4.通用超声波检测技术

4．纵波法的缺点是存在盲区，只能探测盲区以外的缺陷。
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二、双晶探头脉冲反射法：
1．方法简介：双晶探头脉冲反射法利用两个晶片一发一 收，可以在很大程度上克服直探头反射法盲区的影响。其检测 原理见图4-6。
2．波形显示情况：采用双探头检测时，虽然探头中的两 个晶片用隔声层隔开，仍能接收到少量界面处直接反射的声波 （S），但其幅度通常较低。无缺陷时接收的第一个较高幅度的 回波应为底面回波（B），如图4-6（a）。如存在缺陷，缺陷 回波位于界面回波（S）和底面回波（B）之间，如图4-6（b）。
工件中无缺陷，超声波从工件底面的反射波，一部分能量被探头
接收使示波屏上产生一次回波(B1)，另一部分能量又从探测面折
回底面再被探头接收，得到二次回波B2，如此往复多次，直至声
能损耗完为止，使示波屏上出现的多次底波高度依次递减(如图4-
4a)；如果工件中存在吸收性的缺陷，由于缺陷的反射和散射增加
了声能的损耗，从而使底波次数减少(如图4-4b)；另一方面，缺
CL=2.73×103m/s)，根据折射定律，当工件材料为钢时(纵波速度 CL=5.9×103m/s,横波速度CS=3.23×103m/s)，可得第一临界角
αⅠ为27.6°, 第二临界角αⅡ为57.8°,当入射角在这两个角度之间时，
可在工件中呈现单一横波。通常检测所用横波折射角为38°∽80°之
间。如图4-7所示，横波斜射声束检测时，声束在上下表面间反射
形成W形路径。如果声波在前进中没有遇到障碍，声波不会返回，
A扫描显示除发射脉冲T外无其它回波。当声束路径中遇到缺陷时，
反射回波将出现在相应的声程位置处。
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图4-7 斜射声束横波接触法平板检测 图4-8 横波水浸法管材检测
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（2）方法应用： 横波法主要用于管材、焊缝的检测，检测其它工件时，常作 为一种辅助检测手段，以发现与检测面成较大倾角的缺陷。其中 一种常见的应用是检测与表面垂直或接近垂直的表面开口的平面 型缺陷（见图4-9）。此时利用的是横波入射至缺陷与表面形成 的端角处产生的端角反射，缺陷在时基线上出现的位置与一次波 入射至底面的位置重合。
4 超声检测技术的分类与 特点
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4.1 超声检测技术分类
超声检测技术分类的方式有多种，较常用的有以下几种：
1．按原理分类：脉冲反射法、穿透法、共振法、衍射时差法；
2．按显示方式分类：A型显示、B型显示、C型显示；
3．按声束入射方向分类：直射声束法、斜射声束法（横波法、
纵波法、瑞利波法、兰姆波法）；
陷的存在打乱了底波高度依次递减的规则，在较高的底波之间出
现了较低的缺陷回波(如图4-4c)；如工件中存在大的缺陷，则没
有底波，只有缺陷波的多次反射(如图4-4d)。
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a完好状态 b存在吸收性缺陷 C存在小缺陷 d 存在大缺陷
图4-4 多次反射法 10
二、穿透法
一)穿透法及原理 穿透法通常采用两个探头，分别放置在工件两侧，一个探 头发射超声波，而在相对的一面由另一个探头接收穿过工件的 超声波，根据超声波穿透工件后的能量变化情况来进行检测的 方法。穿透法的检测原理如图4-5所示。
缺陷回波法就是根据缺陷的反射回波情况来判断缺陷的检测方法。
该方法以回波的传播时间来确定缺陷的位置，以回波的幅度来确定
缺陷的大小，是脉冲反射法的基本方法。
1．方法简介：如图4-1所示，当工件中不存在缺陷时，A型显
示的波形中仅有始脉冲（T）和底面回波（B）两个信号。而当工件
中存在缺陷时，在始脉冲与底面回波之间将出现来自缺陷的回波
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3．表面波法
利用表面波进行检测的技术称为表面波法。表面波法通常利用 的是瑞利波，因此，又称为瑞利波法。第一章中已对瑞利波有所 介绍，它是一种在厚度远大于波长的固体表面层上传播的一种波 型。
（1）瑞利波的产生方式：瑞利波的产生方式较多，超声检测中 最常用的方式与横波斜射声束接触法的产生方式相似，采用斜角 探头，在入射角（α）满足下式的条件下，在界面上可产生较强 的瑞利波。
5．仅适应于上下底面平行、形状简单的工件检测，如铸、 锻件的检测。
