1、检测设计之超声波检测综合设计2 超声波检测仪器型号和一些基本设备2.1超声波检测仪器型号图2-1 UFD-X5型超声波探伤仪UFD-X5数字式超声波探伤仪是一款便携式、数字式超声波探伤仪，它能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（裂纹、夹杂、气孔等）的检测、定位、评估和诊断。 硕德的X系列：经济实用 性能与价格的完美结合，既要有速度，还要有灵活性；既要轻便，又要坚固；既要有准确性，还要有吸引力。X系列超声波探伤仪专为成长型企业量身定制，是追求性价比的首选。即插即用U盘存储，直观B扫动态显示，准确回波编码技术，精确10位AD采样，所有常用功能一键直达，无不站立于超声波探伤仪技术的最前沿
2、，均诠释着X系列对技术创新的孜孜求，没有任何其他经济型探伤仪能如此轻松地融合众多非凡的特性。2.1.1 UFD-X5超声波探测仪功能简介 （1）、二维编码B扫描 直观显示缺陷位置。高端探伤仪常用的二维色彩编码B扫描功能。B扫描功能图像式的观察缺陷模式，能够产生很好的对比效果，更便于缺陷的分析判断。通过:灰度/彩色调色板还可以自动显示缺陷危害程度，也可实时对比观测A扫波形和B扫图像 （2）、超大容量数据储存：2000个数据组 （3）、探伤与高精测厚一体 （4）、5条智能DAC曲线，符合JIS和API标准 （5）、实用DGS曲线:大平底、平底孔、通孔三种参考类型2.2超声波探头超声波探头是用来产生
3、与接收超声波的器件，是组成检测系统的最重要的组件之一。超声波探头的性能也是直接影响到发射的超声波的特性，影响到超声波的检测能力。图2-2斜探头示意图能够在材料中产生超声波的方式有多种，其原理均涉及将某种其他形式的能量转换为超音频的振动能量。而在超声检测中最常用是与超声探伤仪相匹配的超声探头，是利用材料的压电效应实现电声能量转换的压电换能器探头。这类探头中的关键部位的压电换能器，又称为压电晶片，是一个具有压电特性的单晶或多晶薄片或薄膜。其作用是将电能转换为声能，并将声能转换为电能。（1） 探头的结构及各部分的作用 探头的主要组成部分有压电晶片、阻尼块、电缆线、接头、保护膜和外壳。斜探头中通常还有
4、一使晶片与入射面成一定角度的斜楔。 1)晶片: 压电晶片是以压电效应发射并接收超声波的元件，是探头中最重要的元件。晶片的性能决定着探头的性能。晶片的尺寸和谐振频率，决定着发射声场的强度、距离幅度特性与指向性。晶片制作质量的好坏，也关系到探头的声场对称性、分辨率、信噪比等特性。晶片可制成圆形、方形、矩形或曲面。2）阻尼块和吸声材料：阻尼块是由环氧树脂和钨粉等按一定比例配成德阻尼材料，粘附在晶片或斜楔后面。阻尼块的作用一是对压电晶片的振动起阻尼作用；二是吸收晶片向其背面发射的超声波；三是对晶片起支撑作用。3）保护膜：压电陶瓷晶片通常都很脆，在用与试件直接接触的方式沿试件表面进行扫查，晶片很容易损坏
5、。为此，常在晶片前面粘附一层薄保护膜，以保护晶片和电极层不被磨损或破坏，某些情况下，也能改善探头与试件的耦合效果。但保护膜也会使始波宽度增大，分辨率变差，灵敏度降低。4）斜楔：斜楔是斜探头中为了使超声波倾斜入射到检测面而装在晶片前面的楔块。楔块使探头的晶片和试件表面形成一个严格的夹角，以保证晶片发射的超声波按照设定的入射角倾斜入射到斜楔与试件的界面，从而能够在界面处产生所需要的波形转换，在试件内形成特定波形和角度声束。有斜楔就一般不用保护膜。（2）探头的分类常用探头种类有直探头和斜探头两大种，但如果按波型分，又分为横波探头、表面波（瑞利波）探头、纵波探头及兰姆波探头等。按晶片数分，又分为单晶探
