1、第四章 焊缝超声波探伤第三节 焊缝超声波探伤定位超声波探伤定位的方法是利用已知尺寸的试块(或工件) 作为反射体来调节探伤仪的时间轴，然后根据反射波出现在时间轴上的位置，确定缺陷的位置。一、斜探头定位与直探头定位的区别纵波探伤时定位比较简单，如探测 100mm 厚的工件，可把底面回波调在 10 格，则每格代表工件中的声程(或垂直距离 )为 100/10=10(mm)。( 因耦合层极薄，可忽略不计 )。探伤时，若在 6 格出现缺陷波，则缺陷离工件表面的距离为 610=60mm。横波探伤时的定位比较复杂(见图57 所示) ，与纵波探伤相比有三点区别： 超声波射到底面时无底面回波(故时间轴需在试块上预
2、先调节 )； 有机玻璃斜楔内一段声程OO(称斜探头本体声程) 在中薄板焊缝探伤定位时不能忽略，必须加以考虑。 超声波的传播路线为 OOAB(或 OOB)折线，定位时，必须得用三角公式进行计算。二、斜探头探伤定位基本原理焊缝探伤前，一般先进行斜探头入射点和折射角的测定，以及时间轴的调节。故入射点 O 和折射角是已知的，示波屏上扫描线每格所代表的距离( 可以是水平距离、垂直距离或声程) 也是可知的。这样，在直角三角形中，知道一只角、一条边、则其他两条边也可求出，故缺陷位置(缺陷离探头入射点的水平距离和深度 )便可确定。根据时间扫描线调节方法的不同，可分三种定位法：1. 水平定位法即时间扫描线与水平
3、距离成相应的比例关系。2. 垂直定位法即时间扫描线与深度距离成相应的比例关系。3. 声程定位法即时间扫描线与声程距离成相应的比例关系。一般板厚24mm 时，用水平定位法、板厚32mm 时用垂直定位法。时间轴的调节，其最大测定范围应在 1S1.5S 之间(1S 为一个跨距的声程距离)。三、焊缝超声波探伤定位的常用方法多年来，不少厂矿企业中的检测人员根据自己产品的特点，经过不断摸索、反复实践，已总结出了好多简便、有效的定位方法，下面仅介绍几种常用的定位方法。1. 计算法计算法定位是应用得比较早的一种方法。由于采用计算法定位比图 47 横波探伤定位示意图图 48 计算法定位原理较麻烦，故目前已很少应
4、用。但此法是探伤定位的基础，掌握其原理后，在实际探伤中将有很大帮助，故作为一种方法介绍。其定位原理见图 48 所示。图中：A横孔；孔深；O入射点；折射角；l 横波在钢中声程；l 0有机玻璃本体声程；S 1入射点到横孔的水平距离；x 0探头中纵波声程在示波屏上所占格数；x 1钢中横波声程在示波屏上所占格数；x整个声程所占的格数；l 0有机玻璃中本体声程转换成相当于钢中横波声程。根据声速比则有： 00l2.173l从图中可看出： tgS1 0l.sinS则示波屏上每格所代表的水平距离为：(44)tgxcosl2.1xil2.tx0001当使用探头折射角=67 、l 0=12mm、x 取 5 格，则
5、根据式(44) 可求得不同板厚时的Sx 值，见表 43：表 43 不同板厚时的 Sx 值板厚 T(mm) 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Sx(mm) 8.3 9.2 10.2 11.2 12.1 13.0 14.0 14.9 15.9 16.3探伤时，若已知缺陷波在波屏上的格数 x，则缺陷离探头入射点的水平距离为： x1S)(S同理，当采用深度定位法时，则每格所代表的垂直距离 Sy 为：(45)xl2.cos0y当采用声程定位法时，则每格所代表的声程距离为：(46)l.1S0计算法水平定位步骤如下： 测入射点 O； 测折射角 ； 扫射孔深等于板厚的横孔 A，找到最高
6、回波，调至 5 格(x=5)； 按式(44) 计算 Sx 值，或查表 Sx 值； 探伤中出现缺陷波，其缺陷水平距离 ；x1)(S 缺陷深度 。tgH例如，用上述探头探测板厚(T)为 20mm 的焊缝，探伤中在示波屏 4 格出现一个缺陷波，求缺陷到探头入射点的水平距离。解：缺陷到探头入射点的水平距离 x1S)(S式中： m4736.20tgTS1x=5， =4；x则 =47(54)12.1 35 mm答：缺陷离探头入射点的水平距离为 35 mm。计算法定位具有如下优点：a. 定位原理比较清楚；b. 底波位置明确；c. 一次底波调到 5 格时，示波屏最大测定范围肯定大于 1S；d. 调节时间轴可用
