CN103954687B - 一种超声波探伤方法、超声波探伤装置及纵波横波爬波一体化超声波斜探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波探伤方法、超声波探伤装置及纵波横波爬波一体化超声波斜探头，所述超声波探伤方法包括如下步骤：准备入射角为α、纵波折射角为βL和横波折射角为βT的超声波斜探头；对所述超声波斜探头进行调校；将所述超声波斜探头配置于待检工件的外表面上；从所述超声波斜探头发出超声波束对待检工件进行探伤；根据所述超声波斜探头接收到的反射回波判断所述待检工件有无缺陷及相应的缺陷位置；本发明实现了对待检钢件焊缝的全方位扫查，降低了漏检率，提高了探伤效率，节约探伤成本，探头行走的距离较横波斜探头缩短40%，探伤的准确率能够提高到90%以上。

Description

一种超声波探伤方法、超声波探伤装置及纵波横波爬波一体化超声波斜探头

技术领域

本发明涉及超声波探伤领域，具体为一种超声波探伤方法、超声波探伤装置及纵波横波爬波一体化超声波斜探头。

背景技术

超声波斜探头是实现电能和声能相互转换的一种器件，也是实现超声波探伤的关键部件，其主要由压电晶片组成，可发射和接收超声波，现有技术中的超声波斜探头通常包括横波斜探头、纵波斜探头和爬波斜探头，横波的传播方向和振动方向是互相垂直的，纵波的传播方向和振动方向是一致的。

现有技术中的A型脉冲超声波探伤方式，通常是运用超声波探头和A型脉冲超声波探伤仪组合对焊缝进行探伤，一般选用折射角度分别为45°、60°、70°的横波斜探头，根据超声波在不同声阻抗界面的折射定律，图1示出了超声波在不同声阻抗界面的折射定律的示意图，参考图1所示，其中折射定律如公式sinα/сL1=sinβL/сL2=sinβT/сT2，式中α为入射角、αT为横波反射角、αL为纵波反射角、βT为横波折射角、βL为纵波折射角、сL1为入射纵波在第一介质（即有机玻璃）中的声速（2700m/s）、сL2为折射纵波在第二介质（钢）中的声速（5900m/s）、сT2为折射横波在第二介质（钢）中的声速（3230m/s），第一介质为超声波探头的材料，第二介质为待检工件的材料，从图1中可以看出，纵波斜探头在折射和反射出一个角度的纵波的同时，同时也产生了另一个不同角度的横波，由于探伤时仪器只能按照一种角度调节，故同时存在的另一角度的横波会对探伤带来影响。

参考图2-a、图2-b，其示出了采用横波斜探头对钢焊缝进行探伤的实施例的示意图，通过该实施例能够说明实际应用中钢焊缝超声波探伤选用横波斜探头的原因，如图2-a所示，当纵波折射角βL为90°时，第一临界角αⅠ＝arcsin（сL₁/сL₂）=arcsin(2700/5900)=27.2°,如图2-b所示，当横波折射角βT为90°时，第二临界角αⅡ＝arcsin（сL₁/сL₂）=arcsin（2700/3230）=56.7°，故当横波斜探头的入射角α在27.2°到56.7°之间选取时，则第二介质钢中只有折射横波产生，如45°横波斜探头的入射角α为36.2°，60°横波斜探头的入射角α为46.4°，70°横波斜探头的入射角α为51.8°，且选用横波斜探头进行探伤，对于反射回波的判断非常方便，图3为横波斜探头进行钢焊缝探伤时缺陷各参数的示意图，如图3所示，其中X为缺陷距入射点水平距离、D为缺陷深度、S为声程、T为板厚、β为探头角度；根据前述的折射定律，若选用45°、60°、70°的纵波斜探头，则对应的探头入射角分别为18.9°、23.3°、25.5°，这些角度均小于第一临界角即27.2°，所以在折射纵波产生的同时将分别产生22.8°、28.3°、31°的折射横波。

A型脉冲超声波探伤仪器，每次只能进行一个角度探头的功能调节，包括探头的折射角度，超声波传播的声程距离、水平距离和深度距离，距离波幅曲线的制作、探伤灵敏度的确定等；探伤时荧光屏显示的也只是该角度探头工作的相关数据。采用横波斜探头探伤，由于一个探头只有一个角度存在，故探伤调节没问题，缺陷反射回波各项数据的确定也没有问题。采用纵波斜探头探伤，由于当一个角度的折射纵波存在的同时必然伴随着另一个角度的折射横波存在，如果用纵波斜探头探伤，则仪器只能按纵波折射角度进行仪器调节，当纵波工作的同时另一个角度的横波也在同时工作，仪器上所反映的数据就无法分析确定了；因此，目前的纵波斜探头，由于纵波和横波的同时存在，纵波的全声程（一次纵波和二次纵波）探伤是不可能的，因为钢中纵波声速为5900m/s，横波声速是3230m/s，它们相差1.826倍，也就是纵波跑的比横波快将近2倍，当一次纵波打到工件的底面时产生反射，开始进行纵波的二次波探伤，这时二次纵波与一次横波和二次横波的缺陷反射就难以区别了（1.826倍这时就相近了），对于同一个缺陷，纵波和横波显示的所有数据都是不同的，这就是折射纵波的二次波一直不能运用在焊缝探伤的原因；另外，由于纵波斜探头的一部分能量分给了横波，使得一次纵波的能量变低，二次纵波的能量更低，如用于探伤，则需大大提高灵敏度，目前困难很大。而一次纵波探伤只能解决焊缝的一半部分的探伤，这还要根据焊缝的宽度，若焊缝较宽，可能连一半探伤都达不到，要进行全焊缝探伤，焊缝的增强高部分必须磨平，全焊缝便可以采用一次纵波进行探伤，不磨平则要到焊缝的背面再进行一次波探伤，所以目前运用的纵波斜探头都是仅能用一次纵波探伤，虽然使用纵波斜探头进行焊缝探伤存在上述各种不便，但因为奥氏体焊缝由于晶粒粗大，横波探伤晶间反射严重，无法进行探伤，所以只能采用纵波斜探头一次波进行探伤。

