直接接触法超声波探伤

基础知识

超声波探伤的实质是：首先将工件被检部位置于一个超声场中，工件若无不连续分布，则超声场在连续介质中的分布是正常的。若工件中存在不连续分布，则超声波将在异质界面产生反射、折射和透射，使超声场的正常分布受到影响。使用一种方法测出这种异常分布相对于正常分布的变化，并找出它们之间变化的规律，这就是超声波探伤的任务。

超声波探伤方法按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。

（1）脉冲反射法 超声波探头发射脉冲波到被检试件内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法，称为脉冲反射法。脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法，如图5-15所示。

图5-15  脉冲反射法

（2）穿透法 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法，如图5-16所示。

图5-16  穿透法

（3）共振法 依据试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。共振法常用于试件测厚。

脉冲反射法是目前运用最广泛的一种探测方法，就其本身来说，它又可分为许多种方法。

焊缝的超声检测采用直接接触法。

在探头和工件探伤面之间涂以很薄的结合剂层，可看作两者直接接触，采用这种声波耦合方式的超声波探伤方法称为直接接触法。探伤中，它主要采用A型显示脉冲反射法工作原理，由于操作方便、探伤图形简单、判断容易和探伤灵敏度高，在实际生产中得到最广泛地应用。

垂直入射法与斜角探伤法这两种方法是直接接触法探伤的基本方法。

1.垂直入射法

该方法采用直探头将声束垂直入射到工件探伤面进行探伤，简称垂直法，又称纵波法。如图5-17所示。

（1）当直探头在探伤面上移动时，无缺陷处示波屏上只有始波T、底波B，如图5-17 （a）所示；

（2）若探头移到有缺陷处且缺陷反射面比声束小时，则示波屏上出现始波T、缺陷波F和底波B如图5-17（b）所示；

（3）当探头移到大缺陷处（缺陷比声束大）时，则示波屏上只出现始波T、缺陷波F，如图5-17（c）所示。

图5-17  垂直入射法

纵波探伤最适于发现与检测面平行或近于平行的缺陷。

2.斜角探伤法

它是采用斜探头将声束倾斜入射到工件探伤面进行探伤的方法，简称斜射法，又称横波法，如图5-18所示。

图5-18  斜角法探伤

当用斜探头探伤时，无缺陷时示波屏上只有始波T，如图5-18（a）所示，因为声束在底面产生反射，在工件内以“W”形路径传播，故没有底波出现。

当工件存在缺陷而缺陷与声束垂直或倾斜角很小时，声束被反射回来，此时示波屏上显示出始波T、缺陷波F，如图5-18（b）所示。

当探头接近板端时，声束将被端角反射回来，在示波屏上将出现始波T和端角波B，如图5-18（c）所示。

焊缝探伤，有时采用一发一收二个斜探头，并由专用夹具固定成组，对焊缝进行所谓的串列式扫查，称串列斜角探伤法，如图5-19所示。前边为发射探头，其发射声束遇到缺陷时产生的反射波会被后边的接收探头所接收。在示波屏上出现始波T、伤波F。探伤时，仪器的探头必须处在一发一收的工作状态。串列斜角探伤对垂直于探伤面且具有平滑反射面的缺陷的检出非常有效。例如：焊缝边界未熔合（窄间隙焊极易产生）。

图5-19  串列斜角探伤

斜角探伤法能发现与探侧表面成角度的缺陷，常用于焊缝、环状锻件、管材的检查。在焊缝探伤中，必须熟悉斜角探伤法的几何关系，有助于判断缺陷回波并进行有关缺陷位置参数的计算，如图5-20所示。

图5-20  焊缝斜角探伤用语

跨距点A：声束中，二线经底面反射后到探伤面的一点。

跨距P：探头入射点（O）至跨距点（A）的距离。

直射法：在0.5跨距的声程以内，超声波不经底面反射而直接对准缺陷的探伤方法，又称一次波法。

一次反射法：超声波只在底面反射一次而对准缺陷的探伤方法，又称二次波法。

缺陷水平距离l：缺陷在探伤面的投影点至探头入射点的距离。

简化水平距离l′：缺陷在探伤面的投影点至探头前端的距离。

缺陷深度h：缺陷距探伤面的垂直距离。

根据三角函数基本公式：可有

0.5跨距 P0.5=δtgγ

跨距 P=2δtgγ

缺陷深度（直射） h=scosγ

缺陷深度（一次反射） h=2δ-s cosγ

水平距离 l=s sinγ

水平距离与深度间关系：

①直射法

l=h tgγ=kh

式中 δ—工件厚度（mm）；

S—声程（mm）；

k—探头k值；

γ—探头折射角。

②一次反射法

L=（2δ－h）k

h=2δ－l/k

任务实施

探伤前的准备

1.检验等级的选择

按GB 11345–89规定，根据质量要求，检验等级分为A、B、C三级。检验的完善程度A级最低，B级一般，C级最高。检验工作的难度系数按A（1）、B（5～6）、C（10～12）顺序逐级增高。各检验等级的检验范围见表5-6。

