焊缝超声波探伤.docx
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焊缝超声波探伤
焊缝手动超声波探伤
锅炉压力容器和各种钢结构主要采用焊接方法制造。
射线探伤和超声波探伤是对焊缝进行无损检测的主要方法。
对于焊缝中的裂纹、未熔合等面状危害性缺陷，超声波比射线有更高的检出率。
随着现代科技快速发展，技术进步。
超声仪器数字化，探头品种类型增加，使得超声波检测工艺可以更加完善，检测技术更为成熟。
但众所周知：
超声波探伤中人为因素对检测结果影响甚大；工艺性强；故此对超声波检测人员的素质要求高。
检测人员不仅要具备熟练的超声波探伤技术，还应了解有关的焊接基本知识；如焊接接头形式、坡口形式、焊接方法和可能产生的缺陷方向、性质等。
针对不同的检测对象制定相应的探伤工艺，选用合适的探伤方法，从而获得正确的检测结果。
射线检测局限性：
1.辐射影响，在检测场地附近，防护不当会对人体造成伤害。
2.受穿透力等局限影响，对厚截面及厚度变化大的被检物检测效果不好。
3.面状缺陷受方向影响检出率低。
4.不能提供缺陷的深度信息。
5.需接近被检物体的两面。
6.检测周期长，结果反馈慢。
设备较超声笨重。
成本高。
常规超声波检测不存在对人体的危害，它能提供缺陷的深度信息和检出射线照相容易疏漏的垂直于射线入射方向的面积型缺陷。
能即时出结果；与射线检测互补。
超声检测局限性：
1.由于操作者操作误差导致检测结果的差异。
2.对操作者的主观因素（能力、经验、状态）要求很高。
3.定性困难。
4.无直接见证记录（有些自动化扫查装置可作永久性记录）。
5.对小的（但有可能超标的缺陷）不连续性重复检测结果的可能性小。
6.对粗糙、形状不规则、小而薄及不均质的零件难以检查。
7.需使用耦合剂使波能量在换能器和被检工件之间有效传播。
超声波的一般特性：
超声波是机械波（光和X射线是电磁波）。
超声波基本上具有与可闻声波相同的性质。
它们能在固态、液态或气态的弹性介质中传播。
但不能在真空中传播。
在很多方面，一束超声波类似一束光。
向光束一样，超声波可以从表面被反射；当其穿过两种声速不同物质的边界时可被折射（实施横波检测基理）；在边缘处或在障碍物周围可被衍射（裂纹测高；端点衍射法基理）。
第一节焊接加工及常见缺陷
一、焊接加工
1、焊接方法：
有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊、电渣焊、气焊（氧气+乙炔）。
焊接过程实际上是一个冶炼和铸造过程。
利用电能或其它能量产生高温熔化金属，形成熔池，熔融金属在熔池中经冶金反应后冷却，将两母材牢固的结合在一起，形成焊接接头。
焊接过程中，其焊弧温度高达6000℃，相当于太阳表面温度。
熔池温度也在1200℃以上。
因局部高温带来以下问题：
易氧化；产生夹渣；渗入气体（空气中氧、氮）；产生应力。
为防止有害气体渗入，手工电弧焊是利用外层药皮高温时分解产生的气体形成保护。
埋弧焊和电渣焊是利用固体或液体焊剂作为保护层。
气体保护焊是利用氩气或二氧化碳气（惰性气体）作保护层。
角接接头
2、接头形式：
有对接接头、角接接头、T型接头和搭接（搭接接头在锅炉压力容器中不允许采用）。
对接接头
搭接接头
T型接头
3、坡口形式：
I型、V型、U型、X型、K型
为保证两母材焊接时能完全熔合，焊前将母材加工成一定的坡口形状，使其有利于焊接实施。
其形状和各部名称如下：
坡口目的————保证全熔透，减少填充量。
钝边目的————保证全熔透，防止咬边。
间隙目的————保证全熔透，控制内凹、未焊透。
二、焊缝中常见缺陷及产生原因
1、焊缝常见缺陷：
气孔、夹渣、夹钨、内凹、焊瘤、烧穿、未焊透、未熔合、裂纹等。
2、缺陷形成及产生原因：
a.气孔——熔池冷却凝固之前来不及逸出残留气体（一氧化碳、氢气）而形成的空穴。
因焊条焊剂烘干不够；坡口油污不干净；防风不利导致电弧偏吹；保护气体作用失效等原因所至。
b.夹渣——残留在焊缝内的溶渣或非金属夹杂物（氮化物、硅酸盐）因坡口不干净；层间清渣不净；焊接电流过小；焊接速度过快；熔池冷却过快，熔渣及夹杂物来不及浮起等原因导致。
c.
