板材和管材超声波探伤锻件与铸件超声波探伤.doc

第7章 板材和管材超声波探伤姚志忠7.1 板材超声波探伤板材分类：40mm厚板7.1.1钢板中常见缺陷存在于内部分层钢锭中非金属夹杂物，金属氧化物，硫化物以及夹渣在轧制过程中被轧扁而形成。这些缺陷有的是钢水本身产生，如脱氧时加脱氧剂造成，或炼钢炉混入钢水中的耐火材料等，这些缺陷在钢锭中位置没有一定规律，故出现在钢板中位置也无序。分层是以上缺陷轧制而成，大多与钢平行，且具有固定走向。为平面状缺陷，严重时形成完全剥离的层状裂纹，对小的点状夹杂物则形成小的局部分层。白点存在于内部 钢中氢在加工过程来不及向外扩散，在钢板成型后，氢原子逐渐在钢板中的微缺陷（如非金属夹杂物）旁缓慢地以氢气形式析出，造成氢裂纹。其断面呈白色故称白点。常见于锻钢中和厚钢板中。折迭和重皮存在于表面 钢板表面因局部折、轧形成的双层金属，基本平行于表面。 裂纹轧制工艺和温度不合适时造成。存在于钢板表面，偶尔在内部。裂纹较少见，如轧制工艺稳定，这类缺陷不常见。7.1.2 探伤方法1. 直接接触法探头通过耦合层直接与钢板接触，当探头位于完好区时，仪器上出现底波多次反射。采用底波多次反射法探伤应满足下面三条件： 工件的探伤面与底面互相平行，确保产生多次反射。（如工件加工倾斜就不合适）。 钢板材质晶粒度必须均匀，保证无缺陷处底面多次反射波次数的稳定。（各次相同）。 材质对超声波的衰减要小。保证反射底波有足够数量，以利探伤观察。一般碳钢、不锈钢均能满足这些条件。2. 水浸法探头晶片离开钢板一段距离，通过水耦合。在探伤仪荧光屏上将同时出现水层多次反射和钢板底面多次反射波，如水层厚度控制不好会互相干扰，不利探伤。探伤时调节水层厚度，使水层波与某次底波重合。水层厚H和板厚关系为：H= ，n为重合次数。对充水直探头的要求： 为满足多次重合法要求，水层厚度要连续可调。 调至不同厚度时，必须保证发射的声束与钢板表面垂直。 充水探头内水套管内径必须大于最大水层厚度时声束直径。 进出水口位置应大于最大水层可调厚度，且出水口应小于进水口，保证水套充满水。 探伤时应及时注意排除水中气泡。或采用消泡剂去除气泡。3. 探伤图形分析：图形：当钢板中出现缺陷，则缺陷波出现在钢板一次波之前，如一次重合法，则缺陷波在第二次波之前，如二次重合法，则缺陷亦出现在第二次波之前，第三波为钢板二次波和水层二次波重合。叠加效应：当缺陷比较小时，缺陷回波从第一次开始会随着出现的二次、三次波高逐渐增高，几次以后又逐渐降低，这是由于对同一个小缺陷会产生不同反射路径且互相迭加后造成的一种波形动态现象，随探头移动有所变化。 出现这种现象，在中板中较多（即640mm范围）。 利用F1评价缺陷。当60t（t为脉冲在钢板中往返一次所需时间）。7.1.4探测范围和灵敏度调整1. 探测范围调整（扫描线要求有400mm范围）30mm时，要求B1030mm80mm B5 （仪器有400mm范围） 80mm时 B2B5由实际情况决定，但B2以上必须出现。2. 灵敏度调整 阶梯试块法：20mm，将与工件等厚度的试块底面第一次底波高50%满幅再提高10dB。 平底孔试块：20mm，试块上5平底孔第一次底波50%满幅。 注意：a. 试块钢板与被探钢材质相近。 b. 试块钢板不得有2当量以上缺陷。 c. 试块上5平底孔垂直于表面，平底孔底面与表面平行，光滑。 d. 平底孔距离按JB/T4730-2005标准表2 CB标准试块要求。 底波法（必须与CB5平底孔灵敏度比较，下面是经验数据，不可作为定量评定的灵敏度）：3N，可用B1达50%当20mm时也可用B5达50%计，但要和5平底孔波作试验比较，使灵敏度一致。7.1.5 缺陷判别与测定1. 缺陷判别按JB/T4730-2005标准要求执行。 