6．穿透法检测时要保持两个探头的位置相对应，往往需要 有专用的扫查装置。
7．灵敏度低，由于绕射，小缺陷容易漏检。 12
三、共振法
1．方法简介： 当工件厚度（δ）为超声波波长的整数倍时，入射波与反 射波的相位相反，在工件内产生驻波，引起共振。 2．方法应用 （1）可用于判断工件是否存在缺陷，若工件中存在缺陷， 引起厚度的变化，从而使共振频率发生变化，因而可根据共振 频率的变化判断工件中是否存在缺陷。 （2）用于工件的厚度测量。 d=C/2f0=λ/2=C/2(fn-fn-1)。式中, d—工件厚度; f0—工件 的固有频率;C—工件的声速; λ—波长; fn-fn-1—两相邻共振频率。 在实际测厚过程中,工件的固有频率一般是不知道的，只有
不同的检测技术，是根据检测的目的及被检件的形状、尺寸、材质
等特征来进行选择的。
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4.1.1 按检测原理分类
一、脉冲反射法
脉冲反射法是由超声波探头发射脉冲波到工件内部,通过观察来
自工件的缺陷或工件底面反射波的情况来对工件进行检测的方法。
脉冲反射法又分为缺陷回波法、底波高度法、多次底波法等。
一)缺陷回波法
图4-9 利用斜射横波端角反射检测表面开口缺陷 21
2．纵波斜射法：
在工件中同时产生纵波和横波，利用纵波进行 检测的方法，称为纵波斜射法。此时纵波入射角 应小于第一临界角，即，这时工件中同时存在纵 波和横波。这种方法主要是利用纵波在工件中比 横波的声速大、材衰小、穿透能力强、信噪比高 的特点，常用于晶粒较为粗大的工件（如奥氏体 钢焊缝）的检测，也用于厚壁管的检测。由于纵 波在工件中的传播速度比横波大，对厚度大的工 件，横波一般不会对检测产生干扰；但对于薄工 件，横波会对检测产生干扰，检测时应予以注意。
常小的缺陷回波，达到很高的检测灵敏度。 ② 缺陷定位精度高，缺陷判断也较容易 脉冲反射法可以充分地利用缺陷反射波的传播时间，通过调节
扫描速度，对缺陷进行精确定位，对缺陷判断也较容易。 ③ 适用性广泛 脉冲反射法可以使用不同的探头，采取不同的耦合方式进行检
测，既可进行纵波检测，也可以进行横波、表面波和板波检测，并 且能对各类工件从多方面进行检测。
4．按探头数目分类：单探头法、双探头法、多探头法；
5．按耦合方式分类：接触法、液浸法；
6．按人工干预的程度分类：手工检测、不同分类方式的一种组合，
如最常用的单探头纵波垂直入射脉冲反射接触法（A型显示）。在
日常工作中，人们常说的纵波探伤往往就是指这种技术。
每一种检测技术都有其特点与局限性，针对每一检测对象所采用的
3．用途：双晶探头适用于检测近表面缺陷，也可用于薄 工件、小直径棒材等的检测。
4．使用注意事项：
（1）应根据工件厚度选择合适的交汇区的深度；
（2）测定缺陷范围（或指示长度）时，探头移动方向应
垂直于隔声层方向。
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（a）无缺陷
（b）有缺陷
图4-6 双晶探头脉冲反射法
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二、斜射声束法
一)方法概述
使声束以一定入射角（大于0）进入检测面，利用声束在工 件中产生的传播方向与检测面成一定角度的波进行检测的技术称 为斜射声束法。根据所选择入射角度的不同，工件中产生的波型 可同时有纵波与横波，也可为纯横波、表面波或板波。当工件中 同时存在纵波与横波时，因检测所用的波型主要是纵波，故称为 纵波斜射法；当工件中仅存在纯横波，采用纯横波进行检测的方 法称为横波法；当工件中仅存在表面波，采用表面波进行检测的 方法称为表面波法；同理，采用板波进行检测的方法称为板波法。
（F）。缺陷回波的高度与缺陷的反射面大小、取向、形状、缺陷
性质及其距探头的距离有关，通过观察缺陷回波（F）的高度可对
缺陷的大小进行评估，通过观察缺陷回波（F）在时基线上的位置，
可得到缺陷的埋藏深度。
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图4-1 缺陷回波法
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2．缺陷回波法的优缺点：
（1）缺陷回波法的主要优点： ① 当材质条件较好且选用探头适当时，脉冲回波法可观察到非
④ 现场操作方便 脉冲反射法使用单探头检测时,不需要专用的扫查装置,现场操 作方便。由于脉冲反射法具有上述优点，是一种广泛应用的方法。
