超声波探伤一点通.doc

超声波探伤超声波探伤仪的使用和性能测试 一、实验目的 1、了解A型超声波探伤仪的简单工作原理。 2、掌握A型超声波探伤仪的使用方法。 3、掌握水平线性、垂直线性和动态范围等主要性能的测试方法。 4、掌握盲区、分辨力和灵敏度余量等综合性能的测试方法。二、超声波探伤仪的工作原理 目前在实际探伤中，广泛应用的是A型脉冲反射式超声波探伤仪。这种仪器荧光屏横坐标表示超声波在工件中传播时间(或传播距离)，纵坐标表示反射回波波高。根据荧光屏上缺陷波的位置和高度可以判定缺陷的位置和大小。 A型脉冲超声波探伤仪的型号规格较多，线路各异，但它们的基本电路大体相同。 下面以CTS-22型探伤仪为例说明A型脉冲超声波探伤仪的基本电路。 CTS-22型超声探伤仪主要由同步电路、发射电路、接收放大电路、时基电路(又称扫描电路)、显示电路和电源电路组成，如图1.1所示。各电路的主要功能如下： (1)同步电路：产生一系列同步脉冲信号，用以控制整台仪器各电路按统一步调进行工作 (2)发射电路：在同步脉冲信号触发下，产生高频电脉冲，用以激励探头发射超声波。 (3)接收放大电路：将探头接收到的信号放大检波后加于示波管垂直偏转板上。 (4)时基电路：在同步脉冲信号触发下，产生锯齿波加于示波管水平偏转板上形成时基线。 (5)显示电路：显示时基线与探伤波形。 (6)电源电路：供给仪器各部分所需要的电压。在实际探伤过程中，各电路按统一步调协调工作。当电路接通以后，同步电路产生同步脉冲信号，同时触发发射电路和时基电路。发射电路被触发以后产生高频电脉冲作用于探头，通过探头中压电晶片的逆压电效应将电信号转换为声信号发射超声波。超声波在传播过程中遇到异质界面(缺陷或底面)反射回来被探头接收，通过探头的正压电效压将声信号转换为电信号送至放大电路被放大检波，然后加到示波管垂直偏转板上，形成重迭的缺陷波F和底波B。时基电路被触发以后产生锯齿波，加到示波管水平偏转板上，形成一条时基扫描亮线，并将缺陷波F和底波B按时间展开，从而获得波形。三、仪器的主要性能 仪器性能仅与仪器有关。仪器主要性能有水平线性、垂直线性和动态范围。 1、水平线性 仪器荧光屏上时基线水平刻度值与实际声程成正比的程度，称为仪器的水平线性或时基线性。水平线性主要取决于扫描锯齿波的线性。仪器水平线性的好坏直接影响测距精度，进而影响缺陷定位。 2、垂直线性 仪器荧光屏上的波高与输入信号幅度成正比的程度称为垂直线性或放大线性。垂直线性主要取决于放大器的性能。垂直线性的好坏影响应用面板曲线对缺陷定量的精度。 3、动态范围 仪器的动态范围是指反射信号从垂直极限衰减到消失时所需的衰减量，也就是仪器荧光屏容纳信号的能力。 四、仪器与探头的主要综合性能 仪器与探头的综合性能不仅与仪器有关，而且与探头有关。主爱综合性能有盲区、分辨力、灵敏度余量等。 1、盲区 从探测面到能发现缺陷的最小距离，称为盲区。盲区内缺陷一概不能发现。盲区与放大器的阻塞时间和始脉冲宽度有关，阻塞时间长，始脉冲宽，盲区大。 2、分辨力 在荧光屏上区分距离不同的相邻两缺陷的能力称为分辫力。能区分的两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。分辨力与脉冲宽度有关，脉冲宽度小，分辨力高。 3、灵敏度余量灵敏度余量是指仪器与探头组合后，在一定的探测范围内发现微小缺陷的能力。具体指从一个规定测距孔径的人工试块上获得规定波高时仪器所保留的dB数高，说明灵敏度余量高。五、实验用品1、仪器CTS-22、CTS-26等。 2、探头：2.5P20Z或2.5P14z。 3、试块：IIW、CSKIA、200/1平底孔试块等。 4、耦合剂：机油。 5、其他：压块、坐标纸等。六、实验内容与步骤 1、水平线性的测试 (1)调有关旋钮使时基线清晰明亮，并与水平刻度线重合。 (2)将探头通过耦合剂置于CSKIA或IIW试块上，如图1.2A处。 (3)调微调、水平或脉冲移位等旋钮，使荧光屏上出现五次底波B1B5，且使B1、B5前沿分别对准水平刻度值2.0和10.0，如图1.3。(4)观察记录B2、B3、B4与水平刻度值4.0、6.0、8.0的偏差值。(5)计算水平线性误差： (1.1) 式中中最大者；b荧光屏水平满刻度值。