缺陷第一次反射波F150； 第一次底波B1100，第一次缺陷波F1与第一次底波B1之比F1/ B150； 第一次底波B1502. 缺陷位置测定：深度位置测定：可直接从荧光屏上缺陷波与底波相对位置中测出。平面位置测定：可根据直探头在钢板上位置画出在板材表面的位置直接确定。最后记录在报告上。3. 缺陷性质判断：结合：波型特点和钢板制造工艺综合判断。波型特点大致为： 分层或夹层缺陷波形整齐、均匀、陡直、规律性强，大多处在钢板中心部位，底波明显下降或消失。 折迭在探测面附近时不一定直接产生缺陷波，对底波多次反射波次数。（减少次数，并使多次反射波位置改变）始波加宽，有时使底波消失。在底面附近时反射条件变差，使底波位置前移。（缩短声波路程） 白点波形尖锐活跃，重复性差，底波明显降低，次数减少，移动探头时回波起伏大，此起彼落，且在板厚方向对称。 分散夹杂物：缺陷位置无规律性。缺陷分布有一定范围，呈分散性。缺陷特点：位置不一定，一片片出现，无序变化，不一定影响底波多次反射次数。4. 缺陷定量（用探头移动法测缺陷大小）按JB/T4730-2005标准4.1.6条规定方法测定。（主要测长度即指示长度及面积）在板厚方向尺寸标准中未规定测。7.1.6 质量等级判定：按JB/T4730-2005标准4.1.7条规定评定。JB/T4730-2005标准标准中表3钢板质量分级表中数据适用于非白点、裂纹等危险缺陷，即非危险缺陷。7.2 铝及铝合金，钛及钛合金板材超声检测7.2.1 铝及铝合金板材制造及常见缺陷轧制轧制 1. 板材制造 铝锭板坯 板材 2. 常见缺陷 气孔，夹杂，微细裂纹，厚板中可能有空腔。7.2.2 铝及铝合金，钛及钛合金板材检测方法 1. 检测方法与钢板相同 2. 探头与扫查方式 直探头、双晶直探头，频率2.55MHz； 扫查方式与钢板相同； 扫查速度与钢板相同；3. 检测范围和灵敏度 检测范围根据板厚与钢板相同； 检测灵敏度：基准灵敏度以完好部位B180满幅。7.2.3 缺陷的判别与测定 1. 缺陷判别 按JB/T4730标准第5.3.5条规定，并注意和钢板缺陷判别的差异，下列三种情况判为缺陷： F140； 在F140时，F1/ B1100； B15。 2. 缺陷测定 按JB/T4730-2005标准第5.3.5条规定方法测定缺陷指示长度和缺陷边界，确定缺陷指示面积。7.2.4 缺陷评定 缺陷指示长度确定，符合JB/T4730标准规定。 缺陷指示面积确定，符合JB/T4730标准规定。7.2.5 质量级别评定 按JB/T4730标准规定评级。7.3 复合材料超声波探伤7.3.1 复合板材常见缺陷1. 制造方法：母材炭钢或低合金钢或不锈钢板复合层不锈钢、钛及钛合金、铜及铜合金，铝及铝合金，镍及镍合金等（加复合层目的：改进和提高耐腐蚀性能）。制造方法：轨制、粘接、堆焊和爆炸。2. 常见缺陷： 脱层（脱接）即母材和复合层未粘合牢。 接合不良，界面处未全部复合好。脱层和接合不良可以是完全脱接，也可以是部分脱接。7.3.2 检测方法：探头：14mm25mm直探头或联合双直探头，纵波检测频率：2.55MHz， 一 般采用5MHz较好。探伤灵敏度：复合板完好区第一次底波B1达80%满幅高。探测面：母材一侧，也可以从复合层一侧。扫查方式：类似于探中厚板的钢板探伤。按JB/T4730-2005标准4.4.3.3条规定扫查。7.3.3 缺陷判别1. 两种材料声阻抗相近如不锈钢/碳钢（可从母材侧探，也可从复合层侧探）（当完好时，界面无反射波）2. 两种材料声阻抗相关较大，如钛/碳钢。因复合好时也存在出现界面回波。根据复合界面反射波宽度、高度和底波变化，可用试块比较确定缺陷。 3. 