CN103487509B - 超声手动纵-纵-纵波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声手动纵-纵-纵（L-L-L）波检测方法，属于常规A超检测领域。它是使用一种双晶片合成探头，该探头消除了由声束扩散引起的底表面回波，利用纵波小角度在工件中传播，遇异质界面直接反射和反射波到底面，又由底面反射回探头的原理，检出厚焊缝中体积缺陷和垂直检测表面的面积型缺陷的方法。此方法为常规A超检测领域提供了全新的检测形式。在超厚焊缝大量增多的今天和脉冲反射法仍占主导地位的现在，此方法对更加准确的评价焊缝的真实质量有着非常实用的使用价值。

Description

超声手动纵-纵-纵波检测方法

技术领域

本发明涉及超声手动纵-纵-纵（L-L-L）波检测方法，尤其是涉及一种双晶片合成探头，检验工件厚度大于120mm以及焊缝两边检测区域不足的焊缝中的与检测表面垂直的面积型缺陷方法。

背景技术

目前国内外在焊接领域里使用窄间隙坡口焊接的产品越来越多，工件厚度也是越来越大，厚度大于120mm的焊缝已是常见，厚度大于200mm的甚至厚度大于300mm的也经常出现。而相应的无损内部检验工作却带来许多困扰，原因也是明显的，两大类检测射线和超声波的设备所具有能量，已是无法满足超厚焊缝的检验。而焊缝中最危险的缺陷，即垂直检测面的面积型缺陷，又是射线和超声波检验的弱项。对此A超脉冲反射法中的串列式检验也没有了优势，时差衍射法也有着定性困难的缺点。此外，某些产品的特殊结构，焊缝两边直段宽度过窄，正常的超声波检测已无法进行，使得焊缝内部真实情况无法掌握。

发明内容

鉴于此，本发明人对较厚或超厚（厚度大于120mm）焊缝和检查区域不够的焊缝进行了研究。结果发现了超声波纵-纵-纵波检测的方法，即L-L-L波检测方法。本发明使用的是由双晶片构成的小角度、纵波斜的探头（探头结构见图1a），该探头成功的消除了因声束扩散引起的底表面回波，利用声波的直接反射和经缺陷反射到底面，又由底面反射回探头，从而检出焊缝中的体积型和垂直面积型缺陷。该方法的另一优点是利用小角度纵波的能量大、探头移动距离短的特点，使得超厚焊缝和焊缝两边距离小的检测得以实现。

本发明的目的是提供一种超声波手动纵-纵-纵波检测垂直面积型缺陷方法，该方法中使用一种双晶片合成探头，对超厚焊缝和检验区域不足的焊缝进行检测，确保与检测表面垂直的面积型缺陷和体积型的检出率，为评价工件内部真实质量提供更有力度的检测结果。

本发明的超声波检测装置如图3所示，其包括超声波探伤仪5，两根电缆8、双晶片合成探头9；该超声波探伤仪5可以是数字机和模拟机中的任一种，用所述电缆8将超声波探伤仪5的发射插座6与发射晶片1相连接、超声波探伤仪5的接收插座7与接收晶片2相连接；其中，所述超声波探伤仪5优选为A型超声波探伤仪。

该检测方法包括以下的步骤：

（1）选择超声手动纵-纵-纵波检测装置，该装置包括符合JB/T4730.3-2005标准的超声波探伤仪和双晶片合成探头9，通过电缆线8将该双晶片合成探头9的发射晶片1与超声波探伤仪5的发射插座6连接、超声波探伤仪的接收插座7与双晶片合成探头的接收晶片2连接，超声波探伤仪的探头模式为双探头模式；