ZBY23084标准规定仪器的水平线性误差2%。 2、垂直线性的测试 (1)抑制至“0”，衰减器保留30dB衰减余量。 (2)探头通过耦合剂置于CSKIA或IIW试块上，如图1.2B处，并用压块恒定压力。 (3)调(增益使底波达荧光屏满幅度100%，但不饱和，作为0dB。 (4)固定增益，调衰减器，每次衰减2dB，并记下相应回波高度Hi填入表1.1中，直至消失。表1.1衰减量idB024681012141618202224回波高度实测绝对波高Hi相对波高%理想相对波高%偏差%表中： (1.2) (1.3)(5)计算垂直线性误差： (1.4)式中实测值与理想值的最大正偏差； 实测值与理想值的最大负偏差；ZBY23084标准规定仪器的垂直线性误差8%。3、动态范围的测试 (1)抑制至“O”，衰减器保留30dB。 (2)探头置于图1.2A处，调增益使底波B。达满幅度100%。 (3)固定增益，记录这时衰减余量N1，调衰减器使底波B1降至1mm，记录这时的衰减余量N2。 (4)计算动态范围： =N2一N1 (dB) ZBY23084标准规定仪器的动态范围26dB。 4、盲区的测试 盲区的精确测定是在盲区试块上进行的，由于盲区试块加工困难因此通常利用CSKIA或IIW试块来估计盲区的范围。 (1)抑制至“O”，其他旋钮位置适当。 (2)将直探头置于图1.4所示的I、处。 (3)调增益、水平等旋钮，观察始波后有无独立的回波。 (4)盲区范围估计：探头置位I处有独立回波，盲区小于5mm。探头置于I处无独立回波，于I处有独立回波，盲区在510mm之间。探头置于I处无独立回波，盲区大于10mm。一般规定盲区不大于7mm。5、分辨力的测定(直探头) (1)抑制至“0”，其他旋钮位置适当。(2)探头置于图14所示的CSKIA或IIW块块上m处，前后左右移动探头，使荧光屏上出现声程为85、9l、100的三个反射波A、B、C。(3)当A、B、C不能分开时，如图1.5(a)，则分辨力F1为：(1.5)(4)当A、B、C能分开时，如图1.5(b)则分辨力F2为：(1.6)一般规定分辨力不大于6mm。6、灵敏度余量的测试(1)抑制至“O”，增益最大，发射强度至强。(2)连接探头，调节衰减器使仪器噪声电平为满幅度的10，记录这时衰减器的读数N1。(3)探头置于图1.6所示的灵敏度余量试块上(2001平底孔试块)，调衰减器使l平底孔回波达满幅度的80。这时衰减器读数为N2。(4)计算：灵敏度余量N=N2N1。七、实验报告要求1、写出实验名称、目的和用品。2、简要说明仪器性能、仪器与探头综合性能的测试方法及测试结果。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 550mm 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 f103MHz 人耳不可闻 超声波探伤用的频率为 0.25MHz15MHz，金属材料超声波探伤常用频率为0.5MHz10MHz，其波长约10mm0.5mm。 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。 (4) 板波 板波又称兰姆波，它是板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。在板波传播过程中，质点的振动遍及整个板厚，板波沿着板的两个表面和中部传播，按板中振动波节的型式可分为对称型（S 型）和非对称型（A 型）两种。实际探伤中，板波主要用于探测薄板如薄壁管内的分层、裂纹等缺陷，以及检测复合材料的结合状况等。 2.1.3 波速与波长 在超声波探伤中，声速是缺陷定位的基础。波动在单位时间内的传播距离就是波动传播的速度，声学中又可将波速叫做声速。从波动的定义可知：相位相同的相邻振动质点之间的距离称为波长，用字母 表示；质点在其平衡位置附近来回振动一次，超声波就向前传播了f 的距离（f表示频率） ，该距离就是每秒钟传播的距离，也就是波速（声速） ，用符号C表示。 上述定义表明，声速： C =f 或 = C/f （6-1） 影响超声波声速的主要因素是波型、传播介质的弹性性能、工件的尺寸和温度等，而与频率无关。但是对于兰姆波的波速并非常数，是传布模式的函数；且与频率有关。 