现有技术中的焊缝探伤，普遍选用探头的折射角度为45°、60°、70°，其原因最早可追溯到焊接工艺产生以后，根据板材厚度的不同，焊缝的坡口角度制作便不同，薄板焊缝坡口角度为20°、中厚板焊缝坡口角度为30°、厚板焊缝坡口角度为45°，这均是从国外引进的。焊缝中的缺陷是没有规律的，焊缝成型后，焊缝熔合面（坡口面）的位置从强度上来说是焊缝的薄弱点，坡口面上的缺陷是必须要发现的，因为坡口角度是已知的，为了最大限度发现坡口处熔合面上的缺陷，超声波必须垂直坡口面，达到超声波的最大反射，只有坡口角度加上探伤折射角度为90°时超声波才与坡口面互相垂直，即45°探头与45°坡口面互相垂直，60°探头与30°坡口面互相垂直，70°探头与20°坡口面互相垂直，图4示出了不同折射角度的超声波探头进行探伤时的示意图。

由于焊缝中融化区内的各种缺陷无论是形状还是位置，没有规律可循，对于同一个缺陷不同角度探头超声波的反射，是对同一个缺陷不同位置进行的反射，这种反射回波变化很大，对折射角度与坡口角度相加为90°的探头，最大限度发现了坡口面的缺陷，其它位置的缺陷或方向性较强的缺陷相对检出率就不同了，由于探伤起始灵敏度的不同，45°、60°、70°探头发现相同缺陷的能力也不同，当探伤灵敏度选的较高时，45°探头除了对45°坡口面上的缺陷发现比较灵敏，对根部裂纹和未焊透发现也比较灵敏，对焊缝内其它类型的缺陷发现是上述三个角度探头中最差的；60°探头除了对30°坡口面上的缺陷发现比较灵敏，对根部裂纹和未焊透以及焊缝内部裂纹发现是上述三个角度探头中最差的，因为该角度横波对平面状缺陷易造成波型转换，能量降低，转换的波形探头无法接收，探头能接收的反射能量较低，但对其它类型的缺陷发现高于或等于45°和70°探头；70°探头除了对20°坡口面上的缺陷发现比较灵敏，对焊缝内部裂纹的发现高于45°和60°探头，对其它类型的缺陷发现不是最高的也不是最低的。

图5-a示出了对平焊产生的柱孔进行探伤的示意图，图5-b示出了对横焊产生的柱孔进行探伤的示意图，由于焊接方法如埋弧自动焊、焊条电弧焊、二氧化碳气体保护焊等，以及焊接形式如平焊、横焊、立焊、仰焊等的不同，焊缝中产生相同性质缺陷的形状就有可能不同，对同一个探头的超声反射面不同，探伤结果就不同，如图5-a、图5-b所示。

由于探头角度不同，焊缝探伤探头行走的距离也不同，如图3所示，根据公式X=2T×tgβ＋探头的长度，一般来说，45°探头大约需行走三倍板厚的距离，60°探头大约需行走五倍板厚的距离，70°探头大约需行走七倍板厚的距离，才能保证声波对焊缝和热影响区的全覆盖，例如对五十毫米板厚焊缝进行探伤，45°探头需行走150毫米，60°探头需行走250毫米，70°探头需行走350毫米，才能达到要求，探头行走的表面，粗糙度不能高于6.3μｍ，若达不到则需进行表面处理，探头行走的过程是声波产生物理变化的过程、耦合带来的影响、能量的衰减、声速的变化、灵敏度的降低、波型的转变等，这些都给探伤的准确率带来影响，探头行走的越远对探伤的准确率影响越大。

因为焊缝中的缺陷种类和缺陷方向均是未知的，每一种角度的探头发现缺陷的能力不同，采用越多角度的探头探伤发现缺陷就越多，故有时为了给一个缺陷定性，采用几个角度探头探伤，根据反射回波的有无、高低的变化、位置的不同等进行综合评定，来判断缺陷的形状，这样操作好于一个角度探头的探伤，但操作繁琐；因此根据所检焊缝的要求，有的采用一个角度探头探伤即可，重要的焊缝则不得不采用三个角度探头分别对同一处焊缝进行探伤，如图6，其示出了采用串列式探头对V形坡口进行探伤的示意图。

由于横波是传播方向和振动方向互相垂直，使得粗晶粒晶间反射严重而无法进行探伤，奥氏体焊缝晶粒粗大，目前只能用纵波斜探头一次波进行探伤，又由于板材各向异性的存在，使得横波传播声速产生变化，导致探头折射角变化，其中TMCP钢是目前各向异性变化最大的，横波斜探头角度越大则变化越大，折射角有4°以上的变化，则灵敏度会有10db左右的差异，所以对TMCP钢焊缝的探伤需制作大量的试块进行仪器调节，对一张板的纵向和横向焊缝探伤，要分别制作板材的纵横向试块进行仪器调节，同时由于焊缝不是TMCP，所以采用TMCP钢试块调节仪器又有新的问题存在，目前TMCP钢的每张钢板都存在不同的差异，实际应用时又不能每张钢板的每道焊缝均做TMCP钢试块，所以目前TMCP钢焊缝的横波斜探头探伤是一件非常繁琐的工作。

