超声检测

材料学院个性化培养

超

声

波

无

损

探

伤

课题超声波探伤

班级材料成型及控制工程

姓名

指导教师

超声检测

检测简介

无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种检测手段，Nondestructive Testing（缩写NDT）。

当今国内有关的超声波检测标准为JB/T4730.3，

GB/T11345-1989，CB/T3559-2011等，JB/T4730.3为一个比较综合性的标准，而后面两个标准为焊缝检测标准，还有其它的的钢板，铸锻件等检测标准，使用者可根据需要进行相应的查询。

超声波检测也叫超声检测，Ultrasonic Testing缩写UT，超声波探伤，是五种常规无损检测方法的一种。

超声波

一般特性

机械振动在介质中的传播过程叫做波，人耳能够感受到频率高于20赫兹，低于20000赫兹的弹性波，所以在这个频率范围内的弹性波又叫声波。频率小于20赫兹的弹性波又叫次声波，频率高于20000赫兹的弹性波叫做超声波。次声波和超声波人耳都不能感受。

超声波的特点：

1、超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。

2、超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。

3、超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。

4、超声波的能量比声波大得多。

5、超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件中的深度、位置和形状。

超声波探伤优点及缺点

超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便

于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。

超声波探伤仪的种类繁多，但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。一般在均匀材料中，缺陷的存在将造成材料不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是A扫描式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者

传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个工件中存在一个缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后就会发生反射，反射回来的能量又被探头接收到，在显示器屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷波在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。

原理

超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播

波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检

测方法。

脉冲反射法在垂直探伤时用纵波，在斜射探伤时用横波。脉冲反射法有纵波探伤和横波探伤。在超声波仪器示波屏上，以横坐标代表声波的传播时间，以纵坐标表示回波信号幅度。对于同一均匀介质，脉冲波的传播时间与声程成正比。因此可由缺陷回波信号的出现判断缺陷的存在；又可由回波信号出现的位置来确定缺陷距探测面的距离，实现缺陷定位；通过回波幅度来判断缺陷的当量大小。

步骤

1、检测前的准备

①熟悉被捡工件（工件名称、材质、规格、坡口形式、焊接方法、热处理状态、工件表面状态、检测标准、合格级别、检测比例等）；

②选择仪器和探头（根据标准规定及现场情况，确定探伤仪、探头、试块、扫描比例、探测灵敏度、探测方式）

③仪器的校准（在仪器开始使用时，对仪器的水平线性和垂直线性进行测定。）

④探头的校准（进行前沿、折射角、主声束偏离、灵敏度余量和分辨力校准。）

⑤仪器的调整（时基线刻度可按比例调节为代表脉冲回波的水平距离、深度或声程。）

⑥灵敏度的调节（在对比试块或其他等效试块上对灵敏度进行校验。）

2、检测操作

①母材的检验：检验前应测量管壁厚度，至少每隔90°测量一点，以便检验时参考。将无缺陷处二次底波调节到荧光屏满刻度做为检测灵敏度；

②焊接接头的检验：扫查灵敏度应不低于评定线（EL线）灵敏度，探头的扫查速度不应超过150mm/s，扫查时相邻两次探头移动间隔应保证至少有10%的重叠。

3、检验结果及评级：根据缺陷性质、幅度、指示长度依据相关标准评级。

4、对仪器设备进行校核复验。

5、出具检测报告

超声检测的方法分类

1.按原理分类

⑴脉冲反射法超声波探头发射脉冲到工件内，根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法。

⑵衍射时差发（TOFD）采用一发一收双探头方式，利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测量缺陷尺寸的一种超声检测方法。

⑶穿透法用一发一收双探头分别放置在工件相对的两端面，根据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来检测工件缺陷的方法。

⑷共振法依据工件的共振特性来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法，此方法常用于工件测厚。

2.按显示方式分类

A型显示和超声成像显示

3.按波形分类

纵波法，横波法，表面波法，板波法，爬坡发

4.按探头数目分

单探头法，双探头发，多探头法

5.按探头与工件的接触方式分类

接触法，液浸法，电磁耦合发

6.按人工干预的程度分类

人工检测，自动检测

超声检测的适用范围

1.从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；

2.从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；

3.从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；

4.从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；

5.从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

超声检测的物理基础

超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播。超声检测中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。

机械波

机械振动在介质中的传播称为机械波。机械波由机械振动产生，机械波的传播需要特定的介质，在不同介质中的传播速度也不同，在真空中根本不能传播，机械波可以是横波和纵波。常见的机械波有：水波、声波、地震波。

由于这里研究的超声波是机械波，因此下面只讨论机械波。

为了简单说明机械波的产生和传播，不妨建立如图所示弹性介质模型

图中质点间以小弹簧连接在一起，这种质点间以弹性力连接在一起的介质称为弹性介质，一般固体、液

体、气体都可视为弹性介质。

当外力F作用于质点a时，a就

会离开平衡位置，这时a周围的质

点将对a产生弹性力，使a回到平

衡位置。当a回到平衡位置时，具

有一定的速度，由于惯性a不会回

到平衡位置，这时a又会受到反向弹性力，使a又回到平衡位置，这样质点a在平衡位置来回往复运动，产生振动。与此同时，a周围的质点也会受到大小相等、方向相反的弹力的作用，使它们离开平衡位置，并在各自的平衡位置附近振动，。这样弹性介质中一个质点的振动就会引起附近质点的振动，由于振动就以一定的速度由远及近地传