2.1.4 声压及分贝的概念 (1)、声压 声压是声波传播过程中介质质点交变振动的某一瞬时所受的附加压强，用符号 P 表示。声压的单位是帕斯卡（Pa） 。其表达式为： P =c v （6-2） 式中： 介质密度 v介质振速 c介质声速 声压与A型脉冲反射式探伤仪示波屏上的回波高度存在线性关系。 (2)、声强级和分贝 声强级即声强的等级，用来衡量声强的大小等级，如噪声声强级，声响度级，超声声强级等。一般来说，人耳可闻的最弱声强为 I0=10-16W/cm2、，称为标准声强，而人耳可忍受的最大声强可达10-4W/cm2，两者相差1012倍，因此常用对数来表示声强级： 声强级的单位为贝尔（Bel） ，因此贝尔的单位比较大，工程上应用时将其缩小10 倍后以分贝为单位，用符号dB表示。 如果采用声压级表示，则声压级Lp为： 如果超声波探伤仪具有较好的线性，则两个回波的声压级为： 2.2 超声波的产生 2.2.1 超声波的获得 超声波的获得是利用某些物质特定的物理效应来实现的。自然界中，在一定条件下，可以把一种形式的能量转换成另一种形式的能量。因此，原则上凡是能将其他形式能量转换成超声振动方式的能量都可以用来发生超声波，例如利用机械冲击和摩擦产生超声波的机械方法；利用物体表面突然受热时，由于热膨胀产生机械应力而发生超声波的热效应法；利用铁磁材料在交变磁场中产生交变机械变形而产生超声波的磁致伸缩法；利用通有交变电流的线圈靠近导体，用电磁力作用于工件表面而产生超声波的电磁超声法等。在超声探伤中应用最多的是利用某些单晶体或多晶陶瓷声电、电声转换效应压电效应来获得超声波。 大家知道，某些电介晶体（如石英，锆钛酸铅，铌酸锂等） ，通过纯粹的机械作用，使材料在某一方向（如厚度）伸长（或缩短） ，这时晶体表面产生电荷效应而带正或负电荷，这种效应现象称为正压电效应。当在这种晶体的电极上施加高频交变电压时，晶体就会按电压的交变频率和大小，在厚度方向伸长或缩短，产生机械振动而辐射出高频声波超声波，晶体的这种效应称为负压电效应。具有正、负压电效应的晶体称为压电体。 从上述可见，压电效应是可逆效应，正是晶体的这种可逆性，我们就可以用压电晶体来制作超声波换能器，实现超声波和电脉冲之间的相互转换，使发射超声波和接收到的超声波以电信号的形式在仪器上显示出来，从而达到超声波探伤的目的。 2.2.2 超声场 充满超声波的空间叫做超声场，在实际探伤中超声场是一个复杂的分布，有以下几个重要概念需要了解： 一是近场长度 N，在近场内超声波的分布规律非常复杂，一般探伤时不采用近场区，近场长度与晶片尺寸和超声频率有关，晶片尺寸越大，频率越高，近场长度越大，在探伤时可能的近场盲区就越大； 一是声束扩散角 ，扩散角也与超声波的频率和晶片尺寸有关，频率越高、晶片尺寸越大，扩散角越小，超声声束的指向性越好，因此近场长度与扩散角是相互矛盾的。 2.3 超声波垂直入射时的反射和透射规律 厚板的超声波探伤通常采用直探头纵波探伤法，因此了解超声波垂直入射时的反射和透射规律对于深入了解厚板超声波探伤非常关键。由于斜探头横波探伤法在厚板中应用较少，因此斜入射时的反射、折射等规律不再介绍。 2.3.1 单一平面界面的垂直入射 当超声波垂直入射于平面界面时，主要考虑超声波能量经界面反射和透射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要决定于两边介质的声阻抗Z1和Z2。 （3）1. Z1Z2 超声波从固体入射至空气中，声压反射系数接近于1，声压透射率接近0。这一情况对于探头晶片也是如此，因此超声探头若与工件硬性接触而无液体耦合剂，而工件表面粗糙，则相当于将晶片置于空气中，声压将产生全反射而不会透射入工件，这也就是超声波探伤为何需要耦合剂的原因。 2. Z1Z2 在声阻抗接近的界面上反射声压非常小，基本可以忽略，而声压透射率和声能透射率均接近于1，声能几乎全部透射至第二介质。 2.3.2 各种规则反射体的反射规律 规则反射体的反射规律是研究超声波探伤的物理基础，对于板材探伤而言，设备灵敏度的校准和考核验收等都需要用到各种规则反射体，因此这里作简要介绍。 规则反射体可以分为大平底、平底孔、方形平面、圆柱面和球形面，这里只介绍大平底和平底孔两种。 