脉冲反射法超声波检测通用技术

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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
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。
6.3 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。
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。
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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。
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
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。
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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
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。
6.1 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。
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
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
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
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
6.2 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。
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，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 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
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。
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。
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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
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。
T 4 Z1 Z 3 1 Z1 Z 3 2 (Z 2 ) Z2
2d 2
4 Z1 Z 3