斜探头K值时应至少在 2倍近场长度以上的声程上进行，具体测试 方法如图所示。在图a中，这是在IIW1试块上进行的，为了 保证在2倍近场长度以上的声程上进行测定 ，故对于名义K值1.52.5范围的斜探头宜在 位置处进行测试，前后移动探头找到 50mm有机玻璃圆弧面最大回波时固定探 头，用钢板尺量出试块边缘到探头前端面的 距离X，则：K=(X+L-35)/30 同理，对于名义K值1.

8、5的斜探头宜在位置 处进行测试，则：K=(X+L-35)/70 对于名义K值2.5的斜探头宜在位置处进 行测试，则：K=(X+L-35)/15在图b中，这是在IIW2试块上进行的，以 5mm横孔为反射体，适用于名义K值 1.52.5范围的斜探头，有：K=(X+L-25)/20 在图c中，这是在横孔试块上进行的，可以 根据名义K值范围，按2倍近场长度的声程 选择适当埋深的横孔作为测试反射体，有 ：K=(X+L-a)/y 式中a为试块边缘到横孔中心的距离，y为横 孔埋藏深度。评注：在测试时要注意准确找到反射体的最大回波 以及准确测量X和L值，才能保证K值的准 确性（要求精确到0.1）。实际上，只要

9、掌 握了K值和探头前沿测试方法的原理，并不 一定要拘泥于上述的测试方式，也可以利 用其他形式的试块达到测试目的。4.定标（测定范围调整，又称时间轴校正、时基线 校正等）斜探头的超声波束是从压电晶片发出，经过斜楔 ，从入射点进入工件，定标的过程就是对超声检 测仪器时基线零位校正的过程，即把斜楔中的声 程移出时基线外，使时基线的零点对应探测面上 的入射点。定标后的水平基线刻度将与横波在工 件中的传播时间或距离相对应。因此，横波检测 中的定标与纵波检测的定标有相同的目的，都是 为了便于直接从示波屏时基线上读出缺陷的位置 。在纵波检测时，声束垂直入射，回波在时基线 上的位置反应缺陷的埋藏深度，也即是超

10、声波的 声程，故可称为纵波检测的声程定标或深度定标 。但是在横波检测时，声束倾斜进入工件，缺陷位 置存在三个参数，即埋藏深度（缺陷对探测面的 垂直距离）、水平距离（缺陷在探测面上的投影 点到探头入射点的距离）和声程（缺陷沿声束传 播路径到探头入射点的距离）。在超声检测仪器 的示波屏上实际显示的应该是超声波的传播时间 ，即声程，但是由于横波检测中缺陷的这三个位 置参数存在一定的几何关系（直角三角形），因 此也可以根据检测的需要与方便来决定采用哪个 参数作为示波屏上水平刻度线的定标读数，即可 以按声程定标、水平定标和深度定标。 具体方法如下：（1）声程定标： 把斜探头放置在IIW1试块上，调整探头

11、位置，找 到R100圆弧面的最大回波，此时圆心处垂直于探 测面的刻槽回波也应出现在示波屏上，调节水平 旋钮，使R100回波前沿落在水平刻度的50mm处， 再调节深度细调旋钮，使刻槽回波前沿落在 100mm处，即可完成1:2比例的声程定标（此时满 水平刻度量程为200mm）。声程定标时，水平刻度代表横波的实际传播 路程，多用于锻件的横波检测，而在焊缝 的横波检测时，这种定标方法不便对缺陷 进行定位（埋藏深度与水平距离）评定， 因此常常根据声程、埋深、水平距离三者 之间存在的三角关系，以及折射角（K值） ，把实际声程折算为埋深或水平距离，并 以始波屏的水平刻度值表示，即成为深度 定标或水平定标。