未结合区缺陷的测定按JB/T4730-2005标准4.4.5条规定，也可用钢板底波来确定缺陷：当第一次底波高度低于荧光屏满刻度的5%，且明显有未结合缺陷反射波存在，且波高5%，则该部位称为未结合区。其尺寸大小测定方法为：移动探头，使第一次底波升高到荧光屏满刻度的40，以此时探头中心作为未结合区边界点。4.利用底波和复合界面波高dB差来判别复合情况。条件：不考虑材质衰减与扩散衰减：底面全反射时：B（dB）= = 底面不是全反射（即存在第三介质，底面反射率r） B（dB）= = r= T=1-r2r=如碳钢和不锈钢等界面回波dB值为：复合材料 界面波/底波（比例） 界面波/底波（分贝）18-8不锈钢 0.0035 -49.1镍 0.0755 -22.5铜 0.155 -16.2钛 0.270 -11.4铝 0.570 -4.97.3.4 缺陷的测定与评级按JB/T4730-2005标准4.4.6条规定评定。1. 缺陷指示长度：按该缺陷最大长度作为其指示长度。单个缺陷指示长度小于25mm时不作记录。2. 缺陷面积多个相邻的未结区，当其最小间距20mm时，应作为单个未结合区处理，其面积为各个未结合区面积之和。3. 未结合区总面积占复合板总面积的百分比为未结合率。4. 评级复合钢板质量等级评定按下表：等级缺陷指示长度mm未结合区面积cm2未结合率00050202%75455%大于级者在坡口预定线两侧各50mm范围内，缺陷指示长度大于等于25mm时均定为级。7.4 板材自动超声检测7.4.1 原理 1. 多通道探头分时轮流工作； 2. 每个通道回波顺序进入A/D变换电路； 3. 按标准要求设定的报警门限确定缺陷当量大小和幅度定界； 4. 生成缺陷分布图。7.4.2 系统基本结构和组成 1. 控制过程 钢板到达检测位置； 设置检测参数； 打开耦合水； X方向扫查（宽度） Y方向扫查（长度） 下一区段扫查； 重复、； 检测结束。 2. 数据处理和缺陷评价 根据JB/T4730或GB/T2970等标准确定缺陷指示长度和指示面积，并进行评定。7.5 管材超声波探伤7.5.1 管材制造工艺及常见缺陷 无缝钢管用穿孔法和高速挤压法制成。 穿孔法是将园钢在轧辊滚轧的同时用穿孔机穿孔。穿孔后的管子形状不规整，表面毛糙，再通过心棒轧管机或心棒减径机，定径机等工艺压延，平整成型。 高速挤压法是通表面润滑的原材料在挤压机中直接挤压成型，加工精度较高。焊接管：先将原材料卷成管形再焊接，大口径管多用此焊接管。电阻焊接管：由经热轧成型的管型卷材送到电阻焊接管成型机中自动卷成管材，在焊口上通以高频电流，产生电阻热，利用这种热量焊接口，这种焊口都是直的，又称直焊管。埋弧自动焊接管：钢板卷成螺旋形或加工成纵向接缝形式。用埋弧自动焊进行焊接，这种管主要用于大口径管子，如天然气输气管的加工。大口径管：也有用钢锭经锻造、轧制等加工成。管材中的缺陷：无缝钢管中：有裂纹、折迭、夹层、夹杂和翘皮，内壁拉裂等，大多与管轴方向平行，也有重皮缺陷，但形状不定，对它检验也较困难。大口径管管材中及直接由锻压方式制成的大口径管中缺陷与锻件类似。有裂纹、白点、砂眼、非金属夹杂等。钢管中的上述缺陷由下列原因产生：纵裂纹是由加热不良、热处理加工不当引起。横向裂纹是由轧制过于剧烈，加热过度或者冷态加工过多而引起。表面划伤是由加工时的导管和拉模的形状不良以及烧伤等引起，翘皮、折迭是由园钢表面夹入杂质或有偏析或有非金属夹渣物、裂纹缺陷，在穿孔时产生。夹杂和分层是由园钢内部非金属夹杂物和片状缺陷在穿孔轧制时产生。焊接管的焊缝中缺陷与焊缝类似，有裂纹、未焊透、气孔、夹渣等。7.5.2 管材横波检测技术基础 1. 实现纯横波检测条件 产生纯横波 CL1入射介质中纵波速度 CL2管材中纵波速度 横波到达内壁条件 2. 周向检测缺陷修正（见书图7-15） 一次波检测内壁缺陷 声程AC 弧长ABmTtg 二次波检测外壁缺陷 声程ACE 弧长AE2mTtg 式中：声程修正系数， m跨距修正系数，m 3. 