应用A型脉冲横波斜探头进行焊缝探伤，其准确率在50%～75%，这样的探伤方法全世界已使用了近八十年，在这八十年期间，焊接技术有了很大的提升，高效焊的利用率越来越高，焊接工艺也相应有所改变，焊接的坡口角度也出现了多样化，但目前还大量应用的A型脉冲横波斜探头焊缝探伤没有发展，虽然横波探伤存在上述提到的多种问题，但由于没有好的探伤方法取代它，因此其一直被运用。

发明内容

本发明针对现有技术中的纵波斜探头进行探伤时二次纵波和横波在一起难以区分，以及横波斜探头对于粗晶焊缝进行探伤时晶间反射严重，对板材的各向异性反射灵敏的问题，而研制一种超声波探伤方法、超声波探伤装置及纵波横波爬波一体化超声波斜探头。

本发明的技术手段如下：

一种超声波探伤方法，包括如下步骤：

步骤1：准备入射角为α、纵波折射角为βL和横波折射角为βT的超声波斜探头，所述入射角α、纵波折射角βL和横波折射角βT通过超声波束在第一介质中的声速，以及纵波和横波在第二介质中的声速，并结合纵波折射角与横波折射角互为余角的预设条件进行确定；

步骤2：对所述超声波斜探头进行调校；

步骤3：将所述超声波斜探头配置于待检工件的外表面上；

步骤4：从所述超声波斜探头发出超声波束对待检工件进行探伤；

步骤5：根据所述超声波斜探头接收到的反射回波判断所述待检工件有无缺陷及相应的缺陷位置；

进一步地，当第一介质为有机玻璃，当第二介质为钢时，所述入射角α等于23.6°，所述纵波折射角βL等于61.3°；所述横波折射角βT等于28.7°；

进一步地，所述步骤4具体为：

当所述超声波斜探头发出的超声波束斜射入待检工件时，产生折射角为βT的一次横波和折射角为βL的一次纵波对待检工件进行探伤；

当所述一次横波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的二次横波和反射角为βL的一次变形纵波对待检工件进行探伤；

当所述一次纵波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的一次变形横波和反射角为βL的二次纵波对待检工件进行探伤；

当所述二次横波遇到待检工件顶面时，产生了反射角为βT的三次横波和反射角为βL的二次变形纵波对待检工件进行探伤；

当所述三次横波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的四次横波和反射角为βL的三次变形纵波对待检工件进行探伤；

所述一次横波和一次纵波的包络部分相交形成波束，该波束遇到待检工件底面时，产生了爬波Ⅰ对待检工件进行探伤；

所述二次横波和一次变形纵波的包络部分相交形成波束，该波束遇到待检工件顶面时，产生了爬波Ⅱ对待检工件进行探伤；

进一步地，所述步骤5具体包括如下步骤：

①界定超声波斜探头接收到的任一反射回波是由横波、纵波或爬波反射产生的；

②当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由横波反射产生的，则根据一次横波、二次横波、一次变形横波、三次横波和四次横波的声程和传播时间不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由一次横波、二次横波、一次变形横波、三次横波或四次横波反射产生的；

当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由纵波反射产生的，则根据一次纵波、一次变形纵波、二次变形纵波、三次变形纵波的声程和传播时间不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由一次纵波或变形纵波反射产生的；

当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由爬波反射产生的，则根据爬波Ⅰ和爬波Ⅱ的深度距离不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由爬波Ⅰ或爬波Ⅱ反射产生的；

③当一反射体对应一反射回波时，根据步骤②的确定结果结合反射回波波形确定该反射体是否为缺陷及相应的缺陷位置；

当一反射体对应多个反射回波时，根据步骤②的确定结果结合反射回波数量和各反射回波波形确定该反射体是否为缺陷及相应的缺陷位置；

进一步地，

所述一次纵波与二次横波的交点实现串列式检测；

所述一次纵波与一次变形纵波的交点实现串列式检测；

所述一次变形纵波和二次变形纵波的交点实现串列式检测；

所述一次变形纵波和三次横波相交的交点实现串列式检测。

一种实施上述所述超声波探伤方法的超声波探伤装置，包括入射角为α的纵波横波爬波一体化超声波斜探头。

一种超声波探伤装置的纵波横波爬波一体化超声波斜探头，所述纵波横波爬波一体化超声波斜探头的入射角为α。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种超声波探伤方法、超声波探伤装置及纵波横波爬波一体化超声波斜探头，能够通过一个超声波斜探头同时产生纵波、横波和爬波进行探伤，采用一个探头便能同时替代几个横波斜探头的功能，且采用一个探头便能具有串列式探伤的功能，实现了对待检工件焊缝的全方位扫查，解决了现有技术中的纵波斜探头、横波斜探头探伤存在的问题，如探伤奥氏体焊缝和TMCP钢焊缝困难等，降低了漏检率，提高了探伤效率，，节约探伤成本，探头行走的距离较横波斜探头缩短40%，探伤的准确率能够提高到90%以上，改变了目前探伤仪器市场针对各种各样形状的产品检验而需要做的各种各样的探头的现状，以及为了提高探伤的准确率而用多个角度探头分别和组合探伤的方法，适于广泛推广。

