第7章板材和管材超聲波檢測第一頁，共73頁。7.1板材超聲波檢測板材按材質分類有碳素鋼、低合金鋼、鋁及鋁合金鋼、鈦及鈦合金鋼、奧氏體鋼、鎳及鎳合金鋼、雙相不銹鋼等，這里主要介紹常用的碳素鋼、低合金鋼中厚板（板厚≥6mm）的超聲波檢測。第二頁，共73頁。7.1.1板材中的常見缺陷

板材在加工過程中產生的缺陷有分層、非金屬夾雜物、折迭、重皮、白點、裂紋等，

其中折迭、重皮、裂紋是產生在鋼板表面的缺陷，白點多出現在厚度大于40mm的鋼板中，分層、非金屬夾雜物是產生在鋼板內部的缺陷。分層、非金屬夾雜物也是鋼板中常見的缺陷，分層缺陷大都平行于鋼板表面。較小的分層、非金屬夾雜物類缺陷存在于鋼板中一般是允許的，但分層、非金屬夾雜物類的缺陷存在于板材焊接坡口處會使板材在焊接時產生缺陷，因此，板材坡口處的位置從焊接角度考慮要求較為嚴格，在有關質量評定中可以看到。

第三頁，共73頁。由于板材中缺陷的取向跟原材料中的缺陷位置及扎制工藝有關，而且這些缺陷直接影響焊接和冷加工，在檢測過程中主要控制焊接部位。重要工件在冷成型后對焊接部位及鄰近區域進行一次超聲波探傷檢查，有助于焊接件的質量控制。第四頁，共73頁。7.1.2常用檢測方法鋼板中的主要缺陷平行于鋼板表面，為檢測鋼板中的主要缺陷一般使用垂直于板面入射的縱波檢測，如有特殊要求，可輔以其他波型的檢測方式，其耦合方式有直接接觸法和液浸法。第五頁，共73頁。1直接接觸法探頭通過耦合劑與工件接觸進行檢測，當探頭位于被檢對象完好區（無缺陷）時，顯示屏上顯示多次等距離的底波，無缺陷波(如下圖)。圖7.1（a）鋼板接觸法檢測中常見的波形第六頁，共73頁。當探頭位于缺陷較小的區域（缺陷截面小于聲束截面積）時，顯示屏上缺陷回波與底波共存，底波有所下降(如下圖)。

圖7.1（b）鋼板接觸法檢測中常見的波形第七頁，共73頁。當探頭位于缺陷較大區域（缺陷截面大于等于聲束截面積）時，顯示屏上只有缺陷的多次反射波，底波消失(如下圖)。

圖7.1（c）鋼板接觸法檢測中常見的波形第八頁，共73頁。2液浸法液浸法是探頭與鋼板通過一層耦合液體（常用水）來耦合，見圖7.2。為使鋼板上（耦合液體/鋼）下（鋼板底面）表面的多次反射波不互相干擾，常調整液體層厚度使耦合液體/鋼界面的反射波和鋼板底面多次反射波重合，這種方法稱為多次重合法,見圖7.3。

圖7.2局部液浸法鋼板檢測

第九頁，共73頁。圖7.3鋼板液浸重合法檢測第十頁，共73頁。當耦合液體/鋼界面的界面波S第2、3、4……次反射波分別與鋼板的第1、2、3……次底波一一重合時，稱為一次重合法；當耦合液體/鋼界面的第2、3、4……次反射波分別與鋼板的第2、4、6……次底波重合時，稱為二次重合法。一般較為常用的是四次重合法。

第十一頁，共73頁。液浸法超聲波檢測中，耦合液體層厚度的確定可由（7.1）式通過計算求得：（7.1）當以水為耦合液體時（＝1/4）

h－耦合液體層厚度n－重合次數（即一次重合法n=1、二次重合法n=2）c液－耦合液體中的聲速c鋼－鋼中的聲速T－鋼板厚度第十二頁，共73頁。例1：用超聲波水浸法檢測厚度為32mm的鋼板，若采用四次重合法檢測，求水層厚度？已知：T=32mmn=4求：h解：

