焊缝超声波探伤定位

超声波探伤定位的方法是利用已知尺寸的试块(或工件)作为反射体来调节探伤仪的时间轴，然后根据反射波出现在时间轴上的位置，确定缺陷的位置。

一、斜探头定位与直探头定位的区别

纵波探伤时定位比较简单，如探测100mm厚的工件，可把底面回波调在10格，则每格代表工件中的声程(或垂直距离)为100/10=10(mm)。(因耦合层极薄，可忽略不计)。探伤时，若在6格出现缺陷波，则缺陷离工件表面的距离为6×10=60mm。

① 超声波射到底面时无底面回波(故时间轴需在试块上预先调节)；

② 有机玻璃斜楔内一段声程OO¢(称斜探头本体声程)在中薄板焊缝探伤定位时不能忽略，必须加以考虑。

③ 超声波的传播路线为O¢OAB(或O¢OB)折线，定位时，必须得用三角公式进行计算。

二、斜探头探伤定位基本原理

焊缝探伤前，一般先进行斜探头入射点和折射角的测定，以及时间轴的调节。故入射点O和折射角b是已知的，示波屏上扫描线每格所代表的距离(可以是水平距离、垂直距离或声程)也是可知的。这样，在直角三角形中，知道一只角、一条边、则其他两条边也可求出，故缺陷位置(缺陷离探头入射点的水平距离和深度)便可确定。

根据时间扫描线调节方法的不同，可分三种定位法：

1. 水平定位法

即时间扫描线与水平距离成相应的比例关系。

2. 垂直定位法

即时间扫描线与深度距离成相应的比例关系。

3. 声程定位法

即时间扫描线与声程距离成相应的比例关系。

一般板厚≤24mm时，用水平定位法、板厚≥32mm时用垂直定位法。时间轴的调节，其最大测定范围应在1S～1.5S之间(1S为一个跨距的声程距离)。

三、焊缝超声波探伤定位的常用方法

多年来，不少厂矿企业中的检测人员根据自己产品的特点，经过不断摸索、反复实践，已总结出了好多简便、有效的定位方法，下面仅介绍几种常用的定位方法。

计算法定位是应用得比较早的一种方法。由于采用计算法定位比较麻烦，故目前已很少应用。但此法是探伤定位的基础，掌握其原理后，在实际探伤中将有很大帮助，故作为一种方法介绍。其定位原理见图4–8所示。

图中：A—横孔；d—孔深；O—入射点；b—折射角；l—横波在钢中声程；l₀—有机玻璃本体声程；S₁—入射点到横孔的水平距离；x₀—探头中纵波声程在示波屏上所占格数；x₁—钢中横波声程在示波屏上所占格数；x—整个声程所占的格数；l¢₀—有机玻璃中本体声程转换成相当于钢中横波声程。

根据声速比则有：

从图中可看出：

则示波屏上每格所代表的水平距离为：

(4–4)

当使用探头折射角b=67°、l₀=12mm、x取5格，则根据式(4–4)可求得不同板厚时的S_x值，见表4–3：

表4–3 不同板厚时的S_x值

探伤时，若已知缺陷波在波屏上的格数x¢，则缺陷离探头入射点的水平距离为：

同理，当采用深度定位法时，则每格所代表的垂直距离S_y为：

(4–5)

当采用声程定位法时，则每格所代表的声程距离为：

(4–6)

计算法水平定位步骤如下：

① 测入射点O；② 测折射角b；③ 扫射孔深等于板厚的横孔A，找到最高回波，调至5格(x=5)；④ 按式(4–4)计算S_x值，或查表S_x值；⑤ 探伤中出现缺陷波，其缺陷水平距离 ；

⑥ 缺陷深度 。

例如，用上述探头探测板厚(T)为20mm的焊缝，探伤中在示波屏4格出现一个缺陷波，求缺陷到探头入射点的水平距离。

解：缺陷到探头入射点的水平距离

式中：

x=5， =4；

则 =47－(5－4)×12.1 35 mm

答：缺陷离探头入射点的水平距离为35 mm。

计算法定位具有如下优点：

a. 定位原理比较清楚；b. 底波位置明确；

c. 一次底波调到5格时，示波屏最大测定范围肯定大于1S；

d. 调节时间轴可用试块，也可在工件上进行调节；

e. 对于厚度较大的工件，如T=200mm以上，则斜探头本体声程l₀可忽略，其定位方法和直探头相似。例如工件厚度T=200mm，将一次底波调到10格，则每格就代表深度20mm。探伤时若5格出现缺陷波，则缺陷的深度即为100mm。