附图说明

图1是超声波在不同声阻抗界面的折射定律的示意图；

图2-a、图2-b是采用横波斜探头对钢焊缝进行探伤的实施例的示意图；

图3是横波斜探头进行钢焊缝探伤时缺陷各参数的示意图；

图4是不同折射角度的超声波探头进行探伤时的示意图；

图5-a是对平焊产生的柱孔进行探伤的示意图；

图5-b是对横焊产生的柱孔进行探伤的示意图

图6是采用串列式探头对V形坡口进行探伤的示意图；

图7是应用本发明所述超声波斜探头进行探伤的示意图；

图8是本发明所述一次横波、一次纵波、二次横波、一次变形纵波和二次纵波的示意图；

图9是本发明所述一次变形纵波进行探伤的示意图；

图10是针对分别探到同一个横通孔的纵波和横波的反射回波波形的示意图；

图11-a是采用本发明所述一次纵波和一次变形纵波进行探伤时的示意图；

图11-b是采用本发明所述一次纵波和一次变形纵波进行探伤时，所述超声波探头接收到的反射回波的示意图；

图12是本发明所述一次纵波与二次横波、以及所述一次纵波与一次变形纵波分别实现串列式检测的示意图；

图13-a是图12中一次纵波的反射示意图；

图13-b是图12中一次变形纵波的反射示意图；

图13-c是图12中一次纵波与一次变形纵波形成串列式反射的示意图；

图14是二次变形纵波与一次变形纵波实现串列式检测的示意图；

图15是图14所述串列式检测的探伤范围的示意图；

图16是本发明所述爬波Ⅰ产生的示意图；

图17是本发明所述爬波Ⅱ产生的示意图；

图18-a示出了本发明所述超声波斜探头对IIW试块进行探伤的示意图；

图18-b示出了本发明所述超声波斜探头对IIW试块进行探伤产生的反射回波的示意图；

图19是本发明所述超声波探伤方法的流程图。

具体实施方式

如图19所示的一种超声波探伤方法，包括如下步骤：

步骤1：准备入射角为α、纵波折射角为βL和横波折射角为βT的超声波斜探头，所述入射角α、纵波折射角βL和横波折射角βT通过超声波束在第一介质中的声速，以及纵波和横波在第二介质中的声速，并结合纵波折射角与横波折射角互为余角的预设条件进行确定；

步骤2：对所述超声波斜探头进行调校；

步骤3：将所述超声波斜探头配置于待检工件的外表面上；

步骤4：从所述超声波斜探头发出超声波束对待检工件进行探伤；

步骤5：根据所述超声波斜探头接收到的反射回波判断所述待检工件有无缺陷及相应的缺陷位置；

进一步地，当第一介质为有机玻璃，当第二介质为钢时，所述入射角α等于23.6°，所述纵波折射角βL等于61.3°；所述横波折射角βT等于28.7°；

进一步地，所述步骤4具体为：

当所述超声波斜探头发出的超声波束斜射入待检工件时，产生折射角为βT的一次横波和折射角为βL的一次纵波对待检工件进行探伤；

当所述一次横波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的二次横波和反射角为βL的一次变形纵波对待检工件进行探伤；

当所述一次纵波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的一次变形横波和反射角为βL的二次纵波对待检工件进行探伤；

当所述二次横波遇到待检工件顶面时，产生了反射角为βT的三次横波和反射角为βL的二次变形纵波对待检工件进行探伤；

当所述三次横波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的四次横波和反射角为βL的三次变形纵波对待检工件进行探伤；

所述一次横波和一次纵波的包络部分相交形成波束，该波束遇到待检工件底面时，产生了爬波Ⅰ对待检工件进行探伤；

所述二次横波和一次变形纵波的包络部分相交形成波束，该波束遇到待检工件顶面时，产生了爬波Ⅱ对待检工件进行探伤；

进一步地，所述步骤5具体包括如下步骤：

①界定超声波斜探头接收到的任一反射回波是由横波、纵波或爬波反射产生的；

②当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由横波反射产生的，则根据一次横波、二次横波、一次变形横波、三次横波和四次横波的声程和传播时间不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由一次横波、二次横波、一次变形横波、三次横波或四次横波反射产生的；

当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由纵波反射产生的，则根据一次纵波、一次变形纵波、二次变形纵波、三次变形纵波的声程和传播时间不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由一次纵波或变形纵波反射产生的；

当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由爬波反射产生的，则根据爬波Ⅰ和爬波Ⅱ的深度距离不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由爬波Ⅰ或爬波Ⅱ反射产生的；

