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1、超 声 检 验,第4章 超声检测设备与器材 超声检测设备与器材 超声检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等 仪器+探头=超声检测系统 4.1 超声检测仪 超声检测仪是超声检测的主体设备，它的作用是产生电振荡并施加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时接收来自于探头的电信号，将其放大后以一定方式显示出来，从而得到被检工件中有关缺陷的信息,4.1.1 超声检测仪的分类 按照其指示的参量分类 指示声的穿透能量:穿透式检测仪 指示频率可变的超声连续波在工件中形成驻波的情况 :调频波检测仪 指示脉冲波的幅度和运行时间:脉冲波检测仪 脉冲波检测仪的信号显示方式可分为A型显示和超声成像显示，其中超

2、声成像显示又可分为B、C、D、S、P型显示等类。,按采用的信号处理技术：可分为模拟式超声检测仪和数字式超声检测仪 按超声波的通道数：分为单通道超声检测仪和多通道超声检测仪。焊管类自动超声检测系统多采用多通道超声检测仪,.A型显示、B型显示与C型显示,A型显示探伤仪：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播 时间(或距离)，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。 B型显示探伤仪：B型显示是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，缴坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间(或距离)，因而可只管地显示出被探工

3、件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。 C型显示探伤仪：C型显示也是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而，当探头在工件表面移动时，荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。 A型、B型、C型三种显示分别如下图所示。,A型、B型、C型三种显示分别如图3.1所示。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41所示。横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。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

4、定缺陷位置，由回波幅度可以估算缺陷当量尺寸。,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。电路方框图如图47所示。,仪器主要开关旋钮的作用及其调整,CTS22型检测仪面板示意图 1发射插座 2接收插座 3工作方式选择 4发射强度 5粗调衰减器 6细调衰减器 7抑制 8增益 9定位游标 10示波管 11遮光罩 12聚焦 13深度范围 14深度细调 15脉冲移位 16电源电压指示器 17电源开,数字式超声检测仪 数字式超声检测仪是计算机技术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的基础上，采用计算机技术实现仪器功能的精

5、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、存储与输出功能。近年来，数字式仪器发展很快，有逐步替代模拟式仪器的趋势。,所谓数字式超声检测仪，主要是指发射、接收电路的参数控制和接收信号的处理、显示均采用数字化方式的仪器。不同的制造商生产的数字式仪器，可能会采用不同的电路设置，保留的模拟电路部分也不相同。但最主要的一点，是探头接收的随时间变化的超声信号，需经模一数转换、数字处理后显示出来。,自动检测设备 传统的接触法手工扫查超声检测具有简便灵活、成本低等优点，但其检测过程受人为因素影响较

6、大。为了提高检测可靠性，对一定批量生产的具有特定形状规格的材料和零件，越来越多地采用自动扫查、自动记录的超声检测系统。在能使探头相对于工件作快速扫查方面，非接触的水浸或喷水检测方式具有很大的优势，因此，大多数自动检测系统均采用水浸法检测。由于超声检测要求扫查到整个工件表面，且在扫查过程中需保持探头相对于入射面的角度和距离不变，因此，应针对不同形状、规格的工件设计专用的机械扫查装置。,4.2 探头 凡能将任何其他形式能量转换成超音频振动形式能量的器件均可用来发射超声波，具有可逆效应时又可用来接收超声波，这类元件称为超声换能器。以换能器为主要元件组装成具有一定特性的超声波发射、接收器件，常称为探头

7、。超声波探头是组成超声检测系统的最重要的组件之一。探头的性能直接影响超声检测能力和效果。 当前超声检测中采用的超声换能器主要有压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光超声换能器。其中最常用的是压电换能器探头，其关键部件是压电晶片，是一个具有压电特性的单晶或多晶体薄片，其作用是将电能转换为声能，并将声能转换为电能。本节主要讨论压电换能器探头。,压电效应 某些晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之，当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。 超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压

8、电效应，将电能转换为声能（机械能），探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能。,压电材料 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分为单晶材料和多晶材料，常用的单晶材料有石英（SiO2）、硫酸锂（Li2SO4）、铌酸锂（LiNbO3）等。常用的多晶材料有钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PbZrTiO3，缩写为PZT）、钛酸铅（PbTiO3）等，多晶材料又称压电陶瓷。 表41 超声波探头常用压电材料主要性能参数,探头的结构 压电换能器探头一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成。斜探头中通常还有一个使晶片与入射面成一定角度的斜楔块。,压电换能器探头的基

