1、青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析1第一章 绪论1.1 超声波探伤简介超 声 波 探 伤 也 叫 超 声 检 测 、 超 声 波 检 测 ， 是 无 损 检 测 的 一 种 。 无 损 检 测 是 在 不损 坏 工 件 或 原 材 料 工 作 状 态 的 前 提 下 ， 对 被 检 验 不 见 的 表 面 和 内 部 质 量 进 行 检 查 的 一 种检 测 手 段 ， Nondestructive Testing（ 缩 写 NDT） 。 机 械 振 动 在 介 质 中 的 传 播 过 程 叫 做 波 ， 人 耳 能 够 感 受 到 频 率 高 于 16 赫 兹 ，
2、 低 于20000 赫 兹 的 弹 性 波 ， 所 以 在 这 个 频 率 范 围 内 的 弹 性 波 又 叫 声 波 。 频 率 小 于 10 赫 兹的 弹 性 波 又 叫 次 声 波 ， 频 率 高 于 20000 赫 兹 的 弹 性 波 叫 做 超 声 波 。 次 声 波 和 超 声 波 人耳 都 不 能 感 受 。 超 声 波 的 特 点 ： 1、 超 声 波 声 束 能 集 中 在 特 定 的 方 向 上 ， 在 介 质 中 沿 直 线 传 播 ， 具有 良 好 的 指 向 性 。 2、 超 声 波 在 介 质 中 传 播 过 程 中 ， 会 发 生 衰 减 和 散 射 。 3、 超
3、 声 波在 异 种 介 质 的 界 面 上 将 产 生 反 射 、 折 射 和 波 型 转 换 。 利 用 这 些 特 性 ， 可 以 获 得 从 缺 陷 界面 反 射 回 来 的 反 射 波 ， 从 而 达 到 探 测 缺 陷 的 目 的 。 4、 超 声 波 的 能 量 比 声 波 大 得 多 。5、 超 声 波 在 固 体 中 的 传 输 损 失 很 小 ， 探 测 深 度 大 ， 由 于 超 声 波 在 异 质 界 面 上 会 发 生 反射 、 折 射 等 现 象 ， 尤 其 是 不 能 通 过 气 体 固 体 界 面 。 如 果 金 属 中 有 气 孔 、 裂 纹 、 分 层 等 缺
4、陷 （ 缺 陷 中 有 气 体 ） 或 夹 杂 ， 超 声 波 传 播 到 金 属 与 缺 陷 的 界 面 处 时 ， 就 会 全 部 或 部 分 反射 。 反 射 回 来 的 超 声 波 被 探 头 接 收 ， 通 过 仪 器 内 部 的 电 路 处 理 ， 在 仪 器 的 荧 光 屏 上 就 会显 示 出 不 同 高 度 和 有 一 定 间 距 的 波 形 。 可 以 根 据 波 形 的 变 化 特 征 判 断 缺 陷 在 工 件 重 的 深度 、 位 置 和 形 状 。 超 声 波 探 伤 优 点 是 检 测 厚 度 大 、 灵 敏 度 高 、 速 度 快 、 成 本 低 、 对 人 体
5、 无 害 ， 能 对 缺陷 进 行 定 位 和 定 量 。 超 声 波 探 伤 对 缺 陷 的 显 示 不 直 观 ， 探 伤 技 术 难 度 大 ， 容 易 受 到 主 客观 因 素 影 响 ， 以 及 探 伤 结 果 不 便 于 保 存 ， 超 声 波 检 测 对 工 作 表 面 要 求 平 滑 ， 要 求 富 有 经验 的 检 验 人 员 才 能 辨 别 缺 陷 种 类 、 适 合 于 厚 度 较 大 的 零 件 检 验 ， 使 超 声 波 探 伤 也 具 有 其局 限 性 。 1.2 超声波探伤的基本原理超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。物体沿着直线或曲线在某一
6、平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波就是一种机械波。机械波主要参数有波长、频率和波速。波长?：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长，波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离，常用单位为米(m)；频率 f：波动过程中，任一给定点在 1 秒钟内所通过的完整波的个青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析2数称为频率 ，常用单位为赫兹(Hz)；波速 C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米/秒（m/s）。由上述定义
7、可得：C=? f ，即波长与波速成正比，与频率成反比；当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。它们的区别在主要在于频率不同。频率在 2020000Hz 之间的能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于 20Hz 的机械波称为次声波，频率高于 20000Hz 的机械波称为超声波。次声波、超声波不可闻。超声探伤所用的频率一般在 0.510MHz 之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为15MHz。超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。1. 方向性好：超声波
8、是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波象光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。2. 能量高：由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量。3. 能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。4. 穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。1.3 超 声 波 探 伤 设 备 的 介 绍超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件
9、内部多种缺陷（裂纹、疏松、气孔、夹杂等）的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。广泛应用在锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、管道、军工、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力、高校等行业。超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备，了解这些设备的原理、构造和作用及其主要性能的测试方法是正确选用探伤设备进行有效探伤的保证。一 超声波探伤仪1.作用超声波探伤仪的作用是产生电振荡并加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式显示出来，从而得到被探工件内部有无青海大学本科生毕业论
