第6章 脉冲反射法超声检测通用技术(0859)

13 第6章 脉冲反射法超声检测通用技术

6.1 检测面的选择和准备

检测面的选择应考虑以下几个方面：

1 检测面应是平面或规则面的工件表面；

2 检测面的粗糙度应≤6.3µm，表面应清除杂物，松动氧化皮，毛刺，油污等。

3 被检测缺陷的位置、取向；

4 入射声束应尽可能垂直于缺陷反射面；

5 被检工件的材质、坡口形式、焊接工艺等；

6 根据探头的晶片尺寸、K值等确定检测面宽度；

7 工件侧面反射波的影响；

8 变型波的影响等。

14

6.2 仪器与探头的选择

一、探伤仪选择

1. 仪器和各项指标要符合检测对象标准规定的要求。

2. 其次可考虑检测目的，如对定位要求高时，应选择水平线性误差小的仪器，

选择数字式探伤仪更好。对定量要求高时，应选择垂直线性误差小，衰减器精度高的仪器，对大型工件或粗晶材料工件探伤，可选择功率大，灵敏度余量高，信噪比高，低频性能好的仪器。对近表面缺陷检测要求高时，可选择盲区小，近区分辨好的仪器。

主要考虑：灵敏度、分辨力、定量要求，定位要求和便携、稳定等方面。

二、探头选择

1. 型式选择：原则为根据检测对象和检测目的决定：

如：焊缝——斜探头

钢板、铸件——直探头

钢管、水浸板材——聚焦探头（线、点聚集）

近表面缺陷——双晶直探头 15 表面缺陷——表面波探头

2. 探头频率选择

超声波检测灵敏度一般是指检测最小缺陷的能力，从统计规律发现当缺陷大小为2时，可稳定地发现缺陷波，对钢工件用2.5~5MHZ，λ为：纵波2.36~1.18，横波1.29~0.65，则纵波可稳定检测缺陷最小值为：0.6~1.2mm之间，横波可稳定检测缺陷最小值为：0.3~0.6之间。

这对压力容器检测要求已能满足。

故对晶粒较细的铸件、轧制件、焊接件等常采用2.5~5MHZ。

对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等因会出现许多林状反射，（由材料中声阻抗有差异的微小界面作为反射面产生的反射），也和材料噪声干扰缺陷检测，故采用较低的0.5~2.5MHZ的频率比较合适，主要是提高信噪比，减少晶粒反射。

此外应考虑检测目的和检测效果，如从发现最小缺陷能力方面，可提高频率，但对大工件因声程大频率增加衰减急剧增加。对粗晶材料如降低频率，且减小晶片尺寸时，则声束指向性变坏，不利于检测远场缺陷，所以应综合考虑。

3. 晶片尺寸选择：

原则：①晶片尺寸要满足标准要求，如满足JB/T4730-2005要求，即晶片面积≤500mm2，任一边长≤25mm。

②其次考虑检测目的，有利于发现缺陷，如工件较薄，则晶片尺寸可小些，此时N小。铸件、厚工件则晶片尺寸可大些，N大、θ0小。发现远距离缺陷能力强。 16 ③考虑检测面的结构情况