2.3.2.1 大平底的反射 大平底是常见的反射面，如厚板的轧制面等，一般用 B 来表示。大平底的反射声压与其距声源的距离XB成反比，也就是说距离每增加一倍，反射声压将减少1/2，或者说将降低6dB。 2.3.2.2 平底孔的反射 平底孔也是常见的反射体，平底孔的反射规律为其反射声压与其距声源距离的平方成反比，与平底孔的面积成正比。换句话说，距离每增加一倍，反射声压将减少 1/4，也就是降低 12dB；而平底孔直径每增加一倍，反射声压将上升4 倍，也就是上升12dB。 利用以上规律，可以制作超声波探伤常用的DGS曲线。 2.4 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其声能逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减，产生衰减的原因主要有以下几种： (1)、由声束扩散引起的衰减 由于超声波声束存在扩散角，随着传播距离的增大，声束截面也将增大，单位面积上的声压及声能都将下降。这种衰减是造成不同声程相同反射体回波高度不等的主要原因，也可以通过理论找出其规律。 (2)、由散射引起的衰减 当金属中存在粗晶、杂质时，超声波将会产生散乱反射，引起衰减。这种衰减与材质有关，对于晶粒较粗的铸件或奥氏体钢，频率较高的超声波引起散射衰减将十分明显。 (3)、由吸收引起的衰减 这种衰减是由于介质内部的摩擦力而造成的，在探伤中不占主要地位。 3 超声波探伤仪及探头 3.1 超声波探伤仪 常用的超声波探伤仪以A型显示脉冲反射式为主，在中厚板探伤中大都采用这种探伤仪，作为仪器操作人员也应了解这方面的基本知识，这里简单介绍其结构和原理。 （4）3.1.1 工作原理和基本组成 图 6-3 是 A 型脉冲反射式探伤仪的基本电路方框图，由图可知，它主要是由同步电路、时基电路（扫描电路） 、发射电路、接收放大电路四个部分和示波管、电源、探头等组成。 四个电路的主要作用如下： (1)、同步电路 同步电路是超声波探伤仪的指挥中心，它产生周期性的脉冲，控制发射电路、接收放大电路、时基电路协调一致地工作。同步电路每秒钟的工作次数就是探伤仪的重复频率。 (2)、发射电路 发射电路在同步电路产生的正触发脉冲作用下，在极短的时间内产生上升时间短，脉冲窄、能量高的高频电脉冲，送往探头晶片经电声转换后产生超声波。 (3)、时基电路 时基电路在同步脉冲的控制下产生锯齿波电信号，送往示波管的水平偏转线圈，产生从左至右的匀速水平扫描线，也称为时基线。 (4)、接收放大电路 接收放大电路包括高频放大器、衰减器、检波器、视频放大器和深度补偿等。接收放大的主要作用是将微弱的从探头晶片处送来的电信号经数级放大后加至示波管的垂直偏转线圈上，使回波信号能以一定幅度显示。 3.1.2 超声波探伤仪的主要调节旋钮及其作用 (1)、辉度、聚焦和辅助聚焦旋钮 辉度旋钮用以调节扫描线及图像亮度， 聚焦和辅助聚焦旋钮相互配合调节扫描线及图像清晰度。 (2)、水平和探测范围调节旋钮 水平调节也叫零位调节，使整个时间轴左右移动。与探测范围旋钮配合，可以使入射点与时间轴原点相重合，给缺陷定位带来方便。 探测范围旋钮控制扫描线时间轴比例，对于不同厚度的工件采用不同的探测范围设定可以使显示清晰、准确。 (3)、发射强度和增益调节旋钮 发射强度可调节发射脉冲的输出功率，强发射可以提高灵敏度，但也会使脉冲变宽，分辨率变差。 增益调节有粗调、细调和微调三种调节量，它由衰减器（或增益器）和增益微调旋钮来完成。用于控制放大电路的放大量，其调整单位为dB。 有关便携式超声波探伤仪的面板、主要旋钮以及对应功能将在厚板手动超声波探伤一节详细描述。 3.2 超声波探头 超声波探伤是用超声波探头实现电声转换的，因此超声波探头又称为超声波换能器，其电声转换是可逆的。在第一节中已经讲过，产生超声波的方法很多，但用得最为普遍的还是压电材料制成的超声波探头。 超声波检测探头的种类很多，根据波形不同分为纵波探头（直探头）、横波探头（斜探头）、表面波、板波探头等。根据耦合方式分为接触式探头和液浸探头。根据声速分为聚焦探头和非聚焦探头。根据晶片数不同分为单晶探头、双晶探头等。（5）3.2.1 压电超声探头的基本组成 压电探头一般由晶片、阻尼块、保护膜（对于水浸探头和斜探头则是有机玻璃）组成。