钢结构超声波探伤

一、定义 (2)
二、超声波的波段 (2)
三、超声波探伤的原理 (2)
四、探伤仪介绍 (3)
1、产品品种、规格 (3)
2、组成 (3)
3、功能 (4)
4、技术要求 (5)
五、仪器特点 (6)
1、检测速度快 (6)
2、检测精度高 (6)
3、可靠性高稳定性好 (6)
4、安全性 (7)
六、仪器检测方法 (7)
1、脉冲反射法 (7)
（1）缺陷回波法 (8)
（2）底波高度法 (8)
（3）多次底波法 (8)
2、穿透法 (9)
3、共振法 (9)
4、TOFD法 (10)
七、优缺点 (10)
1、主要优点 (10)
2、主要缺点 (11)
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超声波探伤
一、定义
超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小
二、超声波的波段
利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播的影响来检验材料内部缺陷的无损检验方法。

现在广泛采用的是观测声脉冲在材料中反射情况的超声脉冲反射法，此外还有观测穿过材料后的入射声波振幅变化的穿透法等。

常用的频率在0.5～5MHz之间。

常用的检验仪器为 A型显示脉冲反射式超声波探伤仪。

根据仪器示波屏上反射信号的有无、反射信号和入射信号的时间间隔、反射信号的高度，可确定反射面的有无、其所在位置及相对大小。

三、超声波探伤的原理
超声波在介质中传播时有多种波型，检验中最常用的为纵波、横波、
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表面波和板波。

用纵波可探测金属铸锭、坯料、中厚板、大型锻件和形状比较简单的制件中所存在的夹杂物、裂缝、缩管、白点、分层等缺陷；用横波可探测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺陷；用表面波可探测形状简单的制件上的表面缺陷；用板波可探测薄板中的缺陷。

四、探伤仪介绍
1、产品品种、规格
a. 品种、型式：如专用型、通用型、台式、携带式等。

b. 基本结构：如插件式、组合式、整体式、电子管、晶体管、集成化等。

c. 仪器组成：如主机、充电器、电池箱、外附报警器、记录器等。

d. 结构尺寸：外形尺寸和必要的结构尺寸。

e. 质量：仪器组成中各部分的质量以及必要的组合质量。

f. 荧光屏有效显示面积：荧光屏的有效显示面积，刻度形式或刻度简图。

g. 结构简图：产品的结构简图或相片。

2、组成
探伤仪应包括同步、发射、衰减器、接收系统、扫描、显示及电源等基本组成部分，也可设置延时、报警、深度补偿、标记、跟踪及记录等附加装置
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3、功能
◆超大测量范围，可检测2.5—10000mm以上的大型工件
◆ 方波脉冲发生器和尖脉冲发生器
◆ 高精度10位AD采样使得缺陷定量更加准确
◆ 简便焊缝检测工具
彩色半跨距指示器。

可以在焊缝检测中轻松识别各次反射对应的数据和跨距。

彩色坐标网格指示器可为各次反射数据段的Al 扫描动态更换显示屏背景色。

曲率修正计算功能，能够自动地计算缺陷深度、缺陷表面距离和缺陷声程。

◆ 简便缺陷定量工具
动态DAC/TCG曲线，可修正材料衰减和波形发散引起的距离/振幅变化，符合或超过了TCG 的工业要求。

智能 DGS（距离增益尺寸）曲线，可智能生成指定的等效参考缺陷尺寸曲线，测量窄频探头到参考缺陷距离。

ERS（等效参考缺陷尺寸）功能可自动计算测量门内任何回波的相应等效参考缺陷的直径。

◆ B扫描选项
厚度模式B扫描功能可以清晰的展现被测物体的腐蚀状态。

全声程模式B扫描功能可以将缺陷在被测物体内的分布状况及当
量进行直观显示。

◆ 超大容量的文件存储与编辑
◆ 三种数据存储格式可以选择线性、网格或定制线性。

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◆ 界面友好的PC软件，自动生成检测分析报告。

◆ 更多的简便功能
实时（单次发射）TTL 输出可以适应各种系统应用，可以实现声、光和电时实报警和输出。

◆ 四种任意选择的波形保持模式全部、标准、比较或包络模式，获得最佳的波形评估和比较。

◆ 三种可变的保持模式可在包络保持模式中选择，对于即要扫描同时又要移动的被检工件的工况，可以在视觉上帮助缺陷的检测和评估。

◆ 波形的不同颜色对比冻结参考波型比较与不同颜色的实时A 扫描进行比较，轻松解读检测结果。

4、技术要求
3.1 一般规定
a、探伤仪组成探伤仪应包括同步、发射、衰减器、接收系统、扫描、显示及电源等基本组成部分，也可设置延时、报警、深度补偿、标记、跟踪及记录等附加装置。

b、电气、机械结构基本要求探伤仪的电气、机械结构基本要求应符合SJ 946《电子测量仪器电气、机械结构基本要求》的规定。

c、误差的规定探伤仪工作误差的给出原则及其表示方法，应符合SJ 943《电子测量仪器误差的一般
规定》中的有关规定。

凡表2中规定工作特性的项目，必须给出额定工作条件下的的误差极限，在此前提下，必要时部分项目可以按影响量、影响特性等不同范围分段给出。

d、环境要求
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探伤仪按使用条件的环境分组，应符合SJ 2075《电子测量仪器环境试验总纲》的规定，并在产品标准中注明产品隶属的组别。