2. 圆弧面试块比较法

由于此法调节时间轴比较简便，故目前应用最普遍。

时间扫描线调节可利用下述圆弧面试块：IIW试块的R₁₀₀圆弧面和圆心槽口；IIW₂试块的R₂₅和R₅₀圆弧面；CSK–IA的R₅₀、R₁₀₀圆弧面，以及半圆试块的两个圆弧面等。调节时只要将探头入射点对准圆心，通过调节仪器的水平和细调，将圆弧面反射波(和圆心处槽口的反射波)调到所需要的位置。

时间轴调节方法举例如下：

例题1：

要求用K₂探头在CSK–IA试块上以水平1∶1调节时间轴。

调节方法如下：

① 探头入射点对准圆心(见图4–9所示)；

② 分析可能产生的圆弧面反射波(R₅₀、R₁₀₀)；

③ 计算圆弧面的水平距离；

S₁=R₅₀·sin63.4°=44.7mm，S₂=R₁₀₀·sin63.4°=89.4mm或 ， 。

④ 要求水平1∶1，表示每格代表水平距离10mm，则将两圆弧面反射波通过水平、细调分别调到 格和 格；

⑤ 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表水平距离10mm。

图4–9 水平和垂直1∶1调节法

例题2：

要求K₂斜探头在CSK–IA试块上，以垂直1∶1调节时间轴。

调节方法如下：

① 探头入射点对准圆心；

② 分析可能产生的圆弧面反射波(R₅₀、R₁₀₀)；

③ 计算圆弧面的垂直距离；

H₁= R₅₀·cos63.4° 22.3mm，H₂= R₁₀₀·cos63.4°=44.7mm或 ，

④ 要求垂直1∶1，表示每格代表垂直距离10mm，则将两圆弧面反射波通过水平和细调分别调到 格和 格(见图4–9所示)；

⑤ 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表垂直距离10mm。

例题3：

要求K₂斜探头在R_33.3的半圆试块上，以水平1∶1调节时间轴。

调节方法如下：

① 探头入射点对准圆心；

② 分析可能产生的圆弧面反射波(R_33.3和R_33.3×3)；

③ 计算圆弧面的水平距离：

3S₁=3R_33.3·sin63.4° 90mm；

④ 将两个回波分别调到3格和9格(见图4–10所示)；

⑤ 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始示波屏每格代表水平距离10mm。各种试块调节时间轴的方法见图4–11所示。

a. 声程1∶2(或测定范围为200mm)每格代表声程20mm

b. 声程1∶1(或测定范围为100mm)每格代表声程10mm

c. 测定范围：125mm声程1∶1.25

d. 垂直1∶1(每格代表垂直距离10mm)

例题1：

用K₂斜探头，以水平1∶1调节时间轴，探测厚度为20mm的工件，探伤时，在3格和6格出现两个缺陷波，求这两个缺陷的位置。

解：

因为是水平1∶1调节时间轴，缺陷波在3格，即表示缺陷离探头入射点的水平距离为30mm，缺陷距探测面深度为：

。

缺陷波在6格，表示缺陷离探头入射点的水平距离为60mm，则缺陷深度为：

。

显然H＞T，表示超声波经过底面反射到缺陷，此时，缺陷离工件表面的深度为：

2T－H=2×20－30=10mm

(a) 声程1∶2(或测定范围为200mm) (b) 声程1∶1(或测定范围为100mm)

第格代表声程20mm 第格代表声程10mm

(c) 测定范围：125mm声程1∶1.25 (d) 垂直1∶1(第格代表垂直距离10mm)

