第6章脉冲反射法超声检测通用技术

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最不好： d=（2n+1） λ /4. 即四分之一波长奇数倍时，声压透射率最 低，反射率最高。
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2．工件表面粗糙度：对声耦合有明显的 影响，要求工件检测面Ra≤6.3μ m。
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3．耦合剂声阻抗：对耦合效果有较大的影 响。 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。
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解：① λ ﹦CL/f ﹦5.9/2.5=2.36 (mm) N ﹦DS2 /4 λ ﹦202/4×2.36 ﹦42(mm) ∵ 200 (mm) ＞3N﹦3×42﹦126(mm) 试块中的平底孔埋深和工件厚度均大于 3N， ∴可用试块计算法来调节检测灵敏度。
锻件：纵波垂直入射检测，检测面选与 锻件流线相 平行的表面； 棒材：入射面为圆周面，纵波检测位于 棒材中心区的、延伸方向与棒材轴向平行 的缺陷；横波检测位于表面附近垂直于表 面的裂纹，或沿圆周延伸的缺陷。
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多个检测面入射检测：
变形过程使缺陷有多种取向； 单面检测存在盲区； 单面检测灵敏度不能在整个工件厚度范 围内实现时。
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2. 检测面的准备 保证检测面能提供良好的声耦合。
6.2
仪器和探头的选择
正确选择仪器和探头对于有效地发现缺 陷，并对缺陷定位、定量和定性是至关重 要的。实际检测中根据工件结构形状、加 工工艺和技术要求选择仪器与探头。
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6.2.1 检测仪器的选择

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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。 室外现场检测 ： 重量轻，显示屏亮，抗干扰能力强， 便 携式。
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6.2.2 探头的选择
根据被检对象的形状、声学特点和技术 要求来选择探头。 选择包括：探头的型式、频率、带宽、 晶片尺寸和横波斜探头K值。
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双晶探头：探测薄壁工件或近表面缺陷。 聚焦探头：用于水浸探测管材或板材。 2. 探头频率 超声波检测频率范围为0.5～10MHz，选 择频率时应考虑的因素：
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a.检测灵敏度： 检测灵敏度约为1/2λ ，频 率高可提高检测灵敏度。
b.分辨力: 。
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1. 探头型式：
一般根据工件形状和可能出现缺陷的部 位、方向等条件来选择，使声束轴线尽量 与缺陷垂直。 纵波直探头：波束轴线垂直于探测面。主 要用于检测与检测面平行或近似平行的缺 陷。
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横波斜探头：通过波型转换来实现横波检 测。主要用于检测与检测面垂直或成一 定角度的缺陷。 纵波斜探头：利用小角度的纵波进行检测 ，或在横波衰减过大的情况下，利用纵 波穿透能力强的特点进行斜入射纵波检 测。
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如光从探头考虑：从斜入射往复透过率角 度分析，有机玻璃→钢折射角β =40～50° （相当于K=1左右）往复透过率最高，大于 20%～30%。此时检测灵敏度最高。 β =50～60°时，往复透过率17～20%（相 当K=1.5）。 β =60～70°时，往复透过率14～17%（相 当K=2）。
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β =70～80°时，往复透过率10～14%（相 当K=2.5～3）。 β =80～90°时，往复透过率10%→0。 即β 越大（K越大），往复透过率越小，灵 敏度越小。 当然灵敏度除了探头K值，还有仪器配合。
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横波斜探头K值的选择原则： ①保证声束能扫查到整个焊缝截面，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（不同角 度、不同K值），在条件许可时，尽量用大 K值的探头。薄工件K值大些，厚工件K值可 小些。
频率高，脉冲宽度小，分辨力高
c.声束指向性：θ 0 =arcsin1.22 λ /D 频率 高，半扩散角小，声束指向性好，能量集 中，检测灵敏度高，相对的检测区域小。
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D.近场区长度：N=Ds²/4 λ ，频率高，近场 区长度增加。 e.衰减：α s=C2Fd 3f 4，频率高，衰减增加 ，信噪比下降。
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不同直径不同埋深的平底孔回波的声 压分贝差为：
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Δ dB为检测灵敏度的调节量，计算值 为负值时需要提高仪器增益，计算值为正 值时需要降低仪器增益。 考虑试块与受检工件表面状态的差异， 应需要预先测定传输修正值，并在调节增 益时进行补偿。
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选择晶片尺寸时应考虑的因素： a. 声束指向性；θ 0 =arcsin1.22 λ /D b. 近场区长度；N=Ds²/4 λ c. 扫查范围。 大晶片探头:提高检测效率，检测厚工件时 有效发现远距离的缺陷；
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小晶片探头:检测小工件时提高缺陷定位、 定量精度，检测表面不太平整或曲率较大 工件时减少耦合损失。 5. 横波斜探头K值：

