《焊接质量检测技术》第三单元超声检测

第三单元超声波检测

《焊接质量检测技术》学习目标1．了解超声波的性质和超声波检测的原理；2．认识超声检测设备的组成部分，了解探头的类型和试块的应用；3．了解相关法技术规范、和标准；4．正确编制工艺文件5．掌握超声波检测的工艺过程，并能根据相关超声检测标准判别缺陷和对焊缝质量进行评定。

问题：什么是超声波？次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。声波——频率在20Hz～20KHz，能引起耳膜震动的机械波。次声波——频率小于20Hz，低于人耳听阈下限的声波。超声波——频率大于20KHz，高于人耳听阈上限的声波。

次声波的频率很低，波长很长，绕射能力强，传播衰减小、距离远。在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生，例如地震、火箭起飞等。次声波近似平面波，沿着与地球表面平行的方向传播。

超声波检测是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现内部缺陷的一种无损检测方法。超声波探伤成本低、操作方便、检测厚度大、对人和环境无害，但探伤不直观、难以确定缺陷的性质、评定结果。问题：什么是超声波检测？能力知识点1

超声波的产生与接收能力知识点2

超声波的性质能力知识点3

超声场能力知识点4

超声波的衰减模块一超声波探伤的基本原理

纵波1

质点振动方向与波传播方向一致的波，用符号L表示。纵波可在固体、液体和气体介质中传播。2

质点振动方向与波传播方向垂直的波，用符号S表示。横波只能在固体中传播。横波3

仅在固体表面传播且介质表面质点做椭圆运动的声波，用符号R表示。表面波

一、波型1.按质点振动方向分为纵波、横波、表面波4在一个板厚与波长相当的薄板中产生的一种波动形式，称为板波。板波能力知识点1超声波的产生与接收能力知识点1超声波的产生与接收2．按照波的形状分类(1)平面波（2）柱面波能力知识点1超声波的产生与接收（3）球面波（4）活塞波能力知识点1超声波的产生与接收3、按振动的持续时间分类（1）连续波：波源持续不断地振动所辐射的波。超声波穿透法探伤常采用连续波。（2）脉冲波：波源振动持续时间很短(通常是微秒数量级，1微秒=10-6秒)，间歇辐射的波。目前超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。能力知识点1超声波的产生与接收二、超声波的产生与接收由超声波检测仪产生的电振荡，以高频电压形式加到压电晶片的两面电极上，由于逆压电效应，镜片会在厚度方向上产生伸缩变形，这样就把电振荡转换成机械振动，这种机械振动仪超声波的形式进入工件，这就是超声波的产生；反之，当晶片受到超声波的作用而产生伸缩变形时，正压电效应又会使晶片两表面产生不同极性的电荷，形成与超声波频率相同的高频电压，以回波电信号形式经检测仪显示，这就是超声波的接受。能力知识点1超声波的产生与接收（a）正压电效应（b）逆压电效应一、超声波的特点特点方向性好对人体无害穿透能力强能量高会产生反射、折射、波型转换能力知识点2超声波的性质

二、描述超声波的物理量声速——单位时间内，超声波在介质中传播的距离，c表示。频率——单位时间内，介质中任意给定点所通过完整波的个数，f表示。波长——传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离。周期——声波向前传播一个波长距离所需的时间，T表示。能力知识点2超声波的性质能力知识点2超声波的性质三、异质界面上的透射、反射、折射和波型转换

1.单一的平界面（1）垂直入射K=W反/W入

钢—钢0钢—空气100钢—有机玻璃77有机玻璃—变压器油17钢—变压器油81有机玻璃—水100钢—水88

表

异质界面反射系数K能力知识点2超声波的性质（2）倾斜入射能力知识点2超声波的性质入射波、反射波和折射波与法线的夹角分别为入射角α、反射角γ、折射角β，它们之间的关系由斯聂耳定律来确定，即：

