超声检测-基本原理

超声波物理基础
传播规律
① 异质界面的垂直入射：当声波从一种介质 （A）进入另一种介质（B）时，传播特性产生变化。 声波在两种不同介质的结合面（界面）上可分为反 射声波与透射声波两种。反射和透射声波的比例， 与组成界面的两种介质声阻抗有关。
超声波物理基础
当入射介质（A）的声阻抗等于或近似另一介质 （B）的声阻抗时，不产生或基本不产生反射波，所 以当超声波垂直入射到两种声阻抗差很小的介质组 成的界面时，几乎全透射，无反射。因此在焊缝探 伤中，若母材与焊缝金属结合面没有任何缺陷，是 不会产生界面回波，这是直探头探伤的原理。
超声波是由压电晶片的逆压电效应产生的。 探伤使用的超声波频率一般为0.5～10MHz，
其中以2～5MHz最为常用。
超声波物理基础
超声波的性质
1、超声波具有良好的指向性； 2、超声波能在弹性介质中传播，不能在
真空中传播； 3、异质界面上的透射、反射、折射和波形
转换 ； 4、具有可穿透物质和在物质中有衰减的
钢结构焊缝超声检测 基本原理
目录
第一章 超声波物理基础 第二章 检测设备与器材 第三章 探伤方法 第四章 检测技术 第五章 超声波检测的优点与局限性
第一章 超声波物理基础
超声波物理基础
什么是超声波
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：
第二章 检测设备与器材
检测设备及器材 超声波探伤仪
检测设备及器材
超声波探伤仪有多种分类方式：
按超声波的连续性可分为脉冲波探伤仪、连续 波探伤仪、调频波探伤仪；按仪器的信号处理方式 可分为模拟型探伤仪和数字型探伤仪；按缺陷显示 方式分为A型显示、B型显示、C型显示和3D型显示 超声波探伤仪，按超声波的通道数目分为单通道和 多通道探伤仪两种。
另一方面，焊缝中的危险性缺陷大都与超声束入射 方向成一定角度，在这种情况下，若频率过高，则 缺陷的反射指向性也越好，回波反而不易被探头接 收，故频率不宜太高。保证有足够的探伤灵敏度。
GB11345 标准规定：检验频率f一般在2－5MHz范围内选择，
推荐选用2－2.5MHz公称频 率检验。
检测技术
当入射介质（A）的声阻抗远大于另一介质（B） 的声阻抗时，声压反射趋于100%，透射趋于0，即声 压几乎全反射，无透射。因此，检测中如探头与工 件间不施加耦合剂，则形成固/气界面，超声波将无 法进入工件。
超声波物理基础
超声波的衰减
1．散射引起的衰减 超声波在传播过程中，遇到不均匀的和各向异性的金属晶 粒时则会在界面上发生散乱反射、折射和波形转换，从而 消耗超声波的能量，这种衰减称为散射衰减。
推荐采用的斜探头K值
板厚（mm) K值 β
6～25 3.0～2.0 72°～60°
25～46 2.5～1.5 68°～ 56°
46～120 2.0～1.0 60°～45°
120～400 2.0～1.0 60°～45°
注：条件允许时，尽量采用大K值探头。
检测技术
探头频率的选择
探测频率增高，则其波长减小，可检测的缺陷极限 尺寸也小，一般为/2。从这一角度出发，则频率 增高，有利于缺陷检出。
超声波物理基础
超声波的波型转换
波型转换纵波倾斜 入射到不同介质的表面 时会产生反射纵波反射 横折射纵波折射横波， 反射、折射角度符合一 般的反射折射定律。
超声波物理基础
临界角
第一临界角 当在第二介质中的折射纵波角等于90度时称
这时的纵波入射角为第一临界角α I。这时在第二 介质中已没有纵波，只有横波。焊缝探伤用的横 波就是，经过界面波型转换得到的。
超声波物理基础
分贝
通常规定引起听觉的最弱声强为I0=10-16W/cm2 作为声强的标准，另一声强I1与标准声强I0之比的对 数称为声强级，单位为贝尔（B）。而实际应用中贝 尔太大，故常取其十分之一即分贝（dB）为单位， 即：
式中：I0—标准声强，又称为初始声强 I1—比较声强 P0—初始声压 P1—比较声压
检验等级
•A级检验 采用一种角度的探头在焊缝的单面单侧进行
检验,只对允许扫查到的焊缝截面进行探测.一般 不要求作横向缺陷的检验.母材厚度大于50mm时, 不得采用A级检验。
检测技术
检验等级
• B级检验 原则上采用一种角度探头在焊缝的单面双侧进行检