图4–11 各种试块调节时间轴的方法示意图

例题2：

用K₂斜探头，以垂直1∶1调节时间轴，探测厚度为40mm的工件，探伤时，在3格和6格出现两个缺陷波，求这两个缺陷的位置。

解：因为是垂直1∶1，故缺陷波1在3格出现，表示缺陷深度为30mm。缺陷1离探头入射点的水平距离为：

缺陷波2在6格出现，表示缺陷2的计算深度为60mm，此时，H＞T，则缺陷2的实际深度为：

2T－H=2×40－60=20mm。

缺陷2离探头入射点的水平距离为：

l₂=K·H=2×60=120mm。

3. 薄板试块1∶1法

薄板试块的尺寸及时间轴调节方法见图4–12所示。

薄板试块的尺寸为3×20×150mm，距试块两端30mm，各钻了一个f₁的柱孔和一个f₁的横孔。

时间轴调节方法如下：

将探头前沿与试块f₁柱孔对齐，适当提高灵敏度，此时荧光屏上会同时出现两个反射波，前面一个是f₁柱孔回波，后面一个是板边反射回波。通过调节水平和细调旋钮将这两个反射回波分别解在3格和6格上，这时，时间轴就调成水平1∶1关系，即示波屏每一格代表水平距离10mm(3格开始，从前沿算起)。

对于一般规格的斜探头，其探头前沿距离和本体声程相加，基本接近钢的水平距离30mm，此时始波接近零位。

对于大尺寸斜探头，其探头前沿距离和本体声程相加，大于钢中水平距离30mm，此时始波不在零位，而是偏左。

对于小尺寸斜探头，则始波在零位右边。

定位方法举例：

用K₂斜探头(前沿距离为18mm)以薄板试块1∶1调节时间轴，探测工件厚度为16mm的焊缝，若在6格出现一个缺陷回波，求此缺陷离探头入射点的水平距离和垂直距离。

解：缺陷波在6格出现一个缺陷回波，表示缺陷离探头前沿的水平距离为30mm，则缺陷离探头入射点的水平距离为：

l=30+18=48mm

缺陷深度为 ＞T，

缺陷离工件表面深度为：

2T－H=2×16－24=8mm。

答：此缺陷离探头入射点的水平距离为48mm；离工件表面的深度为8mm。

4. 横孔试块比例法

横孔试块比例法是用两个不同孔深的横孔作为反射体来调节时间轴，使水平距离或被探测深度与示波屏刻度板上反射波位置成一定比例，前者为水平定位法，后者为垂直定位法，见图4–13所示。

用横孔试块比例调节时间轴时，由于A孔和B孔反射回波不会同时出现在示波屏上，所以需前后反复校验。

从以上介绍的几种不同定位方法来看，圆弧面试块比例法比较简便，故应重点掌握。要求能够在给定任何型式试块、任何探头时，均能调到指定要求的比例，同时，还要求在探测不同声速材料时，能进行正确定位。

例题1：

用K₂斜探头，要求在IIW试块上以水平1∶1调节时间轴

解：根据圆弧面试块比例法的调节方法如下：

① 探头入射点对准圆心

② 分析可能产生的反射回波(R₁₀₀和圆心槽口)；

③ 计算反射回波的水平距离：

S₁= R₁₀₀·sin63.4°=89.4mm，

S₂=2 R₁₀₀·sin63.4°=178.8mm；

④ 要求水平1∶1，表示每格代表水平距离10mm，则应将两个反射回波分别调在 格和 格；

⑤ 由于示波屏只有10格，无法看到17.88格，为此，需借助仪器的延迟开关先将R₁₀₀的圆弧面反射波调到0格，槽口反射波调在8.94格，然后，通过延迟开关将R₁₀₀圆弧面反射波调到8.94格，这样，槽口反射波就在17.88格；见图4–14所示。

⑥ 此时斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表水平距离10mm，即达到水平1∶1的要求。

图4–13 横孔试块比例法 图4–14 延迟法调节时间轴

例题2

仪器测距标度已校准为每格相当于钢(C_s=3230m/s)的横波声程20mm，现用K₁斜探头探测厚度为40mm，横波声速为4100m/s的板材，发现一缺陷回波显示于标度6格上，求此缺陷的声程、水平距离和垂直距离各为多少？

解：由于声速改变，斜探头折射角也跟着变化：

板中的折射角为：

b¢= 63°54¢

且板材中每格所代表的声程也跟着变化，

。

板材中的声程为152mm，这样，缺