7、试块，也可在工件上进行调节；e. 对于厚度较大的工件，如 T=200mm 以上，则斜探头本体声程 l0 可忽略，其定位方法和直探头相似。例如工件厚度 T=200mm，将一次底波调到 10 格，则每格就代表深度 20mm。探伤时若 5 格出现缺陷波，则缺陷的深度即为 100mm。2. 圆弧面试块比较法由于此法调节时间轴比较简便，故目前应用最普遍。时间扫描线调节可利用下述圆弧面试块：IIW 试块的 R100 圆弧面和圆心槽口；IIW2 试块的 R25 和 R50 圆弧面；CSKIA 的 R50、R 100 圆弧面，以及半圆试块的两个圆弧面等。调节时只要将探头入射点对准圆心，通过调节仪器的水平和细调
8、，将圆弧面反射波( 和圆心处槽口的反射波 )调到所需要的位置。时间轴调节方法举例如下：例题 1：要求用 K2 探头在 CSKIA 试块上以水平 11 调节时间轴。调节方法如下： 探头入射点对准圆心(见图 49 所示) ； 分析可能产生的圆弧面反射波(R 50、R 100)； 计算圆弧面的水平距离；S1=R50sin63.4=44.7mm，S 2=R100sin63.4=89.4mm 或 ，21K50S。122K0 要求水平 11，表示每格代表水平距离 10mm，则将两圆弧面反射波通过水平、细调分别调到 格和 格； 47.094.810 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表水
9、平距离10mm。图 49 水平和垂直 11 调节法例题 2：要求 K2 斜探头在 CSKIA 试块上，以垂直 11 调节时间轴。调节方法如下： 探头入射点对准圆心； 分析可能产生的圆弧面反射波(R 50、R 100)； 计算圆弧面的垂直距离；H1= R50cos63.4 22.3mm，H 2= R100cos63.4=44.7mm 或 ， 21K50H122K0 要求垂直 11，表示每格代表垂直距离 10mm，则将两圆弧面反射波通过水平和细调分别调到 格和 格(见图 49 所示) ；23.07.410 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表垂直距离10mm。例题 3：要求 K
10、2 斜探头在 R33.3 的半圆试块上，以水平 11 调节时间轴。调节方法如下： 探头入射点对准圆心； 分析可能产生的圆弧面反射波(R 33.3 和 R33.33)； 计算圆弧面的水平距离：S1= R33.3sin63.430mm；3S1=3R33.3sin63.4 90mm； 将 两 个 回 波 分 别 调 到3 格 和 9 格 (见 图 410 所示 )； 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始示波屏每格代表水平距离 10mm。各种试块调节时间轴的方法见图411 所示。a. 声程 12( 或测定范围为 200mm)每格代表声程 20mmb. 声程 11(或测定范围为 100mm)每格代表
11、声程 10mmc. 测定范围：125mm 声程 11.25d. 垂直 11(每格代表垂直距离 10mm)例题 1：用 K2 斜探头，以水平 11 调节时间轴，探测厚度为 20mm 的工件，探伤时，在3 格和 6 格出现两个缺陷波，求这两个缺陷的位置。解：因为是水平 11 调节时间轴，缺陷波在 3 格，即表示缺陷离探头入射点的水平距离为 30mm，缺陷距探测面深度为：。m5230KH缺陷波在 6 格，表示缺陷离探头入射点的水平距离为 60mm，则缺陷深度为：。图 410 半圆试块水平 11 调节示意图显然 HT，表示超声波经过底面反射到缺陷，此时，缺陷离工件表面的深度为：2TH=220 30=1
12、0mm(a) 声程 12(或测定范围为 200mm) (b) 声程 11( 或测定范围为 100mm)第格代表声程 20mm 第格代表声程 10mm(c) 测定范围：125mm 声程 11.25 (d) 垂直 11( 第格代表垂直距离 10mm)图 411 各种试块调节时间轴的方法示意图例题 2：用 K2 斜探头，以垂直 11 调节时间轴，探测厚度为 40mm 的工件，探伤时，在3 格和 6 格出现两个缺陷波，求这两个缺陷的位置。解：因为是垂直 11，故缺陷波 1 在 3 格出现，表示缺陷深度为 30mm。缺陷 1离探头入射点的水平距离为：l1=KH=230=60mm。缺陷波 2 在 6 格出