未焊透——接头部分金属未完全熔透。
因焊接电流小；焊速过快；坡口角度小；间隙小；坡口加工不规范；焊偏；钝边过大等原因所至。
口不干净；电流小；运条速度快；焊条角度不当（焊偏）等原因所至。
e.夹钨——钨熔点高，未熔化并凝固在焊缝中。
因不熔化极氩弧焊极脱落导致。
f.内凹——表面填充不良。
因焊条插入不到位。
g.裂纹——焊接中或焊接后，在焊缝或母材的热影响区局部的缝隙破裂。
热裂纹——焊缝金属从液态凝固到固体时产生的裂纹（晶间裂纹）；因接头中存在低熔点共晶体，偏析；由于焊接工艺不当所至。
冷裂纹——焊接成形后，几小时甚至几天后产生（延迟裂纹）。
产生原因：
相变应力（碳钢冷却过快时，产生马氏体向珠光体、铁素体过渡时产生）；结构应力（热胀冷缩的应力、约束力越高应力越大，这是低碳钢产生冷裂纹的主要原因。
忌强力装配）和氢脆（氢气作用使材料变脆，壁厚较大时易出现）所至。
再热裂纹——再次加热产生。
3、缺陷在设备服役中的危害：
一般危害——气孔；夹渣；内凹（焊缝截面强度降低，腐蚀后造成穿孔、泄漏）
严重危害——裂纹；未熔合；未焊透未熔合：
面状缺陷，应力集中，易产生裂纹。
未焊透：
垂直于焊缝，根部未焊透易腐蚀；有发展裂纹趋势。
裂纹：
尖锐的面状缺陷，达临界深度即断裂失效。
第二节平板对接焊缝超声波探伤
焊缝的超声波检测———可用直射声束法或斜射声束法（无需磨平余高）进行检测。
实际探伤中，超声波在均匀物质中传播，遇缺陷存在时，形成反射。
此时缺陷即可看作为新的波源，它发出的波被探头接收，在荧光屏上被解读。
JB/T4730-2005标准规定缺陷长度的测定是以缺陷波端点在某一灵敏度（定量线）下，移动探头，该波降至50%时为缺陷指示长度，以此作为判定依据。
而此时正是探头中心对准缺陷边缘时的位置。
缺陷越小，缺陷回波越不扰乱探头的声场；由扫查法（此时用移动探头测定缺陷长度）测定缺陷尺寸不正确（适用当量法）。
此法测定的不是缺陷尺寸，而是声束宽度。
惠更斯原理称：
波动是振动状态的传播，如果介质是连续的（均匀介质可连续传递波动），那么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动。
因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。
（当探测小于探头晶片尺寸的缺陷时，其指示长度与探头直径相近）
一、探伤条件选择
1.根据图纸、合同要求选用规范、标准（JB/T4730-2005）。
确定检测技术等级（A级；B级；C级）
2.频率选择：
一般焊缝的晶粒较细，可选择较高频率；2.5~5.0MHz对板厚较薄焊缝，采用高频率，提高分辨力。
对厚板焊缝和材质衰减明显的焊缝，应采用较低频率探伤，以保证探伤灵敏度。
3.K值选择：
1使主声束能扫到整个焊缝截面；
a.要素②使声束中心线尽量与主要危害性缺陷垂直；
③保证有足够的探伤灵敏度。