其主要结构如图6-4所示。 保护膜接头 (1)、晶片 晶片是超声波探头的核心，晶片的材料就是压电材料，常用的晶片材料用压电单晶和压电陶瓷两种，单晶压电材料常用的有石英，而压电陶瓷常用的有钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸铅等。 晶片本身大多不导电，因此通常在其两面均镀上导电材料作为电极，并在电极上引出接线。 晶片的振动频率取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的声速。 (2)、直探头保护膜 保护膜的作用是保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜有硬性和软性两类。硬性保护膜适用于工件表面光洁度高、且平整的情况，用于粗糙表面时声能损失较大；软性保护膜用于表面光洁度不好或有一定曲率的表面时，可改善耦合条件。(3)、背衬吸收块（阻尼块）为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。因此在晶片背面填充吸收这类噪声能量的吸收材料，可使干扰声能迅速耗散，降低探头本身杂乱的信号。 阻尼块的阻尼作用越大，脉冲的宽度越窄，盲区越小，分辨率提高，但灵敏度会相应减小。(4)、透声楔（斜楔）双晶直探头和斜探头常用有机玻璃或环氧树脂作为透声楔，一是形成一定的声波入射角，一是延迟声束的入射距离，避开探头近场区，减少探伤盲区。 3.2.2 分割式双晶探头 在中厚板超声波探伤中，对于板厚60mm以下的钢板常用分割式双晶直探头（又称为TR探头）进行探伤，其特点是可以使声能聚焦，提高检测灵敏度，尤其是近表面的检测灵敏度。其结构如图6-5 所示：双晶探头的距离幅度曲线（DAC曲线）与普通直探头不同，原因是其声束存在一个聚焦点，在焦点处的声能最为集中，检测灵敏度最高。过了焦点以后检测灵敏度将显著下降。焦点位置与两个晶片的夹角有关。 3.3 超声波探伤用试块 超声波探伤以各种标准试块和对比试块作为比较的依据，试块上具有特定尺寸的规则反射体提供了一个固定的声学参照，在实际探伤过程中，将以此作为比较的基准。 （6）试块的作用有：（1）确定检测灵敏度；（2）测定仪器和探头的性能；（3）调整扫描速度；（4）评判缺陷的当量大小。超声波探伤用试块可以分为标准试块、对比试块两种。标准试块是由国际、国家有关组织部门推荐、确定和通过使用的。国际上通用的标准试块有 ASTM 系列试块、IIW 试块（又称荷兰试块，见图6-6）等，我国的标准试块有CS-1、CS-2 系列等。对比试块则是使用者根据需要自行设计和制造的试块，其用途比较单一。 中厚板探伤使用的试块可以参见第五节中的图6-28， 主要使用平底孔和大平底作为规则反射体。也可以使用 CS-1 和 STB-G 系列标准试块校准设备。标准试块的用途以及如何使用这些标准试块等内容也将在以后的章节中进行有针对性地叙述。 4 探伤方法的应用 4.1 超声波探伤方法分类 超声波探伤的实质是：首先将工件被检部位处于一个超声场中，工件若无不连续分布，则超声场在连续介质中的分布是正常的。若工件中存在不连续分布，则超声波将在异质界面产生反射、折射和透射，使超声场的正常分布受到影响。使用一种方法测出这种异常分布相对于正常分布的变化，并找出它们之间变化的规律就是超声波探伤的任务。 4.1.1 脉冲反射法和穿透法 超声波在传播过程中遇到缺陷会产生反射、透射及缺陷后侧声影，照此不同检测原理分类可分为脉冲反射法和穿透法（又称阴影法） 。前者以缺陷的反射声压（或声能）大小（内部或底面反射回波的情况）来确定缺陷量值，而后者以测定缺陷对超声波的正常传播的遮挡所造成的声影大小来确定缺陷的量值。在板材探伤中这两种方法都得到了使用，但通常使用的还是脉冲反射法，穿透法主要用于200mm以上特厚钢板的探伤。 与穿透法相比脉冲反射法具有以下特点： 1. 灵敏度高 对于穿透法，只有当超声声压变化大于 20%以上时才有可能检测，它相当于声压只降低 2dB。由于探头晶片尺寸有一定大小及缺陷本身的声衍射现象，要获得 20%声压变化，缺陷对声传播遮挡面积已相当大了。 而对于脉冲反射法， 缺陷反射声压仅是入射声压的1%时， 探伤仪就已经能够检出，此时与缺陷反射声压相应的反射面积是很小的。 