超声波探伤培训教材

超声波探伤

1 序言

1.1 超声波检测技术的发展简史

尽管自古就对声学开展了研究，但是直到十九世纪中后期人类才知道存在自己听不到的高频声音（即超声波）。有趣的是，超声波的具体应用与 1912 年泰坦尼克号邮轮的沉没这一著名海难直接相关，当时所提出的及时发现水下冰山和障碍物的要求刺激了超声波的应用，其中英国科学家提出的利用超声波的束射性可以发现远距离水下目标的思想虽然未能付诸实施，但是直接推动了超声检测的研究和应用。一次世界大战后期，为了探测另一类更为危险的水下障碍物――潜水艇，超声波技术的实际应用再一次得到了有力推动，当时所发展的压电超声发生装置和石英晶体换能器等一直是超声检测的技术基础。

超声波应用于材料的无损检测领域起源于二十世纪二十年代末三十年代初，苏联和德国的科学家几乎同时报导了超声波在材料检测方面的应用，从此开创了一个全新的领域。二十世纪四十年代的整个十年都是在二次世界大战中度过的，战争对于技术发展的迫切要求再次成为超声检测技术进步的推动力。探测潜艇的超声波声纳得以广泛应用，但是其回波检测的思想对于短距离材料检测而言实在是超越了当时的电子技术水平，因此只能采用连续波透射法，这种探伤方法有很大的局限性，仅限于一些专业学院作研究用途或装置在少数几个冶金研究室内。战争以后，随着对超声波探伤原理和特性的不断深入了解，特别是脉冲反射法的应用、纵波、横波、板波和表面波相继发现并成功应用，超声波在无损检测方面优点也得以充分体现，因此在二十世纪四十年代末超声波探伤开始被用于解决一些严格的质量问题，并在冶金制造业得到了越来越广的应用。二十世纪六七十年代，随着半导体技术和计算机信息技术的进步，超声波探伤仪器和装备不断小型化，并出现了由电池供电的便携式超声波探伤仪器，同时新材料技术的发展也使新型的性能更为优越的压电材料得以广泛应用，相关的探伤方法、探伤标准和基准等也趋于成熟，因此超声波探伤在对产品质量有严格要求的航空航天、原子能工业、石油化工业、锅炉和压力容器行业、冶金制造业以及建筑业等得到了全面

应用，成为最为重要和广泛应用的无损检测方法。

1.2 超声波检测在厚板制造领域的应用

厚板超声波探伤是厚板质量检查的重要手段，五矿营钢宽厚板厂在剪切线入口、特厚板区域均设有超声波探伤工序。尤其是剪切线入口处从德国NDT公司引进的在线自动超声波探伤设备，代表了现代中厚板超声波探伤的先进技术水平。

厚板的超声波探伤一般采用纵波脉冲反射法，其中厚度为 5~50mm 的中厚板通常采用双晶直探头和水膜耦合法探伤，以减少表面盲区并提高检测灵敏度，而厚度在 50mm 以上的厚板则采用单晶直探头和直接接触耦合法。对于表面状况不佳的特厚板甚至需要采用透射法来进行有效检测。

另外对于一些要求非常高的钢板，有时也需要利用斜探头横波检测钢板的表面裂缝类缺陷。同时超声波还可用于钢板厚度的精确测量，利用手提式超声波测厚仪可以对修磨后的钢板剩余厚度进行快速准确测量。对于更薄的钢板，通常采用板波检测的方法。

2 超声波探伤的基本原理

用超声波对金属进行探伤时，必须首先对超声波用于金属探伤的原理有所了解，也就是说，从金属探伤这一角度出发，应对金属中超声波的产生、超声波在金属中的传布以及超声波在金属中与缺陷的相互作用有所了解。

2.1 超声波的基本概念

2.1.1 什么是超声波

（1）超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中传播而形成的波动，通常以其波动频率 f 和人的可闻频率加以区分超声波与其它声波种类：次声波 f<20Hz 人耳不可闻

声波 20Hz≤f≤20KHz 人耳可闻

超声波 20KHz≤f≤103MHz 人耳不可闻

特超声波 f>103MHz 人耳不可闻

超声波探伤用的频率为 0.25MHz~15MHz，金属材料超声波探伤常用频率为0.5MHz~10MHz，其波长约10mm~0.5mm。

由于超声波频率比可闻声波高得多，因此其波长短，加上它在固体中传播时传递能量较大，这样使得超声波传播时具有某些与光波类似的特性，为此也常常借用光学原理来研究和解释超声波的物理现象。

（2）超声波具有以下几个特性。

(1) 束射特性

超声波波长短，声束指向性好，可以使超声能量向一定方向集中辐射。

(2) 反射特性

超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面会产生反射、透射或折射，而反射特性正是脉冲反射法的探伤基础。

(3) 传播特性

超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，因此其声压声强均比可闻声波大，传播距离远，可检测范围大。

(4) 波型转换特性

超声波在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换，从而为各种波型（纵波、横波、板波、表面波）探伤提供了方便。

人们正是利用了超声波的这些特性，发展了超声波探伤技术。

2.1.2 超声波的波型

(1) 纵波 L

当弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，受力质点间距就会相应产生交替的疏密变形，此时质点振动方向与波动传播方向相同，这种波型称为纵波，也可叫做“压缩波”或“疏密波”，用符号L表示。图6-1 就是纵波波型示意图。

凡是能发生拉伸或压缩变形的介质都能够传播纵波。固体能够产生拉伸和压缩变形，所以纵波能够在固体中传播。液体和气体在压力作用下能产生相应的体积变化，因此纵波也能在液体和气体中传播。

(2) 横波 S

当固体弹性介质受到交变的剪切应力作用时，介质质点就会产生相应的横向振动，介质发生剪切变形；此时质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波，也可叫做剪切波，用符号S表示。图6-2 为横波波型示意图。

在横波传播过程中，介质的层与层之间发生相应的位移，即剪切变形；因此能传播横波的介质应是能产生剪切弹性变形的介质。自然界中，只有固体弹性介质具有剪切弹性力，而液体和气体介质各相邻层间可以自由滑动，不具有剪切弹性力（即剪切弹性模量G=0），所以横波只能在固体中传播，气体和液体中不能传播横波和具有横向振动分量的其他波型。

(3) 表面波

当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点作相应的纵横向复合振动；此时质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。表面波是横波的一个特例。