10、文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析3缺陷及缺陷位置和大小等信息。2.分类按缺陷显示方式分类，超声波探伤仪分为三种。A 型：A 型显示是一种波形显示，探伤仪的屏幕的横坐标代表声波的传播距离，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。B 型：B 型显示是一种图象显示，屏幕的横坐标代表探头的扫查轨迹，纵坐标代表声波的传播距离，因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C 型：C 型显示也是一种图象显示，屏幕的横坐标和纵坐标都代表探头在工件表面的位置，探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而当探头在工件表面移动时，屏上显示出被探工件
11、内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。目前，探伤中广泛使用的超声波探伤仪都是 A 型显示脉冲反射式探伤仪。二 探头超声波的发射和接收是通过探头来实现的。下面介绍探头的工作原理、主要性能及其及结构。1. 压电效应某些晶体材料在交变拉压应作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能(机械能)，探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能。不难看出超声波探头在工作时实现了电能和声能的相
12、互转换，因此常把探头叫做换能器。2. 探头的种类和结构直探头用于发射和接收纵波，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等。斜探头可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头，常用的是横波斜探头。横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝、汽轮机叶轮等。当斜探头的入射角大于或等于第二临界角时，在工件中产生表面波，表面波探头用于探测表面或近表面缺陷。双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波，另一块用于接收超声波。根据入射角不同，分为双晶纵波探头和双晶横波探头。双晶探头具有以下优点：（1） 灵敏度高青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析4（2） 杂
13、波少盲区小（3） 工件中近场区长度小（4） 探测范围可调双晶探头主要用于探伤近表面缺陷。聚焦探头种类较多。3. 探头型号探头型号的组成项目及排列顺序如下：基本频率-晶片材料-晶片尺寸-探头种类-特征三 试块按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样，通常称为试块。试块和仪器、探头一样，是超声波探伤中的重要工具。1 试块的作用（1） 确定探伤灵敏度超声波探伤灵敏度太高或太低都不好，太高杂波多，判伤困难，太低会引起漏检。因此在超声波探伤前，常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度。（2） 测试探头的性能超声波探伤仪和探头的一些重要性能，如放大线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分
14、辨力、盲区、探头的入射点、K 值等都是利用试块来测试的。（3） 调整扫描速度利用试块可以调整仪器屏幕上水平刻度值与实际声程之间的比例关系，即扫描速度，以便对缺陷进行定位。（4） 评判缺陷的大小利用某些试块绘出的距离-波幅-当量曲线（即实用 AVG）来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特别是 3N 以内的缺陷，采用试块比较法仍然是最有效的定量方法。此外还可利用试块来测量材料的声速、衰减性能等。2.试块的分类（1） 按试块来历分为：标准试块和参考试块。（2） 按试块上人工反射体分：平底孔试块、横孔试块和槽形试块1.4 国内外超声波探伤的现状、发展无损检测技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并
15、非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析5济效益十分明显。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为 5%，国防、宇航、原子能产品为 12%一 18%，火箭为 20%。例如，德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力。可见现代工业是建立在无损检测基础上的说法并不为过。随着电子技术的迅速发展，使超声波无损探伤技术和仪器也得到了相应发展与应用。早在 1929 年苏联萨哈诺夫提出利用穿透法检查固体
16、内部结构，以后利用连续超声波在实验室研究成功。随着声纳技术的发展，美、英两国分别于 1944 年和 1964 年研制成功脉冲反射式超声波探伤仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤。80 年代，随着大规模集成电路和微机技术的快速发展，1983 年德国 Krautkramer 公司推出第一台便携式数字化超声波探伤仪 USD1 型，采用的是 z80CPU，尽管有许多不足，但已显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。我国 50 年代初引进苏联超声波探伤仪，60 年代初期先后形成了一些批量生产的厂家，80 年代初，国内各生产厂研制生产的超声波探伤仪的主要技术指标均有大幅度地提高，较好地满足了超声波探伤技术的需要
17、。如汕头超声电子(集团)公司在 1980 年推出了 CTS - 22 型超声波探伤仪，其主要性能指标与当时国际同类仪器水平相当。近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多突破性进展。比如，用户友好界面操作系统软件；各种扫描成象技术；多坐标、多通道的自动超声检查系统；超声机器人检测系统等。无损检测的标准化和规范化，检测仪器的数字化、智能化、图象化、小型化和系列化工作也都取得了较大发展。我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了 ISO，ATSM 等
18、一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间仍存在很大差距。具体表现在以下几个方面：1. 检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术向自动化、智能化、图象化的进展。由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员缺乏切实的实践经验，这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。2. 专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备有待改进。从而导致目前我国产品的质量普遍存在较大问题，据测算，我国不良品的年损失约 2000 亿元。更严重的后果是产品
