超声波检测基本问题

超声波检测基本问题第一页，共73页。超声检测方法

第二页，共73页。脉冲反射法（1）脉冲反射法的工作原理脉冲反射法是利用超声波探头脉冲在试件内传播的过程中，遇有声阻抗相差较大的两种介质的界面时，将发生反射的原理进行检测的方法。采用一个探头兼做发射和接收器件，接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无、大小及其在时基轴上的位置来判断缺陷的有无、大小及方位。第三页，共73页。脉冲反射法定义：

超声波探头发射脉冲波到被检试件内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法，称为脉冲反射法。

⑴缺陷回波法：根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。

第四页，共73页。接触法单探头直射声束脉冲反射法

(a)无缺陷；

第五页，共73页。接触法单探头直射声束脉冲反射法

(b)有缺陷

第六页，共73页。⑵底波高度法：依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法，称为底波高度法。

⑶多次底波法：依据底面回波次数，而判断试件有无缺陷的方法，即为多次底波法。

第七页，共73页。脉冲反射法的优点：①检测灵敏度高，能发现较小的缺陷；②检测精度较高；③适用范围广；④操作简单方便。第八页，共73页。脉冲反射法的缺点：①单探头检测，易出现盲区；②由于探头的近场效应，不适用于薄壁件和近表面缺陷的检测；③缺陷波的大小与被检缺陷的取向关系密切，易漏检；④因声波往返传播，故不适用于衰减大的材料。直接接触式脉冲反射法探头与试件直接接触，中间可涂少量的耦合剂。第九页，共73页。穿透法（透射法）穿透法通常采用两个探头，分别放置在试件两侧，一个将脉冲波发射到试件中，另一个接收穿透试件后的脉冲信号，依据脉冲波穿透试件后幅值的变化来判断内部缺陷的情况。第十页，共73页。直射声束穿透法(a)无缺陷；

第十一页，共73页。直射声束穿透法(b)有缺陷

第十二页，共73页。透射法检测的优点：①在试件中声波单向传播，适合检测高衰减的材料；②对发射和接收探头的相对位置要求严格，须专门的探头支架。特别适用于单一产品大批量加工过程中的自动化检测；③检测时几乎不存在盲区。第十三页，共73页。透射法检测的缺点：①一对探头单发单收，只能判断缺陷的大小和有无，不能确定缺陷的方位；②当缺陷尺寸较小探头波束较宽时，该方法的探测灵敏度低。第十四页，共73页。共振法应用共振现象对试件进行检测的方法叫共振法。当试件的厚度为声波半波长的整数倍时，发生共振。在测得超声波的频率和共振次数后，可计算试件的厚度：当试件中有较大的缺陷或厚度改变时，共振点偏移甚至共振现象消失，因此共振法常用于壁厚的测量。第十五页，共73页。按波型分类：纵波法：使直探头发射纵波，进行探伤的方法，称为纵波法。横波法：将纵波通过楔块、水、油等介质倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到横波进行探伤的方法，称为横波法。表面波法：使用表面波进行探伤的方法，称为表面波法。板波法：使用板波进行探伤的方法，称为板波法。第十六页，共73页。纵波法