③当一反射体对应一反射回波时，根据步骤②的确定结果结合反射回波波形确定该反射体是否为缺陷及相应的缺陷位置；

当一反射体对应多个反射回波时，根据步骤②的确定结果结合反射回波数量和各反射回波波形确定该反射体是否为缺陷及相应的缺陷位置；

进一步地，

所述一次纵波与二次横波的交点实现串列式检测；

所述一次纵波与一次变形纵波的交点实现串列式检测；

所述一次变形纵波和二次变形纵波的交点实现串列式检测；

所述一次变形纵波和三次横波相交的交点实现串列式检测。

一种实施上述所述超声波探伤方法的超声波探伤装置，包括入射角为α的纵波横波爬波一体化超声波斜探头。

一种超声波探伤装置的纵波横波爬波一体化超声波斜探头，所述纵波横波爬波一体化超声波斜探头的入射角为α。

本发明所述超声波探伤装置包括入射角为α的超声波斜探头，该超声波斜探头通过一个压电晶片输出入射角为α的超声波束；所述入射角α、纵波折射角βL和横波折射角βT通过超声波束在第一介质中的声速，以及纵波和横波在第二介质中的声速，并结合纵波折射角与横波折射角互为余角的预设条件进行确定，其中第一介质中的声速指的是超声波斜探头中的声速，现有技术中通常取有机玻璃中的声速即2700m/s，纵波在第二介质中的声速指的是纵波在待检工件中的声速，如钢中的纵波声速为5900m/s，铝中的纵波声速为6260m/s，横波在第二介质中的声速指的是横波在待检工件中的声速，如钢中的横波声速为3230m/s，铝中的横波声速为3080m/s，当超声波束在第一介质中的声速为2700m/s，纵波和横波在第二介质中的声速分别为5900m/s和3230m/s时（即待检工件为钢），根据折射定律sinα/сL1=sinβL/сL2=sinβT/сT2，结合纵波折射角与横波折射角互为余角的预设条件即纵波折射角βL和横波折射角βT之和为90°，则此时入射角α等于23.6°，纵波折射角βL等于61.3°，横波折射角βT为28.7°，当超声波束在第一介质中的声速为2700m/s，纵波和横波在第二介质中的声速分别为6260m/s和3080m/s时（即待检工件为铝），根据折射定律sinα/сL1=sinβL/сL2=sinβT/сT2，结合纵波折射角与横波折射角互为余角的预设条件即纵波折射角βL和横波折射角βT之和为90°，则此时入射角α等于22.8°，纵波折射角βL等于63.8°，横波折射角βT为26.2°，现有技术中纵波一般称Longitudional wave、横波一般称Transversewave、爬波一般称Creeping wave，故本发明所述超声波探伤装置包括的入射角为α的超声波斜探头由于既利用了纵波探伤，同时也利用了横波和爬坡进行探伤，故可以称其为LTCr超声波斜探头。

本发明当所述超声波斜探头发出的超声波束斜射入待检工件时，产生折射角为βT的一次横波和折射角为βL的一次纵波对待检工件进行探伤；当所述一次横波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的二次横波和反射角为βL的一次变形纵波对待检工件进行探伤；当所述一次纵波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的一次变形横波和反射角为βL的二次纵波对待检工件进行探伤；当所述二次横波遇到待检工件顶面时，产生了反射角为βT的三次横波和反射角为βL的二次变形纵波对待检工件进行探伤；当所述三次横波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的四次横波和反射角为βL的三次变形纵波对待检工件进行探伤；所述一次横波和一次纵波的包络部分相交形成波束，该波束遇到待检工件底面时，产生了爬波Ⅰ对待检工件进行探伤；所述二次横波和一次变形纵波的包络部分相交形成波束，该波束遇到待检工件顶面时，产生了爬波Ⅱ对待检工件进行探伤，所述图7示出了应用本发明所述超声波斜探头进行探伤的示意图（未示出爬波），其中OB为一次横波、OA为一次纵波、BF为二次横波、BE为一次变形纵波、AF为三次横波、AE既是四次横波又是一次变形横波，从图7中可以看出，上述横波或纵波所传播的路径如同蝙蝠的形状，故本发明所述超声波探伤方法可以称之为蝙蝠形探伤法。

下面以待检工件为钢件的情况对本发明的实施方式进行详细说明，待检工件为铝或其它材质时同理。

目前应用的纵波斜探头折射角度分别为45°、60°、70°，在这些角度的纵波产生的同时，根据折射定律分别同时产生22.8°、28.3°、31°的横波，正如前文所述，超声波探伤时只能根据一种角度来进行探伤调节和判断，由于在钢件中纵波的传播速度是横波的1.826倍（5900/3230），所以探伤时只可运用纵波的一次波进行探伤，若运用纵波二次波进行探伤，此时的横波将和纵波无法分辨，探伤将无法进行。