19、的竞争能力差，影响产品进入国际市场。3. 对无损检测技术领域的信息技术应用重视不够。我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。4. 无损检测的标准和规范多而杂。青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析6第二章超声波探伤方法超声检测方法分类的方式有多种，较常用的有如下几种：1、按原理分类：脉冲反射法、衍射时差法（TOFD） 、穿透法、共振法。2按显示方式分类：A 型显示和超声成像显示（可细分为 B、C、D、S、P 型显示等） 。3按波型分类：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。4、按探头数目分类：单探头法、双探头法、多探头法。5、按探头与试件的接触方式分
20、类：接触法、液浸法、电磁耦合法。6、按人工干预的程度分类：手工检测、自动检测。每一个具体的超声检测方法都是上述不同分类方式的一种组合，如最常用的：单探头横波脉冲反射接触法（A 型显示） 。每一种检测方法都有其特点和局限性，针对每一检测对象所采用的不同的检测方法，是根据检测目的及被检工件的形状、尺寸、材质等特征来进行选择的。2.1 按原理分类的超声检测方法超声检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、衍射时差法、穿透法和共振法。2.1.1 脉冲反射法超声波探头发射脉冲波到被检工件内，通过观察来自内部缺陷或工件底面反射波的情况来对试件进行检测的方法，称为脉冲反射法。脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法
21、和多次底波法。1.缺陷回波法根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。该方法以回波传播时间对缺陷定位，以回波幅度对缺陷定量，是脉冲反射法的基本方法。如图所示为缺陷回波检测的基本原理，当工件完好时，超声波可顺利传播到达底面，检测图形中只有表示发射脉冲 T 及底面回波 B 两个信号，如图 a 所示。青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析7若工件中存在缺陷，则在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波 F，如图 b 所示。2.底波高度法当工件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。如果工件内存在缺陷，底面回波会下降甚至消失，如图所示。这种依据底面回波
22、的高度变化判断工件缺陷情况的检测方法，称为底波高度法。底波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区，但是要求被检工件的检测面与底面平行，耦合条件一致。该方法检出缺陷定位定量不便，灵敏度较低，因此，实用中很少作为一种独立的检测方法，而是经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的、小而密集的缺陷，对于锻件采用直探头纵波检测法时常使用，如由缺陷引起的底波降低量。3.多次底波法青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析8当透入工件的超声波能量较大，而工件厚度较小时，超声波可在检测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波 B1、B2、B3、。
23、如果工件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底波回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波，如图所示。这种依据多次底面回波的变化，判断工件有无缺陷的方法，称为多次底波法。多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、检测面与底面平行的工件检测，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。2.1.2 衍射时差法衍射时差法（Time of Flight Diffraction,简称 TOFD）,是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式，该方法最早于 20 世纪 70 年代由英国原子能管理局国家无损检测研究中
24、心的哈威尔实验室的 M.G.Silk 根据超声波衍射现象首先提出来的。缺陷处的衍射现象如图所示。TOFD 技术的物理原理青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析9衍射现象是 TOFD 技术采用的基本物理原理。衍射现象的解释：波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，根据惠更斯原理，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。TOFD 工作原理TOFD 技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收
25、，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。TOFD 方法一般将探头对称分布于焊缝两侧。在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，因为声速小于纵波，因而一般会迟与底面反射波到达接收探头。TOFD 技术优越性a）一次扫查几乎能够覆盖整个焊缝区域（除上下表面盲区） ，可以实现非常高的检测速度；b）可靠性要好，对于焊缝中部缺陷检出率很高；c）能够发现各种类型的缺陷，对缺陷的走
26、向不敏感；d）可以识别向表面延伸的缺陷；e）采用 D-扫描成像，缺陷判读更加直观；f）对缺陷垂直方向的定量和定位非常准确，精度误差小于 1mm；g）和脉冲反射法相结合时检测效果更好，覆盖率 100%；青海大学本科生毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析10TOFD 技术局限性：a）近表面存在盲区，对该区域检测可靠性不够b）对缺陷定性比较困难c）对图像判读需要丰富经验d）横向缺陷检出比较困难e）对粗晶材料，检出比较困难f）对复杂几何形状的工件比较难测量2.1.3 穿透法穿透法是采用一发一收双探头分别放置在工件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来检测工件缺陷的方法。穿透法如图所示，其中（a）为无缺陷时的波形， （b）为有缺陷时的波形。2.1.4 共振法依据工件的共振特性来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。常用于工件测厚。目前很少使用共振法测厚。测厚原理，从超声波理论可知，超声波（连续波）垂直入射到平板工件底面，当工件厚度为 的整数倍时，反射波与入射波互相叠加，形成驻波，产生共振。这时工件厚度与2波速、频率的关系为：=2=2即：
