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1、摘 要 本毕业设计的课题是板材焊缝超声波探伤测试。主要任务是在掌握过程设备制造流程和焊接缺陷及其产生原因的基础上，研究超声波探伤技术在钢制压力容器对接焊接接头探伤检测中的应用，并给出焊缝返修的具体方案。 本文详述了国内外超声检测技术的发展和现状，并在简述过程设备制造、焊接及无损探伤的基础上详细介绍了超声波探伤技术及其在焊缝无损探伤中的应用及评定等级和注意事项。 针对给定的板材焊缝，通过实验检测该焊缝的缺陷，本文详细介绍了试块选用，设备调试，现场探伤中的常见问题及解决方法。同时给出了现场探伤、缺陷定位和长度测量的具体方法，并通过GB11345-89标准对试验中检测到的缺陷进行了等级评定并得出了检
2、测工艺卡。关键词：焊缝；超声波探伤；试块；缺陷评定目 录摘要I1.绪论11.1选题的背景及意义11.2 超声检测技术的发展历程和现状22.过程设备制造及焊接缺陷22.1过程设备制造工艺流程22.2 常见焊接缺陷及产生原因23.超声探伤技术23.1无损探伤23.2 超声探伤23.3 横波斜探头探伤24.焊缝的超声波探伤及缺陷评定24.1 焊缝超声波探伤的具体实施过程24.2 超声检测中缺陷的定量分析25.钢板焊缝超声探伤实验25.1 超声波探伤实验设备及仪器调校25.2 现场探伤25.3 超声探伤缺陷评定2结论2参考文献2致谢2附录2631.绪论1.1选题的背景及意义过程设备是各个工业部门不可缺
3、少的重要生产设备，用于供热、供电和储存各种工业原料及产品，完成工业生产过程必需的各种物理过程和化学反应。因此它成为石油、化工、电站、核能和军工等工业部门的重要生产装备。其制造工艺以焊接为主，质量要求比较高。焊缝质量直接决定着压力容器的使用安全和使用寿命，因此在制造和使用过程中的焊缝检测显得尤为重要。因此，迫切需要寻找一种高效、经济、简便可行的无损检测技术及缺陷评定方法。无损检测技术主要包括射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、声发射等方法其中超声波探伤和射线探伤是检测压力容器焊缝内部缺陷的主要手段。超声波探伤以其探伤距离大、探伤装置体积小、重量轻、便于携带、检测速度快、检测费用低等优势，在
4、过程设备制造和在役检测工作中得到越来越多的应用。由于历史的原因，在用过程设备的检验、检测及缺陷评定仍存在很大的问题。具体表现在：在役过程设备(其中包括国外进口设备)由于设计、制造与安装等所采用的标准不统一，其检验、检测要求难以统一，制造质量难以保证，给设备的维护和在用管理带来很大难度。过去对过程设备的验收管理不严，导致了现今在役设备焊缝中存着大量超标缺陷。焊接缺陷的类型主要包括未焊透、未熔合、裂纹、气孔及夹渣等。国内外关于缺陷评定的标准不统一。这些缺陷如不进行定期检查及有效的安全评定而盲目使用势必会造成重大恶性事故，给企业带来重大的经济损失。因此，怎样实现对焊缝内部缺陷的精确定位、定量和定性分
5、析及缺陷评定，是需迫切解决的课题。在焊缝缺陷检测中，超声检测是目前公认的最有效的常规无损检测方法之一，与其它常规检测相比具有明显的优势。焊缝超声检测一方面以其较为经济、操作轻便灵活而在质量控制和在役设备安全性能检查中得到广泛的应用，而在另一方面由于焊缝超声检测的不直观性，以及检测人员、检测对象、仪器探头等诸多因素，可能产生漏检或误判。因此，针对超声检测技术显示不直观，探伤技术难度大以及探伤结果不便保存等技术难点，深入学习和掌握超声检测技术，在搞清原理、掌握使用的同时发挥创新精神探索超声检测过程中的出现的问题并加以解决。针对焊缝内部缺陷的超声波检测及安全评定过程中所涉及的关键性问题进行系统的分析
6、，并依据缺陷检测所得到的结果进行缺陷评定具有重要意义。基于以上原因，本文重点研究过程设备制造工艺、焊接缺陷的成因及焊缝内部缺陷的超声波检测方法，并选用GB11345-89标准进行缺陷评定和质量分级，从而对焊接缺陷进行有效的安全评定。1.2 超声检测技术的发展历程和现状无损探伤技术是检测压力容器焊缝内部缺陷的主要手段。无损探伤是指利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态的所有技术手段的总称。工业生产中常用的无损检测方法有射线检验(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测