本发明所述一次横波和一次纵波对同一反射体的深度指示相同，具体如下：根据折射定律sinαL／2700=sinβL/5900=sinβT/3230，当纵波折射角βL取61.3°时，此时产生的横波折射角βT为28.7°，这两个角度互为余角，相加正好为90°，入射角α是23.6°，图8示出了本发明所述一次横波、一次纵波、二次横波、一次变形纵波和二次纵波的示意图，其中T为板厚、OA为纵波声程、OB为横波声程，根据公式T＝cos61.3×OA、同时T＝cos28.7×OB，所以cos61.3xOA＝cos28.7×OB，因为cos28.7／cos61.3＝0.877/0.48=1.826，所以纵波声程OA和横波声程OB之比为OA/OB＝1.826，同时纵波声速和横波声速CL/CT=5900/3230=1.826，这样进而可以得出一次纵波和一次横波同时传播的过程中，对同一个反射体的深度指示是相同的，同理，所述二次横波和一次变形纵波对同一反射体的深度指示相同。本发明所述一次横波对一反射体的水平距离为所述一次纵波对同一反射体的水平距离的三分之一，所述二次横波对一反射体的水平距离为所述变形纵波对同一反射体的水平距离的三分之一，具体如下：当一次横波打到待检工件底面时，除了有28.7°的二次横波反射同时还有61.3°的一次变形纵波反射，这61.3°的反射纵波虽然不是一次纵波的反射，但可视作是它的反射，此时，二次横波反射和一次变形纵波反射的深度数据是一致的；通过公式T＝AD/tg61.3、T＝BD/tg28.7、tg61.3=1.826、tg28.7=0.547、进而得出BD/AD=0.547/1.826=0.33，其中T为板厚，即28.7°的一次横波和61.3°的一次纵波对同一个反射体的水平距离是1/3的关系，本发明所述超声波探伤装置探伤时仪器是按照61.3°的一次纵波深度调节，当一次纵波探伤反映的深度数据确定后，水平距离数据也同时确定，即水平距离X₁＝tg61.3×缺陷深度(D)，如果确定反射回波是一次横波的深度数据，则水平距离数据就是相同深度纵波水平距离的三分之一，同理如果确定反射回波是二次横波的深度数据，则水平距离数据就是相同一次纵波水平距离的三分之一。图9示出了本发明所述一次变形纵波进行探伤的示意图，如图9所示，如果确定反射回波是二次纵波的深度数据，则二次纵波的水平距离按下式计算，其中X₂为二次纵波的水平距离、PC为一次横波的水平距离、T为板厚、BB’为缺陷至待检工件底面的距离，因为X₂=B’C+PC，PC=tg28.7×T=0.55T，因为BB’已知，进而B’C=tg61.3×BB’=1.83×BB’，所以X₂=B’C+PC=1.83×BB’+0.55T。

本发明所述步骤4具体包括的第①步，即为：界定超声波斜探头接收到的任一回波是由横波、纵波或爬波反射产生的，如何界定反射回波是横波、纵波或爬波反射产生的，具体方式有如下几种：①根据超声波斜探头所在位置确定，看一次横波是否进入了焊缝里；②根据反射回波的形状变化确定，比如针对同一个横通孔，当纵波和横波分别探到时，反射回波形一模一样，以及该波后面均出现的一个波的波形也非常相似，图10示出了针对分别探到同一个横通孔的纵波和横波的反射回波波形，但第一个波A和第二个波B的反射距离△S对于纵、横波有差异，纵波后面的反射回波是纵波达到横通孔表面产生的表面纵波，横波后面的反射回波是横波达到横通孔表面产生的表面波，两个波的距离△S就是表面纵波或表面波沿孔壁一周的距离，测出周长，横通孔直径便能得知，进而能够看出在纵波和横波探伤时，表面纵波的产生对缺陷表面要求不高，表面波的产生对缺陷表面要求比较高，所以表面纵波比表面波更容易产生，但由于缺陷的表面和方向性是不确定的，且由于横波和纵波的角度不同，所以产生表面纵波和表面波的机率也不一样；③通过水平位置，因为这几种波的反射时间上是相同的，深度距离显示是一致的，由于行走的路径不同，所以水平距离不同，通过水平距离确定是哪种波的反射；④有的缺陷纵波横波都能发现，但发现时探头位置不同，所以水平距离就不同；⑤有的位置一个缺陷多个波反射，从第一个波判断位置，其它波辅助判断，确定最先是那种波先发现而反射；⑥串列式发现的缺陷反射波都在一次板厚度和二次板厚度范围；⑦爬波发现的缺陷反射波都在底波（板厚度反射板）后较近的范围出现。

当28.7°一次横波打到待检工件底面时，根据折射定律，其产生了28.7°二次横波的同时产生了61.3°的一次变形纵波，这就是探伤的二次波，当用一次纵波开始焊缝探伤工作时，一次变形纵波也同时在焊缝里开始工作，若采用现有技术中的61.3°纵波进行一次波和二次波探伤时，探头行走的距离是五倍的板厚，而本发明利用61.3°一次纵波和61.3°一次变形纵波探伤，超声波斜探头最多行走三倍板厚的距离，一次纵波和一次变形纵波同时在焊缝里工作，缺陷分别探到但同时显示，图11-a示出了采用本发明所述一次纵波和一次变形纵波进行探伤时的示意图，图11-b示出了采用本发明所述一次纵波和一次变形纵波进行探伤时，所述超声波探头接收到的反射回波的示意图；另外，本发明所述一次横波的强度高于等于同时产生的一次纵波的强度，一次横波产生的变形纵波的强度也远远高于二次纵波的强度，这是解决焊缝探伤的关键，使用其它角度的纵波斜探头虽然也有横波存在，但横波的强度达不到作为横波二次波和变形纵波探伤强度的要求。

本发明所述一次纵波与二次横波的交点实现串列式检测，所述一次纵波与一次变形纵波的交点实现串列式检测，实现了采用一个探头和一个压电晶片便能具有串列式探伤的功能，本发明所述二次横波与一次纵波的交点为b，所述一次变形纵波与一次纵波的交点为a，其中交点a的位置在板厚的下三分之一处，交点b的位置在板厚的二分之一附近，图12是所述一次纵波与二次横波、以及所述一次纵波与一次变形纵波分别实现串列式检测的示意图，具体计算如下：

一次横波声程oe=oo’/cos28.7=1.14oo’

△oae中，ae=tg32.6×oe=0.639×1.14oo’=0.729oo’

△ace中，ac=sin28.7×ae=0.48×0.729oo’=0.35oo’=0.35T

△obe中，be=sin32.6×oe=0.538×1.14oo’=0.614oo’

