超聲波探傷分類及特點(diǎn)

超聲波探傷方法的分類及特點(diǎn)超聲波探傷有許多方法，如將它們逐一分類，一般可用以下幾種方法一.按原理分類超聲波探傷方法按原理分類，可分為脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法和共振法。1.脈沖反射法超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢試件內(nèi)，遇到工件內(nèi)部不連續(xù)或工件邊界產(chǎn)生反射聲波，再由探頭接收，由此判別工件中是否存在缺陷，根據(jù)反射波的情況來檢測(cè)試件缺陷的方法，稱為脈沖反射法，是超聲檢測(cè)常用的基礎(chǔ)檢測(cè)方法。脈沖反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。脈沖反射法分類如下：直接接觸法心脈■直接接觸法心脈■沖射「縱波法4橫法法召單探并蔻面淑法卡,扳波法4雙探釁屮合:滾液漫法』局部液漫法心一間隙法屮一次脈沖反射法如下圖所示。當(dāng)工件中無缺陷時(shí)，熒光屏上只有始波T與一次底波B。當(dāng)工件中有小缺陷時(shí)，始波與底波之間出現(xiàn)缺陷F，缺陷波咼與其反射面積有關(guān)，此時(shí)底波幅度會(huì)有下降。當(dāng)工件中缺陷大于聲束直徑時(shí)，底波消失，熒光屏上只有始波和缺陷波。多次脈沖反射法這是以多次底面脈沖回波為依據(jù)進(jìn)行探傷的一種方法，超聲波在具有平行表面的工件中傳播，若無缺陷時(shí)，聲波經(jīng)底面反射回探頭，一部分能量被探頭接收，得到一次底波B1,另一部分能量又折回底面再被探頭接收，得到二次底波B2,剩余能量再折回探頭，如此往復(fù)多次，得到底面多次回波，直至聲能完全耗盡為止。根據(jù)多次底波波幅遞減的快慢，可用以判斷工件材質(zhì)衰減情況及有無對(duì)聲能吸收大的缺陷，也可以用來判斷工件中缺陷的嚴(yán)重程度，這種方法在板材探傷中經(jīng)常用到，具有較好的優(yōu)越性。2?衍射時(shí)差法（TOFD）1）.方法原理超聲波入射到缺陷端部，會(huì)在缺陷端部較大角度范圍內(nèi)產(chǎn)生衍射波，檢測(cè)衍射波就能確定缺陷存在，根據(jù)衍射波傳播時(shí)間差來確定缺陷高度，缺陷產(chǎn)生衍射波本身波高不作為缺陷定量依據(jù)。采用的波型為縱波，其原因是縱波聲速比橫波快，縱波先被探頭接收，使缺陷信號(hào)解釋簡(jiǎn)化。TOFD法檢測(cè)時(shí)適用雙探頭，分別置于焊縫兩側(cè)，其中一個(gè)作為發(fā)射探頭，另一個(gè)作接收探頭（見教材圖5-4）在無缺陷部位，當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)出超聲波后，首先到達(dá)接收探頭的是直通波，后面到達(dá)接收探頭的是底面反射波。當(dāng)存在缺陷時(shí)，在直通波和底面反射波之間，接收探頭接收則來自缺陷處產(chǎn)生的衍射波，其中缺陷上部端點(diǎn)衍射靠近直通波，缺陷下部端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射波靠近底波，根據(jù)缺陷上、下端點(diǎn)的衍射波可確定缺陷高度。2）.TOFD法系統(tǒng)要求采用自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)；組合系統(tǒng)應(yīng)有高質(zhì)量的重復(fù)性檢測(cè)結(jié)果；脈沖發(fā)生器要求脈沖寬度小，上升時(shí)間短，脈沖接收器帶寬在0.8MHz?30MHz之間;系統(tǒng)有足夠的信噪比；數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)要求數(shù)字器取樣頻率在20MHz?25MH乙取樣率計(jì)時(shí)起伏W1ns信號(hào)顯示方式宜用D掃描或B掃描。3）.