此法波束垂直入射至试件探测面，以不变的波型和方向透入试件，所以又称为垂直入射法，简称垂直法。垂直法分为单晶探头反射法、双晶探头反射法和穿透法。常用的是单晶探头反射法。第十七页，共73页。纵波法的优点：a.垂直入射，对与探测面平行的缺陷检出效果最佳。b.对于同一介质，纵波传播速度大于其它波型的速度，对相同频率而言波长最长，因而穿透能力强，可探测工件的厚度是所有波型中最大的；晶界反射或散射的敏感性相对较差，可用于粗晶材料的探伤。c.纵波法探伤时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比较方便。第十八页，共73页。纵波法的缺点：a.难于发现垂直于或接近垂直于探测面的缺陷。b.由于盲区和分辨力的限制，其中反射法只能发现试件内部离探测面一定距离以外的缺陷。垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤。第十九页，共73页。横波法将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到横波进行探伤的方法，称为横波法。由于透入试件的横波束与探测面成锐角，又称斜射法。第二十页，共73页。横波法的优点：a.倾斜入射，能探测垂直于或接近垂直于探测面的缺陷。b.同一介质中同一频率的超声波波长较短，灵敏度相对较高。第二十一页，共73页。横波法的缺点：a.正因为波长较短，在介质中的衰减较大，探测距离较短。b.倾斜入射，缺陷定位相对较复杂。此方法主要用于管材、焊缝的探伤。其它试件探伤时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现垂直探伤法不易发现的缺陷。第二十二页，共73页。表面波法使用表面波进行探伤的方法，称为表面波法。这种方法主要用于表面光滑的试件。表面波波长比横波波长还短，因此衰减也大于横波。同时，它仅沿表面传播，对于表面上的复层、油污、不光洁等，反应敏感，并被大量地衰减。利用此特点可以通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化，对缺陷定位。第二十三页，共73页。按探头数目分类：

单探头法：使用一个探头兼作发射和接收超声波的探伤方法。双探头法：使用两个探头（一个发射，一个接收）进行探伤的方法。多探头法：使用两个以上的探头成对的组合在一起进行探伤的方法。第二十四页，共73页。按探头接触方式分类：直接接触法：探头与试件探测面之间，涂有很薄的偶合剂层的探伤方法。液浸法：将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法。

第二十五页，共73页。液浸法-1液浸法是在探头与试件之间填充一定厚度的液体介质作耦合剂，使声波首先经过液体耦合剂，而后再入射到试件中，探头与试件并不直接接触。液浸法中，探头角度可任意调整，声波的发射、接收也比较稳定，便于实现检测自动化，大大提高了检测速度。液浸法的缺点是当耦合层较厚时，声能损失较大。第二十六页，共73页。液浸法-2另外，自动化检测还需要相应的辅助设备，有时是复杂的机械设备和电子设备，它们对单一产品(或几种产品)往往具有很高的检测能力，但缺乏灵活性。总之，液浸法与直接接触法各有利弊，应根据被检对象的具体情况(几何形状的复杂程度和产品的产量等)，选用不同的方法。第二十七页，共73页。超声检测通用技术超声检测方法可采用多种检测技术，每种检测技术在实施过程中，都有其需要考虑的特殊问题，其检测过程也各有特点。但各种超声检测技术又都存在着通用的技术问题第二十八页，共73页。检测的过程都可归纳为以下几个步骤：①试件的准备。②检测条件的确定，包括超声波检测仪、探头、试块等的选择。③检测仪器的调整。④扫查。⑤缺陷的评定。⑥结果记录与报告的编写。