播开来，从而就形成了机械波。

由此可见，产生机械波必须具备的以下两个条件：

⑴，要有做机械振动的波源。

⑵，要有能传播机械振动的弹性介质。

机械波的主要物理量

周期T、频率f、波长λ、波速c

由波速、波长、频率的定义可得：

C=λ/f或λ=c/f

波动方程

当振源作谐振动时，所产生的波是最简单最基本的波。假设某一机械波在理想无吸收的均匀介质中沿x轴正向传播，如图所示。

波速为c，在波线上取O点为原点，设波经过原点时，原点处振动的横向位移和时间t的函数关系为：y=Acosωt。

当振动从O点传播到B点时，B点开始振动，由于振动从O点传播到B点需要时间x/c秒，因此B点的振动滞后与O点x/c秒。

这就是波动方程，它描述了波动过程中波线上任意一点任意时刻的位移情况。

纵波

按波形：横波

表面波

波

板波

平面波

的

按波型：柱状波

球面波

类

连续波

型

按时间：

脉冲波

超声检测设备与器材

超声检测设备与器材包括超声监测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等，其中仪器和探头对超声检测系统能力起关键作用。

超声检测仪器的分类

第一类指示声的穿透能量，称为穿透式检测仪。

第二类指示频率可变的超声连续波在工作中形成驻波的情况。

第三类指示脉冲波的幅度和运行时间，称为脉冲波检测仪。

A型显示、B型显示、C型显示

A型显示是一种波形显示，是将超声信号

的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形

式显示出来。如图所示，横坐标表示声波

的传播时间，纵坐标表示信号幅度。如果

超声波在均质材料中传播，声速是恒定的，

则传播时间可转变为传播距离。从声波的

传播时间可以确定缺陷的位置，由回波幅

度可以估算缺陷当量尺寸。

如图所示为脉冲反射法检测的典型A型

显示图形，左侧的幅度很高的脉冲T称为始冲或始波，是发射脉冲直接进入接收电路后，在屏幕上的起始位置显示出来的脉冲信号；右侧的高回波B称为底波或底面回波，是超声波传播到与入射面相对的工件底面产生的反射波；中间的回波F则称为缺陷的反射回波。

A型波具有检波和非检波两种形式如图所示。非检波信号又称射频信号，是探头输出的脉冲信号的原始形式，可用于分析信号特征；检波形势是探头输出的脉冲信号经检波后显示的形式。

Ｂ型显示是工件的一个二维截面图，将探头在工件表面沿一条线扫描时的距离作为一个轴的坐标，另一轴的坐标是盛传波的时间（或距离）如图所示为Ｂ型显示的原理图。

Ｃ型显示是工件的一个平面投影图，探头在工件表面做二维扫查，显示屏的二维坐标对应探头的扫查位置。在每一探头移动位置，将某一探头深度范围的信号幅度用电子门选出，用亮度或颜色代表信号的幅度大小，显示在对应的探头位置上，则可得到某一深度范围缺陷的二维形状与分布

模拟式超声监测仪

仪器电路方框图和工作原理

Ａ型脉冲反射式模拟超声检测仪的主要组成部分是：同步电路、扫描电路、发射电路、接收放大电路、显示电路和电源电路等。如图所示。

数字式超声检测仪

数字式超声检测仪是计算机和超声检测仪技术相结合的产物。它是在传统的超声检测仪器的基础上，采用计算机技术实现仪器功能的精确和自动控制、信号获取和处理的数字化和自动化、检测结果的可记录性和可再现性。因此，它具有传统的超声检测仪的基本功能，同时又增加了数字化带来的数据测量、显示、储存和输出功能。

基本组成

超声检测的方法与特点

超声检测方法分类的方式有很多种，较常用的有以下几种：

1.安原理分类：脉冲反射法、衍射时差发（TOFD）、穿透法、共振发。

2.按显示方式分类：A型显示和超声成像显示。

3.按波型分类：纵波法、横波发、表面波法、爬波法等。

4.按探头数目分类：单探头法、双探头法、多探头法。

5.按探头与工件的接触方式分类：接触类、液浸法、电磁耦合法。

6.按人工干预的程度分类：手工检测和自动检测。

检测仪器的选择

目前国内外检测仪器种类繁多，性能各异，检测前应根据检测要求和现场条件来选择检测仪器。一般根据一下情况来选择仪器：

⑴对于定位要求高的情况，应选择水平线性误差小的仪器。

⑵对于定量要求高的情况，应选择垂直线性好，衰减器精度高的仪器。

⑶对于大型零件的检测，应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。

⑷为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力好的仪器。

⑸对于室外现场检测，应选择重量轻、荧光屏亮度好、抗干扰能力强的携带式仪器。

此外要求选择性能稳定、重复性好和可靠性好的仪器。

探头的选择

超声检测中，超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探头的种类很多，结构型式也不一样，检测前应根据被检对象的形状、声学特点和技术要求来选择探头。探头的选择包括探头的型式、频率、带宽、晶片尺寸和横波斜探头K值得选择等。

耦合剂的选择

⑴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。

⑵声阻抗高，透声性能好。

⑶来源广，价格便宜。

⑷对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。

⒂性能稳定，不易变质，能长期保存。