b.公式：
a+b+L0
K≥
T
（不能满足此条件，中间有一主声束扫查不到的菱形区域。
这一区域内缺陷可能漏检）；副声速也可能扫到，但找不到最高波，无法定量。
焊缝宽度对K值选择有影响。
在条件允许（探伤灵敏度足够）的情况下，应尽量采用大K值探头。
c.根据工件厚度选择K值：
薄工件采用大K值探头，避免近场探伤，提高定位、定量精度。
厚工件采用小K值探头，以缩短声程，减小衰减，提高探伤灵敏度。
同时还可减少打磨宽度。
JB/T4730-2005推荐K值
工件厚度mm
K值
6~25
3.0~2.0
>25~46
2.5~1.5
>46~120
2.0~1.0
>120~400
2.0~1.0
d.K值会因工件声速变化（斯涅尔定律）和探伤中探头的磨损而产生变化。
所以要经常K值进行校验。
变化规律：
声速快，K值变大；探头后面磨损大，K值变大。
4.试块选择：
JB/T4730-2005标准中规定的标准试块有；CSK-ⅠA；CSKⅡA；CSKⅢA；CSKⅣ。
CSK-ⅠA试块用于超声波仪器、探头系统性能校准和检测校准。
CSKⅡA；CSKⅢA；CSKⅣ试块用于超声波检测校准。
CSKⅡA；CSKⅣ试块的人工反射体为长横孔。
长横孔反射波在理论上与焊缝的光滑的直线熔渣相似。
同时，利用横孔对不同的声束折射角也能得到相等的反射面；但需要不同深度对比孔，适应不同板厚的焊缝检测。
长横孔远场变化规律，因距离变化，其变化规律更类似于未焊透。
在长横孔试块上绘制曲线，测定灵敏度，适用未焊透类缺陷的控制。
长横孔变化规律：
（不适合近场）
△dB=10lg
Df2X1
CSKⅢA试块的人工反射体为短横孔。
短横孔远场变化规律，因距离变化，其变化规律似球孔。
以此绘制曲线，灵敏度可有效的控制点状缺陷。
但此灵敏度对条状缺陷偏严。
对中厚板检测灵敏度偏高。
短横孔变化规律：
（不适合近场）
Df1X2
△dB=10lg
Df2X1
两种反射体试块因反射体类型不同，两者灵敏度不相同。
反射规律不同，曲线规律亦不同。
所控制检测对象不同。
故二者不得混用。
5.耦合剂：
在超声波直接接触法探伤中，探头和被检物之间不加入合适的耦合剂，探伤是无法完成的。
耦合剂可以是液体、半液体或粘体。
并应具备下列性能：
a.在实际检测中能提供可靠的声耦合；
b.使被检物表面与探头表面之间润湿，消除两者之间的空气；
c.使用方便；
d.不会很快地从表面流溢；
e.提供合适的润滑，使探头在被检物表面易于移动；
f.耦合剂应是均匀的，且不含有固体粒子或气泡；
g.避免污染，并且没有腐蚀、毒性或危害，不易燃；
h.在检测条件下，不易冻结或汽化；
i.检测后易于清除。
常用耦合剂有机油；糨糊；甘油；润滑脂（黄油）；水。
机油不利于清除，还给焊缝返修带来不利。
糨糊更有利于垂直、顶面探伤。
耦合剂的另一重要特性是其声阻抗值应介于探头晶片与被检材料声阻抗值之间（Z2=√Z1?