第二十九页，共73页。对检测对象的了解与要求-1为了提高检测结果的可靠性，应对受检件的材料牌号、性能，制造方法和工艺特点，影响其使用性能的缺陷种类及形成原因、缺陷的最大可能取向及大小、受检部位受力状态及检收标准进行了解。第三十页，共73页。对检测对象的了解与要求-2所有受检件一般在正式机加工之前，经目视检验合格后进行。对接触法而言，表面粗糙度满足一定要求。必要时应通过添加专门的加工工序，采用经批准的加工方法准备探伤表面。第三十一页，共73页。入射方向和探测面的选择-1入射方向的选择应使声束中心线与缺陷延伸平面，特别是与最大受力方向垂直的缺陷面尽可能地接近垂直，并力求得到缺陷最大信号。缺陷的最大可能取向应根据结构、工艺特点和低倍组织的研究来判定。第三十二页，共73页。入射方向和探测面的选择-2选择入射方向还应注意到被探工件形状和结构可能产生反射或变型信号，给缺陷的判别造成困难的问题。所以，入射方向应选择在不会出现这些干扰信号的方向上。根据确定的入射方向，选择直探头法或是斜探头法以及斜探头法的扫查方向。第三十三页，共73页。入射方向和探测面的选择-3接触法的探测面应比较规则，底波法最好应有平行的探测面和底面。考虑到盲区，必要时应从正、反两面进行检查。当从一面检查灵敏度不够时，亦应从正、反两面进行检查。还应根据工件的厚度、形状综合考虑。第三十四页，共73页。探头的选择：探头是超声检测的重要工具之一，探头的种类很多，结构型式也不一样。检测前应根据被检对象的形状、衰减情况和技术要求来选择探头。探头的选择包括选择探头型式、频率、晶片尺寸和斜探头的折射角(K值)等。第三十五页，共73页。探头型式的选择-1常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、表面波探头、双晶探头、聚焦探头等。其选择主要取决于所选择的探伤方法。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探伤方法，一旦方法确定，应采用什么型式的探头也就确定了。第三十六页，共73页。探头型式的选择-2例如锻件、钢板的探伤主要探测平行于锻压（轧制）面的夹层、折叠等缺陷，探伤方法选择纵波垂直探伤法，则探头一定选用纵波直探头。又如焊缝探伤主要探测与探测面垂直或成一定角度的未焊透、未熔合、裂纹等危害性缺陷，探伤方法选择横波倾斜入射的探伤方法，探头一定选用横波斜探头。表面波探头、双晶探头、液浸聚焦探头的选择也都是根据各自适应的探伤方法确定。第三十七页，共73页。探头频率的选择－３超声波检测所使用的频率一般在0.5-10MHz之间，如何选择，一般应考虑以下因素：由于波的绕射，使超声波检测灵敏度大约为λ／2，因此提高频率，有利于发现更小的缺。频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。第三十八页，共73页。由θ＝arcsin1.22λ／D可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。由N＝D2／4λ可知，频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。频率增加，衰减急剧增加，对探伤不利。第三十九页，共73页。

由以上分析可知，频率的高低对探伤有较大的影响。频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对探伤有利。但频率高，近场区长度大，衰减大，又对探伤不利。实际探伤中要全面分析考虑各方面的因素，合理选择频率。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。第四十页，共73页。

对于晶粒细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2.5～5.0MHz。对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用0.5～2.5MHz。如果频率过高，就会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法探伤。第四十一页，共73页。晶片大小对探伤的影响由θ＝arcsin1.22λ／D可知，晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。由N＝D2／4λ可，晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远场扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。第四十二页，共73页。

以上分析说明晶片大小对声束指向性，近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响。实际探伤中，探伤面积范围大的工件时，为了提高探伤效率宜选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。探伤小型工件时，为了提高缺陷定位量精度宜选用小晶片探头。探伤表面不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。第四十三页，共73页。折射角(K值)的选择对于探测除焊缝以外的工件（例如锻件、钢管等），宜采用折射角为40°左右的横波斜探头，因为用有机玻璃斜探头探伤钢制工件，折射角40°(K＝0.84)左右时，声压往复透射率最高，即探伤灵敏度最高；缺陷距探测面深度相同的情况下，折射角小，声程短，有利于缺陷的探测。第四十四页，共73页。超声波检测仪的选择一般市场上出售的A型脉冲反射式超声波检测仪已具备一些基本功能，其基本性能参数(垂直线性、水平线性等)也能满足通常超声检测的要求。对于给定的任务，在选择超声波检测仪时，主要考虑的是该任务的特殊要求，可从以下几方面进行考虑：第四十五页，共73页。就性能而言，一般应考虑以下原则：对于定位要求高的情况，应选择水平线性误差小的仪器。对于定量要求高的情况，应选择垂直线性好，衰减器精度高的仪器。对于大型零件的探伤，应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力好的仪器。对于室外现场探伤，应选择重量轻，示波屏亮度好，抗干扰能力强的携带式仪器。第四十六页，共73页。根据所探对象要考虑的问题生产量及是否连续，确定选择自动探伤仪或手工探伤仪；对于自动探伤仪，根据被检对象情况选择单通道或多通道设备；对于手工探伤仪，根据检测现场的位置及条件选择较大型的探伤仪或是便携型的探伤仪；检测工作的要求较高，或需要提供较客观的现场记录可选择数字式超声波探伤仪。第四十七页，共73页。耦合剂的选择选择耦合剂主要考虑以下几方面的要求：透声性能好。声阻抗尽量和被探测材料的声阻抗相近。有足够的润湿性、适当的附着力和粘度。对试件无腐蚀，对人体无损害，对环境无污染。容易清除，不易变质，价格便宜，来源方便。