7、(MT)和液体渗透检测(PT) 四种。其中射线探伤和超声波探伤是检测压力容器焊缝内部缺陷的主要手段。1.2.1 国际超声检测技术的发展历程和现状无损检测技术历经一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，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。超声无损检测技术(UT)作为四大常规检测技术之一，由于其与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高；成本低，使用方便，速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点，因而世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。目前，国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI和NDT向NDE过渡。无
8、损探伤(NDI)、无损检测(NDT)和无损评价(NDE)是无损检测发展的三个阶段。超声波无损探伤是初级阶段，它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下，发现其人眼不可见的内部缺陷，以满足工业设计中的强度求。超声无损检测是近20年来应用最广泛的术语，它不仅要检测最终产品，而且还要对生产过程的有关参数进行监测。超声无损评价是超声检测发展的最高界，不但要探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。本文建立在NDI的基础上，在过程装备制造与维护过程中，对焊缝进行有效检测，并进行缺陷分析和计算，从而对过程装备进行有效的安全评估。1.2.2我国超声无损检测发展现状近
9、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
10、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。更严重的后果是产品的竞争能力差，焊缝的超声波检测技术研究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
11、多而杂。我们相信，随着超声检测的广泛应用和对超声检测重视程度的不断提高，我国的超声检测将获得更加快速的发展和进步。2.过程设备制造及焊接缺陷本章主要介绍过程设备制造过程、产生的常见的焊接缺陷，以及产生这些缺陷的原因。2.1过程设备制造工艺流程过程设备的生产工艺流程大致为下料、成型、焊接、无损检测、组对焊接、无损检测、热处理、压力试验几个阶段。下面分别简要介绍个流程的注意事项。2.1.1.选材及下料过程设备的选材主要依据设计文件、合同约定及相关的国家标准及行业标准。压力容器材料的种类有碳钢、低合金钢、不锈钢、特殊材料（复合材料、钢镍合金、超级双相不锈钢、哈氏合金）其中最常用材料为16MnR，20
12、R等压力容器专用钢。分举如下：碳素钢：20号钢、20R、Q235；低合金钢：16MnR、16MnDR、09MnNiDR、15CrMoR、16Mn；高合金钢：0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti；尿素级材料：X2CrNiMo18.143mol （尿素合成塔中使用，有较高耐腐蚀性）。(1) 下料工具与下料要求气割多用于碳钢下料，等离子切割多用于合金钢、不锈钢下料剪扳机多用于8L2500板材下料其切边为直边，锯管机多用于接管下料。(2) 椭圆度要求： 为了保证加工精度内压容器要求椭圆度1%D；且25 ，换热器要求DN1200椭圆度0.5%DN且5 ，DN1200时要求椭圆度0.5%D
13、N且7塔器椭圆度要求如表21所示。对于多层包扎内筒要求椭圆度0.5%D，且6 。表21 塔器椭圆度对照表DN（500，1000）（1000，2000）（2000，4000）（4000，+）椭圆度510 1520(3) 直线度要求： 一般容器当L30000时直线度L/1000 ，L30000时直线度按塔器要求取值。对于塔器L15000时直线度L/1000 ，L15000直线度0.5L/1000+8 。换热器L6000时直线度L/1000且4.5 ，L6000时直线度L/1000且8 。2.1.2 焊接(1) 焊前准备与焊接环境 为了保证过程设备焊接质量，焊条、焊剂及其他焊接材料的贮存库应保持干燥