能力知识点2超声波的性质当纵波折射角βL2=90°时，在第二种介质中只有横波存在，此时的纵波入射角为第一临界角α1m；当横波折射角βS2=90°时，在第一种介质和第二种介质中的界面上只有表面波传播，此时的纵波入射角为第二临界角α2m。根据第一、第二临界角的物理意思可知：1）当αL1＜α1m时，第二种介质中同时存在折射纵波和折射横波，这种情况在超声检测中不采用。2）当α1m≤αL1＜α2m时，第二种介质中只存在折射横波，这是常用的斜探头的设计原理，也是横波检测的基本条件。3）αL1＞α2m时，第二种介质中既无折射纵波又无折射横波，但此时在第一种介质和第二种介质的界面形成表面波，这是表面波探头的设计原理。能力知识点2超声波的性质2.平面波入射到曲界面（1）平面波在曲界面上的反射图

平面波在球上的反射能力知识点2超声波的性质2）柱形曲界面超声波入射到柱形的曲界面上时，反射波也将聚焦或发散且将聚焦成一条实线或发散为一条虚线，称为焦轴。（2）平面波在曲界面上的折射(a)

一、超声场参数1.声压P（1）定义：超声场中某一点在某一时刻所具有的压强与没有超声波存在时的静态压强之差，称为该点的声压，用表示。

（2）单位：帕斯卡(Pa)，微帕斯卡(μPa)

1Pa=1N/m21Pa=106μPa（3）表达式：（4）特点：声压的幅值与介质密度、波速和频率成正比。（5）超声波探伤仪示波屏上的波高与声压成正比。能力知识点3超声场

能力知识点3超声场2.声阻抗声阻抗指超声场中某一点的声压P与该处质点的振动速度

之比，用符号Za表示。声阻抗是反映介质对质点振动的阻碍作用的物理量，而并非介质对超声波通过介质能力的阻碍。3.声强I（1）定义：单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I表示。（2）单位：瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2•秒(J/cm2•s)。（3）当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止不动的质点开始振动。因而具有动能。同时该处介质产生弹性变形，因而也具有弹性位能，其总能量为二者之和。能力知识点3超声场4.声强的计量——分贝和奈培

声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声强范围为10-16_10-14W/cm2，最大值与最小值相差12个数量级。因此采用对其比值(相对量)取对数来比较计算。分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。引起听觉的最弱声强I1=10-16W/cm2为声强标准，将某一声强I2与标准声强I1之比的常用对数称为声强级，单位为贝尔(BeL)。（BeL）

实际应用中，贝尔单位太大，常用分贝（dB）（1/10贝尔）来做单位。（dB）

能力知识点3超声场

引起听觉的声强10-16瓦/厘米20dB树叶沙沙声10-15瓦/厘米210dB耳语10-14瓦/厘米220dB谈话10-11瓦/厘米250dB大炮声10-6瓦/厘米2100dB超声波10+4瓦/厘米2200dB能力知识点3超声场能力知识点3超声场二、活塞源声场1.指向角2.近场区3.扩散区与未扩散区能力知识点4超声波的衰减遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起的衰减散射衰减超声波的能量随距离增加而逐渐减弱扩散衰减介质中质点间内摩擦和热传导引起超声波的衰减吸收衰减超声波衰减能力知识点1超声检测仪能力知识点2探头能力知识点3试块能力知识点4耦合剂模块二超声波探伤设备与器材能力知识点1超声检测仪超声波探伤设备一般由超声波探伤仪、探头和试块组成。超声波探伤仪是探伤的主体设备，主要功能是产生超声频率电振荡，并以此来激励探头发射超声波。同时，它又将探头接收到的回波电信号予以放大、处理，并通过一定方式显示出来。一、超声波探伤仪的分类