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（2）脉冲反射法的缺点， ① 存在一定的盲区,对位于表面和近表面的缺陷检出能力低。 ② 声波由发射到接收要通过双倍的声程，因而声能衰减大，
不利于高衰减材料的检测。 ③ 对取向不良(如倾斜)的缺陷，可能接收不到回波而漏检，
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a为完好状态 b 存在吸收性缺陷 c存在倾斜缺陷
图4-3 根据底面回波判断缺陷的示意图
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三)多次底波法
多次底波法就是根据工件底面多次反射波的情况来判断缺陷的
检测方法，多次底波法也称为多次反射法。
图4-4是多次底波法判断缺陷的原理，超声波在互相平行的探
测面和底面之间往复多次反射，使示波屏上出现多次底波。如果
图4-5 穿透法
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二)方法特点：
1．穿透法无法得知缺陷深度的信息，即无法对缺陷定位； 对于缺陷尺寸的判断也是十分粗略的。
2．不存在盲区。对取向不良的缺陷，也能得到较好的探测 效果，如图4-2（b）。
3．穿透法没有反射的声程，因此声程短，适宜于探测衰减 系数较大的材料。
4．对于形状简单的批量工件，穿透法操作方便，判定缺陷 较简单，检测速度较快，容易实现连续地自动化检测。
（2）瑞利波检测原理 瑞利波在传播过程中遇到表面或近表面缺陷时，部分声波在
缺陷处被反射，并沿工件表面返回，A显示波形上回波的水平位置 与缺陷在工件表面距探头入射点的距离相关（见图4-10）。
如图4-2（a）所示。
a）脉冲反射法
（b）穿透法
图4-2 探测取向不良的缺陷
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二)底波高度法
1．方法简介 图4-3是底波高度法判断缺陷的原理，当工件的材质和厚度、 表面状态不变时，底面回波B的高度基本是不变的。当工件中存在 一定尺寸的缺陷或材质存在较大的变化时，底面回波的高度会下降 甚至消失。因此，对检测面与底面平行的工件进行脉冲回波直射声 束法超声检测时，底面回波高度的监测也可作为一种判断缺陷的检 测手段。 2．方法特点： （1）底波高度法对缺陷检测的灵敏度较低，且无法对缺陷定位， 定量也较难，因此，常作为辅助手段以发现一些与入射面成一定角 度的缺陷或小而密集的缺陷。这类缺陷往往反射幅度很低，或观察 不到反射信号。 （2）仅适应于上下底面平行、形状简单的工件检测，如铸、锻 件的检测。 （3）同样投影面积的缺陷可得到大致相同的显示，不存在盲区。
二)斜射声束的产生方式：
产生斜射声束的方法通常有下列两种方式：
1．一种是采用接触法斜角探头，由晶片发出的纵波通过一 定倾角的斜楔到达接触面，在界面处发生波型转换，产生所需波 型和角度的斜射声束；
2．另一种是利用水浸直探头，在水中改变声束入射到检测 面时的入射角，从而在工件中产生所需波型和角度的折射波。18
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二)直射声束脉冲反射法的特点
1．纵波法可以用于探测铸件、锻件及其制品。由于纵波对 晶界反射和散射的敏感性较差，所以，纵波法还可用于粗晶材料 的检测，能有效地检出平行于检测面的缺陷。
2．在同一种介质中，纵波的波长大于其它波型的波长，纵 波的穿透能力强，可探测的工件厚度是所有波型中最大的。
3．在检测中，纵波法的入射波方向和波型不发生变化，缺 陷定位比较方便、准确。由于声场接近于按简化模型进行理论推 导的结果，可对缺陷尺寸进行当量评定。
三方法简介
1．横波法：
利用纯横波进行检测的方法称为横波法。如前所述，产生纯 横波的条件是：纵波入射，在工件中只产生单一的横波，纵波入 射角应大于第一临界角而小于第二临界角，即：αⅠ‹α‹αⅡ。
（1）方法简介：
图4-7和图4-8是斜射声束横波检验的两种典型情况。对于接
触法斜角探头，斜楔常用材料为有机玻璃(其纵波速度
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通过测得两相邻共振频率fn、fn-1来计算工件厚度。
4.1.2按声束入射方向分类
一、直射声束法
一)方法简介： 使声束轴线垂直于检测面进入工件进行检测的技术，称为直 射声束法。直射声束法通常采用的波型是纵波，当采用纵波检测 时，也称纵波法。图4-1和图4-5是直射声束法中脉冲反射法和穿 透法的示意图。 纵波法有单晶探头反射法、双晶探头反射法和穿透法等。经 常使用的是单晶探头反射法。