无损超声技术教材

1、无损超声检测技术（级）1 无损检测综合知识1.1 材料的无损检测1.1.1 无损检测的定义：不破坏材料的外形和性能的情况下，检测该材料的内部结构（组织与不连续）和性能，该技术称为无损检测。英文全称：Non Destructive Testing （NDT）1.1.2 常用无损检测方法* 射线检测： Radiographic Testing （RT）* 射线的种类与本质： 射线、 射线和中子射线。 射线和 射线与无线电波、红外线、可见光、紫外 线一样，都是电磁波；而中子射线是粒子。* X 射线的产生： X射线管* 射线的产生： 射线是放射性原子核在衰变时放射出来的电磁波。放射性衰变。 射线检测：

2、原理、方法与应用* 射线和 射线通过物质时其强度逐渐减弱。 强度衰减公式： II0e-x* 利用射线透过物体时产生的吸收和散射现象，检测材料中因缺陷存在而引起射线强度改变的程度来探测 缺陷的方法称为射线检测。利用胶片感光显示缺陷的方法称为射线照相法。* 检测技术类型：照相法；荧光屏法；工业电视法；* 检测对象类型：金属；非金属。 焊缝；铸件。* 检测缺陷类型：裂纹；气孔；未焊透；未融合；夹渣；疏松；冷隔等。检查对接焊缝中的单个气孔，用 射线方法比用超声方法好。超声检测： Ultrasonic Testing （UT）* 超声波的本质：机械波，它是由于机械振动在弹性介质中 引起的波动过程，例如水

3、波、声波、超声波等* 超声波的类型：纵波和横波 表面波（瑞利波） 、板波 * 超声波的性质：（1）声速：与材料性质有关、与波的种类有关（2）波的叠加、干涉及驻波（ 3）反射、折射和波型转换 # 超声检测：原理、方法与应用* 超声波的产生：仪器、探头* 超声波与工件的接触：耦合剂* 超声波在工件内的传播与反射 、波的接收* 超声波检测原理：探头发射的超声波通过耦合剂在工件中传播，遇到缺陷时反射回来被探头接收。根据 反射回波在荧光屏上的位置和波辐高低判断缺陷的大小和位置。* 超声检测技术的特点：应用范围广；穿透能力大；设备轻便；定量不准确；定性困难。* 检测技术类型：纵波法；横波法；表面波法；板波

4、法，* 常用检测方法：穿透法；反射法；串列法；液浸（聚焦）法； .* 检测对象类型：金属；非金属。 焊缝；板件；管件；锻件。* 检测缺陷类型：面缺陷；体缺陷。定性困难。* 数字化、智能化发展前景宽广。磁粉检测 : Magnetic Testing （MT）* 漏磁场：铁磁材料磁化时磁力线由于折射而迤出到材料表面所形成的磁场称为漏磁场* 剩磁：铁磁材料磁化时所具有的磁性在磁化电流取消后继续存在的性质称为剩磁* 铁磁材料在磁场中被磁化后，缺陷处产生的漏磁场吸附磁粉而形成磁痕。磁痕的长度、 位置、形状反映了缺陷的状态。* 磁粉检测技术的特点：检测表面和近表面缺陷；铁磁材料；* 常用检测方法：剩磁法；

5、连续法。* 检测对象类型：铁磁材料。 焊缝；钢板；钢管；螺栓等 .* 检测缺陷类型：裂纹；夹渣等 . 。渗透检测： Penetrate Testing （PT）* 分子压强与表面张力：每一个离液面的距离小于分子作用半径r 的分子，都受到一个指向液体内部的力的作用。而这些表面分子及近表面分子组成的表面层，都受到垂直于液面且指向液体内部 的力的作用。这种作用力就是表面层对整个液体施加的压力，该压力在单位面积上的平均值叫分子压强。 分子压强是表面张力产生的原因。* 液体润湿：液体铺展在固体材料的表面不呈球形，且能覆盖表面，此现象称液体润湿现 象。* 毛细现象：润湿液体在毛细管内的自动上升或下降称为毛

6、细现象。 渗透检测：原理、方法与应用* 具有润湿作用的渗透剂在毛细管作用下渗入表面开口缺陷。在显象剂作用下由于毛细管作用渗入到开口 缺陷内的渗透剂被析出表面形成痕迹。* 渗透检测基本操作过程* 渗透检测技术的特点：检测表面开口缺陷；* 常用检测方法：着色法；荧光法。* 检测对象类型：金属与非金属材料。* 检测缺陷类型：裂纹。涡流检测： Eddy Current Testing （ET）* 由于电磁感应金属材料在交变磁场作用下产生涡流。* 金属材料中存在的裂纹将改变涡流的大小和分布，分析这些变化可检出铁磁性和非铁磁性材料中的缺陷。* 涡流可用以分选材质、测膜层厚度和工件尺寸以及材料的某些物理性能