能力知识点1超声检测仪

能力知识点1超声检测仪

二、A型脉冲反射式超声波探伤仪焊缝超声检验中广泛使用A型脉冲反射式超声波探伤仪。主要性能：（1）水平线性（2）垂直线性（3）动态范围

能力知识点1超声检测仪能力知识点1超声检测仪三、数字式超声检测仪能力知识点2探头一、探头的结构

图

直探头的构造1-晶片2-保护膜3-接地铜圈4-吸收块5-金属盖6-绝缘柱7-接触座8-导线螺杆9-接线片10-晶片座11-金属外壳12-地线图

斜探头结构1—吸收块2—斜楔块3—压电元件4—内部电源线5—外壳

6—接头能力知识点2探头二、探头的种类

探头直探头斜探头水浸聚焦探头双晶探头压电元件、吸收块、保护膜、壳体探头芯、斜楔块、壳体超声探头、声透镜三个压电元件、吸收块、保护膜、壳体直探头斜探头能力知识点2探头能力知识点2探头

三、探头的主要参数焊缝超声波探伤常使用斜探头。斜探头的主要性能如下：

（1）折射角γ(或探头K值)

（2）前沿长度

（3）声轴偏离角四、探头型号探头型号由五部分组成：基本频率、晶片材料、晶片尺寸、探头种类、探头特征。

能力知识点2探头

能力知识点3试块试块是按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试件。根据使用目的和要求的不同，通常将试块分成以下两大类：标准试块和对比试块。

由法定机构对材质、形状、尺寸、性能做出规定和检定的试块

由各专业部门对某些探伤对象规定的试块。对比试块标准试块CSK-ⅠBCSK-ⅢA

RB-1RB-2能力知识点3试块能力知识点4耦合剂一、耦合剂的作用

在超声检测中，当探头和被检工件表面之间有空气存在时，超声波的反射率是100%，耦合剂可以填充探头与工件表面之间的空气空隙，是超声波顺利的进入工件内部进行检测。二、耦合剂的种类

常用的耦合剂有：水、甘油、机油、化学浆糊等。

能力知识点1超声检测方法的分类能力知识点2直接接触法能力知识点3液浸法模块三超声波检测方法及其原理能力知识点1超声检测方法的分类一、按照检测原理分类按照检测原理的差异，超声波检测方法可分为脉冲反射法、穿透法、共振法。能力知识点1超声检测方法的分类二、按照使用的波型分类根据检测采用的波型不同，超声检测方法可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法等。三、按照探头的接触方式分类根据超声检测时探头与工件的接触方式，超声波检测方法可以分为直接接触法和液浸法。四、按照使用探头的数目分类单探头法和多探头法能力知识点2直接接触法

垂直入射法直接接触法斜角入射法使探头直接接触工件进行探伤的方法称之为直接接触法。

一、垂直入射法

垂直接触法采用A型脉冲反射法，图形简单，灵敏度高，应用广泛。由于耦合剂很薄，工件表面粗糙度在Ra6.3μm以下。纵波直探头探伤适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。垂直入射法探伤易发现与探伤面平行或近于平行的缺陷能力知识点2直接接触法纵波直探头检测能力知识点2直接接触法二、斜角探伤法横波斜探头探伤适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。易发现与探测表面呈角度的缺陷。能力知识点2直接接触法横波斜探头检测能力知识点2直接接触法

斜角探伤检测焊缝时，可以根据几何关系来确定相关缺陷的位置。

斜角法探伤焊缝几何关系能力知识点2直接接触法

（1）直射法

（2）一次反射法

δ——工件厚度S——声程b——探头前沿长度K——探头K值；γ——探头折射角（°）能力知识点2直接接触法

二、液浸法液浸法是将工件和探头全部浸在耦合液体中，探头不直接接触工件的探伤方法。

全部水浸局部水浸喷流水浸能力知识点3液浸法

！液浸法探伤时，探头到工件表面的距离应在工件厚度的1/3以上，以避免二次界面反射波的产生，减少干扰波。液浸法的优点：探头易磨损，超声波的发射和吸收比较稳定。液浸法的缺点：需要较多的辅助设备，如液槽、探头桥架、探头操纵器。此外，由于液体耦合层较厚而声能损失较大。能力知识点3液浸法能力知识点1检测前的准备能力知识点2实时检测技术能力知识点3缺陷的评定能力知识点4缺陷评定与检验结果的分级能力知识点5记录与报告模块四直接接触法超声检测技术能力知识点1检测前的准备