五、仪器特点
1、检测速度快
数字式超声波探伤仪一般都可自动检测、计算、记录，有些还能自动进行深度补偿和自动设置灵敏度，因此检测速度快、效率高。

2、检测精度高
数字式超声波探伤仪对模拟信号进行高速数据采集、量化、计算和判别，其检测精度可高于传统仪器检测结果。

记录和档案检测，数字式超声波探伤仪可以提供检测记录直至缺陷图像。

3、可靠性高稳定性好
数字式超声波探伤仪可全面、客观地采集和存储数据，并对采集到的数据进行实时处理或后处理，对信号进行时域、频域或图像分析，还可通过模式识别对工件质量进行分级，减少了人为因素的影响，提高了检索的可靠性和稳定性。

可以实现的功能主要有：
a. 自动校准：自动测试探头的“零点”、“K值”、“前沿”及材料的“声速”；
b. 自动显示缺陷回波位置如：深度d、水平p、距离s、波幅、当量dB、孔径ф值；
c. 自由切换标尺；
d. 自动录制探伤过程并可以进行动态回放；
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e. 自动增益、回波包络、峰值记忆功能；
f. 探伤参数可自动测试或预置；
g. 数字抑制，不影响增益和线性；
h. 多个独立探伤通道，可自由输入并存储任意行业的探伤标准，现场探伤无需携带试块；
i. 可自由存储、回放波形及数据；
j. DAC、AVG曲线自动生成并可以分段制作，取样点不受限制，并可进行修正与补偿；
k. 自由输入各行业标准；
l. 与计算机通讯,实现计算机数据管理,并可导出Excel格式、A4纸张的探伤报告；
m. 实时时钟记录:实时探伤日期、时间的跟踪记录，并存储；
n. 增益补偿：对表面粗糙度、曲面、厚工件远距离探伤等因素造成的Db衰减可进行修正；
所述以上功能都是模拟超声探伤仪无法实现的。

4、安全性
随着超声波探伤仪在各行业的普及，经常有刚刚接触无损检测的人问超声波会不会像射线一样对人体有伤害。

超声波检测属五大常规检测手段之一，使用对人员无任何影响和伤害。

六、仪器检测方法
超声波检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法、共振法和TOFD法。

1、脉冲反射法
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
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方法，称为脉冲反射法。

脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。

（1）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。

该方法是反射法的基本方法。

图1.1是缺陷回波检测法的基本原理，当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，检测图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图1.1（a）所示。

图1.1 缺陷回波法图1.2 底波高度法若试件中存在缺陷，在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F如图1.1（b）所示。

（2）底波高度法：当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。

如果试件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失，如图1.2所示。

这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的检测方法，称为底波高度法。

底波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区，但是要求被探试件的探测面与底面平行，耦合条件一致。

由于该方法检出缺陷定位定量不便，灵敏度较低，因此，实用中很少作为一种独立的检测方法，而经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的和小而密集的缺陷，锻件探伤中常用：如由缺陷引起的底波降低量。

（3）多次底波法：当透入试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3……。

如果试件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波，
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这种依据底面回波次数，而判断试件有无缺陷的方法，即为多次底波法。

图1.3 多次底波法
(a)无缺陷 (b)小缺陷 (c)大缺陷
多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行的试件检测，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。

2、穿透法
穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试
件之后的能量变化来判断缺陷时情况的一
种方法，如图1.4所示。

穿透法常采用两
个探头，一个作发射用，一个作接收用，
分别放置在试件的两侧进行探测，图
1.4(a)为无缺陷时的波形，图1.4(b)为有缺
陷时的波形。

图1.4 穿透法
3、共振法
若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差，由以下公式算出试件厚度。

)
(22210--===m m f f c f c λ
δ （2.1） 式中 f 0——工件的固有频率；
f m 、f m-1——相邻两共振频率；
C——被检试件的声速；
λ——波长；
δ——试件厚度。

当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。

依据试件的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。

共振法常用于试件测厚。

通常常用的测厚仪为双晶直探头脉冲反射法，与A型脉冲反射式超声波探伤仪原理相同。

4、TOFD法
TOFD是Time of Flight Diffraction 的第一个英文字母的缩写，中文简称衍射时差法。

是上世纪七十年代由英国哈威尔无损检测中心根据超声波衍射现象首先提出来的，检测时使用一对或多对宽声束纵波斜探头，每对探头相对焊缝对称布置（一发一收），如图1.5所示。

声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生反射波和衍射波。

探头同时接收反射波和衍射波，通过测量衍射波传播时间，利用三角方程来确定出缺陷的尺寸和位置。

图1.5 TOFD法
七、优缺点
1、主要优点
①穿透能力强，探测深度可达数米；
②灵敏度高，可发现与直径约十分之几毫米的空气隙反射能力相当的反射体；
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③在确定内部反射体的位向、大小、形状及性质等方面较为准确；
④仅须从一面接近被检验的物体；
⑤可立即提供缺陷检验结果;
⑥操作安全,设备轻便。

2、主要缺点
①要由有经验的人员谨慎操作；
②对粗糙、形状不规则、小、薄或非均质材料难以检查；
③对所发现缺陷作十分准确的定性、定量表征仍有困难。

机械振动在介质中的传播过程叫做波。

通常，人耳能够感受到频率高于16次/秒（赫兹），低于20000赫兹的弹性波，所以在这个频率范围内的弹性波又称为声波。

频率小于10赫兹的弹性波叫做次声波，频率高于20000赫兹的弹性波叫做超声波。

次声波和超声波人耳都不能感受，即人耳听不到。

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