探頭選擇短脈沖換能器產(chǎn)生非檢波脈沖；采用縱波；具有足夠的分辨率；避免在近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)（波幅起伏不定，造成漏檢及盲區(qū)）根據(jù)檢測(cè)缺陷深度合理選擇適當(dāng)近場(chǎng)長(zhǎng)度探頭；聲束應(yīng)能掃查到整個(gè)被檢區(qū)域；⑥探頭中心頻率為2MHz?10MH乙晶片直徑為6mm?20mm,推薦使用①12mm,5MHz寬帶探頭。4）檢測(cè)工藝探頭布置應(yīng)位于缺陷兩側(cè),最佳化；注意不同探頭布置時(shí)表面爬波和側(cè)向波傳播時(shí)間,平板工件和凹面工件相等,凸面工件爬波滯后于側(cè)向波。缺陷到超聲波指示深度：平板工件相等,凹面工件指示深度大于實(shí)際深度,凸面工件指示深度小于實(shí)際深度；表面狀態(tài)影響檢測(cè)精度,必要時(shí)應(yīng)將焊縫余高磨平；影響定位定量精確度到重要因素有：定時(shí)誤差,探頭間距，探頭對(duì)相對(duì)于被檢缺陷不對(duì)稱性參數(shù)X（偏心距）；⑤偏心距X應(yīng)不大于0.2ct(c為縱波聲速，t為傳播時(shí)間)探頭間距選擇應(yīng)保證被檢區(qū)聲能充分覆蓋，從裂紋端能獲得足夠衍射波能量，并具有一定分辨力；探頭角度要求聲束對(duì)準(zhǔn)被檢區(qū)域，可選用35°，45°，60°和70°。角度偏差值要求不高，可在±5°靈敏度調(diào)整：應(yīng)有足夠靈敏度，使缺陷端點(diǎn)衍射波能得到顯示，可用槽型校準(zhǔn)試塊校正靈敏度，校正試塊材質(zhì)和厚度于被檢時(shí)間相同，對(duì)線切槽，最大槽寬應(yīng)小于二分之一波長(zhǎng)，采用非檢波A掃描顯示時(shí)，將槽的衍射信號(hào)最大波高調(diào)至滿屏80％。5).TOFD法優(yōu)點(diǎn)：缺陷衍射信號(hào)與缺陷方向無關(guān)，檢出率高；超聲波束覆蓋區(qū)大；缺陷高度測(cè)量準(zhǔn)確；實(shí)時(shí)成像，快速分析；不依回波高度定量；快速安全，方便。6）.TOFD法局限性掃查面和底面存在幾毫米表面盲區(qū)；易受噪聲影響；對(duì)中下部缺陷和部分良性缺陷（如氣孔、夾層）測(cè)大；采用數(shù)據(jù)分析，對(duì)檢測(cè)人員要求高。此外，還存在：缺陷水平位置誤差，定時(shí)誤差，聲速誤差和空間分辨力等影響檢測(cè)結(jié)果。3.穿透法穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法。穿透法常采用兩個(gè)探頭，一收一發(fā)，分別放置在試件的兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于穿透法，只有當(dāng)超聲聲壓變化大于20%以上時(shí)才有可能檢測(cè)，它相當(dāng)于聲壓只降低2dB。由于探頭晶片尺寸有一定大小及缺陷本身的聲衍射現(xiàn)象，要獲得大于20%聲壓變化量，缺陷對(duì)聲傳播遮擋面積已相當(dāng)大了。對(duì)于脈沖反射法，缺陷反射波聲壓僅是入射聲壓的1%時(shí)，探傷儀就已經(jīng)能夠檢出，此時(shí)，與缺陷反射聲壓相對(duì)應(yīng)的反射面積是很小的。4.共振法若聲波（頻率可調(diào)的連續(xù)波）在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，將引起共振，儀器顯示出共振頻率。當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷或工件厚度發(fā)生變化時(shí)，將改變?cè)嚰墓舱耦l率，依據(jù)試件的共振頻率特性，來判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱為共振法。共振法常用于試件測(cè)厚。按顯示方式可分為A型顯示和超聲成像顯示（包括B、C、D、S、P型顯示）A型顯示－橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示信號(hào)幅度；B型顯示－與聲束傳播方向平行且與工件測(cè)量表面垂直的剖面（與聲束傳播方向平行的側(cè)剖面）；C型顯示－工件橫斷面（與檢測(cè)面平行的平面圖像）D型顯示－與聲束平面及測(cè)量表面垂直的剖面（與聲束傳播方向及檢測(cè)表面垂直的側(cè)剖面）；P型顯示一投影成像掃描，顯示c掃描圖像（側(cè)視）和D掃描圖像（側(cè)視）；按波形分類根據(jù)探傷采用的波形，可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。