超声波检测的基本问题

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：
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。
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。
(a) 无缺陷；
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(b) 有缺陷
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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。
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。
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。
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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。
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。
纵波法
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• • • • • • • 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。
纵波法Biblioteka Baidu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。
• 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。
穿透法（透射法）
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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。
直射声束穿透法 (a) 无缺陷；
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直射声束穿透法 (b) 有缺陷
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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。
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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。
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。
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。
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。
对检测对象的了解与要求-2
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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。
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。
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。
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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。
晶片大小对探伤的影响
• 由θ＝arcsin 1.22λ／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。
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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。
•
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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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。
探头频率的选择－３
• 超声波检测所使用的频率一般在0.510MHz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。
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由θ＝arcsin 1.22λ／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。
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。
超声波检测仪的选择
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• 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。
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。
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。
超声波检测的基本问题
超声检测方法
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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。
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。
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
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。
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。
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。
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。