7、等。* 涡流检测技术的特点：适用于导电材料；检测近表面缺陷。* 常用检测方法：穿过式线圈；内通过式线圈；探头式线圈。* 检测对象类型：金属与非金属材料。* 检测缺陷类型：裂纹。 #1.1.2 常用无损检测方法的应用一、应用的部门 航空、航天、机械、核工业、汽车制造、船舶、电子、钢结构、商检、进出口等。二、应用的对象（1） 缺陷探伤（2） 厚度测量（3） 性能测试1.1. 3 常用无损检测方法的范围及局限性方法 应用范围 局限性RT各 类材料的内部缺陷 表面缺陷较难发现 UT 大厚度金属和部分非金属材料的内部缺陷 仅限于弹性介质 MT 表面和近表面缺陷 仅限于磁性介质 PT 金属和部分非金属 仅

8、限于表面开口缺陷 材料的表面缺陷 ET 表面和近表面缺陷 仅限于导电材料1.2 材料1.2.1 材料的性能一、力学性能（1） 金属材料的静拉伸力学性能* 强度：金属抗拉永久变形和断裂的能力* 塑性：又称范性，断裂前材料发生不可逆永久变形的能力* 韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力（2）金属材料的弹性性能* 弹性（虎克定律） ：（ 3） 金属材料在静加载下的力学性能* 扭转性能* 弯曲、压缩性能* 硬度（4） 金属材料的冲击性能 （ 5） 金属材料的疲劳性能 （6） 金属材料的蠕变性能二、物理性能（1） 密度、比热量、磁性、导电性、导热性等（2） 光学性能 （3） 声学性能 #1.2.3 金属

9、材料中的各种缺陷及不连续性 一、不连续性：金属或合金内部结构的不均匀变化，称为不连续性。材料内结构的不连续对材料性能有影 响。二、缺陷：对金属材料的性能造成破坏的不连续性称为缺陷。因此不能简单的说：不连续就是缺陷。1.3 加工及缺陷一、最初加工过程及相关缺陷（1）铸造：将熔融金属浇注入铸型型腔，冷却后形成工件的加工过程； 常见的铸造缺陷：气孔、缩孔、疏松、冷裂、热裂、冷隔、偏析、夹杂。（ 2）塑性加工：锻、轧、拔、钣金等常见的塑性加工缺陷：裂纹、折叠、分层、白点（氢脆） 二、制造加工过程及相关缺陷2）表面加工：车、铣、常见的热处理三、磨损：材料减薄、1）焊接：通过加热或加压，使填充材料熔化、冷

10、却将工件连接在一起的加工方式称焊接；常见的焊接缺陷：气孔、夹渣、未融合、未焊透、裂纹、夹珠、钨夹杂刨、镀、磨、喷丸、吹砂等 常见的表面加工缺陷：氢脆（3）热处理：对金属材料加温并用不同方法冷却使其组织结构发生的方法称热处理；缺陷：淬裂 （ 4）其他热加工工艺：粉末冶金等1.4 在役中的材料1.4.1 在役中材料的行为受力、受压、高低温、摩擦、腐蚀 .1.4.2 在役工况导致缺陷和失效一、腐蚀：腐蚀裂纹、腐蚀坑、腐蚀减薄 二、疲劳：疲劳裂纹、疲劳断裂摩擦裂纹 四、过负载：变形、断裂 五、脆性断裂：镉脆、氢脆、缺陷的发展 （载荷） 三、断裂 #1.4.3 金属中破裂发展的概念 一、缺陷的形成 （应

11、力集中）1.5 无损检测人员管理* 持有 NDT 级证书的人员有资格按照 NDT指导书，并在 II级和 III 级人员的监督下进行 NDT操作。I级人员应能：（ a）调整设备；（b）进行检测；（c）按照文件提供的验收标准进行记录并对检测结果分类；（d）按检测结果写出检测报告。 * 级人员不应负责选择检测方法或技术。2 超声检测物理基础2.1 声的特性及机械波的传播* 物体在一定位置附近作来回重复的运动，称为振动。例如弹簧振子的振动。振动产生机 械波，机械波在弹性介质内传播。机械波的振动频率在每秒20 次 -20000 次之间时，人的耳朵就能听到成为声。所以声波就是机械波的一部分。* 声的特性