14、，相对湿度不得大于60%。当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊： a.手工焊时风速大于10m/s b.气体保护焊时风速大于2m/s c.相对湿度大于90% d.雨、雪环境 (2) 焊接工艺 a.容器施焊前的焊接工艺评定，按JB4708进行 b.A、B类焊接焊缝的余高不得超过GB150的有关规定 c.焊缝表面不得有裂纹、气孔、弧坑和飞溅物 (3) 焊缝返修 焊逢的同一部位的返修次数不宜超过两次。如超过两次，返修前均应经制造单位技术总负责人批准，返修次数、部位和返修情况应记入容器的质量证明书。 对于要求焊后热处理的容器，一般应在热处理前进行返修。如在热处理后返修时，补焊后应做必
15、要的热处理2.1.3压力容器的热处理(1) 正火 a.目的：细化晶粒，提高母材及常化处理焊缝的综合机械性能，消除冷作硬化，便于切削加工。 b.方法：把要正火的零件放入加热炉中加热到一定温度按每毫米1.5分2.5分保温出炉空冷，风冷或雾冷。 c.应用：16MnR高温保温时间过长，使奥氏体晶粒大（正火）35锻件（正火）封头，筒体（正火） (2) 调质处理： a.目的：提高零件的综合机械性能。 b.方法：淬火+高温回火（500以上）。得到索氏体。 c.应用：封头，筒体，法兰，管板等。20MnMo20MnMoNb13MnNiMoNb9009502分3.5分/mm水冷+空冷。 螺栓螺母：35CrMoA2
16、5Cr2MoVA35CrMoVA 30Mn40Mn35CrMoA 硬度HB=187229用亚温淬火。 (3) 固溶处理：（针对奥氏体不锈钢）即在室温条件下保留奥氏体。 a.目的：将零件加热使碳化物溶到奥氏体中，再以足够快的冷却速度将碳化物固定在奥氏体中。具有最低的强度、最高塑性、最好的耐蚀性。 b.应用：封头 c.方法：加热到10001150，以2分到4分/保温后快冷，然后水冷，再进行空冷。 (4) 焊后热处理：（消除应力，退火）一般热处理：SRISR a.目的：A.改善焊接接头及热影响区的组织和性能。 B.消除焊接和冷作硬化的应力。 C.防止产生焊接裂纹。 b.方法：A.优先采用炉内整体消除
17、应力方法（另一法：把容器视为加热炉，在设备内部加热外壳保温） 99版压力容器规则：（高压容器、中压反应器、储存容器、石油液化器储罐）不能用内部加热法。 B.分段热处理：一端在炉内，采取适当保温措施以防有害的温度梯度（重复加热的长度1.5m）3.6m加氢反应器，长26m C.对环缝进行局部消除应力处理加热宽度：焊缝中心线每侧2倍板厚。 c焊后热处理工艺： A.炉温400以下装炉 B.升温速率5000/T（有效厚度）/h且200/h C.保温时间T50mm，25mm/hT50mm保温时间=（150+T）/100 D.降温速率：400以上，6500/T/h且260/h d.过程设备焊后热处理的注意事
18、项 A容器整体消应力处理须在整体制造完经检验合格后，水压试验之前进行。 B.严禁火焰直射工作产生过热或过烧。 C.产品试板（含母材试板）挂片试样等应与容器同炉PWHT 2.1.4压力试验和气密性试验 (1) 压力试验 压力试验按试验介质不同分为液压试验及气压试验。 a.液压试验 液压实验一般采用水，需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验后应将水渍清楚干净。当无法达到这一要求时，应控制水的氯离子含量不超过25mg/L。 液压试验方法： 1）试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽。试验过程中，应保持容器观察
19、表面的干燥； 2）试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长时间对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验； 3）对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，然后进行夹套内的液压试验； 4）液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。 b.气压试验 气压试验应有安全措施。该安全措施需经试验单位技术总负责人批准，并经本单位安全部门监督检查。试验所用气体为干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体。 气压试验时压力应缓慢上升，至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，然后对所