△bde中，bd=cos28.7×be=0.877×0.614oo’=0.54oo’=0.54T

在交点a处形成了61.3°探头的串列式探伤模式，串列式显示的深度值也是板厚，计算如下：

△obe中，ob为纵波，be、oe为横波，

oe=oo’/cos28.7=1.14oo’=1.14T

ob=cos32.6×oe=0.842×1.14T=0.96T

be=sin32.6×oe=0.538×1.14T=0.614T

ob变为横波0.96T/1.826=0.527T

eb+ob=0.614T+0.527T=1.14T,与横波oe相等形成板厚回路。

△oae中，oe=oo’/cos28.7=1.14oo’=1.14T

oa=1.14T/cos32.6=1.14T/0.842=1.35T

ae=tg32.6×1.14T=0.639×1.14T=0.729T

oa+ae=1.35T+0.729T=2.079T

(oa+ae)/1.826=1.14T，与横波oe相等形成板厚回路；

此处反射点a一般有三个数值显示，如图13-a所示，一个是一次纵波的反射，如图13-b所示，另一个是一次变形纵波的反射，如图13-c所示，第三个是一次纵波与一次变形纵波的串列式反射；串列式反射回波高是纵波发射横波接收和横波发射纵波接收的两个回路回波的叠加，该交点交柱的范围比较大，此回路可在上下较大范围内发现缺陷，尤其发现面状缺陷。

随着探头的移动，在焊缝里又出现了二次变形纵波和一次变形纵波的交点a’，图14是所述二次变形纵波与一次变形纵波实现串列式检测的示意图，交点a’的位置在板厚的上三分之一处附近，这样便又有了一个串列式的探伤范围，图15示出了采用二次变形纵波和一次变形纵波形成的串列式的探伤范围；如图14所示，在交点b处，形成了纵波61.3°反射的功能，纵波和横波相交为90°，又形成了一个串列式反射回路，但交点处反射体必须是圆弧形，平面形反射体要形成反射回路必须倾斜28.7°左右，b点的反射体有时也会出现三个波，一个是一次纵波的反射，另一个是二次横波的反射，第三个是串列式反射，一个缺陷有时会同时有几个反射回波，这几个反射回波是来自不同路径传播的声波对缺陷的不同位置的反射，根据反射回波的多少和位置可分析缺陷的形状。

本发明所述一次纵波即61.3°纵波在它扫查的任何位置，根据缺陷的方向能产生达到垂直待检工件底面的反射纵波，如图12中的ac，也可产生平行be的横波反射回波，此时缺陷纵波的反射回波探头可以接收，缺陷横波的反射回波有的位置可能和爬波形成了回路使得探头接收，特殊的时候在交点a和交点b的位置，可能一个缺陷有四到五个反射回波出现，这些反射回波都是给一次反射回波提供缺陷形状分析所用，61.3°纵波斜探头有着这个角度特有的功能。

另外，在一次纵波和一次横波的传播过程中，两个波之间的包络部分相交，形成了新的波源和路径，折射角大约在36°至40°左右，传播速度相当于横波，该波同一次纵波和一次横波相比能量很低，不足于用来探伤，对纵波和横波探伤又没有影响，但是该波若打到底面，则转换成能量较大的速度相当于纵波的表面波，通常称作爬波，爬波的传播类似纵波沿表面爬行，爬波的出现对于检验表面的裂纹和离表面十毫米内的缺陷非常灵敏，对于表面裂纹的反射远远高于一次纵波和一次横波，爬波传播距离较短，当一次横波和一次纵波的包络部分相交所形成的波束打到底面产生爬波，该爬波即为本发明所述爬波Ⅰ，图16示出了爬波Ⅰ产生的示意图，如图16所示，有缺陷时，水平距离AO’是板厚的0.726倍加上缺陷波深度数值（D）减掉板厚数值（T）,即AO’=0.726T+D-T；当二次横波和一次变形纵波的包络部分相交所形成的波束打到上表面时，同样产生上表面的爬波，该爬波即为本发明所述爬波Ⅱ，图17示出了爬波Ⅱ产生的示意图，如图17所示，当有缺陷时，最高反射点的水平距离A’O是板厚的0.9倍加上0.55倍板厚再加上爬波缺陷深度数值(D)后减掉板厚数值(T)，即：A’O=0.55T+0.9T+D-T，爬波发现的缺陷均是在底波后十几毫米内显示，分析爬波就从底波位置开始向后，随着板厚的增加，缺陷波离底波位置会越来越远，利用爬波能够完成焊缝上下表面或工件上下表面进行探伤。

本发明所述步骤2为对所述超声波斜探头进行调校，具体包括测定折射角、探伤灵敏度调整、制作距离波幅曲线等，这些步骤与现有技术中的横波斜探头使用前的调整和准备步骤是相同的，探伤仪器的扫描基线（时间线）每次探伤只能按一个角度（一个时间）调节；另外还包括模拟机扫描线调整步骤，具体为：将本发明所述超声波斜探头放到IIW试块上，将探头对圆弧面扫查，找到最高反射波，此时出现两个反射波，前面的是纵波反射，后面的是横波反射，将纵波调到刻度48处，横波调到刻度88处，深度1:1调整完毕，图18-a示出了本发明所述超声波斜探头对IIW试块进行探伤的示意图，图18-b示出了本发明所述超声波斜探头对IIW试块进行探伤产生的反射回波的示意图。