探头入射点与折射角测定 入射点测定可利用试块直角边测，见书图7-17； 折射角测定可利用圆柱试块靠近近表面1.5横孔或外表面V形槽测试，但利用靠近表面横孔测试误差较大。 利用曲面内外璧槽测试。 4. 推荐测定入射点和折射角方法 采用与工件曲率相同的横孔试块测试； 利用与工件曲率不同的横孔试块测试。7.5.3 小直径薄壁管探伤 一般指外径小于100mm的管材，大多为无缝钢管，对平行于管轴的径向缺陷，即管内纵缺陷：可用横波进行周向扫查检测。对垂直于管轴的径向缺陷，即管内横向缺陷。用横波进行轴向扫查检测。 探伤前准备： 清理被探管材表面的氧化皮，锈蚀、油污。 考虑管材与探头相对运动的轨迹，相邻探头轨迹间距离考虑声束复盖范围。 为避免由于缺陷取向等原因产生声波反射呈现定向性而发生漏检，应从两个相反方向各探一次。1. 接触法探伤适用于手工探伤，特点：管径小，波束扩散，耦合不好。要采取措施： 有机玻璃斜楔磨成与管子外径曲率相近。 采用接触式聚焦探头。 纵向缺陷探测斜探头晶片一般用810，1012，1214，最长不大于25mm。频率：2.55MHZ。试块：检测管子纵向缺陷的对比试块应选取与被检钢管的规格相同，材质、热处理工艺和表面状况相同或相似的钢管制备，对比试块上不得有影响人工缺陷正常指示的自然缺陷。对比试块上人工缺陷为尖角槽，角度为60，槽深度t分别为管壁厚度的5%（I级，0.2mmt1mm），8%（II级，0.2mmt2mm），10%（III级，0.2mmt0.226锻件不适于用周向探测。8.1.3 探测条件选择1. 探头选择：频率：双晶直探头为5MHZ，单晶直探头为2MHZ5MHZ，对晶粒粗大锻件可适当降低频率，可用12.5MHZ。晶片尺寸：1425mm，常用20mm。 双晶直探头检测近表面缺陷。探头晶片面积不小于150mm2。 斜探头晶片面积为140mm2400mm2，频率为2.5MHZ。探测与表面垂直缺陷宜用K1（45），必要时用6070相当于K2。2. 表面要求与耦合剂：表面要求：检测面表面要求平整，最好经机加工，表面粗糙度Ra应小于6.3m，工件表面应去除氧化皮、污物等附着物。耦合剂：机油、浆糊、甘油等。3. 检测面选择应符合JB/T4730标准的要求。4. 扫查方式：互相垂直两个方向100%扫查直探头双晶直探头斜探头：周向、轴向各正、反二个方向。扫查复盖面积探头直径尺寸15%。扫查速度150mm/s。5. 材质衰减测定在锻件上选定三处有代表性部位（完好部位）测出第一次底波B1和第二次底波B2的波高分界值。则这里X3N，为单程声程（厚度或直径）这里X3N，且满足6. 试块 纵波直探头：JB/T4730-2005标准规定CS型标准试块。 双晶直探头试块：JB/T4730-2005标准规定CS型标准试块。适用距离为深度小于45mm。 探测曲面工件时，应使用曲面试块，曲面试块为JB/T4730-2005标准规定的CS型试块曲率R与工件曲率关系为：JB/T4730-2005规定试块曲率半径R为工件曲率半径的0.91.5倍。GB/T6420-91标准规定工件曲率半径为试块曲率半径R的0.71.1倍。7.探伤时机：热处理后，槽、孔、台阶等机加工前。如热处理前检验（对锻件形状不合适热处理后检验的），则在热处理后仍要再进行检测。8.1.4 扫描速度和灵敏度调节1. 扫描线比例调节纵波直探头： 试块上调节：要求试块材质和工件相同或相近。扫描比例要求第一次工件底波在水平满刻度80%左右。 利用工件调节：可利用工件上二个已知厚度值部位调节。如某实心轴直径400mm，轴劲部位直径为200mm，则分别将轴身和轴劲部位底波调在4格和8格，每格水平距离代表50mm。