20、有焊接接头和连接部位进行初次泄漏检查，如有泄漏，修补后重新试验。初次泄漏检查合格后，再继续缓慢升压至规定试验压力的50%，其后按每级为规定压力的10%的级差逐级增至规定试验压力。保压10min后将压力降至规定试验压力的87%，并保持足够长的时间后再次进行泄漏检查。如有泄漏，修补后再按上述规定重新试验。 (2) 气密性试验 容器需经液压试验合格后方可进行气密性试验。试验压力、试验介质和检验要求按照图样上的注明。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后保压10min，然后降至设计压力，对所有焊接接头和连接部位进行泄漏检查。小型容器亦可浸入水中检查。如有泄漏，修补后重新进行液压试验和气密性试验. 最
21、后产品各项技术指标合格打印钢号及挂铭牌，压力容器制造完成。2.2 常见焊接缺陷及产生原因2.2.1 焊缝中常见的焊接缺陷影响焊缝机械性能的焊接缺陷有裂纹、未焊透、未熔合、夹渣和气孔等。此外，还有焊瘤、咬边等表面缺陷。下面就这些缺陷加以叙述。(1) 裂纹裂纹是一种具有尖锐端头且其开口位移长、长宽比极高的断裂型非连续性、锯齿形缺陷，它是焊缝中最危险的缺陷，其形成原因是由于焊接中熔融金属凝固时的收缩，以及母材在焊接工程中加热不均匀，使熔融金属与母材都处于张力状态所致，所以在焊缝内或热影响区容易产生裂纹。焊接裂纹有许多种类，根据其产生场所来区分可分为焊缝金属裂纹和热影响区裂纹。另外，根据发生温度可区分
22、为高温裂纹和低温裂纹。根据其大小可区分为宏观裂纹和微观裂纹。焊缝金属裂纹除了用肉眼能看到的各种裂纹外，还有用显微镜勉强能看到的微小裂纹。焊接金属裂纹分为凝固温度范围或稍低于这一温度的高温裂纹和约在300以下发生的低温裂纹。热影响区裂纹在非常靠近焊缝金属处发生，钢的场合，有约在500以上发生的高温裂纹和约在300以下发生的低温裂纹两种。在低合金高强度钢中，响区常发生缝边裂纹和焊道下裂纹。此外，还发生与焊道平行的纵向裂纹和与焊道垂直的横向裂纹。一般，缝边裂纹在焊接后几分钟内发生，焊道下裂纹在焊接后几小时发生，横向裂纹则经过时间后发生。低温裂纹是由于焊缝的形状和约束状态以及氢气对焊缝金属和热影响区硬
23、化现象的影响而产生的。由于氢的原因，在焊接后经长时间发生的裂纹称延迟裂纹。为了检出裂纹，必接经24小时以上时间后进行无损探伤。(2) 未焊透在焊缝的坡口处或根部，由于电弧未将母材熔化或未填满熔化金属所引起的缺陷，称为未焊透。不完全焊透时坡口的根部或铲根不充分时坡口的底部残留着未熔合部分，成为未焊透。坡口角度过小或根部间隙过于狭窄时容易产生未焊透。多数情况是连续产生一定长度的未焊透。特别是在背面不可能进行焊接的管材缝容易产生。也有沿焊接线全长产生未焊透的极端情况。(3) 未熔合所谓未熔合系指母材与焊缝金属（焊条熔化进入坡口的金属）没熔合及在焊接中前层焊缝金属和后续焊缝金属未熔合。坡口角度过小，母
24、材或前层焊缝金属熔合不充分时，和焊接时焊缝的表面附着的熔渣和氧化物清除不彻底时产生熔合不良。后者多在熔合不良缺陷中含有熔渣，多数情况下不能清楚地和夹渣区别。(4) 夹渣夹渣是焊接时熔池里熔渣未浮出而残留在焊缝中的缺陷。熔渣的一部分常残存在焊接金属内部，另一种情况是，当附着在下层焊接金属表面上的熔渣清除不彻底时，在上层焊接中不熔化而残存着。一般来说前者较小且分布均匀，反之，后者在多数情况下较大且形状不规则。夹渣的发生位置常沿着结合部位发生。焊缝中的夹渣主要是氧化物、硫化物等夹杂物。(5) 气孔气孔是在焊接金属中存在的球状孔洞。这是在金属冷却时，包含在熔化金属中的气体析出，没有完全浮到表面就凝固而
25、留在金属中引起的。形成气孔的气体多数情况下是氢和二氧化碳气体，另外，还有焊条干燥不充分和电弧保护不好等原因。细小气孔数量多的情况称为多孔性，长而连续的情况称为虫形气孔。在使用低氢焊条时焊道的起点和二氧化碳气体焊缝，容易产生密集气孔。在初层焊接中常产生直线状气孔。2.2.2 焊缝缺陷产生的可能因素综合2.1.1所述，常见的焊接缺陷大致与下述因素有关。见表2-1。表2-2 焊接缺陷产生的可能因素因素裂纹未焊透夹渣气孔焊瘤咬边材料照管不当材料选用焊机保养电源与接地夹具与转胎工具与焊工管理焊条选用焊条保管焊接设计坡口尺寸及类型装配精度焊接位置焊接顺序焊接条件焊接操作标准注：-关系密切；-关系不大。3.