（2）使用CSK-ⅣA试块（是以JB/T4730.3-2005为例的；美国的ASME和法国的RCC都可应用标准中的试块），调节仪器（超声波探伤仪）的线性，设置各项仪器参数，仪器线性是指仪器的荧光屏上横轴与相应声程的比值，线性调节主要在发现缺陷时用于缺陷的定位（包括缺陷距扫查面的深度、缺陷距距探头前沿的距离等），仪器线性可在CSK-IIIA试块上调节，在试块上选取不同深度的两个短横孔进行调节，A超数字探伤仪的仪器参数一般包括单晶双晶模式、探头前沿、探头频率、波束角度、声速，其中探头前沿需在CSK-IA试块上测定，探头频率和波束角度根据所选探头设定，为获得实际的波束角度，可用探头在CSK-IA试块上测定，声速根据声波类型不同而不同，一般横波在低合金钢中的传播速度为3240m/s，另外不同类型的A超数字探伤仪还有各自的辅助参数设置，本文对此不做描述；确定探伤灵敏度，即绘制距离幅度曲线（DAC曲线），并保存调节设置好的参数。所述DAC曲线是指距离幅度曲线，根据规定的条件，由产生回波的已知人工反射体的距离、探伤仪的增益和人工反射体的大小三个参数绘制的曲线，用以确定探伤灵敏度，也可用于估算缺陷的当量尺寸；

（3）对被检工件进行检验，其按照如下方式进行：①探头垂直焊缝做锯齿型前后移动，其移动距离为焊缝宽度+tanβ×T+30mm(β是纵波折射角；T是工件厚度)。②探头骑在焊缝上，方向与焊缝平行做前后移动；

（4）发现缺陷后，再做前后、左右、转角、环绕等形式的检查，结合DAC曲线按照标准对缺陷做出性质判断与缺陷评级。并做好缺陷的文字记录和工件标定。本发明的一个优选的方案，超声手动L-L-L波检测方法，主要是提供厚度大于120mm的焊缝超声波检测垂直面积型缺陷的方法。上述焊缝厚度的上限没有特别限定，但通常为400mm以下，优选150mm～250mm。此外，对于检验区域不够的，厚度≤120mm的焊缝也可应用此法。对于不同焊缝厚度范围采用不同的探头折射角度和晶片尺寸，所述折射角度通常为6°-13°，单个晶片尺寸一般在8mm×9mm至18mm×18mm之间，其中，焊缝厚度越大，选择的晶片尺寸就越大，选择的角度越小，反之亦然。

如图1a所示，本发明的一个优选的方案，还在于提供一种双晶片探头9，其特征在于：所述发射晶片和接收晶片这两晶片都是曲率晶片；该两晶片的摆放角度是一致的而非屋顶角形式；发射晶片1位置较高，高度距离大于声场0.5倍的近场区距离；发射晶片1有自身的消声槽和吸声材料。

发明效果

根据本发明，通过超声波L-L-L检测垂直面积型缺陷方法，不但能对与检测表面垂直的面积型缺陷有着良好的检出，同时也可检出大部分体积型缺陷。另外，本发明人研制的双晶片合成探头成功的消除了由探头扩散引起的底表面回波。在底表面位置上只有缺陷回波而无底面回波，开创了L-L-L波检测内部垂直缺陷的先河，填补了国内外此种方法的空白。此方法特别适用厚度大于120mm的焊缝和焊缝两边检测区域不足焊缝的检测。在超厚焊缝大量增多的现在，为准确的评价焊缝的真实质量，此方法有着非常实用的使用价值。

附图说明

图1a是根据本发明一种优选实施方式的双晶片合成探头的结构示意图；

图1b是根据本发明一种优选实施方式的双晶片合成探头的剖面示意图

图2是常规的超声波检测装置及检测示意图；

图3是根据本发明一种优选实施方式的超声波检测装置及检测示意图

图4是利用本发明的检测方法进行检测的流程图；

图5是根据本发明一种优选实施方式检测原理和显示回波的示意图；

图6是根据本发明一种优选实施方式的实例检测示意图；

图7是根据本发明一种优选实施方式的另一实例检测示意图；

图8是DAC曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明的特点将随着这些描述变得更为清楚、明确。

