超声波探伤的通用方法和基础技术——

第三章 超声波探伤的通用方法和基础技术
第一节 超声波探伤方法分类及特点
超声波探伤的实质是：首先将工件被检部位处于一个超声场中，工件若无不连续分布(如无缺陷等)，则超声场在连续介质中的分布是正常的。

若工件中存在不连续分布(如有缺陷等)，则超声波在异质界面上产生反射、折射和透射，使超声场的正常分布受到干扰。

使用一定的方法测出这种异常分布相对于正常分布的变化，并找出它们之间变化规律，这就是超声波探伤的任务。

超声波探伤有许多方法，如将它们逐一分类，一般可用以下几种：
下面仅以实际探伤中较为常用的方法和特点作一简介。

一、脉冲反射法和穿透法
超声波在传播过程中遇到缺陷会产生反射、透射及缺陷后侧声影，按以上这些引起声场异常变化的不同原理，可将检测方法分为脉冲反射和穿透法(又称阴影法)，前者以检测缺陷的反射声压(或声能)
超声波探直接接触法 按缺陷显按超声波按探伤工按探伤波按
超声
波按探头数穿透法 脉
冲反连续波法 A 型显示法 单探头法 纵波法 横波法
大小来确定缺陷量值，后者以测定缺陷对超声波的正常传播的遮挡所造成的声影大小来确定缺陷的量值。

图3–1和图3–2所示为这两者的工作原理图。

目前，超声波探伤中常用脉冲反射法，与穿透法相比，脉冲反射法有如下特点：
1. 灵敏度高
对于穿透法，只有当超声声压变化大于20%以上时才有可能检测，它相当于声压只降低2dB。

由于探头晶片尺寸有一定大小及缺陷本身的声衍射现象，要获得大于20%声压变化量，缺陷对声传播遮挡面积已相当大了。

对于脉冲反射法，缺陷反射波声压仅是入射声压的1%时，探伤仪就已经能够检出，此时，与缺陷反射声压相对应的反射面积是很小的。

2. 缺陷定位精度高
脉冲反射法可利用缺陷反射波的传播时间，通过扫描速度(即时间轴比例)调节，对缺陷进行正确定位。

而穿透法只能以观察接收波形高低来确定缺陷面积，而波形所处位置不能表示缺陷声程，即处于不同部位的相同面积的缺陷，其接收波形高度相等，位置不变，见图3–3所示。

图3–1 脉冲反射法探伤原理
图3–2 穿透法探伤原理图3–3 穿透法探测处于不
同部位的缺陷
3. 适用于多种探伤技术
脉冲反射法适用性广，配以不同的探头和耦合方式可进行纵波、横波、表面波、板波及直接接触、液浸法等多种探伤技术，以适应从多方面对各类工件缺陷的探测。

4. 不需要专门扫查装置现场手工操作方便
穿透法中为保持发收二探头的相对位置，往往需要专用扫查装置，而脉冲反射法单探头工作时就不需要任何扫查装置，从而为各种场合的现场作业带来方便。

穿透法的优点往往弥补了脉冲反射法的不足方面。

例如，穿透法具有的探伤几乎
不存在盲区
的优点，可
弥补脉冲反
射法直接接
触探伤因有
较大盲区而
不能发现表
面缺陷的不
足，且对薄
工件的探测
图3–4 取向不良缺陷的影响
也较为适
宜。

再如，穿透法对形状简单的批量工件判伤简单，操作方便，易实现连续自动探伤且检查速度快。

又因其声程较反射法短，适于探测衰减系数较大的材料，对于取向不良的缺陷(其反射面不与声束垂直)，用脉冲反射法不易检测时，用穿透法反而有较好的探测效果，这是因为取向不良的缺陷因它有一定指向性，可能造成探头接收不到反射声压；而穿透法中，即使缺陷取向不良，只要它遮挡超声波束的传播，缺陷就能被发现，见图3–4所示。

脉冲反射法是目前运用最广泛的一种探测方法，就其本身来说，它又可分为许多种方法，下面我们将择要加以介绍。

二、脉冲反射法的种类和特点
脉冲反射法分类如下：
1. 直接接触纵波脉冲反射法
(1) 一次脉冲反射法 一次脉冲反射法如图3–5所示。

图3–5 直接接触纵波一次反射法
当工件中无缺陷时，荧光屏上只有始
脉冲
反直接接触液 浸 单全没液浸法 纵波法 横波法 双双直探头纵波法
波T与一次底波B。

当工件中有小缺陷时，始波与底波之间出现缺陷F，缺陷波高与其反射面积有关，此时底波幅度会有下降。

当工件中缺陷大于声束直径时，底波消失，荧光屏上只有始波和缺陷波。

(2) 多次脉冲反射法这是以多次底面脉冲回波为依据进行探伤的一种方法，超声波在具有平行表面的工件中传播，若无缺陷时，声波经底面反射回探头，一部分能量被探头接收，得到一次底波B1，另一部分能量又折回底面再被探头接收，得到二次底波B2，剩余能量再折回探头，如此往复多次，得到底面多次回波，直至声能完全耗尽为止。