本发明解决了现有技术中奥氏体焊缝由于晶粒粗大，采用横波探伤晶间反射严重的问题，如果横波有影响可通过调整探头行走的位置将横波移出，另外对TMCP钢探伤不需考虑板材的轧制方向，和常规钢焊缝探伤一样，因为纵波是振动方向和传播方向是一致的，探伤时出现的问题一般是对衰减有变化，而对声速改变不大，横波是振动方向和传播方向互相垂直，折射角越大声速变化越大，板材的各向异性越明显，折射角相应改变就大，板材的各向异性越明显，折射角28.7°产生的变化对探伤没有影响，解决了过去横波探头探伤解决不了的问题，探伤的准确率较横波探头探伤提高了15%以上。

本发明提供的一种超声波探伤方法、超声波探伤装置及纵波横波爬波一体化超声波斜探头，能够通过一个超声波斜探头同时产生纵波、横波和爬波进行探伤，采用一个探头便能同时替代几个横波斜探头的功能，且采用一个探头便能具有串列式探伤的功能，实现了对待检工件焊缝的全方位扫查，解决了现有技术中的纵波斜探头、横波斜探头探伤存在的问题，如探伤奥氏体焊缝和TMCP钢焊缝困难等，降低了漏检率，提高了探伤效率，，节约探伤成本，探头行走的距离较横波斜探头缩短40%，行走距离越短对探伤准确率越有利，探伤的准确率能够提高到90%以上，改变了目前探伤仪器市场针对各种各样形状的产品检验而需要做的各种各样的探头的现状，以及为了提高探伤的准确率而用多个角度探头分别和组合探伤的方法，适于广泛推广。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声波探伤方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：准备入射角为α、纵波折射角为βL和横波折射角为βT的超声波斜探头，所述入射角α、纵波折射角βL和横波折射角βT通过超声波束在第一介质中的声速，以及纵波和横波在第二介质中的声速，并结合纵波折射角与横波折射角互为余角的预设条件进行确定；

步骤2：对所述超声波斜探头进行调校；

步骤3：将所述超声波斜探头配置于待检工件的外表面上；

步骤4：从所述超声波斜探头发出超声波束对待检工件进行探伤；

步骤5：根据所述超声波斜探头接收到的反射回波判断所述待检工件有无缺陷及相应的缺陷位置；

当第一介质为有机玻璃，当第二介质为钢时，所述入射角α等于23.6°，所述纵波折射角βL等于61.3°；所述横波折射角βT等于28.7°。

2.根据权利要求1所述的一种超声波探伤方法，其特征在于所述步骤4具体为：

当所述超声波斜探头发出的超声波束斜射入待检工件时，产生折射角为βT的一次横波和折射角为βL的一次纵波对待检工件进行探伤；

当所述一次横波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的二次横波和反射角为βL的一次变形纵波对待检工件进行探伤；

当所述一次纵波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的一次变形横波和反射角为βL的二次纵波对待检工件进行探伤；

当所述二次横波遇到待检工件顶面时，产生了反射角为βT的三次横波和反射角为βL的二次变形纵波对待检工件进行探伤；

当所述三次横波遇到待检工件底面时，产生了反射角为βT的四次横波和反射角为βL的三次变形纵波对待检工件进行探伤；

所述一次横波和一次纵波的包络部分相交形成波束，该波束遇到待检工件底面时，产生了爬波Ⅰ对待检工件进行探伤；

所述二次横波和一次变形纵波的包络部分相交形成波束，该波束遇到待检工件顶面时，产生了爬波Ⅱ对待检工件进行探伤。

3.根据权利要求2所述的一种超声波探伤方法，其特征在于所述步骤5具体包括如下步骤：

①界定超声波斜探头接收到的任一反射回波是由横波、纵波或爬波反射产生的；

②当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由横波反射产生的，则根据一次横波、二次横波、一次变形横波、三次横波和四次横波的声程和传播时间不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由一次横波、二次横波、一次变形横波、三次横波或四次横波反射产生的；

当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由纵波反射产生的，则根据一次纵波、一次变形纵波、二次变形纵波、三次变形纵波的声程和传播时间不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由一次纵波或变形纵波反射产生的；

当超声波斜探头接收到的某一反射回波是由爬波反射产生的，则根据爬波Ⅰ和爬波Ⅱ的深度距离不同，确定超声波斜探头接收到的反射回波是由爬波Ⅰ或爬波Ⅱ反射产生的；

③当一反射体对应一反射回波时，根据步骤②的确定结果结合反射回波波形确定该反射体是否为缺陷及相应的缺陷位置；

当一反射体对应多个反射回波时，根据步骤②的确定结果结合反射回波数量和各反射回波波形确定该反射体是否为缺陷及相应的缺陷位置。

4.根据权利要求2所述的一种超声波探伤方法，其特征在于：

所述一次纵波与二次横波的交点实现串列式检测；

所述一次纵波与一次变形纵波的交点实现串列式检测；

所述一次变形纵波和二次变形纵波的交点实现串列式检测；

所述一次变形纵波和三次横波相交的交点实现串列式检测。

5.一种实施权利要求1至4任一项权利要求所述超声波探伤方法的超声波探伤装置，其特征在于包括入射角为α的纵波横波爬波一体化超声波斜探头。

6.一种如权利要求5所述的超声波探伤装置的纵波横波爬波一体化超声波斜探头，其特征在于所述纵波横波爬波一体化超声波斜探头的入射角为α。