验,对整个焊缝截面进行探测； 母材厚度大于100mm时,采用双面双侧检验； 受几何条件的限制,可在焊缝的双面单侧采用两种角
超声波物理基础 声压
超声波在材料中传播时，质点在某一瞬间的压 力与静压之差称为声压。常用P表示，声压单位为Pa。
式中：P—声压 ρ—介质密度 c—声速 A—介质振幅 V—质点振动速度 ω0—角频率
超声波物理基础
声强
声强是超声波的能流密度，指单位时间内在垂直 声波传播方向上的单位面积内所通过的声能，常用I 表示，单位为W/mm2。声强与声压的平方成正比：
T
T
F
T
B’
探伤方法
采用二次波探伤，探测面修整宽度为： S ≥ 2KT+50 (mm)
采用一次波探伤，探测面修整宽度为： S≥KT+50 (mm)
式中: K----探头的K值； T----工件厚度。
P
P
二次波探伤
一次波探伤
第四章 检测技术
检测技术
探头K值（角度） 使声束能扫查到整个焊缝（检测区）截面 使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直 保证有足够的探伤灵敏度
第三章 探伤方法
探伤方法
超声波探伤方法按探伤原理分为脉冲反射法、 衍射法、穿透法和共振法。其中脉冲反射法应用最 广泛，也是钢结构超声波一定频率的超 声波（脉冲波），通过耦合剂的耦合传入工件，当 遇到异质界面（缺陷或工件底面）时，一部分超声 波将发生反射，反射回波被仪器接收并以电脉冲信 号在示波屏显示出来，由此判断缺陷的有无，以及 进行定位、定量和评定。
探伤方法
1. 回波方式 根据回波的表示方式不同，脉冲反射法分为A型显示、
B型显示、C型显示和D型显示等。
A型显示超声波检测：A型显示是一种波形显示，探 伤仪荧光屏的横坐标代表波的传播时间（或距离），纵坐 标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷的位 置，由反射波的幅度可以估算缺陷的大小。
2. 入射方式
度探头进行探伤.条件允许时应作横向缺陷的检验。
检测技术
检验等级
•C级检验 至少要采用两种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验.同时要作
两个扫查方向和两种探头角度的横向缺陷检验.母材厚度大于 100mm时,采用双面双侧检验.其他附加要求是: 对接焊缝余高要磨平,以便探头在焊缝上作平行扫查; 焊缝两侧斜探头扫查经过的母材部分要用直探头作检查; 受焊缝母材厚度大于等于100mm,窄间隙焊缝母材厚度大于等于 40mm时,一般要增加串列式扫查。
目前应用较广的是数字式A型显示脉冲反射式单 通道超声波探伤仪。
检测设备及器材 超声波探头
检测设备及器材 超声波探头
检测设备及器材 超声波探头参数
基本频率 晶片材料 晶片尺寸 探头种类 特征
2.5 Ｂ 20 Ｚ
直探头 园晶片直径20ｍｍ 钛酸钡陶瓷 频率2.5MHz
5 P 6×6 Ｋ 3 Ｋ值为3
特性 。
超声波物理基础
束射特性
反射特性
传播特性
波型转换特性
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。
超声波物理基础 超声波的波型
纵波（压缩波）
波传播方向
空气
固体介质
表面波（瑞利波）
横波（剪切波） 板波（兰姆波）
超声波物理基础
表3—2 常见固体材料的声速
材料种类 铝
铸铁 钢 铜
有机玻璃 陶瓷 机油
Ｋ表示折射角 矩形晶片6×6ｍｍ 钛酸铅陶瓷 频率5MHz
检测设备及器材 超声波探伤用试块
检测设备及器材 超声波探伤用试块
CSK-IA
检测设备及器材 超声波探伤用试块
调节：探头的前沿、K值、声速
检测设备及器材 超声波探伤用对比试块
CSK-IIIA
检测设备及器材 距离-波幅（DAC)曲线
检测设备及器材
声波 次声波 声波 超声波 特超声波
波动频率 f<20Hz
20Hz≤f≤20KHz 20KHz≤f≤103 MHz
f>103 MHz
可闻频率 人耳不可闻 人耳可闻 人耳不可闻 人耳不可闻
超声波物理基础
超声波的产生 与接收
目前金属探伤中最常用的产生超声波的方法 是压电法。
超声波的产生与接收是利用超声波探头中压 电晶片的压电效应来实现的。