根据多次底波波幅递减的快慢，可用以判断工件材质衰减情况及有无对声能吸收大的缺陷(如图3–6所示)，也可以用来判断工件中缺陷的严重程度，见图3–7所示。

图3–6 用多次脉冲反射法探伤
(3) 组合双探头脉冲反射法组合双探头由一发一收两晶片和有机玻璃延迟块组成，可用来减小盲区，有利于发现近表面缺陷，如图3–8所示。

图3–7 直接接触纵波多次脉冲反射法
图3–8 直接接触纵波双探头脉冲反射法
2. 斜角探伤法
在脉冲反射法探伤中，将晶片安装在具有一定入射角的有机玻璃斜楔上，使纵波以一定倾斜角度入射，经波型转换后在工件中获得横波、表面波或板波的探伤方法统称为斜角探伤法。

斜角探伤法可以检测直探头纵波无法发现的缺陷，可适应不同形状工件和不同方位缺陷的探测。

(1) 横波探伤法 以有机玻璃为斜楔的斜探头，为得到单一折射横波，其纵波入射角应大于第一临界角，小于第二临界角。

对于钢工件而言，入射角应为°＜＜°。

图39为横波斜角探伤示例。

(2) 表面波探波法 当斜探头有机玻璃斜楔入射角大于第二临界角时，折射声波全部沿着工件表面传播，形成表面波。

2
sk 2
R 1
L 1
R
＞C C
sin α=α-
(3–1)
式中：R
α为产生表面波时纵波入射角；1
L C 为第一介质中的纵波声速；2
R C 为第二介质中的表面波声速。

对于有机玻璃/钢，则有：
图3–9 横波斜角法
ο
3.653230
42.02700
sin 1
R =⨯=α-
表面波沿工件表面传播，遇转角或棱角时将有强烈反射回波，曲率越大反射越强。

工件上位于表面的缺陷也相当于有一定曲率的棱角，也有强烈的反射。

利用这一原理可用于工件表面探伤。

图3–10为轴类表面探伤示例。

图3–10 轴类表面波探伤
(3) 板波(兰姆波)探伤法 当介质中传播的声波波长与其板厚t 相当时，则一定入射角的纵波会在薄板中激励出板波(兰姆波)，此时的入射角应满足
2
R 1
L 1
R
C
C
sin -=α (3–2)
式中：1
L C 为第一介质中的纵波声速；2
R C 为第二介质中的相速度，它可通过与f-t 的关系曲线查出。

兰姆波有对称型和非对称型之分，它可在薄板两表面之间传播，用于探测～5mm 薄板中的分层、裂纹等缺陷。

板材中无缺陷时荧光屏上只有板端面反射波；若有缺陷时，在相应位置出现缺陷波，其板端面反射波波幅降低。

对不同板厚，其入射角不同，故可用可变角探头进行探伤。

图3–11为兰姆波探伤示例。

图3–11 兰姆波探伤
3. 液浸法探伤
直接接触法虽然具有方便灵活、耦合层薄、声能损失少等优点，但实际探伤时由于探头上所施压力大小、耦合层厚度、接触面积大小、工件表面凹坑的填充程度均难以控制；因此，它们的综合影响难以估量；再则，直接接触法探头容易磨损，探测速度慢，因而对某些批量规则工件宜采用液浸法探伤，便于实现自动化，提高检查速度。

(1) 液浸法的分类及其探伤图形液浸法就是探头与探测面之间有一层液体传声层，通常以水作为耦合介质，所以也叫水浸法。

根据工件和探头的浸没形式，一般可分为全没液浸—工件，它们的探伤图形是相同的，见图3–12所示。

图中S1和S2分别为液层与工件之间一次界面回波和二次界面回波；B1、B2、B3、为工件底面多次回波；F1、F2、F3为缺陷多次回波。

间隙法见图3–13所示，探头与工件之间也有液(水)层，不过水层很薄，厚度为～0.8mm，因此，它的探伤图形上没有上述两种液浸法带来的界面回波S，而与直接接触探伤法图形相同，其特点是耦合层可调节，且不易磨损探头。

S2(B3)
图3–12 液浸脉冲多次反射法探伤图形
图3–13 间隙法及其探伤图形
(2) 液浸法中超声波的传播超声波在液体中传播时，声束扩散W较小，指向性好，一旦射入工件后，依照折射规律，折射后工件中扩散角增大，即＞W，声束指向性变差，见图3–14所示。

若被探工件表面是凸圆柱面，超声波经过液层进入工件表面后，就会产生类似凸透镜的扩散现象，如图3–15所示，圆柱面曲率越大，扩散作用越厉害。

图3–14 液浸法探伤中超声束的扩散 图3–15 液浸法中圆柱面工件的声束扩
散
采用液浸法探伤时的灵敏度一般应比直接接触法提高10dB ，以补偿液/固界面上声能反射损失和液体对声能的吸收损失。