6、头，双晶探头。1）直探头（纵波探头）直探头用于发射和接收纵波。直探头主要用于探测晶片正下方与声束方向垂直的缺陷，其探测深度较大，适用范围较广；检测灵敏度高。2）斜探头斜探头主要用于探测斜下方不同角度方向的缺陷，其探测深度较小，适用直探头难以探测的部位；检测灵敏度较高。其中常用的有横波斜探头等。横波斜探头是入射角在第一临界角与第二临界角之间且折射波为纯横波的探头，适宜探测与检测面成一定角度的缺陷，广泛用于焊缝、管材、锻件的检测。横波斜探头的标称方式常用两种：一种是以横波折射角来标称。如=40，45，60等；另一种是以折射角的正切值（）来标称。=1.0，1.5，2.0，2.5等。3）双晶探头双晶片
7、声场重叠区域灵敏度最高，一般用于定向定位检测，探测深度较小；检测灵敏度较高。常用探头型号：（1）2.5B20Z；（2）5P66K3。2.3超声波试块（1）试块的分类为了保证检测结果的准确性与可重复性、可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样（试块）对检测系统进行校准。超声检测用试块通常分为两种类型，即标准试块（校准试块）和对比试块（参考试块）。（2）标准试块标准试块具有规定的材质、表面状态、几何形状与尺寸，可用以评定和校准超声检测设备。标准试块通常由权威机构讨论通过，其特性与制作要求有专门的标准规定。1)标准试块的基本要求标准试块的材料、热处理状态、表面粗糙度、外形和尺寸要求均有严格规定。材料
8、应易于加工，不易变形和腐蚀，具有良好的声学性质。制作时，应确认材质均匀、无杂质、无影响使用的缺陷。图2-3 标准试块标准试块外形加工的平行度、垂直度与尺寸精度均应经过严格检验并符合图样要求。尺寸允许公差一般在0.1mm以内。检测面的表面粗糙度一般应优于Ra1.6um。试块中的平底孔应经硅橡胶覆型并检验其直径、孔底表面粗糙度、平面度等。检验后，平底孔应清洗干燥后进行永久性封堵。对于标准试块，还应测量其声学性能。 2）CSK-IA试块的主要用途CSK-IA 试块是 JB1152-1981锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声检测中规定的标准试块。CSK-IA试块较多用于焊缝横波检测，也是本课设所使用的试块
9、。校验超声检测仪的水平线性、垂直线性和动态范围：用50mm或100mm尺寸。调节横波时基线比例和范围，用50mm和100mm尺寸。测定斜探头在深度方向的分辨力。图2-4 对比试块可直接测出横波斜探头的k值。(3） 对比试块的主要用途CSK-IIIA试块使用壁厚范围为6mm120mm的焊接接头。调节时基线比例和探测范围。测定斜探头的k值。测定横波AVG曲线。调节检测灵敏度。 进行缺陷定量。 2.4耦合剂（1) 耦合剂的作用为了改善探头与试件间声能的传递而加在探头和检测面之间的液体薄层称为耦合剂。当探头和试件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100%，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入试件
10、。耦合剂可以填充探头与试件间的空气间隙，使超声波能够传入试件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减少探头和试件之间的摩擦，防止试件表面磨损探头，并使探头便于移动。(2）常用耦合剂常用耦合剂有水、甘油、全损耗系统用油、变压器油、化学浆糊等。水的优点是来源方便；缺点是容易流失，容易使试件生锈，有时不易润湿试件。液浸检测中最常使用水作耦合剂，使用时可加入润湿剂和防腐剂等。甘油的优点是声阻抗大、耦合效果好；缺点是要用水稀释，容易使试件形成腐蚀坑，价格较贵。全损耗系统用油（俗称机油）和变压器油的附着力、粘度、润湿性都较适当，也无腐蚀性，价格不贵，因此是最常用的耦合剂。本文焊缝检测