26、超声探伤技术3.1无损探伤3.1.1无损探伤种类及特点无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查一种测试手段。常用的无损探伤方法有射线探伤、超声探伤、磁粉探伤、渗透探伤和涡流探伤。下面分别介绍。(1) 射线探伤 射线探伤（RT）是利用电磁波穿透工件，完好部位与缺陷部位透过剂量有差异，其程度与这两部分的材质、射线强度和透过方向与缺陷尺寸有关，从而形成缺陷影像。射线探伤的主要特点如下： 1）图片上有完好部位与缺陷部位的黑度差形成的缺陷平面投影影象，一般 无法测量缺 陷的深度； 2)基本不受焊缝厚度限制； 3)要求焊缝双面靠近，检验成本高，时间长； 4)对操作
27、人员有射线损伤 射线探伤有利于检验出夹渣、气孔等体积形缺陷。对平行于射线方向的开口性缺陷有检出能力(2) 超声探伤 超声探伤是利用弹性波在缺陷部位形成反射或衍射的方法提取缺陷信号，其信号强度与波的类型、探伤频率，缺陷的尺寸、取向及其表面状态以及完好部位和缺陷部位的材质有关。超声探伤的主要特点如下： 1)显示器屏幕上缺陷波的幅度与位置代表缺陷的尺寸与深度，一般较难测量缺 陷真实尺寸，只有采用衍射波法可测缺陷高度； 2)厚度小于8mm时，要求特殊检验方法； 3)焊缝只须单面靠近，检验时间短，成本低； 4)对操作人员无损害。 超声探伤有利于检出裂纹类面积形缺陷。（3）磁粉探伤磁粉探伤是将焊缝磁化利用
28、缺陷部位的漏磁通可吸附磁粉的现象得以形成缺陷痕迹以达到探伤效果的检测手段。磁粉探伤限于检验铁磁材料，要完全接近与工件表面，缺陷性质容易辨认，油漆与电镀面基本不影响检验灵敏度，但应做层膜厚度对灵敏度影响的试验。磁粉检测可以用来检表面与近表面缺陷。（4）渗透探伤渗透探伤的原理是利用毛细作用将带有颜色的渗透液喷涂在焊缝表面上，使其渗入缺陷内，清洗后施加显象剂显示缺陷彩色痕迹。渗透检测适用于各种金属工件，不要电源，缺陷性质容易辨认，渗透操作到显示缺陷约半小时。能够检测出光洁与清洁表面开口缺陷。（5）涡流探伤 涡流探伤是利用探头线圈内流动的高频电流可在焊缝表面感应出涡流的效应，有缺陷会改变涡流磁场引起线
29、圈输出(如电压或相位)变化来反映缺陷。涡流探伤检验参数控制相对困难，检验结果的解释稍微困难。可检验各种导电材料焊缝与堆焊层表面与近表面缺陷。3.1.2焊缝探伤方法的选择焊接结构的无损检测是检验其焊缝质量的有效方法，一般包括超射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、声发射和涡流探伤等方法。其中超声和射线探伤适合于焊缝内部缺陷的检测，磁粉、渗透和涡流探伤则适用于焊缝表面的检验。每一种无损检测方法都有其优点和局限性，因此应根据焊缝的材质与结构形状来选择合适的检测。综合分析各种检测方法的特点。不同材质焊缝探伤方法的选择见下表3-1.表3-1不同材质焊缝探伤方法的选择 检验方法检验对象超声探伤射线探伤
30、磁粉探伤渗透探伤涡流探伤铁素体钢焊缝 内部缺陷 表面缺陷奥氏体钢焊缝 内部缺陷 表面缺陷铝合金焊缝 内部缺陷 表面缺陷其他金属焊缝 内部缺陷 表面缺陷塑料接头焊缝注：很适合 ：适合 ：有附加条件时适合 ：不适合3.2 超声探伤3.2.1超声波探伤方法超声波探伤作为无损检验的一种重要手段，在工业上已获得广泛的应用。目前，从仪器品种、探头种类、探伤方法、自动化水平等各方面都在不断的革新和发展中。在超声波探伤中，由于使用的波型、发射和接收的方法、信号的显示方式、探头与工件耦合的特点、工件形状和缺陷类型、实现探伤的手段等都不相同，所以从不同的方面出发，就可以按不同的归纳方式分类。如按自动化程度可以分为
31、自动化探伤、半自动化探伤、手工探伤：按缺陷在荧屏上显示的方式可以分为：显示缺陷深度及反射波幅度的A型显示、显示在横截面上缺陷的形状和分布情况的B形显示、显示水平截面上缺陷形状和分布情况的C型显示。所以，要想把探伤的方法按一种格式严格分类是不可能的，现仅就常用的金属超声波探伤方法综合归纳于下表。表3-2常用超声波探伤方法的分类 脉冲反射法是目前运用最广泛的一种超声波探伤法。它使用的不是连续波，而是有一定持续时间按一定频率发射超声脉冲。探伤结果用示波器显示。脉冲发射法包括纵波直探头探伤法及横波斜探头探伤法两种。3.2.2 超声探伤的设备与器材超声检测设备与器材包括超声检测仪、探头、试块、耦合剂等，