也可用二次底波B1和B2调。工件只有一个厚度，如某饼型锻件厚300mm，直径很大，可利用始波T和B1调（但不太准）因T对零，B1对某刻度，如8格，此时忽略了探头中引起混响和保护膜引起的延迟，严格说调好后始波不在零位，而是略后左移。双晶直探头：可在JB/T4730-2005双晶直探头标准试块上调节，使始波对零，深45mm平底孔在第8格以内。横波斜探头： 以横孔试块按深度比例调节。2. 探伤灵敏度JB/T4730-2005：不低于最大检测距离2mm平底孔当量直径。GB/T6402-91标准1级2mm平底孔当量直径。GB/T6402-91标准2级4mm平底孔当量直径。GB/T6402-91标准3级8mm平底孔当量直径。GB/T6402-91标准4级16mm平底孔当量直径。具体根据检验要求定。调节方法：底波调节法：实心园柱体，上、下底面平行（锻件）（空心园锻件）要求：X3N “+”外园径向探测内孔凸柱面反射，“-”内孔径向探测外园凹柱面反射。实际调节时，将探头置于工件表面，使底面回波调至基准波高，再提高按上述相应公式计算得到dB数，即调好了检测灵敏度。 试块调节法：用于X3N远场的计算公式为：对平行平面工件及实心园柱体，缺陷当量。空心园柱体工件缺陷当量：“”外向内探测，“”内向外探测。当量曲线法：a.面板曲线法将不同直径，不同声程平底孔波高绘制曲线放在面板上，当缺陷波高与某平底孔回波高一致时，即为该缺陷当量。b.相对曲线 dB当量缺陷利用衰减器，将某孔（平底孔）作出距离波幅曲线，探伤时将所有缺陷波均调到基准波。然后根据衰减器得出读数，再在dB当量曲线上查出缺陷当量。 AVG曲线定量法（第二章中已介绍） 缺陷长度测量法 6dB（半波高）测长法，对平板工件、探头移动长度即为缺陷指示长度，对园形锻件，进行周向探测时，探头移动长度比缺陷指示长度大，要进行修正。 全波消失法。平面工件指示长度Lf：Lf=L-2Xftg 为探头半扩散角。园柱空心工件：外面探测缺陷长Lf为：Lf=内园探，缺陷长Lf为：Lf=Xf缺陷声程，R外半径，r内半径。 比例作图法在超声波探伤时，有时会遇到较大的，形状复杂的各类缺陷，用当量法很难全面而完整地测定缺陷的大小，更难以判别缺陷的性质和状态。对此问题作图法将显示出一定的优点，它能将缺陷形象而直观地显露出来，以便于确定缺陷的大小和估判的性质。现以轴类探伤为例，说明作图法的应用。（一）比例作图法简介在超声波探伤中，探头在工件表面上移动，如果一段较长距离内荧光屏上一直出现连续不断的缺陷信号进，这时可将探头以一定的间隔在工件表面上作逐点探测，并详细记录各探测点的缺陷深度，缺陷波的大小以及对底波的影响等参量变化情况。把这些参量绘制在与实际工件大小成比例的图纸上，最后便能显示出缺陷的大小、形状和状态。这种测量缺陷的方法叫作比例作图法。（二）比例作图法的进行步骤1.起始测定点的选择如果探头在工件的某一部位发现了缺陷则左右移动探头，若缺陷信号均由最高趋向消失，这时就取缺陷消失的某一点为起始测定点。如果探测对象为实心轴，当探头沿整个圆周移动时，缺陷波均不消失，那就任选一点作起始测定点。2.逐点测量从起始测定点开始，沿着出现缺陷波方向，以一间隔选择测量点，进行逐点测量。间隔选取越小，测定点越多，准确性越高。3.记录内容应记录各测定点的间隔大小，缺陷反射信号的高度，相对应的缺陷深度以及对底波的影响情况等。4.绘制截面图按一定比例在座标纸上画出工件有缺陷部位的截面图。5.描出缺陷把工件表面上的测定点标在比例截面图上，并以各测定点为圆心，以各测定点所对应的缺陷深度为半径划弧。由各测定点所划弧线的交点，即可显示缺陷轮廓。图6-1是在轴类工件上利用作图法描绘缺陷的示意图。8.1.6 缺陷回波判别1.单个缺陷回波-如单个夹层，裂纹等。定义：间隔大于50mm，