常用耦合剂超声波检测中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。第四十八页，共73页。影响耦合的主要因素（1）耦合层厚度的影响耦合层厚度对耦合有较大的影响。当耦合剂层厚度小于λ／4时，耦合剂层厚度越薄，透声效果越好；当耦合剂层厚度为λ／4的奇数倍时，透声效果差，耦合不好，反射回波低；当耦合层厚度为λ／2的整数倍时，透声效果相对较好，反射回波高。第四十九页，共73页。影响耦合的主要因素（2）表面粗糙度的影响工件表面粗糙度对声耦合有明显的影响。对于同一耦合剂，表面粗糙度高，耦合效果差，反射回波低。但粗糙度也不必太低，因为粗糙度太低，耦合效果无明显增加，而且使探头因吸附力大而移动困难。一般要求工件表面粗糙度Ra不高于6.3μm。第五十页，共73页。（3）耦合剂声阻抗的影响

耦合剂的声阻抗对耦合效果也有较大的影响。对于同一探测面，声阻抗低的耦合剂，明显比声阻抗高的耦合剂透声效果差，且随粗糙度的变差，耦合效果降低得更快。相反，耦合剂声阻抗大，耦合效果好，反射回波高，例如表面粗糙度Ra＝100μm时，Z＝2.4的甘油反射回波比Z＝1.5的水反射回波高6～7dB。第五十一页，共73页。（4）工件表面形状的影响

工件表面形状不同，耦合效果不一样。因为常用探头表面为平面，与平面工件表面是整个面的接触，因而耦合效果最好；与凸曲面工件的表面接触为点接触或线接触，声强透射率低；对于凹曲面，探头中心不与工件表面接触，因此耦合效果最差。不同曲率半径的耦合效果也不相同，曲率半径大，耦合效果好。影响耦合的主要因素。第五十二页，共73页。耦合损耗的测定的一种简便方法从被探工件上截取一块材料，制作一块对比试块，试块的上下表面保持原状态不加工，宽度与标准规定的试块相同其上加工与标准规定的试块相同尺寸的孔。将探头分别分别置于标准规定的试块上和特制的对比试块上，对准同声程的孔，将二者孔回波高度都调至基准波高，由衰减器读出其波高差，用ΔdB表示，此ΔdB即为二者耦合损耗差。第五十三页，共73页。表面耦合损耗的测定与补偿在实际探伤中，当调节探伤灵敏度用的试块与工件表面粗糙度、曲率半径不同时，往往由于工件耦合损耗大而使探伤灵敏度降低。为了弥补耦合损耗，必须调大仪器的增益，即所谓的补偿。为了恰当地补偿耦合损耗，应首先测定相对于试块，工件表面耦合的损耗值，一般用分贝差表示。第五十四页，共73页。试块的选择试块的种类因方法和标准而异，但其人工反射体类型不外乎是平底孔、长横孔、短横孔、平底槽、V型槽和柱孔等，把它们作为检测对象中缺陷的比较基准。平底孔在远场时，平底孔返回声压随其孔径和距探头距离变化的规律性较好，因此在纵波直探头探伤中几乎都用平底孔作为评价基准和参考反射体孔型。第五十五页，共73页。