11、也是使用此机油作为耦合剂。化学浆糊的耦合效果比较好，也是一种常用的耦合剂。3 焊缝的选择及常见缺陷类型介绍3.1焊缝的选择随着工业和科技的不断发展,焊缝超声波检测的主要方法和技术要点也日益提高，焊接接头形式有等厚平板对接、变截面平板对接、角型接、T 型接等。本文检测的零件为对接接头式的焊缝，实物图如图3-1所示。焊接接头的缺陷包括外部缺陷和内部缺陷，外部缺陷有：焊缝尺寸不符合要求、未焊透、咬边、焊瘤、表面气孔、表面裂纹等，通常采用目视检测、磁粉检测、渗透检测等方法对这些缺陷进行检测；内部缺陷有：气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等，如图3-2所示，图3-1 厚度为16mm钢板焊缝超声检测主要目的
12、是为了检测出焊接接头中存在的内部缺陷。 3.2常见的焊缝缺陷类型简单介绍(1)气孔 气孔是在焊接过程中焊接熔池高温时吸收了过量的气体或冶金反应产生的气体，在冷却凝固之前来不及逸出而残留在焊缝金属内所形成的空穴。产生气孔的主要原因是焊条或焊剂在焊前未烘干，焊件表面污物清理不净等。气孔大多呈球形或椭圆形。气孔分为单个气孔、链状气孔和密集气孔。(2)未焊透未焊透是指焊接接头部分金属未完全熔透的现象。产生未焊透的主要原因是焊接电流过小，运条速度太快或焊接规范不当（如坡口角度过小，根部间隙过小或钝边过大等）。未焊透分为根部未焊透、中间未焊透和层间未焊透等。(3)未熔合 未熔合主要是指填充金属与母材之间没
13、有熔合在一起或填充金属层之间没有熔合在一起。产生未熔合的主要原因是坡口不干净，运条速度太快，焊接电流过小，焊条角度不当等。未熔合分为坡口面未熔合和层间未熔合图3-2 焊接中常见缺陷(4) 夹渣夹渣是指焊后残留在焊缝金属内的熔渣或非金属夹杂物。产生夹渣的主要原因是焊接电流过小，速度过快，清理不干净，致使熔渣或非金属夹杂物来不及浮起而形成的。夹渣分为点状和条状。(5) 裂纹裂纹是指在焊接过程中或焊后，在焊缝或母材的热影响区局部破裂的缝隙。按裂纹的取向可分为纵向裂纹和横向裂纹。焊缝中的气孔、夹渣是立体型缺陷，危害性较小。而裂纹、未熔合是平面缺陷，危害性大。在焊缝探伤中，由于余高的影响及焊缝中裂纹、未
14、焊透、未熔合等危害性大的缺陷往往与检测面垂直或成一定的角度，因此一般采用斜射横波接触法，在焊逢两侧进行扫查。4 超声波检测的过程4.1 检测前的准备(1) 选择探头1）K值的选择探头K值的选择应从以下三个方面考虑：a. 使声束能扫查到整个焊缝截面；b. 使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直；c. 保证有足够的探伤灵敏度设工件厚度为T，焊缝上下宽度的一半分别为a和b，探头K值为K，探头前沿长度为L0，则有：K（a+b+L0）/T一般斜探头K值可根据工件厚度来选择，较薄厚度采用较大K值，如814厚度可选K3.0K2.0探头,以便避免近场区探伤，提高定位定量精度；较厚工件采用较小K值，以便缩短声程，
15、减小衰减，提高探伤灵敏度。如1546厚度可选K2.0K1.5探头，同时还可减少打磨宽度。在条件允许的情况下，应尽量采用大K值探头。探头K值常因工件中的声速变化和探头的磨损而产生变化，所以探伤前必须在试块上实测K值，并在以后的探伤中经常校验。2）频率选择焊缝的晶粒比较细小，可选用比较高的频率探伤，一般为2.55.0MHz。对于板厚较小的焊缝，可采用较高的频率；对于板厚较大，衰减明显的焊缝，应选用较低的频率。(2) 探头移动区宽度焊缝两侧探测面探头移动区的宽度P一般根据母材厚度而定。图4-1 探头移动区和检测区厚度为846mm的焊缝采用单面两侧二次波探伤，探头移动区宽度为： P2KT+50 (mm