答：采用四次重合法檢測時，水層厚度為32mm。第十三頁，共73頁。7.1.3板材超聲波檢測過程7.1.3.1表面要求鋼板檢測時表面為軋制面，當表面比較粗糙或氧化皮較為嚴重時，應做適當的處理，如用鋼絲刷及打磨等。一般選取鋼板的任意一個軋制面進行檢測，如有需要也可選上下兩個軋制面進行檢測。第十四頁，共73頁。7.1.3.2探頭選用探頭的頻率一般為2.5MHz～5MHz，這是因為鋼板的晶粒比較細，較高的頻率可以獲得較高的分辨力。一般探頭的直徑為Φ10mm～Φ30mm，對于較大面積的鋼板為提高工作效率可采用較大直徑的探頭，對于較薄的鋼板為減小近場區影響應使用雙晶直探頭或采用小直徑的探頭,探頭選用應符合表7.1的要求。第十五頁，共73頁。表7.1板材超聲波檢測探頭選用板厚㎜采用探頭公稱頻率MHz探頭晶片尺寸6～20雙晶直探頭

5晶片面積不小于150㎜2＞20～40單晶直探頭

5Φ14㎜～Φ20㎜＞40～250單晶直探頭

2.5Φ20㎜～Φ25㎜第十六頁，共73頁。7.1.3.3試塊選用板材檢測使用的標準試塊有CBⅠ階梯試塊、CBⅡ平底孔試塊，兩種試塊形狀及尺寸見圖3.18、圖3.19及表7.2。其中階梯試塊用于板厚小于等于20mm鋼板檢測，平底孔試塊適用于板厚大于20mm的鋼板檢測。當板厚不小于三倍近場區時，且板材上下兩個表面平行也可取鋼板無缺陷完好部位的第一次底波來校準靈敏度，其結果應與平底孔試塊校準靈敏度的要求相一致。第十七頁，共73頁。7.1.3.4儀器系統的校準1.掃描速度調節（檢測范圍）掃描速度的調節應保證足夠的檢測范圍，以便可以觀察多次底波或缺陷波的情況。第十八頁，共73頁。2.靈敏度的調節在鋼板檢測中一般用階梯試塊、平底孔試塊、鋼板底波法來進行靈敏度的調節。板厚不大于20mm時，利用CBⅠ階梯試塊調節檢測靈敏度時，探頭對準試塊與工件等厚（或不小于鋼板板厚的近似厚度）處將第一次底波高度調整到滿刻度的50%，再提高10dB作為基準靈敏度。利用平底孔試塊調節檢測靈敏度時，探頭對準表7.2規定的平底孔，調節儀器使平底孔反射波達到顯示屏滿刻度的50%作為基準靈敏度。第十九頁，共73頁。表7.2CBⅡ標準試塊第二十頁，共73頁。利用工件底波調節檢測靈敏度時，取鋼板完好區域的第一次底波達基準波高（一般為顯示屏滿刻度的50%），但底波法調節的靈敏度應與表7.2要求的靈敏度相一致。掃查時掃查靈敏度一般在基準靈敏度的基礎上提高6dB，在測定缺陷當量時應將靈敏度調回基準靈敏度。第二十一頁，共73頁。7.1.3.5掃查掃查方式：常用的掃查方式有全面掃查、列線掃查、邊緣掃查、格子掃查。1.全面掃查探頭移動方向沿垂直于鋼板壓延方向對鋼板做100%的全面積掃查，相鄰兩次掃查的覆蓋面積一般不小于探頭直徑的15%，見圖7.4a）。對于要求較高的鋼板常采用這種掃查方式。第二十二頁，共73頁。圖7.4（a）全面掃查第二十三頁，共73頁。2.