图1a是本发明的双晶片合成探头，其特征在于：两个晶片都是曲率晶片；摆放角度是一致的而非屋顶角形式；发射晶片1位置较高，高度距离大于声场0.5倍的近场区距离；发射晶片1有自身的消声槽和吸声材料；纵波的折射角度很小（6°-13°）并且单个晶片尺寸一般在8mm×9mm至18mm×18mm之间，因为采取了以上的特征，使声束扩散得到抑制，底表面散乱回波得到消除，所以保证了L-L-L检测方法的实现。

图1b中所示为双晶片合成探头的剖面图，其中，如图1b中所示，所述双晶片合成探头包括：

外壳24，其内部底面设置横截面为L型机玻璃支架21（材质为有机玻璃），所述有机玻璃支架21由水平支架和与水平支架相连的立式支架组成，

发射晶片1，其设置于立式支架的顶端，发射晶片1顶部设置阻尼材料23

接收晶片2，其设置于水平支架的顶端，接收晶片2顶部设置阻尼材料23

吸声材料22，其设置于立式支架的前、后两侧的表面上。

图2为常规的A超反射法检测装置和检测示意图，该装置包括超声波探伤仪5、电缆线8、常规探头10。其检测方法按照通常的来进行。

图3为本发明的超声波检测装置和检测示意图，该装置包括超声波探伤仪5、两根电缆线8、双晶片合成探头9。本发明的检测与常规检测不同的是：一是本发明双晶片合成探头，两根连接超声波探伤仪5与双晶片合成探头9的电缆8，该探伤仪的发射插座6与双晶片合成探头的发射晶片1连接；该探伤仪的接收插座7与双晶片合成探头的接收晶片2连接；二是由于折射角小，双晶片合成探头的前后移动距离要比常规检测时小得多。

图4是利用本发明的检测方法进行检测的流程图，该检测方法包括以下的步骤：

(1)选择符合标准（JB/T4730.3-2005）超声波探伤仪5CTS-22、双晶片合成探头9、CSK-ⅣA或CSK-ⅢA试块（图中未示出）。通过电缆线8将双晶片合成探头9与超声波探伤仪连接（超声波探伤仪的发射插座6与探头9的发射晶片1连接；超声波探伤仪的接收插座7与探头9的接收晶片1连接）。超声波探伤仪的探头模式为双探头模式。

（2）使用CSK-ⅣA或CSK-ⅢA试块，调节仪器的线性、设置各项仪器参数、确定探伤灵敏度（DAC曲线），并保存调节设置好的参数。

（3）对被检工件进行检验：①探头垂直焊缝做锯齿型前后移动，其移动距离为焊缝宽度+T×tanβ+30mm，β是指纵波折射角，T是指工件厚度。②将探头置于焊缝上，探头做平行焊缝方向的前后移动。对于探头的前后移动，因为探头本身就在焊缝上，不管移动多大距离都不会扫查不到焊缝，所以探头平行焊缝扫查时没有移动距离上的限制。另外，垂直于焊缝扫查时之所以要有距离限制，是因为当探头相对于焊缝边沿的距离移动超过焊缝宽度+T×tanβ+30mm时，探头的一次波束将扫查不到焊缝，扫查就没有多大意义。