2. 缺陷定位精度高 脉冲反射法可利用缺陷反射波的传播时间，通过扫描速度调节，对缺陷进行正确的厚度方向定位。而穿透法只能确定缺陷面积，无法确定缺陷在厚度方向的位置。 3. 不需要专门的扫查装置，现场手工操作方便 穿透法中为保持收发两个探头的相对位置，往往需要专用扫查装置，而脉冲反射法单探头工作时不需要任何扫查装置，为各种场合的现场作业带来了方便。 穿透法的优点在于：一是穿透法几乎不存在表面盲区，而脉冲反射法直接接触探伤时不能发现表面缺陷；二是穿透法声程较脉冲反射法短，适于检测衰减系数较大的材料或尺寸较大的工件，比如对于特厚板的超声波探伤，在很多场合可以采用穿透法；三是对于取向不良的缺陷（反射面不与声束垂直） ，脉冲反射法将可能得不到反射信号，而穿透法只要缺陷能遮挡声场就能检测出缺陷。 （7）4.1.2 脉冲反射法的种类 板材的探伤大多采用脉冲反射法，就这种方法本身来说还可细分为许多种类： (1)、直接接触纵波脉冲反射法 这是板材探伤中较为常用的一种方法，特别是在自动中厚板探伤中用得非常广泛。又可分为一次脉冲反射法、多次脉冲反射法和组合双晶探头脉冲反射法。 1. 一次脉冲反射法 当工件中无缺陷时，荧光屏上只有始波 T 和一次底面回波 B。当工件中有小缺陷时，始终与底波之间出现缺陷波 F，缺陷波高与其反射面积有关，此时底波幅度会有下降。当工件中缺陷大于声束直径时，底波消失，荧光屏上只有始波和缺陷波。 2. 多次脉冲反射法（底波高度法）这是以底面回波为依据进行探伤的一种方法，超声波在工件的两个平行表面间传播，会出现多次底面回波，如果试件内存在缺陷，底面反射回波高度会下降甚至消失，观察多次底波的衰减速度的快慢就可以发现工件的异常情况。主要适用于检测面与底面相平行的较厚工件。 3. 组合双晶探头脉冲反射法 组合双晶探头由一发一收两个晶片和延迟块组成，可以减少表面盲区，提高表面缺陷检测灵敏度。在薄板和中板（板厚20mm）的超声波探伤中大都使用这种方法。由于探头研制技术的发展，近来这种探头可以检测的最大板厚已经可以达到 60mm。我厂在线自动超声波探伤设备采用的就是这种组合双晶直探头。 (2)、液浸法探伤 直接接触法虽然具有方便灵活、耦合层薄、声能损失少等优点，但实际探伤时由于探头上所施压力大小、耦合层厚度变化、接触面积大小、工件表面粗糙度变化等均难以控制，因此其综合影响难以估算；再则直接接触法探头易磨损、检测速度慢。因此在批量探伤或自动探伤中常用液浸法探伤。 液浸法就是探头与探测面之间有一层液体传声层，通常用水作耦合介质，所以也常叫水浸法。根据工件和探头的浸没形式，一般可分为全没液浸法、局部液浸法和间隙法三种。 全没液浸法和局部液浸法只是工件浸没程度的不同，其波形显示是一致的。当工件中没有缺陷时，在始波T和底波B之间还有一个界面波S。 间隙法也是采用液层耦合，不过水层很薄，厚度为0.30.8mm，因此探伤波形中没有界面波S，而与直接接触法的波形相同，其特点是耦合层可调节，且不易磨损探头。在我厂的厚板在线自动超声波探伤设备中就是用到了这种间隙法。 4.2 超声波探伤的基本方法 4.2.1 超声波探伤的缺陷定位原理 脉冲反射法超声波探伤中对缺陷位置的确定，通常以探头所在探测面作为测量基准，观察示波屏上波形的相应的声程距离就能指示缺陷的位置。 钢板探伤大多采用直探头纵波探伤方法，可以利用钢板两个平行的表面对时间轴进行调整，然后利用校准后的声程比例关系计算缺陷在厚度方向的位置。而在新型的数字化超声波探伤仪中，缺陷位置可以由探伤仪自动计算给出。 也可用计算的方法，一般钢中纵波传播速度约为6000m/s，如果一缺陷波F与界面波S或始波T的时间轴上的差值为t，则缺陷在厚度方向的深度位置为 x = 6000t/24.2.2 超声波探伤缺陷定量方法 超声波探伤定量方法（即对缺陷的评价方法）对于钢板探伤是一个非常重要的技术，大致可以分为以下几种： (1)、当量法 当量法常用于小于声束直径缺陷的定量，用缺陷的当量直径或当量面积来表示缺陷的大小。所谓当量法是指在一定的探测条件下，用某种规则的人工缺陷反射体尺寸来表征工件中实际缺陷相对尺寸的一种定量方法。