16、)厚度为大于46mm的焊缝采用双面两侧一次波探伤，探头移动区宽度为： P KT+50 (mm)式中K-探头的K值； T-工件厚度。工件表面的粗糙度直接影响探伤结果，一般要求表面粗糙度不大于6.3m，否则应予以修整(3) 耦合剂的选择在焊缝探伤中，常用的耦合剂有机油、甘油、浆糊、润滑脂和水等，实际探伤中用的最多的是浆糊和机油。而本次设计用到的耦合剂是机油。 4.2 探头测定与仪器的调节(1) 探头测试1）斜探头入射点的测试斜探头的入射点是指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对缺陷定位和测定探头的K值。将斜探头放在CSK-IA
17、试块上，使R100的圆弧面反射回波达到最高时斜楔底图4-2 用CSK-IA试块斜探头入射点的测试面与试块圆心的重合点就是该探头的入射点。这时探头的前沿长度L0为：L0 = R- MR为试块圆弧的半径；M为探头前端部至试块圆弧面边缘的距离。2）测定斜探头K值斜探头K值是指被探工件中横波折射角的正切值: K=tgsK值的测定一般常用CSK-IA试块上的50孔来进行，具体方法是将探头对准试块上的50孔，找到最大反射回波，并测出探头前沿至试块端面的距离L，则：K=tgs = （L+l0-35）/30图4-3 用CSK-IA试块测定斜探头K值斜探头K值的测定，也可以用CSK-IIIA试块在调节仪器扫描线
18、比例时同时进行。具体方法是在测定某一深度的1*6短横孔时，找到孔的最大反射回波后用入射点至该孔的水平距离除以该孔的深度值，商即为K值。可用不同深度的孔测得数值反复计算几次求得平均值，这样较为精确。(2) 扫描线比例的调节1）按水平调节水平调节是使示波屏的水平刻度值直接显示反射体的水平投影距离。该方法多用于较薄厚度（824）焊缝的检测。图4-4 调节仪器使两弧面反射波B1和B2同时分别对准水平距离刻度常用CSK-IA或CSK-IIIA试块进行调节。CSK-IA试块调节方法如下：根据所用探头的实测K值，先计算出R50 ，R100对应的水平距离l1和l2：l1= KR50/ l2 = 2l1然后将探
19、头同时对准CSK-IA试块上的R50和R100，调节仪器使两弧面反射波B1和B2同时分别对准水平距离刻度l1和l2如图4。则水平距离扫描速度为1：1。CSK-IIIA试块调节方法如下：a.先将始脉冲对准零点再左移10mm，使入射点大致对零点；b.将探头对准试块上20深的横孔，找到最高反射回波A，量出水平距离l1，调整微调旋钮使A波前沿对准水平刻度l1，并记住读数；c.将探头对准试块上40深的横孔，找到最高反射回波B，量出水平距离l2，若此时示波屏上的B波读数与水平距离l2不符应计算出二者的水平读数差值 = l2 X 若为正值，应将B波向大读数移动，顺时针转动微调旋钮将B波调至X+2。若为负值，
20、应将B波向小读数移动至X-2。d.用脉冲位移旋钮将B波调至l2。再用探头找到A波看水平位置是否与l1相符，若相符则水平1：1调整完毕。若不相符，则重复用A、B波反复调至与读数相符。2）按深度调节深度调节是使示波屏的水平刻度值直接显示反射体的垂直深度。该方法多用于较大厚度（2446）焊缝的检测。深度调节可在CSK-IA或CSK-IIIA试块上进行。CSK-IA试块调节方法如下：根据所用探头的实测K值，先计算出R50 ，R100对应的深度数值d1和d2：d1= R50/ d2 = 2d1然后将探头同时对准CSK-IA试块上的R50和R100，调节仪器使两弧面反射波B1和B2分别对准示波屏刻度值d1