Z3，薄层介质声阻抗为两侧介质阻抗几何平均值时，声强透射率等于1，超声全透射）。
操作者的技术对良好的耦合是重要因素，整个过程对探头施加均匀、固定压力，有助于排除空气泡和获得均匀的耦合层厚度。
6.探伤面：
清除焊接飞溅、氧化皮、锈蚀、油漆、凹坑（用机械、化学方法
均可）检测表面应平整，便于探头扫查移动。
表面粗糙度≯6.3μm。
一般应打磨。
a.检测区宽度——焊缝本身加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的一
段区域（5~10mm）。
b.探头移动区宽度：
（P=2KT）一次反射法检测，应大于或等于1.25P；直射法检测，应大于或等于0.75P。
c.母材检测：
C级检测有要求（较重要工件或图纸有要求时）应进行母材检测。
仅作记录，不属于母材验收。
看其是否有影响斜探头检测结果的分层类缺陷。
母材检测要求：
1.2~5MHz直探头，晶片直径10~25mm；
2.检测灵敏度：
无缺陷处第二次底波调为屏幕满刻度的100%；
3.缺陷信号幅度超过20%时，应标记记录。
7.探测方向选择根据工件结构；坡口角度、形式；焊接中可能出现缺陷的方向性以及危害性缺陷。
选用主声束尽量与其垂直的入射方向。
B级检验：
a.纵向缺陷检测：
1.T=8~46mm时，单面双侧（一种K值探头，直射波和一次反射波法）检测；
2.T>46~120mm时，双面双侧（一种K值，直射波法）检测。
如受几何条件限制，也可在双面单侧或单面双侧采用两种K值探头检测。
3.T>120~400mm时，双面双侧（两种K值，直射波法）检测。
两探头折射角相差≮100。
b.横向缺陷检测：
1.在焊缝两侧，声束轴线与焊缝中心线夹角10~200作斜平行探测
（正反两个方向）；
2.若焊缝磨平，可在焊缝及热影响区上作两个方向的扫查；
3.电渣焊易出现人字形横裂纹，可用K1探头以450夹角在焊缝两侧，作正反两个方向的斜平行扫查。
C级检验：
a.应将焊缝余高磨平；焊缝两侧的斜探头扫查区域之母材用直探头进行检测；
b.T=8~46mm时，单面双侧（两种K值，探头折射角相差≮100，其中一个为450；一次反射法）检测；
c.T>46~400mm时，双面双侧（两种K值，探头折射角相差≮100，一次反射波）检测；对于单侧坡口小于50的窄间隙焊缝，如有可能应增加对与坡口表面平行缺陷的有效检测方法（如串列扫查）；
d.应进行横向缺陷检测。
8.前沿、K值测定
a.前沿测定：
可在CSK-IA试块上，利用R50；R100圆弧测定。
将探头放置在IA试块上，前后移动探头，找到最高波，量出探头前端至试块R100端距离X；此探头前沿尺寸L0=100-X。
b.K值测定：
1.利用CSK-IA试块上Φ50反射体；前后移动探头，找到最高波，量出探头前沿距试块端部水平距离L；
L+L0-35
K=
30
2.利用CSK-ⅢA试块上Φ1×6孔，深20mm较好（避开近场）。
找
到最高波；量水平距离L
L+L0-40
K=
20
9.扫描速度（时基线）调节声程法：
屏幕时基线显示为超声波传播距离（非K值探头用此法）。
水平法：
屏幕时基线显示为探头入射点至反射体投影到检测面
的水平距离。
（δ≤20mm时采用此法）
深度法：
屏幕时基线显示为反射体距检测面深度距离
（δ>20mm时采用此法）
a.利用CSK-IA试块上，R50、R100同心圆弧调节。
在IA试块上，左右移动探头；屏幕上同时显示出R50、R100两反射波，找到最高波，波高80%（探头作前后移动，使两反射波高度相同）。
按住探头不动，调节脉冲移位和深度旋钮，使R50；R100反射波前沿分别对准h1；h2（计算得出）。
扫描速度即调整完毕。
.水平法：
h1=sinβ*50mm；h2=sinβ*100mm
求h1；h2
深度法：
h1=cosβ*50mm；h2=cosβ*100mm
b.