列線掃查在鋼板上劃出垂直于鋼板壓延方向的等間距的平行線（如有需要也可沿平行于鋼板的壓延方向進行），一般列線間距不大于100mm，見圖7.4b）。探頭沿這些平行線進行掃查，在發現缺陷時再在缺陷周圍擴大掃查范圍，但在鋼板剖口預定線兩側各50mm（當板厚超過100mm時，以板厚的一半為準）內應作100%掃查。第二十四頁，共73頁。圖7.4（b）列線掃查第二十五頁，共73頁。3.邊緣掃查在鋼板邊緣的一定范圍內做全面積掃查，見圖7.4c）。這個范圍一般由相關的標準、規范給出。4.格子劃線掃查在鋼板周邊50mm范圍內做全面積掃查，其余部分畫成方格子線，一般取100mm×100mm或200mm×200mm，探頭沿格子線掃查，在發現缺陷時再在缺陷周圍擴大掃查范圍。見圖7.4(d）第二十六頁，共73頁。圖7.4（c）列線掃查圖7.4（d)格子掃查第二十七頁，共73頁。7.1.3.6缺陷的識別與測定1.缺陷識別在鋼板檢測中一般根據缺陷波和底波來判別鋼板中的缺陷情況，滿足下列條件之一的均作為缺陷予以標識和記錄：a)缺陷第一次反射波F1≥50%；b)第一次底波B1＜100%，第一次缺陷反射波F1與第一次底波B1之比F1/B1≥50%；c)第一次底波B1＜50%。第二十八頁，共73頁。2.缺陷的測定檢測中達到要求記錄水平的缺陷應測定其位置、大小、并估判缺陷的性質。1）缺陷位置測定：根據缺陷波對應的水平刻度值和掃描速度確定缺陷的深度，根據發現缺陷時探頭的位置確定缺陷的平面位置。2）缺陷大小的測定：一般使用絕對靈敏度法測定缺陷的大小。在板材超聲波檢測中常按下述方法測定缺陷的范圍和大小。第二十九頁，共73頁。a）檢出缺陷后，應在它的周圍繼續進行檢測，以確定缺陷范圍。b）用雙晶直探頭確定缺陷的邊界范圍或指示長度時，探頭的移動方向應與探頭的隔聲層相垂直，并使缺陷波下降到基準靈敏度條件下顯示屏滿刻度25%或使缺陷第一次反射波波高與底面第一次反射波高之比為50%。此時探頭中心的移動距離即為缺陷的指示長度，探頭中心點即為缺陷的邊界點。兩種方法測得的結果以較嚴重者為準。第三十頁，共73頁。c）用單直探頭確定缺陷的邊界范圍或指示長度，移動探頭使缺陷第一次反射波波高下降到基準靈敏度條件下顯示屏滿刻度25%或使缺陷第一次反射波波高與底面第一次反射波高之比為50%。此時探頭中心的移動距離即為缺陷的指示長度，探頭中心點即為缺陷的邊界點。兩種方法測得的結果以較嚴重者為準。第三十一頁，共73頁。d）按底面第一次反射波（B1）波高低于滿刻度50%確定的缺陷在測定缺陷的邊界范圍或指示長度時，移動探頭（單直探頭或雙直探頭）使底面第一次反射波升高到顯示屏滿刻度的50%。此時探頭中心的移動距離即為缺陷的指示長度，探頭中心點即為缺陷的邊界點。此外在測定缺陷的大小時還應注意疊加效應的識別。所謂疊加效應是指在薄板中當缺陷較小時，缺陷反射波從第一次開始，第二次、第三次反射波逐漸增高，增高到一定程度以后的反射波又逐漸降低的現象。第三十二頁，共73頁。