9、本结构 a）直探头 b）斜探头,探头的主要种类 超声波检测用探头的分类 根据波型不同，可分为纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头等。 根据耦合方式分为接触式探头和液（水）浸探头。 根据波束分为聚焦探头与非聚焦探头。 根据晶片数不同分为单晶探头、双晶探头等。 此外还有高温探头、微型探头、电磁超声探头等特殊用途的探头。,1.接触式纵波直探头 直探头用于发射垂直于探头表面传播的纵波，以探头直接接触工件表面的方式进行垂直入射纵波检测，简称纵波直探头。直探头主要用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷，如板材、锻件检测等。 纵波直探头的主要参数是频率和晶片尺寸。 2.接触式斜探头 接触式斜探头可分为纵波

10、斜探头（LI），横波斜探头（LI）、表面波探头（L）、兰姆波探头及可变角探头等。如图418b所示，其共同特点是：压电晶片贴在一斜楔上，晶片与探头表面成一定倾角。 纵波斜探头是入射角LI的探头。目的是：利用小角度的纵波进行缺陷检测，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纵波斜入射检测。使用时应注意工件中同时存在的横波的干扰。,横波斜探头是入射角LI且折射波为纯横波的探头，横波斜探头实际上是直探头加斜楔组成的。主要用于检测与检测面成一定角度的缺陷，如焊缝检测等。 横波斜探头的标称方式有三种：一是以纵波入射角L来标称，常用L30，40，45，50等，如前苏联和我国有些探头。二是以横波

11、折射角s来标称，常用s40，45，50，60，70等，如西方国家和日本。三是以钢中折射角的正切值Ktans来标称，常用K0.8，1.0，1.5，2.0，2.5等，这是我国提出来的，在计算钢中缺陷位置时比较方便。目前国产横波斜探头大多采用K值标称系列。 横波斜探头上的主要参数为工作频率、晶片尺寸和K值。 K值与L、s的换算关系见表42。注意此表只适用于有机玻璃/钢界面。 表42 常用K值对应的s和L（有机玻璃/钢）,双晶探头（分割探头） 双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波，另一块用于接收超声波，中间夹有隔声层。根据入射角L不同，分为双晶纵波探头（LI）和双晶横波探头（LI）。 双晶探头的

12、结构如图421所示。,接触式聚焦探头 聚焦探头种类较多。根据焦点形状不同分为点聚焦和线聚焦。点聚焦的理想焦点为一点，其声透镜为球面；线聚焦的理想焦点为一条线，其声透镜为柱面。根据耦合情况不同分为水浸聚焦与接触聚焦。水浸聚焦以水为耦合介质，探头不与工件直接接触。,a）透镜式 b）反射式 c）曲面晶片式,水浸平探头和水浸聚焦探头 水浸平探头相当于可在水中使用的纵波直探头，用于水浸法检测。当改变探头倾角使声束从水中倾斜入射至工件表面时，也可通过折射在工件中产生纯横波。 在水浸平探头前加上声透镜则可产生聚焦声束，称为水浸聚焦探头。水浸聚焦探头的结构如图423所示。声透镜的作用就是实现声束聚焦。,电磁超

13、声探头 电磁超声探头如图425所示，其物理结构由高频线圈和磁铁两部分组成，高频线圈用于产生高频激发磁场；磁铁用来提供外加磁场，它可以是永久磁铁或直流电磁铁，也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁。当置于工件表面上的高频线圈通过高频电流时，它在工件的趋肤层内产生涡流（或感应磁场，相当于电动机的转子），此涡流在外加磁场（相当于电机定子磁场）的作用下，也会像电动机那样受到机械力的作用，产生高频振动，于是在工件中形成了超声波波源。在接收超声波时，如同发电机的转子在定子的磁场中旋转，会在转子中产生感应电流一样，工件表面的振荡也会在外加磁场力的作用下，在高频线圈中感应出电压而被仪器接收。,探头型号 1.探头型号的