利用CSK-ⅢA试块上，Φ1×6孔调节
B孔深40mm）；移动探头，找到A孔最高波（波高80%）；调脉冲移位旋钮，使A波前沿对准h1；
2.挪动探头，找到B孔最高波，波高80%；B孔读数为Y；若Y不等于2h1，求二者之间的差X。
X=︱2h1-Y︴
3.探头不动。
调深度（微调）旋钮，移动B孔至Y±2X。
再调脉冲
移位旋钮，使B波回至2h1
4.挪动探头，找到A孔最高波，若正对h1，即调整完毕。
否则需重
复上述步骤。
注：
此法受反射体形状、尺寸影响，精确探伤时需进行修正
A孔
B孔
X
h1Yh2Y±2X
10.距离——波幅曲线的绘制
a.距离——dB曲线：
（表格形式数字标注）。
b.距离——波幅曲线：
将反射波幅用毫米（或%）绘在纸上或面板上。
依据在对比试块上一组不同深度的人工反射体的反射波幅，实测得到一条基准线绘制而成。
一般由评定线；定量线；判废线三条线组成；分三个区域。
各线灵敏度依不同标准而定。
c.距离——波幅曲线制作：
1.距离——dB曲线制作
测定探头入射点、K值；调好扫描速度。
将探头置于检验标准规定试块上，测距表面最近人工反射体，找到最高波；调增益使波高至80%，记下衰减器读
数与孔深度；然后依次测不同深度孔（深度达将检测最大深度），调增益使得各孔波高达80%，记下此时衰减器dB数，填入表中即可。
2.距离——波幅曲线绘制
测定探头入射点、K值；调好扫描速度。
将探头置于检验标准规定试块上，测距表面最近人工反射体，找到最高波；调增益使波高至80%，按住探头不动，
记下衰减器读数；并将波峰标在屏幕面板上。
增益不动。
依次测其它深度孔，并将各孔波峰标在屏幕面板上；连接各点，即成为该反射体距离—波幅基准线。
根据标准规定各条线灵敏度，调增益（衰减器），屏幕上这条基准线即可转换成所需的三条线中任意一条线。
d.距离——波幅曲线实用
若探伤中发现一缺陷波。
找到最高波，按住探头不动。
调节增益（衰减器），使该波峰至距离—波幅曲线上（此时屏幕上显示应是定量线SL），读衰减器读数f；计算f与定量线SL差值为△dB。
该缺陷波幅应记录为SL±△dB。
若时基线按深度法调节，在时基线上可直接读出缺陷深度H，并计算出水平距离L。
若时基线按水平法调节，则在时基线上可直接读出缺陷水平距离L，并计算出深度H。
深度法：
L=KH
L
水平法：
H=K
e.分段绘制曲线（适用模拟仪器）
若被检工件厚度较大，屏幕上在最大检测距离处距离—波幅曲线位置会很低。
扫查过程中的回波动态变化不易观察到，容易导致缺陷漏检。
（曲线应绘制在屏幕20%高度以上区域）。
可采取分段绘制办法解决。
方法、步骤：
在原曲线上某一点（中间或2/3；或二次波外），调增益，将灵敏度提高10dB（记录此读数）。
再按常规方法依次将后面深度反射体波高标在屏幕上。
实际探伤时，此点之前深度内用增益之前灵敏度探伤；此点之后深度范围，用增益后提高10dB以后的灵敏度。
其它各条线灵敏度亦随之。
11.声能传输损耗差的测定
a.声能损失造成原因：
1.材质衰减
耦合状况
2.表面损失工件表面粗糙度
曲率（工件形状）工件本身影响反射波幅的两个主要因素是：
材质衰减和工件表面粗糙度及耦合状况造成的表面声能损失。
JB/T4730-2005标准规定：
碳钢和低合金钢板材的材质衰减，在频率低于3MHz、声程不超过200mm时，或者衰减系数小于0.01dB/mm时，可以不计。
超过上述范围，在确定反射波幅时，应考虑材质衰减修正。
b.横波材质衰减的测定：
①.制作与受检工件材质相同（近），厚40mm，表面粗糙度与对比试块相同的平面试块。
②.斜探头按深度1：
1调节仪器时基扫描线。
3.另选用一只与该探头尺寸、频率、K值相同的斜探头，置于试块上，两探头入射点间距为1P，仪器调为一收一发状态，找到最大反射波，记录其波幅值H1（dB）。
4.将两探头拉开到距离为2P的位置，找到最大反射波幅，记录其波幅值H2（dB）。
5.衰减系数α可用下式求出：
α=（H1-H2-△）/（S2-S1）
S1=40/cosβ+L1
S2=80/cosβ+L1
L1=L0tanα/tanβ
式中：