3.缺陷性質的識別：根據缺陷反射波和底波特點來估計缺陷的性質。分層：缺陷波形陡直，底波明顯下降或完全消失。折迭：不一定有缺陷波，但始脈沖加寬，底波明顯下降或消失。白點：波形密集、互相彼連、移動探頭此起彼伏、十分活躍，重復性差。第三十三頁，共73頁。7.1.3.7缺陷的評定與質量分級JB/T4730.3-2005標準根據缺陷的性質、指示長度、指示面積來進行缺陷的評定與質量分級，規定如下：1.缺陷的評定1）缺陷的指示長度的評定規則單個缺陷按其指示的最大長度作為該缺陷的指示長度。若單個缺陷的指示長度小于40㎜時，可不作記錄。第三十四頁，共73頁。2）單個缺陷指示面積的評定規則單個缺陷的指示面積=缺陷的指示長度×缺陷的指示寬度(與長度方向垂直的最大尺寸)a）一個缺陷按其指示的面積作為該缺陷的單個指示面積。b）多個缺陷其相鄰間距小于100㎜或間距小于相鄰較小缺陷的指示長度（取其最大值）時，以各缺陷面積之和作為單個缺陷指示面積。c）指示面積不計的單個缺陷見表7.3第三十五頁，共73頁。3）缺陷面積百分比的評定規則在任一1m×1m的檢測面積內，按缺陷面積所占的百分比來確定。如鋼板面積小于1m×1m，可按比例折算。第三十六頁，共73頁。2.質量分級1）鋼板質量分級見表7.3。2）在剖口預定線兩側各50㎜（當板厚超過100㎜時，以板厚的一半為準）內，缺陷的指示長度大于或等于50㎜時，應評為Ⅴ級。3）在檢測過程中，檢測人員如確認鋼板中有白點、裂紋等危害性缺陷存在時，應評為Ⅴ級。第三十七頁，共73頁。表7.3鋼板質量分級第三十八頁，共73頁。7.2復合鋼板超聲波檢測7.2.1復合鋼板的加工及主要缺陷復合板是由基板和復合層板組成的?；逋ǔ２捎锰间摗⒌秃辖痄摪寤虿讳P鋼板，復合層板通常采用不銹鋼、鈦及鈦合金、鋁及鋁合金、鎳及鎳合金、銅及銅合金板。復合層板用來提高耐磨、耐腐蝕等性能，基板用來保證復合板的強度?；搴蛷秃蠈影宓慕Y合采用軋制法、爆炸復合法和堆焊法等。復合板中的缺陷主要是復合層板和基板結合層界面上的未結合，未結合部分的缺陷呈完全脫開或不完全脫開狀態。超聲波檢測主要是檢測基板和復合層板結合狀態的。第三十九頁，共73頁。7.2.2復合鋼板超聲波檢測的反射波分析復合板的基板和復合層板即使完全結合，由于復合層板的聲阻抗和基板的聲阻抗一般不相同，因此對復合板作縱波垂直檢測時，在基板和復合層板的結合界面上會產生反射波，超聲波檢測儀顯示屏上同時收到界面反射波和底面反射波。復合板縱波垂直檢測時超聲波的傳播路徑和檢測圖形見示意圖7.5。第四十頁，共73頁。圖7.5鈦復合鋼板縱波垂直檢測時的超聲波傳播路徑及反射波示意圖圖中I、I1為界面反射波，I2為界面多次反射波；B為底面反射波，B1的傳播路徑較為復雜：一條是I1經復合板表面反射然后在界面處透射，而后經基板底面反射，這個反射波在界面處透射最后回到復合板表面；另一條是B經復合板表面反射后，在界面處再次反射并回到復合板表面。