（4）发现缺陷后，再做前后、左右、转角、环绕等形式的检查，结合DAC曲线按标准对缺陷做出性质判断与缺陷评级。并做好缺陷的文字记录和工件标定。

图5是在本发明的检测原理和显示回波示意图。双晶片合成探头9的发射晶片发射的纵波从双晶片合成探头9的有机玻璃中以很小的角度入射进入钢（是指进入焊缝金属中，或者进入母材金属中）中，在钢中产生折射纵波和横波，因入射角度小，所以转换的横波能量很低，可不作考虑，大部分能量以折射纵波型式在钢中传播，遇到异质界面（缺陷）时，声波依然会发生反射和波型转换，如果缺陷的方向与入射声波方向垂直或近于垂直，反射回波被探头接收晶片接收，超声波探伤仪显示屏显示缺陷；如果缺陷的方向与入射声波方向不垂直（与检测表面垂直或近于垂直）的缺陷，还会发生反射和波型转换，相对于缺陷界面，此时的入射角度很大，约80°左右，发生转换的横波能量依然很低，可不作考虑，大部分能量都以反射角等于入射角的角度反射到底面，又以相同的角度返回双晶片合成探头的接收晶片，显示缺陷，显示深度位置是底波的位置或略大一点。再依据回波情况分析判断，从而检出垂直检测面的危险性缺陷。

超声波探伤仪显示屏上的回波情况基本就四种：①如果没有缺陷，荧光显示屏上只有始脉冲波和底表面噪声，如图5-①所示；②如果显示屏上有始脉冲波+F1（始脉冲波后，工件厚度T前的所有显示回波）波+底表面噪声，是焊缝中有体积型或与入射波垂直的面积型缺陷，图5-②所示；③显示屏上有始脉冲波+F1+F2(工件厚度T上或略后T的波)，此情况下有两种形式：一是F1幅度小于F2幅度，一般是焊缝中有垂直检测表面的面积型缺陷，如图5-③所示；二是F1幅度大于F2幅度，一般是焊缝中有体积型缺陷，如图5-④所示。

图6本发明的一个优选实施方式的实例检测示意图，模拟焊缝的材料508Ⅲ钢，规格400×40×120（120为厚度，单位是毫米。模拟缺陷使用线径0.18mm的线切割，切割后在沿切割线进行机械加工坡口，氩弧焊焊接封口，机械加工，最终形成一个深度20mm(另一面95mm)，面积5×18的缺陷，缺陷与上下表面有2.5度的倾斜（模仿窄间隙焊的焊接坡口）。标准JB/T4730.3-2005。试块CSK-ⅢA。探伤仪CTS-22(模拟机)。探头2.5MHz、晶片18×（6+16）、折射角9度。检验灵敏度是深度120mm的φ1×6短横孔-6dB。检测分别在模拟焊件上的①、②、③、④四个缺陷部位进行。检验结果见下表1:

表1

90探头	①深度/幅度	②深度/幅度	③深度/幅度	④深度/幅度
					直接反射	96/φ1×6-0dB	96/φ1×6-1dB	22/φ1×6-8dB	22/φ1×6-9dB
经底反射	122/φ1×6+10dB	122/φ1×6+8dB	122/φ1×6+2dB	122/φ1×6+1dB

从表1检验结果可知，同一位置都有两个反射回波，浅的一个是缺陷的衍射波和部分反射波合成，直接被探头接收，它显示缺陷的实际深度，另一个显示深的回波，是声波经过面积缺陷界面反射到底面，又由底面反射回探头的回波，两回波幅度相差近10dB，这为缺陷的性质提供了有力的证据。其中位置①处经底反射的缺陷回波幅度为φ1×6+10dB，查表2可知，该缺陷回波幅度在判废线（φ1×6+10dB）之上，即在图8中DAC示意图所示的III区，查表3可知，该缺陷应评定为III级，超过了I级合格验收要求（假设I级合格），即为不合格缺陷。JB/T4730.3-2005而言，其验收要求在标准中都有规定，其质量分级共分为三级，如下表3所示）

表2距离波幅曲线灵敏度

表3焊接接头质量分级表

其中，本次试验绘制的DAC曲线是按所用探头和仪器在CSK-IIIA试块上实测的数据绘制而成，该曲线族由评定线、定量线和判废线组成。评定线与定量线之间（包括评定线）为I区，定量线与判废线之间（包括定量线）为II区，判废线及以上区域为III区，如图8所示。