32、其中仪器和探头对超声检测系统的能力起关键性作用。了解其原理、构造和作用及其主要性能，是正确选择检测设备与器材并进行有效检测的保证。(1) 超声波探伤仪超声探伤仪是超声检测的主体设备，它的主要作用是产生电震荡并施加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时接收来自探头的电信号，将其放大后以一定方式显示出来，从而得到被检工件中有关缺陷的信息。超声波检测仪按其指示参量可以分为以下三类： 第一类指示声的穿透能量，称为穿透视检测仪。这种仪器发射频率不变的超声连续波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。这种仪器灵敏度低，且不能确定缺陷深度位置，须从两侧接近工件，目前已很少使用。第二
33、类指示频率可变的超声连续波在工件中形成驻波的情况，可用于共振测厚，但由于只适宜检查与检测面平行的缺陷，目前已很少使用。第三类指示脉冲波的幅度和运行时间，称为脉冲波检测仪。这类仪器通过探头向工件周期性地发射一持续时间很短的电脉冲，激励探头发射脉冲超声波，并接收从工件中反射回来的脉冲波信号，通过检测信号的返回时间和幅度判断是否存在缺陷和缺陷大小等情况，称为脉冲反射式超声检测仪。目前还出现了采用一发一收双探头方式，接收从工件中衍射回来的脉冲波信号，通过检测信号的返回时间来判断是否存在缺陷和缺陷大小等情况，称为衍射时差法超声检测仪，目前也在迅速的发展之中。脉冲波检测仪的信号显示方式可分为A型显示和超声
34、成像显示，其中超声成像显示又可分为B、C、D、S、P型显示等类。其中A型脉冲反射式超声检测仪是适用范围最广、最基本的一种类型。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
35、工件表面移动时，屏上显示出被探工件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。除了上述按照原理的差异分类以外，根据采用的信号处理技术，超声检测仪还可分为模拟式和数字式。目前使用的超声检测仪多为数字式。(2) 探头超声波探头是组成超声波检测系统的最重要组件之一。探头的性能直接影响超声检测能力和效果。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
36、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，
37、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：a.灵敏度高b.杂波少盲区小c.工件中近场区长度小d.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。2） 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-特征基本频率：用阿拉伯数字表示，单位为MHz。晶片材料：用化学元素缩写符号表示。晶片尺寸：用阿拉伯数字表示，单位为mm。探头种类：用汉语拼音缩写字母表示。探头特征：斜探头钢中折射角正切值（K值）用阿拉伯数字表示。(3) 耦合剂超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超
38、声耦合好。为了改善探头与工件间声能的传递，而加在探头和检测面之间的液体薄层称为耦合剂。耦合剂可填充探头与工件间的空气间隙，使超声波能够传入工件，这是使用耦合剂的主要目的。耦合剂还有减少磨擦的作用。常用耦合剂有水、甘油、机油、变压器油、化学糨糊等。水的优点是来源方便，缺点是容易流失，容易使工件生锈，有时不易润湿工件。液浸检测中常使用水作耦合剂，使用时可以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，容易使工件形成腐蚀坑，价格较昂贵。机油和变压器油的附着力、黏度、润湿性都较适当，也无腐蚀性，价格又不贵，因此是最常用的耦合剂。化学糨糊的耦合效果比较好，也是一种常用的耦合剂