1.縱波法使用直探頭發(fā)射縱波進(jìn)行探傷的方法，稱為縱波法。此時(shí)波束垂直入射至試件探測(cè)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(jiǎn)稱垂直法。垂直法分為單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。常用單晶探頭反射法。垂直法主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的探傷，該法對(duì)與探測(cè)面平行的缺陷檢出效果最佳。由于盲區(qū)和分辨力的限制，其中反射法只能發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部離探測(cè)面一定距離以外的缺陷。在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，縱波速度大于其它波型的速度，穿透能力強(qiáng)，晶界反射或散射的敏感性較差，所以可探測(cè)工件的厚度是所有波型中最大的，而且可用于粗晶材料的探傷。（波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)）2.橫波法將縱波通過楔塊、水等介質(zhì)傾斜入射至試件探測(cè)面，利用波型轉(zhuǎn)換得到橫波進(jìn)行探傷的方法，稱為橫波法。由于透入試件的橫波束與探測(cè)面成銳角，所以又稱斜射法。此方法主要用于管材、焊縫的探傷;其它試件探傷時(shí)，則作為一種有效的輔助手段，用以發(fā)現(xiàn)垂直法不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。采用橫波法檢測(cè)焊縫具有很多優(yōu)越性1）波長(zhǎng)短，靈敏度高2）波束比縱波更集中，能量更集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷3）聲壓往復(fù)透射率高4）對(duì)于具有端角反射特性的缺陷，檢出率高3.表面波法使用表面波進(jìn)行探傷的方法，稱為表面波法。這種方法主要用于表面光滑的試件。表面波波長(zhǎng)很短，衰減很大。同時(shí)，它僅沿表面?zhèn)鞑?，?duì)于表面上的復(fù)層、油污、不光潔等，反應(yīng)敏感，并被大量地衰減。利用此特點(diǎn)可通過手沾油在聲束傳播方向上進(jìn)行觸摸并觀察缺陷回波高度的變化，對(duì)缺陷定位。（—）表面波的性質(zhì)：表面波即瑞利波，介質(zhì)表層質(zhì)點(diǎn)具有縱波和橫波的綜合特性。在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，遇到介質(zhì)表面裂紋，部分聲波在裂紋開口處仍以表面波的型式在介質(zhì)表面返10回，一部分聲波以表面波的波型在裂紋表面繼續(xù)向前傳播，傳到裂紋頂端，又有部分聲波反射返回，部分聲波沿裂紋繼續(xù)向前傳播。表面波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)只限于在傳播方向與垂直于表面的平面內(nèi)，其軌跡為橢圓，在表面轉(zhuǎn)折，突變處或裂紋頂端處，部分聲波轉(zhuǎn)變?yōu)榭v波或橫波型式，在工件內(nèi)部傳播。表面波聲場(chǎng)的深度范圍為2入，可探測(cè)的深度范圍也為2入。當(dāng)表面波傳播時(shí)，深度§=0.183入時(shí)，質(zhì)點(diǎn)不作水平方向振動(dòng)（在此深度上有缺陷將不會(huì)引起反射，也就是檢測(cè)不出）。此即表示表面波能檢測(cè)的最小深度（此深度對(duì)鋼材，用5MHZ,就相當(dāng)于0.1mm）。表面波的傳播速度，對(duì)平面波而言，與頻率無關(guān)，與材料的泊松比。和橫波聲速CS有關(guān)。（二）表面波產(chǎn)生11直接用石英進(jìn)行Y切割產(chǎn)生。利用縱波斜入射到工件表面產(chǎn)生表面波。