12、声的产生条件：声源和传播声的弹性介质； 声波具有反射、折射、衍射等光学性质； 声 波在异质界面上发生波形转换； 声的传播速度是与材料、波形、温度有关的参数。2.2 频率、振幅、波长和声速的概念* 物体在弹性力作用下发生的谐振动规律可用下是式表示：x Acos（ t ） * 振幅 A ，振动质点离开平衡位置的最大位移 ;* 频率 f ，单位时间内质点振动的次数。单位为次秒，记为“赫”（ Hz） ;* 波长 ，波的传播方向上相位相同的两质点之间的距离。可用公式 C/f 计算，式中 C 为声速。* 在介质中超声波传播的传播速度（即声速）与质点的振动速度是不同的。在同一固体介质中，纵波、横 波、表面波

13、的传播速度都是不同的。2.3 声阻抗* 声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用； * 声阻抗的计算： Z c；* 声波在二种介质的界面上垂直入射时的相对透过率和反射率取决于二种介质的声阻抗 比。2.4 声波的类型* 纵波：介质质点的振动方向和波的传播方向相同的声波称为纵波，用符号“L”表示。波速用 CL 表示。* 横波：介质质点的振动方向和波的传播方向垂直的声波称为横波又称切变波，用符号“S”表示。波速用CS表示。横波探伤最适用于焊逢、管材探伤。* 波动的形式 （波形 ）可以分为球面波，平面波、柱面波等。* 固体介质表面的质点发生纵向振动和横向振动，两种振动合成为椭圆振动，椭圆振动在介质表面

14、传播，这种波称为表面波，用符号“ R”表示。* 在板状介质中传播的弹性波称为板波，又称兰姆波。2.5 超声波在二种不同介质面上的行为2.5.1 超声波的反射和折射* 超声波在二种不同介质的界面上垂直或倾斜入射时，在第一介质内产生反射回波的性质 称为反射。* 超声波在二种不同介质的界面上倾斜入射时，在第二介质内产生方向改变的入射波称为 折射，该入射波称为折射波。2.5.2 超声波的波型转换* 超声波在倾斜入射时发生波型转换，即入射的纵波在反射或折射时会转换成纵波、横 波二种波；入射的横波在反射或折射时会转换成横波、纵波二种波。* 波型转换与介质的类型有关。 2.5.3 超声波的衰减* 超声波在介

15、质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰 减。由声束扩散引起的超声波衰减称为扩散衰减。* 声束在不同声阻抗介质的界面散射引起的衰减叫做散射衰减。* 由介质吸收引起的超声波衰减称为吸收衰减。* 由材料表面粗糙度、表面曲率大小和表面附着物等因素所引起的超声波的衰减称为耦合衰减。2.6 压电效应和探头2.6.1 压电效应与压电材料* 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两 面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变 电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。

16、* 负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。* 常用的压电陶瓷有钛酸钡（ BaTi03 ）、锆钛酸铅（ PZT）、钛酸铅（ PbTiO3）、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。 2.6.2 探头的编号方法2.5 P 20 Z 5 Q 66 K3 | | | | | | | | 频率 材料 直径 直 探头 频率 材料 矩形 K=3材 料： P-锆钛酸铅； B-钛酸钡； T-钛酸铅； L-铌酸锂； I-碘酸锂； N-其他 探 头类型： Z-直探头； K-斜探头； SJ水- 浸探头；FG分- 隔探头； BM-表面探头； KB-可变角探头；2.6.3 探头的基本结构* 压电超声探头的种类繁

17、多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、 阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、 支架、外壳等。* 脉冲重复频率是指超声波探伤仪在单位时间里所产生的脉冲数目； 探伤频率是指在电脉冲作用下晶体每 秒钟振动的次数，二者不可相提并论。2.6.4 直探头 一、直探头的保护膜* 压电陶瓷晶片通常均由保护膜来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。氧化铝（刚玉） 、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较 高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达2030dB。 * 软性保护膜

18、有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时， 可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达 6 7dB。* 保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗 Zm 应满 足一定要求。* 试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率变差、 灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶 瓷晶片相比，石英晶片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。二、直探头的吸收块 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