它认为在相同的探测条件下（包括灵敏度、耦合损失、材质衰减等） ，工件中某一声程上的缺陷返回声压与同声程的试块上规则人工反射体的返回声压相等（回波幅度一样高）时，则该试块人工缺陷的直径或面积就是该缺陷的当量直径或当量面积。 1. 试块人工反射体比较法 这是比较原始的方法，这是利用大量不同测距、不同人工缺陷孔径的试块，用以与工件中实际的缺陷相比较。当缺陷声程与某一试块人工孔缺陷声程相同，且相同探测条件下二者回波也相等时，则认为人工缺陷的孔径就是该缺陷的当量直径。由于实际探伤工作中工件种类繁多，因此需要大量标准试块，逐一比较十分困难，携带也十分不便，因此这种方法已用得较少。 2. DGS法 以有限尺寸晶片辐射的活塞波声压方程为基础，利用反射体标准化声程 D、相对缺陷尺寸 S 和其回波高度（或dB值）G之间具有的规律性变化而建立起来的当量测定法叫做DGS法。 我厂自动探伤设备采用的当量法为 DGS 法，并利用 DGS 曲线确定每个通道检测到的缺陷当量大小。 (2)、探头相对运动法 缺陷当量测定方法是以缺陷最高回波作为定量基准的，探头找到缺陷最高回波后就不再移动。而探头相对运动法是当探头相对工件运动时，以所发现的缺陷回波高度控制在某一高度范围内的探头运动距离来表示缺陷延伸度的一种方法。 此探头移动距离也可叫做缺陷指示延伸度 （或指示长度） ，它与缺陷的实际尺寸存在一定的误差。常用的有-6dB法。 (3)、波高表示法 1. 缺陷回波高度表示法 在确定的探测条件下，缺陷尺寸越大反射声压越强，对于垂直线性较好的仪器来说，缺陷回波高度与声压成正比，因此缺陷大小可用波高值来表示。 一般采用波高值占全屏满刻度高度的百分比来表示缺陷回波的大小。 2. 缺陷相对于底面回波高度表示法 采用缺陷回波相对于底面高度之比的表示法不能直观地显示缺陷量值概念，在有些情况下同样的波高比值大小，缺陷实际大小可能相差几十倍，因此只能作为一种缺陷严重程度的判定依据，通常来说，比值越大，缺陷越严重。 4.2.3 检测灵敏度的校准 检测灵敏度是指在确定的声程范围内发现规定大小缺陷的能力。检测灵敏度的基本要求是发现工件中规定大小的缺陷，并对缺陷进行定量，也就是检出缺陷当量的最低要求。检测灵敏度太高或太低都对检测不利。灵敏度太高，显示屏上杂波多，判辨分析困难。灵敏度太低，容易造成漏检。根据灵敏度的基本定义和要求，要完整的表示灵敏度必须具备三个基本要素，即基准反射体的几何尺寸、基准发射体的最大探测距离、基准反射体的基准反射波高（一般设定为显示屏满幅度20%-80%）。检测灵敏度的校准是探伤工作中非常重要的一环，应当按照有关探伤标准的要求和技术规范的规定等，选择合适的试样、基准反射体和基准波高，然后再按标准和技术要求对设备进行校准调节。 (1)、基准反射体 基准反射体可以是标准中明确规定的一定尺寸人工缺陷的试块，也可以是按照技术要求所选定的有人工缺陷的试块。也可直接利用工件完好部位的大平底面或试块大平底作为调节探测灵敏度的基准反射体。 (2)、基准高度 基准高度 H 是人为规定的相对比较基准，如示波屏垂直满幅度的 50%、80%等，与探测灵敏度相应的人工试块基准反射体回波高度应与所确定的基准高度相同，以检测灵敏度检出的缺陷超标dB数应是缺陷波高与此基准波高相比较后得到的dB差值。 (3)、检测灵敏度的调节 检测灵敏度的一般调节方法是：先将探头置于校准基准上，调节增益使基准反射体最高回波达基准高度，此时得到了调节基准。再根据计算所得的调节基准与检测灵敏度基准之间dB差，使用衰减器调整该dB数，就能达到所需的检测灵敏度。 4.2.4 探头在工件表面的扫查方式 探头在工件表面的扫查方式，以探头在工件探测面上的相对位置和运动轨迹来表示，探头的运动过程就是工件被检部位受到约束（主要是主声束）扫查的过程。扫查方式多种多样，没有一定的限制，其选择原则有两条：一是保证工件的整个被检区域有足够的声束覆盖，避免漏检；二是探头的移动应使其入射声束可能与工件中缺陷反射面垂直，以便获得最佳检测效果。（8）常见的扫查方式有： 1. 全面扫查 全面扫查就是探头在整个探测面上无一遗漏地循序移动，要求相邻扫查间距不大于探头直径，常用于要求较高的工件探伤。 2. 局部扫查 局部扫查就是探头在整个探测面上按规定要求有一定间距地规则移动、相邻扫查线的间距往往大于探头直径。这种扫查方式往往用于探伤要求不太高的工件，例如钢板探伤常采用这种方式。