平底孔适用于小于声束截面且在声束垂直方向上有一定投影面积的片状或体积状缺陷的定量，即所谓定缺陷的平底孔当量尺寸。“缺陷的平底孔当量尺寸”是指在相同探测条件下缺陷的反射波与同声程平底孔回波高度相等时，所对应的平底孔的尺寸。平底孔的制作要求较高，孔的尺寸要精确，孔的垂直度偏差要很小，平底面的光洁度要求很高。第五十六页，共73页。长横孔孔长大于声束直径的圆柱孔称为长横孔。当长横孔贯通试块时又可称为横通孔。长横孔广泛于焊缝的超声波探伤，其原因有三：①焊缝中出现的缺陷多为长条形，长横孔的反射规律与其接近；②圆柱面具有各向对称性，能适应不同角度的斜探头；③长横孔反射声压的规律性较好，利用长横孔反射波所作的距离—波幅曲线较为光顺。第五十七页，共73页。短横孔孔长大于孔径，但小于声束直径的圆柱孔称为短横孔。它的反射声压变化规律在近场时类似于长横孔，在远场时接近于平底孔。它也能适应不同角度的斜探头，故有的焊缝超声波探伤标准中采用了这种孔型作为评价基准和参考反射体。短横孔加工难度相对较大，为克服边界效应，在试块的侧面还要加工一个半圆弧（实际上也只能部分消除边界效应）。这种试块是我国独有的试块。第五十八页，共73页。V型槽钢管超声波探伤时一般采用V型槽作为调整灵敏度和判伤的基准。通常是从被探钢管上截取一段，在管子的内外壁各加工一个V型槽，其张角为60°，深度为管子壁厚的一定百分比（例如管壁厚度的5％）。第五十九页，共73页。扫查在进行超声波检测时，探伤面上探头与试件的相对运动称为扫查。扫查一般考虑两个原则，一是保证试件的整个检查区有足够的声束覆盖以避免漏检；二是扫查过程中声束人射方向始终符合所规定的要求。第六十页，共73页。扫查时应注意如下问题：1、扫查速度为使缺陷回波能充分地被探头接收，并在示波屏上有明显的显示或在记录装置上能得到明确的记录，扫查速度V应当适当。通常，这取决于探头有效尺寸和仪器重复频率。探头有效直径D愈大，重复频率f愈高，扫查速度V可以相应高一些。一般标准都规定扫查速度不得大于150mm／s。第六十一页，共73页。2、保持探头移动平稳

扫查过程中应给探头以适当的和一致的压力(指直接接触而言)；否则，耦合液厚度会发生变化，使探伤灵敏度不稳定。第六十二页，共73页。3、方向性和覆盖率扫查过程中，探头的方向应严格按照扫查方式的规定(斜射探头尤应注意)。因为探头移动方向的改变对于单探头探伤，将因入射波的方向改变而使缺陷检出灵敏度变化；对于双探头法探伤，则可使反射或透射波不能为另一探头接收，故保持一定的方向非常重要。为免漏检，每次扫查应有一定比例的声束覆盖率。第六十三页，共73页。4、同步与协调双探头法探伤时，不管是纵波法或是横波法，两探头的相对移动必须同步或协调，才能使缺陷回波为另一探头所接收。5、扫查方式扫查方式很多，是被探工件、探伤方法等的不同而有所不同，将结合具体工件的检测来选择。第六十四页，共73页。影响缺陷回波高度的因素：

（1）缺陷本身的影响，即缺陷本身的大小、形状、取向、表面状态及内含物（即与基体的声阻抗不匹配），和缺陷在试件中的埋藏深度。（2）仪器与探头的特性及它们之间的连接和匹配。（3）试件探测面的形状、粗糙度、基体的组织结构等。（4）耦合的条件。第六十五页，共73页。影响缺陷回波高度的因素：

（1）缺陷本身的影响，即缺陷本身的大小、形状、取向、表面状态及内含物（即与基体的声阻抗不匹配），和缺陷在试件