13、现，表示缺陷 2 的计算深度为60mm，此时，HT，则缺陷2 的实际深度为：2TH=24060=20mm。缺陷 2 离探头入射点的水平距离为：l2=KH=260=120mm。3. 薄板试块 11 法图 412 薄板试块及其时间轴的调节薄 板 试 块 的 尺 寸 及 时 间 轴 调 节 方 法 见 图 412 所示。薄板试块的尺寸为 320150mm，距试块两端 30mm，各钻了一个 1 的柱孔和一个1 的横孔。时间轴调节方法如下：将探头前沿与试块 1 柱孔对齐，适当提高灵敏度，此时荧光屏上会同时出现两个反射波，前面一个是 1 柱孔回波，后面一个是板边反射回波。通过调节水平和细调旋钮将这两个反射
14、回波分别解在 3 格和 6 格上，这时，时间轴就调成水平 11 关系，即示波屏每一格代表水平距离 10mm(3 格开始，从前沿算起) 。对于一般规格的斜探头，其探头前沿距离和本体声程相加，基本接近钢的水平距离 30mm，此时始波接近零位。对于大尺寸斜探头，其探头前沿距离和本体声程相加，大于钢中水平距离30mm，此时始波不在零位，而是偏左。对于小尺寸斜探头，则始波在零位右边。定位方法举例：用 K2 斜探头(前沿距离为 18mm)以薄板试块 11 调节时间轴，探测工件厚度为16mm 的焊缝，若在 6 格出现一个缺陷回波，求此缺陷离探头入射点的水平距离和垂直距离。解：缺陷波在 6 格出现一个缺陷回波
15、，表示缺陷离探头前沿的水平距离为30mm，则缺陷离探头入射点的水平距离为：l=30+18=48mm缺陷深度为 T， m248K缺陷离工件表面深度为：2TH=21624=8mm。答：此缺陷离探头入射点的水平距离为 48mm；离工件表面的深度为 8mm。4. 横孔试块比例法横孔试块比例法是用两个不同孔深的横孔作为反射体来调节时间轴，使水平距离或被探测深度与示波屏刻度板上反射波位置成一定比例，前者为水平定位法，后者为垂直定位法，见图 413 所示。用横孔试块比例调节时间轴时，由于 A 孔和 B 孔反射回波不会同时出现在示波屏上，所以需前后反复校验。从以上介绍的几种不同定位方法来看，圆弧面试块比例法比
16、较简便，故应重点掌握。要求能够在给定任何型式试块、任何探头时，均能调到指定要求的比例，同时，还要求在探测不同声速材料时，能进行正确定位。例题 1：用 K2 斜探头，要求在 IIW 试块上以水平 11 调节时间轴解：根据圆弧面试块比例法的调节方法如下： 探头入射点对准圆心 分析可能产生的反射回波(R 100 和圆心槽口)； 计算反射回波的水平距离：S1= R100sin63.4=89.4mm，S2=2 R100sin63.4=178.8mm； 要求水平 11，表示每格代表水平距离 10mm，则应将两个反射回波分别调在 格和 格；94.8108.70. 由于示波屏只有 10 格，无法看到 17.8
17、8 格，为此，需借助仪器的延迟开关先将 R100 的圆弧面反射波调到 0 格，槽口反射波调在 8.94 格，然后，通过延迟开关将R100 圆弧面反射波调到 8.94 格，这样，槽口反射波就在 17.88 格；见图 414 所示。 此时斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表水平距离10mm，即达到水平 11 的要求。图 413 横孔试块比例法 图 414 延迟法调节时间轴例题 2仪器测距标度已校准为每格相当于钢(C s=3230m/s)的横波声程 20mm，现用 K1 斜探头探测厚度为 40mm，横波声速为 4100m/s 的板材，发现一缺陷回波显示于标度 6格上，求此缺陷的声程、水平距离和垂直距离各为多少？解：由于声速改变，斜探头折射角也跟着变化： 89.032417.03241sini 板中的折射角为：= 6354且板材中每格所代表的声程也跟着变化，。m152304263041l 板材中的声程为 152mm，这样，缺陷的水平距为：sin= 152sin6354 。l 6缺陷深度 6354 Tcos152cosl 7缺陷离工件表面的深度为 2T67mm=13mm。答：缺陷的声程距离为 152mm，水平距离为 136mm，缺陷离工件表面的深度为13mm。