图7是本发明的一个优选实施方式的另一实例检测示意图。某蒸汽发生器的焊缝，材料508Ⅲ钢，规格φ3800×250mm。此焊缝经9Mev的直线加速器射线透射检测，底片上无影像。经执行ASME标准的超声波检测：发现一处缺陷，缺陷深度182mm，长度20mm,回波幅度20%DAC-6dB，按ASME标准评定，此缺陷，可不考虑缺陷性质，为合格。对此缺陷用本发明装置进行复检，探伤仪CTS-22，探头2.5MHz/晶片20×（8+18）/折射角7度的探头、检验灵敏度是深度200mm的φ3×40长横孔-24dB。检测分别在焊缝上的①、②两个部位进行。检验结果见下表4。

表4

70探头	①深度/幅度	②深度/幅度
			直接反射	182/φ3×40-12dB	182/φ3×40-12dB
经底面的反射	254/φ3×40-6dB	254/φ3×40-5dB

由表4可知，检验结果按ASME标准评定，深度位置182mm的回波幅度20%DAC+2dB，需要判定缺陷性质，深度位置254mm的回波幅度为50%DAC+0dB，两个回波幅度相比，可明确判定此缺陷为面积型缺陷，不合格。

由以上几点阐述可知，本发明提供的超声手动纵-纵-纵波检测方法，是对超厚焊缝，及检验距离不够的焊缝中所使用的一种优异的检验方法，它完全弥补了正常超声波检验时，因检验设备能量不够和检验区域不够而引起的技术漏检。此方法虽然也存在检验时焊缝的表面必须平整。如果焊缝有余高、错边、咬边、两侧厚度不一样等都会影响此方法检测的缺点。但本发明的L-L-L波检侧方法，操作简单容易，方便、快捷、经济，它的应用不需要特殊的检测标准、检测仪器（模拟机和数字机都可以实现）。多花费很少的时间，而危险缺陷的检出率和准确率却有很大的提高，有着很有实用的使用价值。

以上通过优选的具体实施方式对本发明进行了范例性说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制，在不超出本发明精神和保护范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.超声手动纵-纵-纵波检测方法，其特征在于，该方法是使用超声手动纵-纵-纵波检测装置完成的，超声手动纵-纵-纵波检测装置包括通过电缆线连接的超声波探伤仪和双晶片合成探头，其中，双晶片合成探头检测出厚焊缝中体积型缺陷和垂直检测表面的面积型缺陷，被检工件厚度大于120mm，

该方法包括如下的步骤：

(1)选择超声手动纵-纵-纵波检测装置，通过电缆线将该双晶片合成探头中的发射晶片与超声波探伤仪的发射插座连接、超声波探伤仪的接收插座与双晶片合成探头的接收晶片连接，所述双晶片合成探头的纵波折射角范围是6°-13°；所述发射晶片尺寸为8mm×9mm至18mm×18mm；所述接收晶片尺寸为8mm×9mm至18mm×18mm；

(2)使用CSK-ⅣA试块，调节仪器的线性，设置各项仪器参数，确定探伤灵敏度，即绘制距离幅度曲线，并保存调节设置好的参数；

(3)对被检工件进行检验，按照如下方式操作：①探头垂直焊缝做锯齿型前后移动，其移动距离为焊缝宽度+tanβ×T+30mm，其中，β是双晶片合成探头的纵波折射角，T是被检工件厚度，②双晶片合成探头骑在焊缝上，方向与焊缝平行做前后移动；

(4)发现缺陷后，再做前后、左右、转角、环绕形式的检查，结合DAC曲线按照标准对缺陷做出性质判断与缺陷评级，并做好缺陷的文字记录和工件标定。

2.根据权利要求1所述的超声手动纵-纵-纵波检测方法，其特征在于，所述双晶片合成探头中发射晶片和接收晶片都是曲率晶片，两晶片的摆放角度基本一致，发射晶片位置的高度距离大于声场0.5倍的近场区距离。

3.根据权利要求1所述的超声手动纵-纵-纵波检测方法，其特征在于，被检工件厚度为150～250mm。