12、（2）深度定标与水平定标 根据斜探头的K值或折射角，声程S与埋藏 深度y和水平距离X有如下关系:K=tg=X/yX=Ssin=Ky=SK/(1+K2)1/2； y=Scos=X/K=S1/(1+K2)1/2； S=X2+y2=y(1+K2)1/25.起始灵敏度调整 在焊缝横波检测中，通常是在特定的探头与仪器组 合条件下，采用对比试块预先实测绘制横孔回波 的距离振幅曲线用于确定起始灵敏度以及检测过 程中对缺陷的定量评定。这是以相对同一基准波 高的、不同埋藏深度的横孔回波高度分贝值（衰 减器或定量增益上的读数）为纵坐标，以横孔埋 藏深度为横坐标，实测绘制的距离振幅曲线（实 测线）为基础，按验收标准

13、要求而相应增益一定 的分贝值构成一组曲线供检测时使用，它只适合 于检测时使用的特定的探头与仪器组合条件，如 图所示。在使用时，通常按一个跨距的声程距离（两倍板厚）来确 定起始灵敏度，即把相应两倍板厚的埋藏深度的3x40mm 长横孔最大回波调整达到某一基准高度（例如50%）然后 增益16dB，即为评定线灵敏度，然后再补偿试块与工件表 面之间的声能损失差值以及两者的声衰减差异补偿值，即 完成起始灵敏度调整，由于距离振幅曲线是预先对试块上 各种不同埋藏深度的3x40mm长横孔实测绘制出实测线， 然后按标准要求划出负4dB的判废线（缺陷回波高度达到 此线及以上则属判废缺陷）、负10dB的定量线（缺陷回

14、波 高度达到此线及以上时则应测定缺陷长度并按标准评定是 否合格）以及负16dB的评定线（起始灵敏度线，当缺陷回 波高度达到此线及以上而检测人员认为是危害性缺陷时， 则以此线作绝对灵敏度法测长记录）。因此，在使用时只 要把衰减器或定量增益上的dB值直接调整到与该板厚两倍 处相应的埋藏深度对应评定线的dB值，再加上表面补偿（ 需要的话还有材质衰减补偿）即可。n例：要对厚度30mm的20g钢板对接焊缝进行 横波检测，使用2.5P13x13K2探头和CTS-23 型超声仪在GB11345-89的RB-2试块上对 3x40mm横孔测绘出如图的距离振幅曲线 ，其埋深与波高对应关系如表，假定工件表 面声能损

15、失补偿为4dB，材质衰减忽略不计 ，则探伤起始灵敏度应把衰减器读数置于（ 6-4）=2dB即可。埋深（mm）102030405060实测线3x40mm（dB）463631272422判废线3x40mm-4dB423227232018定量线3x40mm-10dB362621171412评定线3x40mm-16dB3020151186返回返回n6.扫查 探伤起始灵敏度确定后，即可在被检工件上进行 耦合扫查作业。（1）扫查范围的确定：在焊缝两侧应清理出便于 进行超声检测扫查的区域，在此区域内，应清除 焊接飞溅、铁屑锈蚀、油垢以及其他妨碍超声检 测的外来物，探测面应平整光滑，必要时应采取打磨修整。扫查

16、范围的大小一般依据1个跨距加一 定余量（对于单面双侧检验）或者半跨距加一定 余量（对于双面双侧检验）的原则确定，例如GB11345-89标准规定前者为1.25倍跨距，后者为 0.75倍跨距。 n（2）扫查方式：如图所示。 焊缝横波检测时，探头移动扫查的方式可分为基本扫查方 式与其他扫查方式两大类。 基本扫查方式包含四种方式，即：前后扫查-便于查找最大回波并确定缺陷的埋藏深度与水 平距离；左右扫查-便于测定缺陷沿焊道的延伸长度； 转动扫查-用于确定缺陷取向和寻找最大回波高度； 环绕扫查-用于确定缺陷取向和形状。 其他扫查方式包括有五种方式，即：锯齿形扫查-把上述四种基本扫查方式综合在一起的扫查 方式，其扫查路径呈锯齿形，这是一般焊缝检测中最常用 的扫查方式，但要注意每次横向移动的齿距宽度不应大于 晶片宽度以保证声束的相互覆盖；斜平行扫查-探头发射的声束方向与焊道成1015夹角进 行扫查，用于探测焊缝与热影响区的横向缺陷，通常作为 锯齿形扫查的补充；焊缝上扫查（也称做平行扫查）-探头置于已经加工平整 过的焊道上沿焊道方向扫