39、。(4) 试块试块是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。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a.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。b.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、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头的入射点、K值等都是利用试块来测试的。a.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。b.评判缺陷的大小利用某些试块绘出的距离-波幅-当量曲
40、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。此外还可利用试块测量材料的声速、衰减性能等。2）试块的分类a.按试块来历分为：标准试块和对比试块。b.按试块上人工反射体分：平底孔试块、横孔试块和槽形试块等。3）焊缝探伤常用试块举例a.W试块 W试块是标准试块其结构尺寸如图3-1所示。W试块材质相当于我国20号钢，正火处理，晶粒度78级。在焊缝探伤中多用于仪器调试。b.RB-2试块 RB-2试块是GB11345-1989钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果中规定的焊缝检测用对比试块。结构尺寸如图3-2所示。RB-2试块主要用于厚度
41、为8100mm的对接焊缝检测，材质与被检材料的声学性能相同或相近。图3-1 W试块图3-2 RB-2试块3.3 横波斜探头探伤技术目前检查焊缝内部质量最常用的是射线和超声波探伤法。对于焊缝中的危险缺陷裂纹、未焊透，尤其是微裂纹和轻微未焊透，用超声波探伤比用射线更容易发现，而且超声波探伤还具备仪器简单、检查速度快等特点，因此被广泛应用。在焊缝探伤中，由于焊缝加强高的影响及焊缝中存在的缺陷往往是与探测面近于垂直或形成一定角度，所以在一定情况下采用超声波倾斜入射到工件内部的探伤方法，即横波斜探头法进行。3.3.1 横波斜探头探伤原理 横波斜探头探伤技术是利用超声波倾斜入射到界面时，产生的波形转换现象
42、，从而利用波形转换中产生的横波穿透工件，发现内部缺陷的。其原理图如图3-3所示。1-工件 2-焊缝 3-缺陷 4-超声波束 5-斜探头图3-3横波斜探头探伤原理3.3.2斜探头的扫查方式为了发现缺陷和对缺陷的定性、定量，常用不同的移动方式。斜探头的扫查方式一般分为以下几类：单探头的扫查、特殊扫查及双探头扫查。(1) 单探头的扫查单探头扫查是用一个探头同时发射超声波和接收回波，根据探头不同移动方式，单探头扫查又可分为以下几类：a.锯齿形扫查这是在焊缝探伤中经常使用的一种探头移动方式，即以锯齿形往复移动，每次前进的齿距宽度d不得超过晶片宽度，如图3-4所示。图3-4锯齿形扫查示意图b.转角扫查探头
43、作原地转动的扫查方法。该法常与锯齿形扫查并用，当用锯齿形扫查探出缺陷后，需确定缺陷的方向和形状时，常使用这种扫查方法。c.环绕扫查探头以缺陷为中心作环绕运动。为了估判缺陷的形状常使用的方法。若探头环绕缺陷时反射波高度变化不大，一般估判为曲面状缺陷。但当探头靠近凸起的焊道发现缺陷波时，用此法估判缺陷形状是困难的。由于焊缝中的自然缺陷在多数情况下形状是复杂的，有一定的方向性，所以难以找到上述典型波形。d.左右和前后扫查将探头前后和左右移动进行扫查。当在锯齿形扫描中发现缺陷波时，可以使用左右扫查来确定缺陷的长度；使用前后扫查来估计缺陷的自身深度。使用两种方法也可估判缺陷的形状。e.横方形扫查探头多次
44、平行于焊缝移动，此法多用于自动化、半自动或在无法辨认真假反射波时，采用固定位置的一种扫查方式。f.纵方形扫查探头多次垂直于焊缝移动。(2) 特殊扫查a.斜平行扫查探头与焊缝成一定的角度斜平行移动。可以发现焊缝或热影响区的横向缺陷(如裂纹等)。此法多用于具有焊缝加强高的工件。b.焊缝上的扫查在焊缝加强高磨平的情况下，将探头放在焊缝上移动的一种扫查方法。从发现横向缺陷的能力来讲，它比平行扫查的效果好。(3) 双探头扫查双探头扫查是用两个探头进行探伤，其中一个用于发射超声波，另一个用于接收回波，根据两个探头不同位置可分为以下几种：a.串列式扫查b.交叉式扫查探头分别置于焊缝的两侧或一侧，以便发现焊缝的横向或纵向缺陷。c.K型扫查两个探头置于焊缝的同一侧，并分别置于工件的两面，以便探测类似中部未焊透这类缺陷。d.V型扫查探头分别置于焊缝两侧并与焊缝垂直，可发现与探测面平行的缺陷。4.焊缝的超声波探伤及缺陷评定超声波探伤作为无损检测一种方法，因其探伤效率高、成本低、穿透能力强，而被广泛应用。它是利用频率超过20KHz的高频声