表5-6 相应检验等级的主要检验项目汇总

各等级的检验范围如下：

（1）A级检验 A级检验仅适用于母材厚度8～46 mm的焊接接头的检测，一般用一种K值探头，可采用直射波法和一次反射波法（或称为二次波法）在焊接接头的单面单侧进行检测。一般不要求进行横向缺陷的检测，适用于普通钢结构。

（2）B级检验

①母材厚度在8～46 mm时，一种K值，直射波法和一次反射波法，单面双侧进行检测。

②母材厚度在46～120 mm时，一种K值，直射波法，双面双侧进行检测，如受几何条件限制，也可在双面单侧或单面双侧，两种K值探头进行检测。

③母材厚度在120～400 mm时，两种K值，直射波法，双面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°。

④应进行横向缺陷的检测。检测时，可在焊接接头两侧边缘，使探头与焊接接头中心线成10°～20°，作两个方向的斜平行扫查。如焊接接头余高磨平，探头应在焊接接头及热影响区上作两个方向的平行扫查，一般适用于压力容器。

（3）C级检验

①采用C级检验时，应将焊接接头的余高磨平，对焊接接头两侧用斜探头扫查，经过的母材区域要用直探头进行检测。

②母材厚度在8～46 mm时，一般用两种K值探头采用直射波法和一次反射波法在焊接接头的单面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°，其中一个折射角应为45°。

③母材厚度在46～400 mm时，一般用两种K值探头采用直射波法在焊接接头的双面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°。对于单侧坡口角度小于5°的窄间隙焊缝，如有可能应增加对检测与坡口表面平行缺陷有效的检测方法。

④应进行横向缺陷的检测。检测时，将探头放在与焊缝及热影响区上作两个方向的平行扫查。适用于重要承压设备及管道。

2.距离波幅曲线和探伤灵敏度的选定

（1）距离波幅曲线 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—波幅曲线如图5-21所示，该曲线族由评定线（EL）、定量线（SL）和判废线（RL）组成。