第四十一頁，共73頁。設界面的聲壓反射率（取決對值）為r,按第一章第三節講述的理論，即：

（7.2）

表7.4表示由計算得出的基板和幾種復合層材料組成的界面的聲壓反射率。這里基材（鋼）的聲阻抗取46×106kg/m2s。第四十二頁，共73頁。表7.4基板（鋼）和復合層板的界面聲壓反射率復合層板Z2

106kg/m2sZ1/Z2r鎳53.50.8600.07518-8不銹鋼47.71.0070.0035銅44.61.0310.152鈦27.41.6790.253鋁17.32.6590.453第四十三頁，共73頁。在圖7.5中,如以I1/B或I/B作表示界面反射波大小的指標,則其間關系如下:

（7.3）

用表7.4中的數值用式（5-3）計算I/B,結果見表7.5

第四十四頁，共73頁。表7.5界面反射波的大小復合層板I/B

I/B的分貝值

鎳0.0755-22.5dB18-8不銹鋼0.0035-49.1dB銅0.155-18.2dB鈦0.270-11.4dB鋁0.570-4.9dB由此表可知,復合層板是18-8不銹鋼的復合板,界面反射波極小,幾乎看不到.而復合層板是鋁和鈦的復合板,界面反射波就相當大.圖7.5是按復合層板是鈦的情況畫出來的。第四十五頁，共73頁。7.2.3復合鋼板的超聲波檢測過程7.2.3.1探頭選用探頭的選用應按表7.1的規定進行。7.2.3.2耦合方式耦合方式可采用直接接觸法或液浸法。7.2.3.3檢測面一般從基板側表面進行檢測，需要時也可以從復合板材側進行檢測。第四十六頁，共73頁。7.2.3.4掃查方式a)掃查方式可采用100%掃查或沿鋼板寬度方向，間隔為50mm的平行線掃查；b)根據合同、技術協議書或圖樣的要求，也可采用其他掃查形式；c)在坡口預定線兩側各50mm內應作100%掃查。7.2.3.5基準靈敏度的確定將探頭置于復合鋼板完全結合部位，調節第一次底波高度為顯示屏滿刻度的80%。以此作為基準靈敏度。第四十七頁，共73頁。7.2.3.6未結合區的測定第一次底波高度低于顯示屏滿刻度的5%，且明顯有未結合缺陷反射波存在時（≥5%），該部位稱為未結合區。移動探頭，使第一次底波升高到顯示屏滿刻度的40%，以此時探頭中心作為未結合區邊界點。第四十八頁，共73頁。7.2.3.7未結合缺陷的評定和質量分級不同的標準對未結合缺陷的評定與質量分級有不同要求，JB/T4730.3-2005標準對未結合缺陷的評定和質量分級的規定如下：1.缺陷指示長度的評定一個缺陷按其指示的最大長度作為該缺陷的指示長度。若單個缺陷的指示長度小于25mm時，可不作記錄。第四十九頁，共73頁。2.缺陷面積的評定多個相鄰的未結合區，當其最小間距小于等于20mm時，應作為單個未結合區處理，其面積為各個未結合區面積之和。3.未結合率的評定未結合區總面積占復合板總面積的百分比。4.質量分級評定1)復合鋼板質量分級評定按表7.6的規定。2)在剖口的預定線兩側各50mm的范圍內，未結合的指示長度大于或等于25mm時，定級為Ⅳ級。第五十頁，共73頁。表7.6復合鋼板質量等級評定第五十一頁，共73頁。7.3無縫鋼管超聲波檢測鋼管按其加工方法分為無縫鋼管和焊接管，無縫鋼管加工有熱軋和冷拔兩種方法，焊接管加工有螺旋焊縫和直縫電焊鋼管兩種方法，本節介紹碳鋼和低合金鋼及奧氏體不銹鋼無縫鋼管的超聲波檢測。第五十二頁，共73頁。7.3.1無縫鋼管的常見缺陷無縫鋼管加工方法有熱軋（擠壓無縫鋼管）和冷拔，無縫鋼管中缺陷與加工方法有關。無縫鋼管中常見缺陷有裂紋、折迭、分層等；折迭屬表面缺陷；裂紋存在于無縫鋼管的內部和表面；分層屬內部缺陷，本節介紹的超聲波檢測方法不適用于分層缺陷的檢測。第五十三頁，共73頁。7.3.2無縫鋼管的常用檢測方法無縫鋼管中缺陷按其方向有縱向缺陷和橫向缺陷，鋼管的檢測主要針對縱向缺陷。檢測縱向缺陷時超聲聲束應由鋼管外圓橫截面中心線一側傾斜入射，在管壁內沿周向呈鋸齒形傳播（如圖7.6所示）。檢測橫向缺陷時超聲聲束應沿軸向傾斜入射呈鋸齒形傳播（如圖7.7所示）。在實際檢測時，通常希望管材中存在的波形單一，形成的A型顯示波形清晰簡單，以便于缺陷信號的正確判斷和解釋。因此將管材檢測的傾斜入射聲束入射角選擇在第一臨界角和第二臨界角之間，使管材中只存在橫波進行檢測且聲束軸線能掃查到內壁。無縫鋼管檢測按耦合方式分為接觸法和液浸法，下面介紹兩種方法的特點。第五十四頁，共73頁。第五十五頁，共73頁。7.3.2.1接觸法檢測接觸法檢測使用與鋼管表面吻合良好的斜探頭。管材曲率半徑小時，接觸法檢測耦合不良，聲束嚴重擴散，靈敏度低，一般采用聚焦探頭、將有機玻璃斜楔塊加工成與管材表面吻合良好的曲面,也可在探頭前加裝與管材吻合良好的滑塊（見圖7.8）等方法提高檢測靈敏度。接觸法檢測效率低、探頭損耗大適用于單件小批量及規格多的情況。接觸法檢測為保證管材內只有橫波并使橫波掃查到管材內壁（見圖7.9）斜探頭的折射角按下面方法確定：第五十六頁，共73頁。圖7.8探頭前加裝滑塊圖7.9管材接觸法檢測第五十七頁，共73頁。接觸法檢測斜探頭的折射角按下面方法確定：1.管材內只有橫波：2.橫波檢測到管材內壁：；3.滿足管材內只有橫波并檢測到內壁的條件為：（7.4）式中：CL有—有機玻璃中的縱波聲速CS鋼—鋼中的橫波聲速r—檢測的管內徑R—檢測的管外徑第五十八頁，共73頁。例題2：用單斜探頭直接接觸法檢測Φ325×40mm無縫鋼管，求探頭的最大K值？已知：D0=325mmT=40mm求:解:

