脉冲反射法超声波检测通用技术

6.3 耦合剂的选用
• 为使耦合层耦合效果好，由教材（238）式和（2-39）式可知，则必须使r≈0， 2z z T 此时t≈1，或 达最大，即 (z z ) 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 ≈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
r
6.3 耦合剂的选用
• 时和 d (2n 1) 4 ,且 时，声强透射率最大，超声检测大多情况 满足次种条件。 d • 由式可看出：当耦合层 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 耦合层d→0，效果好。
6.3 耦合剂的选用
6.3 耦合剂的选用
• 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
1 z1 z2 2 2d 2 sin 4 z2 z1 2 2 1 z1 z2 2d 2 1 sin 2 4 z2 z1 2
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 被检测缺陷的位臵、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。
6.3 耦合剂的选用
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。
6.3 耦合剂的选用
4. 工件表面形状影响 平面工件耦合最好;凸曲面次之；凹曲面最 差。 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。 • 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。
2
6.2 仪器与探头的选择
5.斜探头K值选择： 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根据检测缺陷选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。 表面裂缝，利用端角反射原理，选择Ｋ＝１用一 次波扫查。
6.3 耦合剂的选用
表6-1
耦合剂 Z
常用耦合剂的声阻抗Z值
机油 1.28 水 1.5 水玻璃 2.17 甘油 2.43
甘油-声阻抗高，耦合性能好，价格高，有腐 蚀性； 水玻璃-声阻抗高，用于粗糙工件表面，但清 洗不方便； 水-价格低、易得、易流失、易生锈； 机油-价格、流动性、附着力、黏度适当，不 腐蚀。使用广泛。
6.3 耦合剂的选用
当工件曲率半径R与临界曲率半径R0比： 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； 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
2 1 3
在非均匀介质中，根据教材2.39式，当 d n 2 z z z

非均质介质中，声强透率为：
T ( Z1 Z 3 ) 2 con 2
2
由上式： （1） d 2 n 2 时
Z1 Z 3 2d )2 sin 2 2 Z2 2 4 Z1 Z 3 T ( Z1 Z 3 ) 2 (Z 2
脉冲反射法超声波检测通用技术
概述
脉冲反射法对缺陷检出及评估的基本信息 1、缺陷反射波信号及幅值； 2、入射波与反射波之间的传播时间； 3、超声波通过工件时材料的衰减。
脉冲反射法超声检测法检测需要掌握的通用技术： 检测条件、耦合与补偿、仪器的调节、缺 陷的定位、定量、定性等。 脉冲反射超声检测的基本步骤： 检测前准备－仪器、探头、试块的选择－ 仪器的调节、灵敏度的确定－耦合补偿－扫查方 式－缺陷的测定、记录和评定－系统复核。
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。
6.3 耦合剂的选用
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。 ④来源广，价格低廉。 ⑤性能稳定。
1 2 2 1 2
6.3 耦合剂的选用
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
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。 超声波检测灵敏度一般是指检测最小缺陷的能力。
6.2 仪器与探头的选择
（2）提高频率越高，缺陷纵向分辩力提高 频率越高，脉冲宽度越小，有利于区分沿声束方向 相邻的缺陷且缺陷定位精确度高。 （3）提高频率，缺陷横向分辩力提高 arcsin 1 . 22 由 D ,λ=C/f 可知，频率高，波 长短，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，发现小 缺陷能力提高，缺陷横向分辩力也提高，但检测区域小， 公能发现声束轴线附近的缺陷。 （4）提高频率，表面盲区增大 D N 由 可知 ，频率高，波长短，近场区长度大。 4
6.2.1、检测仪器的选择 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检测，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； 3、考虑环境条件，室外检测要求重量轻、亮度高、抗干 挠性好。
6.3 耦合剂的选用
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： d n 最好： 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。 d ( 2 n 1 ) 最不好： 4 即四分之一波长奇数倍时，声压透射率最低， 反射率最高。
6.2 仪器与探头的选择
2. 探头频率选择：0.5～10MHZ
（1）提高频率，可提高检测灵敏度 由于波的绕射，使超声波检测灵敏度约为 λ/2。
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
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。
6.2 仪器与探头的选择
4、晶片尺寸选择：
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 θ ＝arcsin 1.22 由 D 晶片尺寸越大，扩散角越小，波束 指向性好，超声波能量集中，对轴线附近缺陷检出率高。 D N 由 4 ，晶片尺寸增大近场区增大，盲区大。 晶片尺寸越大，辐射能量大，探头未扩散区扫查范围大， 远距离缺陷发现能力增强。 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。 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。
6.2 仪器与探头的选择
3、探头带宽的选择 探头发射超声波脉冲频率是有一定带宽。 宽带探头：脉冲宽度小，深度分辨力好，使用阻 尼大，故灵敏度较低； 窄带探头：脉冲较宽，深度分辨力差，盲区大， 但灵敏度较高，穿透力强。
宽带探头由于脉冲短，在材料内部散射噪 声较高的情况下，具有比窄带探头信噪比好的 优点。如对晶粒粗大的铸件、奥氏体钢等宜选 用宽带探头
T 4 Z1 Z 3 1 Z1 Z 3 2 (Z 2 ) Z2
2d 2
4 Z1 Z 3
声强透射率与薄层无关，好象薄层示存在。
2 （2）d 2 (2n 1) ， Z 2 Z1Z 3 4
超声波全透射。
时:
6.3 耦合剂的选用
• 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）。
6.2 仪器与探头的选择
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。
6.2 仪器与探头的选择
6.2.2、探头选择 1. 型式选择： 纵波直探头、横波斜探头、纵波斜探头、双晶探头、聚焦探头。 选择原则：根据检测对象和检测目的决定，使声束轴线尽量与缺陷垂直。 纵波直探头：波束轴线垂直于检测面，主要用于检测与检测面平行的缺 陷，如锻件、钢板夹层、折叠等缺陷； 横波斜探头：通过波形转换来实现，波长短，灵敏度高，主要用于检测 与检测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝中的裂纹、未焊透、未熔合、 夹渣等缺陷。 纵小组斜探头：利用小角度纵波进行检测，或在横波衰减大情况下，利 用纵波穿透性强特点进行大厚度工件斜入射纵波检测。但有显示中有纵波 也有横波，要分析识别。 双晶探头：检测薄板工件或近表面缺陷。 聚集探头：水浸聚集探头：检测管材或板材；接触聚集探头可有效提高 信噪比，但检测范围小，用于已发现缺陷的精确定位 聚焦探头（线、点聚集） 表面波探头：表面缺陷。
ห้องสมุดไป่ตู้
6.3 耦合剂的选用
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。
6.2 仪器与探头的选择
综合考虑检测目的和检测效果 对于小缺陷，薄板，可较高频率； 但对大工件、高衰减材料，选较低频率； 对细晶粒材料，选较高频率；2.5~10MHZ 对粗晶材料，降低频率；0.5~2.5MHZ 但降低频率，减小晶片尺寸时，则声束指 向性变坏，超声场能量降低，不利于检测远 场缺陷，所以应综合考虑。
2
6.2 仪器与探头的选择
(5)提高频率，信噪比下降 由αS=C2Fd3f4 （d<λ时材料的散射衰减系数） 可知，频率越大，信号衰减越大，同时晶粒粗大时 散射还存在草状回波，因此缺陷信号信噪比下降， 缺陷检出率降低。 （6）提高频率，对于面积状缺陷检出率降低 频率太高会形成显著的反射指向性，当声束不 是垂直入射到缺陷平面时，探头收到的缺陷反射信 号小，缺陷检出率降低。