一、检验等级的确定

一般根据对焊缝探测方向的多少，把超声波探伤划分为A、B、C三个级别：

A级——检验的完整程度最低，难度系数最小。适用于普通钢结构检验。

B级——检验完整程度一般，难度系数较大。适用于压力容器检验。

C级——检验完整程度最高，难度系数最大。适用于核容器及管道的检验。能力知识点1检测前的准备

二、探伤面及检测方法的选择

表探伤面及使用折射角板厚/mm检测面检测方法折射角或K值ABC≤25单面单侧

单侧双面（位置1和2或3和4）或双面单侧（1和3或2和4）

直射法及一次反射法K2.5，K2.0>25～50K2.5，K2.0，K1.5

>50～100直射法K1或K1.5；K1和K1.5，K1和K2.0并用>100双面双侧

K1和K1.5或K2.0并用能力知识点1检测前的准备

三、探头的选择探头的选择包括选择探头的形式、晶片的尺寸、超声波的检测频率和探头角度和K值几项。焊缝探伤选择斜探头探头形式工件厚度大采用大直径探头，厚度小小直径探头晶片尺寸焊缝探伤，超声波频率为2~2.5MHz频率薄工件采用大K值探头，厚工件采用小K值探头。探头角度和K值能力知识点1检测前的准备

四、耦合剂的选用接触法探伤常选用甘油、机油、化学浆糊等有一定粘度的耦合剂，有时也采用水作耦合剂。对于钢材等易锈的材料，常采用机油、变压器油等。

能力知识点1检测前的准备

五、探伤仪的调节（1）探伤范围和扫描速度调节焊缝探伤多采用横波斜探头探测，扫描速度有三种调节方法——声程、水平、深度。厚度大于32mm的厚板采用深度调节法，厚度小于24mm的中薄板采用水平调节法。（2）灵敏度调整

1）探伤灵敏度的选定——试块上最小人工缺陷而定；

2）距离-波幅曲线的制作；

3）探伤灵敏度的调整。超声波直接接触法检测一般包括下面步骤：探伤前的准备实时探伤操作缺陷评定检验结果分级记录、报告能力知识点2实时检测技术能力知识点2实时检测技术

1．探伤条件的选择

2．检验区域宽度的确定

3．探头移动区的确定

4．单探头的扫查方式（1）锯齿形扫查（2）基本扫查（3）平行扫查（4）斜平行扫查

锯齿形扫查基本扫查能力知识点2实时检测技术平行扫查斜平行扫查能力知识点2实时检测技术（5）双探头扫查方式1）串列扫查2）交叉扫查3）V形扫查

串列式扫查交叉扫查能力知识点2实时检测技术能力知识点3缺陷的评定一、缺陷位置的测定

1.纵波检测法时缺陷定位缺陷定位只需测定沿工件Z轴的坐标，即缺陷在工件中的深度即可。

缺陷定位示意图a）垂直人射法时缺陷定位b）斜角检测时的缺陷定位Zf

—缺陷在工件中的深度

(mm)；

n—检测仪调解比例系数；τf

—示波屏上缺陷波前沿所对水平刻度值。能力知识点3缺陷的评定2.横波检测的缺陷定位（1）声程调节法直射法探伤：

一次反射法探伤：

能力知识点3缺陷的评定（2）水平调节法定位直射法探伤：一次反射法探伤：

能力知识点3缺陷的评定

（3）深度调节法定位直射法探伤：一次反射法：能力知识点3缺陷的评定

二、缺陷大小的测定测定工件或焊接接头中缺陷的大小和数量称为缺陷定量。（1）当量法当量法主要有当量曲线法和当量计算法。焊缝探伤常采用当量曲线法，即利用具有同一孔径、不同距离的横孔试块制作的距离——波幅曲线（DAC曲线），查出缺陷区域和当量。（2）探头移动法对于尺寸或面积大于声束直径或断面的缺陷，常采用探头移动法来测定其指示长度和范围。能力知识点3缺陷的评定

