超声波检测的基本问题分析

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。
接触法单探头直射声束脉冲反射法 (a) 无缺陷；
•
接触法单探头直射声束脉冲反射法 (b) 有缺陷
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Biblioteka Baidu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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
• • • • • •
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。
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。
• 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。
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。
纵波法
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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。
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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。
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：
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。
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。
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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。
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
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。
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。
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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。
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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。
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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。
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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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：