滿足橫波檢測到管材內壁的最大折射角：答:探頭的最大K值為1.15。第五十九頁，共73頁。7.3.2.2液浸法將液浸縱波探頭置于液體中，利用縱波傾斜入射到液體/鋼界面，當入射角α在第一臨界角和第二臨界角之間時，在管材內對縱向缺陷進行全橫波檢測，見圖7.10（圖中所示反射波表示的是相對位置，實際檢測中它們不會同時出現在顯示屏上）。液浸法耦合效果好、檢測速度快、靈敏度高、探頭損耗小、特別適用于對小徑管的全周長自動化檢測。

第六十頁，共73頁。簡單介紹一下液浸法的幾個工藝參數的選擇：1.偏心距：探頭聲束軸線與管材中心軸線的水平距離?？刂破木嗑涂梢钥刂迫肷浣铅痢Ｆ木嗟姆秶蓛蓚€條件決定，一是保證聲束軸線能夠檢測到管材內壁，二是保證全橫波檢測。聲束軸線檢測內壁的條件：全橫波檢測的條件：同時滿足上述條件時：（7.5）第六十一頁，共73頁。第六十二頁，共73頁。∵∴偏心距的范圍（7.6）耦合液體如果用水，將水和鋼中的聲速代入有（7.7）實際工作總常取偏心距的平均值即（7.8）式中：cL液－液體中縱波聲速cL鋼－鋼中縱波聲速cS鋼－鋼中橫波聲速R－小徑管外半徑r－小徑管內半徑X－偏心距第六十三頁，共73頁。2.液體層厚度：液體層厚度要保證液體/鋼界面的第二次反射波位于管子的內壁缺陷的一次波和二次波之后，這樣便于對缺陷的識別。如果用水作為耦合液體的話，由水和鋼的聲速可知水層厚度大于管材中橫波聲程的一半就能滿足上述要求，即：（7.9）第六十四頁，共73頁。3.焦距：（7.10）4.聚焦探頭聲透鏡的曲率半徑：（7.11）以有機玻璃探頭水耦合為例（7.12）式中：—聲透鏡中縱波聲速