19、导致脉冲变宽、盲区增大。为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声能迅速耗 散，降低探头本身的杂乱的信号。目前，常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。 #三、直探头的晶片晶片产生和吸收超声波，常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（ PZT）、钛酸铅（ PbTiO3）、偏铌酸铅（ PbNb2O4）等。2.6.5 斜探头 一、结构与类型二、透声楔斜探头都习惯于用有机玻璃作斜楔，以形成一个所需的声波入射角，并达到波型转换的目的。一发一收 型分割式双直探头和双斜探头也都以有机玻璃作为透声楔， 这是因为有机玻璃声学性能良好、 易加工成形， 但它的声速随温度的变化有所改变又易磨损，所以

20、对探头的角度应经常测试和修正。水浸聚焦探头常以环 氧树脂等材料作为声透镜材料。三、晶片的厚度压电晶片的振动频率 f 即探头的工作频率，它主要取决于晶片的厚度T 和超声波在晶片材料中的声速。晶片的共振频率（即基频）是其厚度的函数。可以证明，晶片厚度 T 为其传播波长一半时即产生共振，此 时，在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅，晶片中心为共振的驻点。双晶斜探头对钢板内的夹层缺陷比较敏感容易发现，而对有圆弧面的近表面气孔不易发现。2.6.7 探头的功能 使用压电材料制成的探头，要得到最佳的检测效果，必须考虑探头与仪器之间有良好的阻抗匹配。2.7 声场2.7.1 声场* 充满超声波的空间称为声场。声场

21、中声能大小通常用空间的声压值表示。* 声压 P 有若干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N，该范围的声场叫做近场。* 声压 P 有若干极大值与极小值， 最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N ，该范围的声场叫做近场。* 当 RS ?时， /4 可以忽略，故：Rs2 Ds2Rs ：探头晶片半径N= = Ds： 探头晶片直径 4* 声源的距离 3N 的声场称为远场。2.7.2 声场的扩散* 声束在传播过程中呈发散状态，离声源近的地方声能强，离声源远的地方声能弱；声束在 1.64N 处开始发生扩散；* 声束的形状与声源的形状有关，下图是方片与矩形片的声场形状。* 声场的

22、扩散性用半扩散角描述， 0 称为半扩散角，也称为指向角， 20 范围内的声束叫做主声束；* 声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声场的指向性。指向角 0 愈 小，主声束越窄，声能量越集中，则探测灵敏度就越高， 方向性越好， 从而可以提高对缺陷的分辨力和准确判断缺陷的位置。2.7.3 声束的聚焦与发散* 声束可以通过声透镜聚焦而做成聚焦探头，它可以聚集能量。但无论采用哪种聚焦方法，都不能把声 束聚成一个很小的点。* 声波从水通过曲表面进入工件时，声束在金属工件内将收敛（如果工件是凹面的 ）或发散（如果工件是凸面的 ）。 * 聚焦探头计算公式： C1 F= R（） C1-C2式中： F-聚焦探头的焦

23、距； C1第一介质纵波声速； C2-第二介质纵波声速；R-声透镜曲率半径。3 超声检测方法与耦合3.1 穿透法* 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法，如 图所示。* 穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探 测，图中显示三种情况：无缺陷时的波形；缺陷阻挡部分声束时的波形；缺陷阻挡全部声束时的波形。3.2 脉冲反射法 超声波探头发射脉冲波到被检试件内， 根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法， 称为脉冲反射法。3.3 共振法 若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当工件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引 起共振，仪

24、器显示出共振频率，若工件内存在缺陷则共振频率发生变化，利用共振频率之差，判断工件内 部状态的方法称为共振法。 航空航天器上常用胶接结构，脱胶处常用共振方法检测。3.4 耦合介质一、概念* 为了排除探头与工件表面之间的空气，在探头与工件表面之间施加的一层透声介质 称为耦合剂。* 耦合剂的作用在于排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入工件达到探伤的目的。此外耦合剂还有减少摩擦的作用。二、耦合效果与声阻抗有关，声阻抗大耦合性能好。三 、耦合介质的种类* 甘油声阻抗高，耦合性能好，常用于一些重要工件的精确探伤，但价格较贵，对工件有腐蚀作用。* 水玻璃的声阻抗较高，常用于表面粗糙的工件探伤，

25、但清洗不太方便，且对工件有腐蚀作用。* 水的来源广，价格低，常用于水浸探伤，但易使工件生锈。* 机油和变压器油粘度、流动性、附着力适当，对工件无腐蚀、价格也不贵，因此是目前应用最广的耦 合剂。* 超声波探伤中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。它们的声阻抗Z 如下：耦合剂 机油 水 水玻璃 甘油Z 106kg/m2 s 1.28 1.5 2.17 2.43* 此外，近年来化学浆糊也常用来作耦合剂，耦合效果比较好。* 影响耦合的主要因素有：耦合层的厚度，耦合剂的声阻抗，工件表面粗糙度和工件形状。4 检测设备4.1 A型模拟超声波探伤仪 （CTS-9006PLUS型为例 ）* A 型扫