三、缺陷性质的估判判定工件或焊接接头中缺陷的性质称之为缺陷定性。缺陷形状动态波形点状缺陷左右移动距离短，幅度下降快，环绕运动，幅度不变线形或面形缺陷左右移动幅度变化小，环绕运动幅度下降快不规则线形或面形缺陷多峰密集气孔的波型一种夹渣的波型能力知识点3缺陷的评定能力知识点3缺陷的评定（a）单个缺陷

（b）小裂纹

（c）白点（d）非金属夹渣e）夹层

（f）光滑大裂纹能力知识点4缺陷评定与检验结果的分级

距离-波幅曲线是缺陷评定与检验结果分级的依据。一、缺陷评定二、检验结果的等级分类焊缝超声检验结果分为四级：（1）最大反射波幅不超过评定线的缺陷，均评为Ⅰ级。（2）最大反射波幅超过评定线的缺陷，检验者判定为裂纹等危害性缺陷时，无论其波幅和尺寸如何，均评为Ⅳ级。

能力知识点4缺陷评定与检验结果的分级

（3）反射波幅位于Ⅰ区的非裂纹性缺陷，均评为Ⅰ级。（4）最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，根据缺陷的指示长度按表4-9的规定予经评级。（5）反射波幅超过判废线进入Ⅲ区时缺陷，无论其指示长度如何，均评定为Ⅳ级。

检验等级

板厚/mm

评定等级ABC8~508~3008~300Ⅰ2δ/3；最小12δ/3；最小10；最大30δ/3；最小10；最大20Ⅱ3δ/4；最小122δ/3；最小12；最大50δ/2；最小10；最大30Ⅲ<δ；最小203δ/4；最小16；最大752δ/3；最小12；最大50Ⅳ超过Ⅲ级者缺陷的等级分类能力知识点4缺陷评定与检验结果的分级能力知识点5记录与报告焊缝超声波探伤后，应将探伤数据、工件及工艺概况归纳在探伤的原始记录中，并签发检验报告。检验报告是焊缝超声波检验的存档文件，经质量管理人员审核后，正本发送委托部门，其副本由探伤部门归档。探伤记录与报告应具有追踪性，并至少保存7年以上以备随时查核。探伤记录与报告的格式。模块五超声检测工艺能力知识点1工艺规程的编制能力知识点2工艺卡的编制

一、检测工艺规程根据委托单位的要求，结合工件的结构特点及有关法规、标准等而编制由取得超声检测Ⅲ级资格的人员会同相关技术人员组织编写

对检测工作的实施具有最直接的指导意义

检测工艺规程能力知识点1工艺规程的编制能力知识点1工艺规程的编制

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二、超声检测工艺规程的内容与编制要求1）总则：该规程的适用范围，所引用的法规、标准的名称代号，对检测人员的要求等。

2）规程所适用的被检材料或工件的范围，可包括受检件的名称、图号、材料及热处理状态；

3）验收标准或等效的技术要求；

4）实施规程的人员资格要求；

5）检测时机、工序号；

6）采用的超声检测技术；

7）实施规程所需要的超声检测仪的型号；

8）所用探头的类型、频率、尺寸、斜探头的角度等；能力知识点1工艺规程的编制

9）耦合剂的名称、牌号；10）标准试块和对比试块的代号和名称；11）被检部位及检测前的表面准备要求，可包括受检件的草图，并在图上标明各项要求；12）校准方法，包括仪器、设备的各项调整要求；13）扫查方式的要求；14）缺陷评定方法的要求；15）检测的标记和原始数据记录要求；16）检测后的操作要求；17）结果报告的要求；18）规程编制者（Ⅲ级人员）的签名；规程批准者的签名。

返回目录一、超声检测工艺卡Ⅱ级以