评定线与定量线之间的区域（含评定线）称为Ⅰ区，定量线与判废线之间（含定量线）称为Ⅱ区，判废线以上区域（含判废线）称为Ⅲ区。

3.距离—波幅曲线的绘制方法及应用

图5-21  距离—波幅曲线

（1）距离—波幅曲线绘制

①测定入射点和K值；

②如按深度1∶1，在CSK–ⅢA试块探测不同深度 1×6短横孔；

③抑制为零，将探头对准深10 mm 1×6孔找到最高点，调节“增益”使波高达基准波高（50%）；

④探测其他深度的 1×6短横孔，分别找到最高点；

⑤根据所测得的不同深度 1×6短横孔回波达基准高时相应的衰减器读数，及所探焊缝板厚要求列出三条线的表；

⑥根据上述表中数据，做出距离—波幅曲线。

（2）距离—波幅曲线应用 距离—波幅曲线一般用于调整探伤灵敏度和测定缺陷大小。

4.灵敏度的确定

探伤灵敏度是指在确定的探测范围内的最大声程处发现规定大小缺陷的能力。它是仪器和探头组合后的综合指标，可通过调节仪器上的“增益”“衰减器”等灵敏度旋钮来实现。

探伤灵敏度的确定：

例如GB/T 11345–89规定：距离—波幅曲线由判废线（RL）、定量线（SL）和评定线（EL）组成，不同检验等级的各线灵敏度见表5-7。

表5-7 灵敏度的确定

检测横向缺陷时，应将各线灵敏度均提高6 d B。

注意：探伤灵敏度越高，发现缺陷的能力就越强。但当灵敏度过高时，由于多种原因会使信噪比下降，所以，灵敏度也不是越高越好。

5.探头的选择

（1）探头型式的选择 根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件选择探头型式。

原则：声束轴线与缺陷反射面相垂直。焊缝宜选择斜探头。

（2）晶片尺寸选择 晶片尺寸增大，声束指向性好、声能集中，对探伤有利。但近场区长度增大，对探伤不利。

实际探伤中，大厚度工件或粗晶材料探伤宜采用大晶片探头；较薄工件或表面曲率较大的工件，选用小晶片探头。

（3）频率选择 频率是制定探伤工艺的重要参数。频率高，探伤灵敏度和分辨力均提高，且指向性亦好，这对探伤有利。但频率高又使近场区长度增大、衰减大等，对探伤不利。

粗晶材料、厚大工件宜选用较低频率；晶粒细小、薄壁工件用较高频率。焊缝探伤选用2～5 MHz，推荐采用2～2.5 MHz。

（4）探头角度或K值的选择 原则上根据工件厚度和缺陷方向性选择，即尽可能探测到整个焊缝厚度并使声束尽可能垂直于主要缺陷。

焊缝探伤中，薄工件宜采用大K值探头，提高分辨能力和定位精度。大厚度工件宜采用小K值探头，有利于缩短声程。减小衰减损失，提高探伤灵敏度。

若从探伤垂直于探伤面的裂纹考虑，K值越大，声束轴线与缺陷反射面越接近于垂直，缺陷回波声压就越高，即灵敏度越高。

对有些要求比较严格的工件，探伤时采用多K值、多探头进行扫查，以便于发现不同取向的缺陷。

探头角度或K值与板厚的关系见表5-8。

表5-8 探伤面及使用折射角

6.探伤仪的选择

探伤仪应按有关标准和规程要求选用，需要考虑的情况如下：

（1）定位要求高，应选择水平线性误差小的仪器。

（2）定量要求高，应选择垂直线性好、衰减器精度高的仪器。

（3）大型工件的探伤，应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。

（4）为有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力好的仪器。

（5）室外现场探伤，应选择重量轻、示波屏亮度好、抗干扰能力强的携带式仪器。

此外，探伤仪还应性能稳定、重复性好和可靠性高。

7.耦合剂的选用

耦合剂：为使声束能较好地透过界面射入工件中，在探头与工件之间施加一层透声介质。

耦合剂的作用是排除空气、填充间隙、减少探头磨损，便于探头移动。

选择时应考虑以下要求：

（1）能润湿工件和探头表面，流动性、黏度和附着力适当。

（2）声阻抗要大，透声性能好。

（3）来源广，价格便宜。

（4）对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。

（5）性能稳定、不易变质，能长期保存。

常用的耦合剂有机油、变压器油、甘油、化学糨糊、水及水玻璃等。焊缝探伤中多采用化学糨糊和甘油。

水常用于自动检测系统中，流动性好，价格便宜。甘油在较小工作量的情况下采用，声阻抗大，耦合效果好。机油及变压器油附着力、黏度、润湿性都较适当，无腐蚀性、价格又不贵，是最常用的耦合剂。化学糨糊的耦合效果与机油及变压器油差别不大，且具有较好的水洗性，也是一种常用的耦合剂。

8.探伤面的选择与准备

根据不同的检验等级和板厚来选择探伤面，见表5-6、表5-8。同时，探伤前必须对探头需要接触的焊缝两侧表面，进行清除飞溅、浮起的氧化皮和锈蚀等修整，表面粗糙度不大于Ra 6.3 μm。要求去除余高的焊缝，应将余高打磨到与邻近母材平齐。保留余高的焊缝，如焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等，也应进行适当的修磨并作圆滑过渡。

9.探伤方法的选择

应考虑工件的结构特征，并以所采用的焊接方法容易生成的缺陷为主要探测目标，结合有关标准来选择，见表5-8。

10.补偿

在探伤实践中，对表面粗糙度差异（工件与试块之间）和与曲面接触两种情况，均需采取补偿措施，以保证其灵敏度。

拓展提高

液浸法

液浸法是将工件和探头头部浸在耦合液中，探头不接触工件的探伤方法。根据工件和探头浸没方式，分为全没液浸法、局部液浸法和喷流式局部液浸法等。

液浸法当用水作耦合介质时，称作水浸法。水浸法探伤时，探头常用聚焦探头。其探伤原理和波形如图5-22所示，超声波从探头发出后，经过耦合层再射到工件表面，有一部分声能将被工件表面反射回来而形成一次界面反射波S1。同时，大部分声能传入工件，若工件中存在缺陷时，传入工件的声能的一部分被缺陷反射形成缺陷反射波F，其余声能传至工件底面产生底面反射波B。因此，探伤波形中T～S1、S1～F及F～B之间的距离，各对应于探头到工件底面之间各段的距离。当改变探头位置时，探伤波形中T～S1的距离也将随之改变，而S1～F、F～B的距离则保持不变。

图5—22  水浸聚焦探伤原理和波形

1—探头  2—工件  3—缺陷  4—水  T—始波  S1—一次界面反射波  F—缺陷波B—工件底波  S2—二次界面反射波

用液浸法探伤时，应注意使探头和工件之间耦合介质层有足够厚度，以避免二次界面反射波S2出现在工件底波B之前。一般要求探头到工件表面的距离应在工件厚度的1/3以上。

液浸法探伤由于探头与工件不直接接触，因而它具有探头不易磨损，声波的发射和接收比较稳定等优点。其主要缺点是需要一些辅助设备，如液槽、探头桥架、探头操纵器等。另外，由于液体耦合层一般较厚，因而声能损失较大。