21、和d2。例如：当K=2.0时，d1=22.4，d2=44.8，反复调节仪器的微调和脉冲位移旋钮使B1和B2分别对准示波屏刻度值22.4和44.8，则深度1：1调整完毕。CSK-IIIA试块调节方法如下：a.将探头对准试块上20深的横孔，找到最高反射回波A，调整微调旋钮使A波前沿对准水平刻度20处.b.再将探头对准试块上40深的横孔，找到最高反射回波B，若此时示波屏上的B波读数不在40处，应计算出二者的深度读数差值 = 40X 若为正值，应将B波向大读数移动，顺时针转动微调旋钮将B波调至X+2。若为负值，应将B波向小读数移动至X-2。c.用脉冲位移旋钮将B波调至40处。再用探头找到A波看水平位置
22、是否在刻度20上，若相符则深度1：1调整完毕。若不相符，则重复用A、B波反复调至与读数相符。4.3 距离-波幅(dB)曲线的绘制与应用缺陷波高与缺陷大小及距离有关，大小相同的缺陷由于距离不同，回波高度也不相同。描述某一确定反射体回波高度随距离变化的关系曲线称为距离-波幅曲线。距离-波幅曲线(简称DAC曲线)由判废线、定量线和测长线（又称评定线） 组成图4-5 距离-波幅(dB)曲线如图4-5所示，测长线与定量线之间（包括测长线）称为I区，定量线与判废线之间（包括定量线）称为II区，判废线及以上区域称为III区。不同板厚范围的距离波幅曲线的灵敏度见下表：试 块板厚mm测长线定量线判废线CSK-I
23、IIA8151*6-12dB1*6-6dB1*6+2dB15461*6-9dB1*6-3dB1*6+5dB表4-1 JB4730不同板厚范围的距离波幅曲线的灵敏度(1) 曲线的制作（设板厚T=30）1）先测定好探头的入射点和K值，根据板厚将扫描线比例调整为深度1：1。2）将探头置于CSKIIIA试块上，依次分别对准1070mm深的1*6短横孔，调节衰减器，使不同深度的孔的最高反射回波达到基准高度（一般定为满屏的60%），记下不同孔深的相应dB值，依次填入表5-2，并将该板厚对应的判废线、定量线和测长线灵敏度dB值再加上表面补偿-4dB一同分别依次填入表4-2。3）利用表4-2中所列数据，以孔深
24、为横坐标，以dB值为纵坐标，在坐标纸上依次描点连接分别绘出判废线、定量线和测长线，标出I区、II区和III区，并注明所用探头的频率、晶片尺寸和实测K值等。距离（孔深）mm10203040506070波幅(dB)1*648433935.5322926.51*6+5-4 dB（RL）49444036.5333027.51*6-3-4 dB（SL）41363228.5252219.51*6-9-4 dB（EL）35302622.5191613.5表 4-2 不同孔深对应的判废线、定量线和测长线灵敏度dB值（表面补偿） (2) 距离-波幅(dB)曲线的应用1）调整检测灵敏度：JB4730标准要求检测扫
25、查灵敏度不低于最大声程处的测长线灵敏度。这里T=30，二次波扫查最大深度为60，由表4-2 可知深度60处的测长线灵敏度为16 dB，因此将衰减器读数调至16dB，则扫查灵敏度调整完毕（同样用一次波扫查时可将衰减器读数调至26 dB即可）。2）比较缺陷大小：例如探伤中发现两缺陷，缺陷1 、d1=10mm,波高为44dB，缺陷2 、d2=20mm,波高为42dB，试比较二者大小。由上表可以看出，缺陷1波高44dB，比相同深度的定量线（SL）高3dB。缺陷2波高42dB，比相同深度的定量线（SL）高6dB，所以缺陷2比缺陷1波高还要高出3dB。因此缺陷2比缺陷1大。3）确定缺陷所在区域：以上两缺陷