探頭晶片一般用矩形晶片。實(shí)用中無近場(chǎng)長(zhǎng)度影響（N已全部在透場(chǎng)楔內(nèi)）。（即透聲楔內(nèi)縱波行程較大。）（即大于N）（三）表面波的傳播特性對(duì)表面柱孔和近表面橫孔隨孔徑增大反射率增加，頻率越高，反射率增大越快。橫孔離表面距離越近，反射率越高。對(duì)棱角邊的反射有下列特性（棱角可認(rèn)為相當(dāng)于裂紋）。用2.5~5MHZ頻率表面波，反射信號(hào)在棱角小于或等于90°時(shí)有較強(qiáng)的反射；大于90°之后，反射逐漸降低；大于170°時(shí)，棱邊反射降為零。因工件中裂紋與表面之間會(huì)成各種角度，為防止漏檢，必須從兩個(gè)方向上探測(cè)。表面波傳到棱邊時(shí)會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，變型波遇到反射面時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生反射回波，形成干擾回波。表面波傳播時(shí)，表面有油層，則表面波的垂直成份向油層輻射，衰減很大，表面回波幅度降為零。故傳播路徑上有油滴會(huì)產(chǎn)生反射，用油手拍打探頭前表面時(shí)，表面波會(huì)衰減掉。表面光潔度和材料組織對(duì)表面波傳播影響：粗糙的表面，不但聲耦合不好，而且表面波傳播過程中容易發(fā)生散射，使表面波衰減較大，（傳播方向與機(jī)加工刀痕同向，衰減小些），材料晶粒粗大，且晶粒界面對(duì)表面波減衰很大，晶粒越大，衰減作用越大。材料厚度對(duì)表面波傳播影響：材料厚度大于2入時(shí)，材料厚度對(duì)表面波傳無影響。材料厚度小于2入時(shí)，表面波衰減顯著增加。因此表面波探傷不宜在小于2入的板中進(jìn)行。表面形狀對(duì)表面波傳播影響：表面波在圓柱曲面上傳播，凸園柱曲面表面波速大于平面波速，凹圓柱曲面表面波速小于平面波速，并會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。表面波在人工槽上的反射（直角棱邊槽）與槽的長(zhǎng)度和深度有關(guān)。4.板波法使用板波進(jìn)行探傷的方法，稱為板波法。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡(jiǎn)單的試件探傷。探傷時(shí)板波充塞于整個(gè)試件，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部和表面的缺陷。板波種類：SH波－各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與板表面平行而垂直于波的傳播方向；蘭姆波一分為對(duì)稱型（S型）和非對(duì)稱型（A型）。蘭姆波產(chǎn)生蘭姆波的傳播特點(diǎn)蘭姆波探傷5.爬波法爬波檢測(cè)表面下缺陷，縱波入射角位于第一臨界角時(shí)產(chǎn)生爬波。爬波在入射平面內(nèi)有一系列波瓣，第一波瓣幅度極大值對(duì)應(yīng)的折射角emax隨入射角a增大而增大,但omax還隨f、D增大而增大，（f探頭頻率，D為晶片直徑），檢測(cè)缺陷主要利用第一波瓣極大值，可通過選擇f、D值來確定檢測(cè)表面附近缺陷的敏感程度，爬波衰減很快，回波聲壓與距離4次方成反比，檢測(cè)距離約幾十毫米。檢測(cè)時(shí)用雙探頭較有利。按探頭數(shù)目分類1.單探頭法使用一個(gè)探頭兼作發(fā)射和接收超聲波的探傷方法稱為單探頭法，單探頭法最常用。2.雙探頭法使用兩個(gè)探頭（一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收）進(jìn)行探傷的方法稱為雙探頭法，主要用于發(fā)現(xiàn)單探頭難以檢出的缺陷3.多探頭法使用兩個(gè)以上的探頭成對(duì)地組合在一起進(jìn)行探傷的方法，稱為多探頭法。按探頭接觸方式分類1.直接接觸法探頭與試件探測(cè)面之間，涂有很薄的耦合劑層，因此可以看作為兩者直接接觸，此法稱為直接接觸法。此法操作方便，探傷圖形較簡(jiǎn)單，判斷容易，檢出缺陷靈敏度高，是實(shí)際探傷中用得最多的方法。但對(duì)被測(cè)試件探測(cè)面的粗糙度要求