L0——晶片到入射点的距离，简化处理亦可取L1=L0，mm；△——不考虑材质衰减时，声程S2、S1大平面的反射波幅差。
（约为6dB）。
如与对比试块的探测面测得波幅相差不超过1dB，则可不考虑工件的材质衰减。
c.传输损失差的测定：
①.斜探头按深度调节时基扫描线。
②.选用另一只与该探头尺寸、频率、K值相同的斜探头，置于对比试块上，两探头入射点间距为1P，仪器调为一收一发状态，找到最大反射波，记录其波幅值H1（dB）。
3.在受检工件上（不通过焊接接头）同样测出接收波最大反射波幅，记录其波幅值H2（dB）。
4.传输损失差△V按下式计算：
△V=H1-H2-△1-△2
式中：
△1——不考虑材质衰减时，声程S1、S2大平面的反射波幅dB差，可用式20lg（S2/S1）计算得出（dB）。
S1——在对比试块中的声程，mm。
S2——在工件母材中的声程，mm。
△2——试块中声程S1与工件中声程S2的超声材质衰减差值，dB。
如
试块材质衰减系数小于0.01dB/mm，此项可不予考虑。
d.由工件曲率造成的表面声能损失：
采用带曲率的对比试块，试块曲率半径为工件半径0.9~1.5倍。
通过对比试验，进行曲面补偿。
综上所述：
工件表面耦合差
探伤灵敏度增益总量材质衰减量（最大检测声程）
（dB）灵敏度要求（根据执行标准确定）
12.扫查方式
1.锯齿形扫查——粗扫查。
沿W轨迹前后移动探头，（移动齿距≯晶片直径）并作10~15o左右转动。
目的是发现倾斜缺陷。
2.左右、前后扫查——左右扫查可测得缺陷长度；前后扫查可测定缺陷自身高度和深度。
3.转角扫查——推断缺陷方向。
4.环绕扫查——推断缺陷形状。
环绕扫查时，波高不变，可定为点状缺陷。
5.平行、斜平行扫查——用于检查焊缝及热影响区横向缺陷。
（与焊缝轴线成10~45o夹角，）灵敏度提高6dB。
6.串列扫查——用于厚板窄间隙焊缝或垂直于表面缺陷检测。
多采用K1
两个探头串列式扫查。
串列扫查回波位置不变；存在扫查死区。
串列扫查
锯齿形扫查
13.探伤灵敏度选择
a.距离波幅——曲线灵敏度按执行标准规定选择。
b.检测横向缺陷时，应将各线灵敏度均提高6dB。
c.检测面曲率半径R≤W2/4时，距离—波幅曲线的绘制应在与检测面
曲率相同的对比试块上进行
d.在一跨距声程内最大传输损失差大于2dB时应进行补偿。
e.扫查灵敏度不低于最大声程处的评定线灵敏度。
14.缺陷最大波幅测定将探头移至缺陷出现最大反射信号的位置，测定波幅大小，并确定区域。
15.缺陷位置测定
a.水平定位法：
例：
时基线调节为水平1：
n。
实际探伤中发现一缺陷，屏幕读数40，该缺陷水平距离即为n*40mm；埋藏深度为n*40/K。
b.深度定位法：
例：
时基线调节为深度1：
n。
实际探伤中发现一缺陷，屏幕读数40，该缺陷埋藏深度为n*40；水平距离为n*40*K。
16.缺陷指示长度测定
a.当缺陷波只有一个高点，且位于Ⅱ区及以上时，使波幅降到满刻度的80%后，用6dB法测长。
b.当缺陷波有多个高点，且位于Ⅱ区及以上时，使波幅降到满刻度的80%后，用端点6dB法测长。
c.
当缺陷波位于Ⅰ区，认为有必要记录时，将探头左右移动，使波幅降到评定线，以此测定长度（绝对灵敏度法）。
17.缺陷评定与记录报告
资格人员按标准评定、出具。
18.缺陷类型识别和性质估判
缺陷性质测定：
缺陷性质不仅可利用缺陷反射波幅变化测定（静态波形），还可观察其动态波形的变化推定。
探头移动时，球状或粗糙表面缺陷的反射波变化缓慢。
为验证此类缺陷不仅
要使探头沿直线运动，，而且还需使探头回转改变声束瞄准方向。
光滑而平坦的缺陷比裂纹缺陷明显的产生前沿陡而宽度窄的反射波。
a.缺陷类型识别的一般方法：
采用多种声束方向作多种扫查，如前后、
左右、环绕、转动扫查；通过对各种超声信息综合评定进行识别。
1.点状缺陷回波特征：
（气孔、小夹渣等体积性缺陷）
回波幅度较小，探头前后、左右，转动扫查时波幅平滑，由零上升到最大
值，又平滑的下降至零。
环绕扫查时回波高度基本相同。
点反射体回波动态波形
2.线性缺陷回波特征：
（线性条状
升级会员 