26、均位于定量线（SL）以上，但没有超出判废线（RL），因此两缺陷均位于II区，应测定缺陷长度，再根据长度平定级别。4）测定缺陷指示长度：以上述缺陷1为例，由上表或查曲线图可知，该深度位置的测长线（EL）灵敏度为35dB，则将仪器的衰减器调为35dB，将探头对准缺陷沿焊缝方向平行移动至波高降到基准高度即满屏的60%为止，该位置即缺陷指示长度的一端起点。然后将探头向相反方向平行移动，同样至波高降到基准高度即满屏的60%为止，该位置即缺陷指示长度另一端的起点。两点间的距离就是缺陷1的指示长度。4.4 扫查方式在中厚板焊缝检测中常用如下几种扫查方式：(1) 锯齿型扫查如图5-6 探头以锯齿的路线进行运动
27、，每次前进的齿距不得超过探头晶片直径，间距过大会造成漏检。为发现与焊缝成一定角度的倾斜缺陷，探头在做前后锯齿运动时，可同时作 1015转动。 图4-6 锯齿型扫查 (2) 斜平行和平行扫查为了发现并检出焊缝或热影响区的横向缺陷，可将探头沿焊缝两侧边缘与焊缝成一定角度（1030）做斜平行扫查，见图4-7 。对于磨平的焊缝可直接在焊缝及热影响区作平行移动，见图4-8。 图4-7 斜平行扫查 图4-8 平行扫查(3)其他方式扫查1）左右扫查与前后扫查：如图4-9 当用锯齿扫查发现缺陷后，可用左右扫查与前后扫查找到缺陷的最大回波，用左右扫查来确定缺陷沿焊缝方向的指示长度；用前后扫查来确定缺陷的水平距离
28、或深度。图4-9 发现缺陷后的四种基本扫查方法2）转角扫查：发现缺陷后用转角扫查可以大致推断缺陷的方向，如图9。3）环绕扫查：发现缺陷后用环绕扫查可以大致推断缺陷的形状，如图9。用此种方法扫查时，如果单一回波的高度变化不大，则可判断为点状缺陷，如果回波的高度变化较大，则可判断为面积缺陷。 4.5 缺陷的测定与评定检测中发现缺陷波后，应根据示波屏上缺陷波位置以及探头与焊缝的距离，来确定缺陷在焊缝中的实际位置。还应根据不同距离的波高确定缺陷的大小以及指示长度。(1) 缺陷位置的测定 1）水平定位法：扫描线比例按水平1：1调节，发现缺陷示波屏上缺陷波前沿所对应的刻度值tf就是缺陷的水平距离lf。.
29、用一次波探伤发现缺陷时： lf = n tf df = lf/K 用二次波探伤发现缺陷时： lf = n tf df = 2T-lf/K 例如： 用K2探头探伤T=15mm的对接焊缝，按水平1：1调节扫描速度，探伤中示波屏上水平刻度50处发现一缺陷波，求此缺陷的位置。解：由题可知一、二次波的水平距离为： L1 = KT=2*15=30 L2 =2 KT=2*2*15=60 30 lf = 50 60 可见此缺陷是二次波发现的，它的水平距离和深度分别为： L1 = n tf =1*50 = 50(mm) df = 2T-lf/K =2*15 -50/2= 50(mm)2）深度定位法：当仪器扫描线
30、比例按深度1：1调节时，示波屏上缺陷波前沿所对应的刻度值为tf。用一次波探伤发现缺陷时： df = n tf lf = K df 用二次波探伤发现缺陷时： df = 2T- n tf lf = K n tf例如： 用K2探头探伤T=40mm的对接焊缝，按深度1：1调节扫描速度，探伤中在示波屏上水平刻度30和60处各发现一缺陷波，求这两个缺陷的位置。解：由题可知：tf1 = 30 T = 40，说明F1是一次波发现的。其深度和水平距离分别为： df1 = n tf1 = 30 (mm) lf1 = K df1 = 2*30 = 60 (mm) 又由题可知：40tf2 = 60 80，说明F2是二次波发现的。其深度和水平距离分别为： df2 = 2T- n tf2 =2*30= 60 (mm) lf2 = K n tf2 =2*60 = 120 (mm)(2) 缺陷大小的测定 1）缺陷波幅度与指示长度的测定：见P.4（2. 距离-波幅(dB)曲线的应用）部分内容。2）缺陷指示长度计量的规定：当焊缝中存在两个或两个以上的相邻缺陷时要计量缺陷总长。JB4730-2005规定：当相邻两缺陷间距小于较小缺陷长度时，以两