检测设备及器材
超声波探伤用耦合剂
影响耦合剂的主要因素有：耦合层厚度、表面 粗糙度、耦合剂声阻抗及工件表面形状的影响等。
一般耦合剂应满足以下要求：
① 能润湿工件和探头表面，流动性、黏度和附 着力适当，不难清洗。
② 声阻抗高，透声性好。 ③ 来源广，价格便宜。 ④ 对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。 ⑤ 性能稳定，不易变质，能长期保存。
超声波物理基础
在超声波检测中，常以dB为单位来测量任意两 个回波的大小和表示反射脉冲波幅度。当超声检测 仪的垂直线性较好时，仪器显示屏上的波高与其声 压成正比，这时有：
当h1的高度是h0的2倍时： Δ=20lg（h1/h0）=Δ=20lg（2）=6dB， h1比h0高6dB 当h1和h0高度相同时: Δ=20lg（h1/h0）=Δ=20lg（1）=0dB， 二者分贝差为0dB 当h1的高度是h0的一半时: Δ=20lg（h1/h0）=Δ=20lg（1/2）=-6dB， h1比h0低6dB
水(20℃) 空气
密度(g/cm3) 2.7 7.3 7.8 8.9 1.18 2.4 0.92 1.0
0.0012
纵波CL(m/s) 6260 5600 5950 4700 2730 5600 1400 1500 340
横波CS(m/s) 3080 3200 3230 2260 1460 3500 — — —
利用探头与工件的直接接触（忽略探头与工件间很薄 的耦合剂层）进行超声波探伤的方法属于直接接触法。通 过超声波入角方式的不同，直接接触法可分为垂直入射法 和斜角入射法。
探伤方法
垂直入射法——采用直探头将声束垂直入射工 件探伤面进行探伤的方法。
探伤方法
斜角入射法——是采用斜探头将声束倾斜入射 工件探伤面进行探伤的方法。
第二临界角 当纵波入射角继续增大时，在第二介质中的
横波折射角也增大，当βS达90度时，第二介质中 没有超声波，超声波都在表面，为表面波。
超声波物理基础
超声波的横波检测 原理
用于焊缝检测的超 声波斜探头的入射角必 须大于第一临界角而小 于第二临界角
在有机玻璃与钢的界面：
第一临界角为α=27.2°，βS=33.3° 第二临界角为α=56.7°，βS=90°
超声波探伤用耦合剂
超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。 声强透射率高，超声耦合好。
当探头和工件之间有一层空气时，超声波的反 射率几乎为100%，即使很薄的一层空气也可以阻止 超声波传入工件。因此，排除探头和工件之间的空 气非常重要。耦合剂可以填充探头与工件间的空气 间隙，使超声波能够传入工件，这是使用耦合剂的 主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减 小探头和工件之间的摩擦，防止工件表面磨损探头， 并使探头便于移动。
式中：I—声强
P—声压
ρ—介质密度 c—声速
超声波物理基础
声阻抗
声阻抗是介质中某一质点的声压P与该处质点振 动速度V之比，是描述介质传播声波特性的一个物理 量，表示超声场中介质对质点振动速度的阻碍作用， 常用Z表示，单位为kg/m2·s。
式中： Z—介质的声阻抗 P—声压 V—质点振动速度 ρ—介质密度 c—声速
检测技术
确定待检焊缝的验收等级和检测等级
在对待检焊缝进行探伤检测前，必须先要确定 待检焊缝的验收等级和检测等级，方能对该焊缝进 行相应的探伤操作并判定合格与否。
《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评 定》GB/T 11345-2013中的检测等级与《焊缝无损检 测 超声检测 验收等级》GB/T 29712-2013中的验收 等级关系见下表。
2．介质吸收引起的衰减 由于质点之间的相对运动和相互摩擦使部分声能转换为热 能，通过热传导引起衰减，这种衰减称为介质吸收引起的 衰减。
3．声束扩散引起的衰减 超声波在传播过程中会发生扩散，且随传播距离的增加， 扩散程度也将会增大。声束扩散导致声束的截面增大，从 而使单位面积上的声能减小。这种形式引起的超声波能量 衰减称为扩散衰减。