局部扫查方式又可分为： a、 直线扫查 探头在平板类工件的探测面上以一定的间距作直线移动或斜直线移动，如图6-7 所示。 b、 格子线扫查 探头按预先划好的格子线（格子线间距由有关标准规定）先循一个方向作直线移动，然后再转90，沿与原方向垂直的方向作直线移动，如图6-8所示。 c、 点扫查 点扫查时探头不作移动，仅作跳跃式地与工件指定点接触，或不作定点只是根据需要在适当部位上抽检。 4.3 缺陷状况对缺陷波高的影响 使用脉冲反射法探伤时，通常是根据缺陷回波高度来确定其当量大小的，而当量大小与缺陷的实际尺寸往往不尽一致，甚至有很大差距。因此超声波探伤的误报或漏检情况在实践中不可避免。为了减少误报或漏检，了解缺陷状况对于缺陷波高的影响十分必要。 (1)、缺陷形状的影响 工件的实际缺陷形状是多种多样的，具体形状与工件的制造工艺和运行情况有关，为了简化研究，通常将缺陷简化为圆片形、球形和圆柱形三种。比如轧制钢板中的缺陷一般可以简化为圆片形。一般来说，在缺陷直径和探测条件相同的情况下，缺陷波高为圆柱形最高，圆片形次之，球形最低。特别是对于尺寸小于超声波波长的点状缺陷，检测灵敏度将急剧下降，因此点状小缺陷非常容易漏检。 (2)、缺陷方位和指向性 缺陷所处的方位包含两个方面的意义，一是指缺陷反射面相对于入射声束轴线的位置；二是指缺陷本身与探头的相对位置。 1. 缺陷反射面与入射声束轴线的相对位置 实际缺陷反射面与入射声束轴线垂直的情况是少见的，而互相不垂直的情况是多数。这样对实际缺陷尺寸的测定往往就偏小。声束轴线与缺陷反射面垂直时缺陷波最高，当声束与缺陷反射面法线间夹角变大时，缺陷波高将急剧变小，当夹角增至12时，波高降至原来的千分之一左右，已经很难检测出来。 2. 缺陷与探头的相对位置 缺陷的最大反射面与探头声束不在同一轴线上时，也将造成缺陷回波高度降低。 (3)、缺陷表面粗糙度的影响 缺陷表面光滑与否，是用它的粗糙度与波长的比值来衡量的，表面不平度达到波长的 1/3 时，可认为该表面是粗糙的，不是镜面。 对于表面粗糙的缺陷，入射声波被乱反射；同时各部分反射波由于相位差而产生相互干涉。当声束垂直入射时，缺陷波高随粗糙度的增大而下降，当声波斜入射时，缺陷波高随着粗糙度与波长比值的增大而上升。 (4)、缺陷性质的影响 缺陷波高还受缺陷性质的影响。入射声波在界面上的反射率取决于界面两边介质的声阻抗；声阻抗差异越大，反射率越高，缺陷回波也越高。 通常含气体的缺陷，如钢中的白点、气孔，钢板中的氢裂纹等，其声阻抗与钢声阻抗相差很大，可以近似地认为声波在这类缺陷表面产生全反射，故检测灵敏度较高；但是对于由于非金属夹杂物引起的缺陷，例如钢中夹灰、夹渣等，因其声阻抗与钢声阻抗相差较小，透射的声能不能忽略，缺陷回波相应也就较低。 4.4 中厚板的探伤方法 （9）4.4.1 板材中常见的缺陷 钢板的质量与冶炼过程和轧制工艺过程有关，因冶炼和轧制不当常会产生一些缺陷。外部缺陷一般在轧制过程中产生，有重皮、折迭、裂缝、麻点等。内部缺陷则在冶炼过程中产生，主要有以下几种： (1)、分层 钢锭头部收缩产生的缩孔， 在成材过程中未切除干净， 留下的缩孔在轧制后形成夹层， 如图6-9a所示： (2)、层状非金属夹杂物 主要是铝、硅、锰之类的氧化物，当它集中在一起时，变成夹层，如图6-9b 所示。 (3)、白点（氢裂纹） 是轧制后发生的缺陷，由溶解在钢中的氢原子在非金属夹杂物某交界处作为氢分子析出而致。因为断裂面是白色，故称为白点，如图6-9c所示。一般在含Mn、Ni、Cr元素的合金钢板中存在。 上述三种缺陷的延伸方向均与轧制方向基本一致，因此在钢板探伤中，在轧制面上采用直探头检测最为有效。 4.4.2 板材探伤方法分类 板材探伤方法的选用主要以板的厚度来划分，一般可以分为： 薄板：板厚6mm以下（也有以10mm为分界线的） 中板：板厚6mm60mm； 厚板：板厚60mm以上。 薄板采用板波探伤，中厚板则采用纵波垂直探伤。这里仅介绍中厚板的探伤方法。 4.4.3 板材常用的探伤方法 (1)、单探头直接接触多次反射法（见图6-10所示） 此法的优点：比较简单方便，探伤灵敏度可用底波次数来定（如将B8波高调至80%） ，小缺陷也不易漏检。 缺点：钢板表面需加工平整，探伤时劳动强度大，探测速度慢，故适用于小面积或抽查探伤。同时应注意