检测灵敏度：在确定的声程范围内发现规 定大小缺陷的能力。一般根据产品技术要 求或有关标准确定。 调整目的：发现工件中规定大小的缺陷， 并对缺陷定量。

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调节方法：试块调整法和工件底波调整法 。
（1）试块调整法：根据工件的厚度和对灵 敏度的要求选择相应的试块。将探头对准 试块上的人工反射体，调整仪器，使示波 屏上人工反射体的最高反射回波达到基准 高度。
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6.1 检测面的选择和准备 1. 检测面的选择原则 当一个确定的工件存在多个可能的声入射 面时，首先要考虑缺陷的最大可能取向。 根据缺陷的可能取向，选择入射超声波的 方向，使声束轴线与缺陷的主反射面接近 垂直。
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检测面的选择应该与检测技术的选择相结 合:
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6.3.2 影响声耦合的主要因素 1．耦合层厚度：厚度为λ /4的奇数倍时 ，透声效果差；为λ /2的整数倍或很薄时 ，透声效果好。
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由上图可见在均匀介质中： 最好： d=n.λ /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→0时：可得r≈0。几乎无反射，声 能全部透射，耦合效果最好。
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如果基准平底孔与检测灵敏度要求的平底 孔埋深相差较大，在计算调节量时还应考 虑材质衰减的影响，试块计算法要求试块 衰减系数与工件相同，因此采用下式计算 总的增益调节量：
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例题： 用f=2.5MHz、DS=20mm的纵波探头检测， 钢件厚度x为500mm，传输修正值为3dB，工 件与试块的材料衰减系数α =0.005dB，如 何利用埋深200mm的φ 2mm平底孔试块按 φ 3mm平底孔调节检测灵敏度？（钢中 CL=5900m/s）。
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1． 时基线的调整 调整目的： a. 使时基线显示的范围足以含需检测的 深度范围。 b.使时基线刻度与在材料中声传播的距离 成一定比例，以便准确测定缺陷的深度位 置。

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调整内容： a. 根据所需扫描声程范围确定时基扫描 线比例； b. 零位调节，将声程零位设置在选定的 水平刻度线上。
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③根据检测对象选K值： 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。
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6.3 耦合剂的选用 6.3.1 耦合剂 超声耦合：超声波在检测面上的声强透射 率。 耦合剂作用：排除探头与工件表面之间的 空气，使超声波有效的传入工件，达到检 测的目的。
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④来源广，价格低廉。 ⑤性能稳定。 4．工件表面形状：平面耦合效果最好，凸 曲面次之，凹曲面最差。曲率半径大，耦 合效果好。
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6.4 纵波直探头检测技术 6.4.1 检测设备的调整 调整内容：a.仪器的扫描速度调整； b.检测灵敏度调整。 调整目的：保证在确定的检测范围内发现 规定尺寸的缺陷，并确定缺陷的位置和大 小。

横波检测中，斜探头K值影响缺陷检出率、 检测灵敏度、声束轴线方向，一次波的声 程。
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为保证声束扫查到整个焊缝，探头K值必须 满足：
（a、b分别为上、下焊缝1/2宽）
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实际检测中，工件厚度较小时，应选用较 大K值，工件厚度较大时，应选用较小K值 。 焊缝检测中，K值的选择应考虑可能产生的 与检测面的角度，并保证主声束能扫查整 个焊缝截面。检测根部未焊透应考虑端角 反射率问题。
F.缺陷反射指向性：面积状缺陷，频率太高 会形成显著的反射指向性。
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频率的高低对检测有较大影响，实际检测 中要全面分析考虑各方面的因素，合理选 择频率以取得最佳平衡。 对于小缺陷、厚度不大的工件，晶粒较细 的锻件、轧制件和焊接件，一般选择较高 频率（2.5~10MHz）；对于大厚度工件、高 衰减材料选择较低频率（0.5~2.5MHz）。
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山东省特种设备检验研究院淄博分院
王志飞
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脉冲反射法超声检测在检测条件、耦合补 偿、仪器调节、缺陷定位、定量、定性等 方面都有一些通用的技术，掌握这些通用 技术对于发现缺陷并正确评价是很重要的。
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脉冲反射法超声检测基本步骤： a. 仪器、探头、试块的选择; b. 仪器调节与检测灵敏度确定; c. 耦合补偿; d. 扫查方式; e. 缺陷的测定、记录和等级评定; f. 仪器和探头系统复核。
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注意问题：：
a. 工件厚度x<3N或不能获得底波情况时， 较为适宜。 b. 试块表面状态和材质衰减是否与被检 工件相近，应考虑两者的差异引起的反射 波高差异值，并对灵敏度进行补偿。
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（2）试块计算法： 对于厚度x≥3N的工件，可选用一块材质 与工件相同（衰减系数相同）的平底孔试 块（孔埋深xj≥3N）来调节不同工件的检测 灵敏度。调节时要计算试块基准平底孔与 检测灵敏度所要求埋深与孔径的平底孔的 回波声压分贝差。
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3. 探头带宽 宽带探头：脉冲宽度较小，深度分辨率好 ，盲区小，灵敏度较低； 窄带探头：脉冲较宽，深度分辨率变差， 盲区大，灵敏度较高，穿透能力强。
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4. 探头晶片尺寸：晶片面积≤500mm2，圆 晶片≤φ 25mm。 晶片大小影响：声束指向性、近场区长度 、近距离扫查范围、远距离缺陷检出能力 。
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调整方法： 根据检测范围，利用已知尺寸的试块或工 件上的两次不同反射波， 通过调节仪器的 扫描范围和延迟旋钮，使两个信号的前沿 分别位相应的水平刻度处。 注意：调节扫描速度用的试块应与被检工 件具有相同的声速。
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2． 检测灵敏度的调整
探伤要求仪器性能

定位要求高： 选择水平线性误差小的仪器；
（JB/T4730.3标准要求：≤1％）。
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定量要求高：
选择垂直线性好，衰减器精度高的仪器； （ JB/T4730.3标准要求：≤5％；最大累 积误差≤ 1dB）。

发现近表面缺陷和区分相邻缺陷能力强： 可选择盲区小，近区分辨好的仪器。