如对小型工件，曲率大的工件复杂形状工件为便于耦合要用小晶片，对平面工件，晶片可大一些。

4. 斜探头K值选择：

原则：①保证声束扫到整个检测断面，对不同工件形状要具体分析选择。

②尽可能使检测声束与缺陷垂直，在条件许可时，尽量用K大些的探头。薄工件K大些，厚工件K可小些。

③根据检测对象选K：

如单面焊根部未焊透，选K=0.7-1.5，即在K=0.84-1时检测灵敏度最高。

17

6.3 耦合剂的选用

6.3.1耦合就是实现声能从探头向工件的传递，它可用探测面上声强透过率来表示耦合的好坏，声强透过率高，表示声耦合好。

耦合剂——在工件与探头之间表面，涂敷液体、排除空气，实现声能传递该液体即耦合剂。

实际耦合剂声阻抗在1.5~2.5×106公斤/米2，而钢声阻抗为45×106公斤/米2。所以靠耦合剂是很难补偿曲面和粗糙表面对探测灵敏度的影响。

水银耦合效果最好，声阻抗为：19.8×106kg/m2与钢接近，但有毒、很贵，故不推荐。

对耦合剂的要求：

①对工件表面和探头表面有足够浸润性，并既有流动性，又有附着力强，且易清洗。

②声阻抗大，应尽量和被检工件接近。

③对人体无害，对工件无腐蚀作用。 18 ④来源广，价格低廉。

⑤性能稳定。

6.3.2影响声耦合的主要因素

1. 耦合层厚度d：

在均匀介质中：

最好：d=n·2

即半波长整数倍时声压透射率为1，几乎无反射，声能全部透射。好象耦合层不存在。

最不好：d=（2n+1）4

即四分之一波长奇数倍时，声压透射率最低，反射率最高。

此时相当于钢保护膜直探头探测钢件。根据均匀介质中异质薄层对声波的反射特性，其声压反射r为：

22221222222122241124111dSinZZZZdSinZZZZr

在非均匀介质中，根据教材2.37式，当d=n2时和d=（2n+1）4,

且Z2=31ZZ时，声强透射率最大，超声检测大多情况满足次种条件。

由式可看出：当耦合层d=2时，r=0、t=1，灵敏度可以保证，但发射反射

脉冲后面干扰振荡增加，也影响缺陷检测，故实际上常使用d→0的光滑工件使耦 19 合层d→0，效果好。

如果再增加耦合层厚度，可以使界面波和工件多次反射波分得很开，探伤图

形变得很清晰，如控制在底面回波在第二次界面回波前出现，对缺陷判断有利（这是水浸探伤中的水层耦合原理）。

为使耦合层耦合效果好，由教材（2-38）式和（2-39）式可知，则必须使r≈0，此时t≈1，或T=22121)(4ZZZZ达最大，即声能从探头全部透到工件，则由声压反射率表示式知，r≈0得Sind2≈0，即d≈0或d→0，但d≠0，即工件表面越平整，耦合剂层厚d越接近零，耦合越好。

2. 工件表面粗糙度影响

由上面均匀介质中异质薄层对声波的声压反射率表示式可知d→0时，可得

r≈0。耦合效果越好。表示工件表面光洁度越光越好，表面粗糙度越差。则d越大耦合越差。但是当表面太光后探头和工件之间耦合层由于表面张力吸附作用，变成真空使探头移动困难。同时因真空不能传播声波，使耦合变差。

一般工件要求粗糙度Ra=6.3μm

3. 耦合剂声阻抗影响

一般液体耦合剂声阻抗均比工件声阻抗小，故对同一探测面（光洁度相工件

材质相同）声阻抗越大的耦合剂耦合效果越好。

4. 工件表面形状影响

平面工件耦合最好。 20 凸曲面和凹曲面均耦合不好。

在实际工作中，T最大处声压透射率为平面接触时，透射率一半时的曲率半径

为声耦合临界曲率半径R0。

图4-2

则：R0=0.45fD2Zt/C0Z0（1+Zt/Zm）

f——频率，D——晶片直径，Zt——保护膜或斜透声楔声阻抗，

Z0——耦合剂声阻抗，Zm——工件声阻抗，C0——耦合剂声速。

当工件曲率半径R与临界曲率半径R0比较R/R0=1时，修正值2.5dB以下，

R/R0≥1时，可不修正，此时修正值为2.5dB以下，当R/R0<1时要修正，可用实测修正。

大致值为：R/R0=0.5 0.3 0.2 0.1 1 4

5dB 7dB 9 dB 15dB 2.5dB 0dB

5. 表面耦合损耗测定与补偿

① 耦合损耗测定

试块和工件在材质、反射体、探头、仪器相同条件下，仅表面光洁度不同测 21 出相同反射体（声程相同）回波高度dB差。声程不同时，应对声程变化引起的dB差进行修正。

② 补偿

将试块上反射体回波高调至某高h，再提高测得的dB值，即为补偿。

利用底波反射横波耦合损耗测试实例：

用两个相同规格斜探头，作一发一收方式先在试块上相对探测，分别测得两探头相距一跨距和二跨距时底面回波高H1和H2，在示波屏上作出H1和H2连线。再将两探头在工件上相对探测，同样分别测得两探头相距一跨距和二跨距时底面回波高h1和h2，在示波屏上作出h1和h2连线。则H1和H2连线位于h1和h2连线上方，这是因为工件表面粗糙耦合差引起的结果，则此两线高度差即为表面耦补偿差dB值。

当试块厚度小于工件时，h1位于H1和H2中间，当试块厚度大于工件时，H1位于h1和h2中间。

6.4 纵波直探头检测技术

6.4.1 仪器调整

1. 扫描线比例

以工件厚度声程为基准调节，一般将工件二次底波调在10格，一次底波调在第5格。

也可按扫描线1：n的比例调节。 22 2. 检测灵敏度调整

1. 试块法

根据工件探伤灵敏度要求。

将探头对准标准试块上人工缺陷探测使波高达到某基准波高（如50%高），再根据工件厚度、要求、调节衰减器达到要求的灵敏度，这方法要注意下到几点：

① 试块和工件材质不同，衰减不同的补偿。

② 试块和工件表面粗糙度不同的补偿。

③ 试块反射体声程和工件检测灵敏度要求声程不同引起补偿（扩散、材质）。

④ 试块反射体和工件检测灵敏度要求的反射体种类不同引起补偿。

2. 工件底波法调整灵敏度

要求：① 工件底面和探测面平行。

② 工件底面和探测面形状相同，且规则。

△dB=20lg22T

③ 工件底面和探测面形状不同。

如带中心孔的轴或筒体外表面或内表面探测。