26、描显示中，从荧光屏上直接可获得缺陷回波幅度（表示声能的大小）和缺陷的位置等信息。* A 型超声探伤仪垂直线性取决于仪器放大功能的好坏而与探头与仪器的匹配无关。* A 型超声探伤仪水平线性的好坏直接影响到缺陷的定位而对缺陷大小的判断无关。* A 型扫描显示中， “盲区”是指由于仪器原因造成一定范围内不能探到缺陷的区域，它与 近场区不能探到缺陷性质是不同的。* A 型扫描显示中， 水平基线代表声波传播的时间或距离。CTS-22型仪左面板CTS-22型仪右面板 其他模拟超声波仪器4.2 B 型和 C型超声波探伤仪* B 型显示超声波探伤仪能显示扫查方向的截面上的图象；* C 型显示超声波探伤仪则能显

27、示扫查面上的投影图象。4.3 数字超声波探伤仪 其他数字超声仪4.4 袖珍数字式超声测厚仪5 检测系统的校准 5.1 试块简介 5.1.1 试块的用途* 测试或校验仪器和探头的性能；* 确定探测灵敏度和缺陷大小；* 调整探测距离和确定缺陷位置；* 测定材料的某些声学特性。5.1.2 试块的分类（主要分二类）* 标准试块* 对比试块（参考试块） 其他叫法：校验试块、灵敏度试块；平底孔试块、横孔试块、槽口试块；锻件试块、焊缝试块等。1. 荷兰试块* 1955 年荷兰人提出； 1958 年国际焊接学会通过并命名为 IIW 试块； ISO 组织推荐使用。* 类似的有：中国 CSK-IA、日本 STB-

28、A1、英国 BS-A、西德 DIN54521 2. CSK-IA试块：中国的改型试块CSK-IA试块的主要用途： R50、R100 圆弧：- 斜探头入射点、前沿测定；- 扫描线比例校准； 上下表面刻度：斜探头 K 值校准； 50、44、40 孔：斜探头分辨率测定； 89、 91、100mm 台阶：直探头分辨率测定； 50 孔：盲区测定。3. CSK-IIA / CSK-IIIA5.2 仪器扫描线（速度）比例校准（ 1） 直探头扫描线校准将直探头放于 CTS-IA试块的 100 厚度上，取第一底面反射回波， 通过距离调节按钮使该回波在 100mm 位置上即可。（ 2） 斜探头扫描线校准* 斜探头

29、调整仪器扫描线比例是为了识别缺陷波和判定缺陷位置。一、入射点、前沿测试* 如图，斜探头入射到 R100 圆弧上，左右移动探头找到最大反射回波；如果试块上有圆心 刻度，则刻度对应处为入射点；如果试块上无圆心刻度则用钢尺量，使钢尺 100 处对准试块圆弧端，钢 尺0 点即为入射点；使钢尺 0点对准探头前端点，差值即为前沿。* 斜探头入射点会改变，其主要原因是楔块长期磨损变薄，所以要经常测试入射点。二、斜探头 K 值测试* 如图，斜探头分别入射到试块的二个圆上，左右移动探头找到最大反射回波；探头入射点所对应的刻 度即 K。三、声束偏转角测定* 概念：主声束中心线与声轴间的夹角称为声轴偏转角。* 测定

30、：探头置于试块面上，旋转移动找到最大回波，测定探头中心线与试块上表面垂线 间的夹角。录象：入射点、前沿、斜探头 K 值测试四、按声程 1：1 调节 概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程； 方法：斜探头放于 CTS-IA试块的 R100、R50处，找到最大回波，分别放于 100、50 刻度处。五、按深度 1：1 调节六、概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程的垂直 投影，即深度值；方法：斜探头放于 CTS-IA试块的 R50 、 R100处，找到最大回波，分别放于 h1、h2 刻度处。h1、h2 根据 K 值计算。六、按水平 1：1 调节 概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程的水平投影，即水平值； 方法：斜探头放于 CTS-IA试块的 R50 、 R100处，找到最大回波，分别放于 L1、L2 刻度处。L1、L2根据 K值计算。6 应用6.1 焊缝检测程序： 斜探头基本参数测定：入射点、前沿、 K