14、组成项目 探头型号组成项目及排列顺序如下： 基本频率晶片材料晶片尺寸探头种类探头特征 举例,试块 与一般的测量方式一样，为了保证检测结果的准确性、可重复性和可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样对检测系统进行校准。这种按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体或模拟缺陷的试样，通常称为试块。试块和仪器、探头一样，是超声检测中的重要器材。,1.试块的分类 超声检测用试块通常分为标准试块、对比试块和模拟试块三大类。 （1）标准试块 标准试块通常是由权威机构制定的试块，其特性与制作要求有专门的标准规定。标准试块通常具有规定的材质、形状、尺寸及表面状态。 标准试块用于仪器探头系统性能测试校准和检

15、测校准，如IIW试块。 JB/T4730.32005标准中采用的标准试块有：钢板用标准试块CBI，CB；锻件用标准试块CSI，CS，CS；焊接接头用标准试块CSKIA，CSKA，CSKA，CSKA。,（2）对比试块 对比试块是以特定方法检测特定工件时采用的试块，含有意义明确的人工反射体（平底孔、槽等）。它与被检工件材料声学特性相似，其外形尺寸应能代表被检工件的特征，试块厚度应与被检工件的厚度相对应。对比试块主要用于检测校准以及评估缺陷的当量尺寸，以及将所检出的不连续信号与试块中已知反射体产生的信号相比较。 （3）模拟试块 模拟试块是含模拟缺陷的试块，可以是模拟工件中实际缺陷而制作的样件，或者是

16、在以往检测中所发现含自然缺陷的样件。模拟试块主要用于检测方法的研究、无损检测人员资格考核和评定、评价和验证仪器探头系统的检测能力和检测工艺等。,2.人工反射体 试块中的人工反射体应按其使用目的选择，应尽可能与需检测的缺陷特征接近。常用的人工反射体主要有长横孔、短横孔、横通孔、平底孔、V形槽和其他线切割槽等。 （1）横通孔和长横孔具有轴对称特点，反射波幅比较稳定，有线性缺陷特征，适用于各种K值探头。一般代表工件内部有一定长度的裂纹、未焊透、未熔合和条状夹渣。通常使用在对接接头、堆焊层的超声检测中，也有用在螺栓件和铸件检测的。 （2）短横孔在近场区表现为线状反射体特征，在远场区表现为点状反射体特征

17、。主要用于对接焊接接头检测。适用于各种K值探头。 （3）平底孔一般具有点状面积型反射体的特点，主要用于锻件、钢板、对接焊接接头、复合板、堆焊层的超声检测。通常适用于直探头和双晶探头的校准和检测。 （4）V形槽和其他切割槽具有表面开口的线性缺陷的特点。适用于钢板、钢管、锻件等工件的横波检测，也可模拟其他工件或对接接头表面或近表面缺陷以调整检测灵敏度。检测或校准时，通常采用K1斜探头，根据需要，也可采用其他K值探头。,4.4.2 标准试块 1.标准试块的基本要求 标准试块的材质应均匀，内部杂质少，无影响使用的缺陷。加工容易，不易变形和锈蚀，具有良好的声学性能。试块的平行度、垂直度、粗糙度和尺寸精度

18、都应经过严格检验并符合一定的要求。 标准试块要用平炉镇静钢或电炉软钢制作，如20号碳钢。 标准试块检测面粗糙度一般不低于Ra1.6m，尺寸公差0.05mm。 试块上的平底孔应检验其直径、孔底表面粗糙度、平面度等。,2.常用标准试块 （1）IIW 试块IIW是国际焊接学会的英文缩写。该试块是荷兰代表首先提出来的，故称荷兰试块。该试块形状似船形，因此又叫船形试块。IIW试块结构尺寸如图428所示。 IIW试块材质相当于我国20号钢，正火处理，晶粒度78级。,3）CSKIA试块 CSKIA试块是我国承压设备无损检测标准JB/T47302005中规定的标准试块，是在IIW试块基础上改进后得到的，其结构

19、及主要尺寸如图430所示。 CSKIA试块有三点改进： 1）将直孔50mm改进50mm、44mm、40mm台阶孔，以便于测定横波斜探头的分辨力。 2）将R100改为R100、R50阶梯圆弧，以便于调整横波扫描速度和检测范围。 3）将试块上标定的折射角改为K值（Ktans），从而可直接测出横波斜探头的K值。 CSKlA试块的其他功能同IIW试块，材质一般同被检工件,便携式试块: IIW2试块 也是荷兰代表提出来的国际焊接学会标准试块，由于外形类似牛角，故又称牛角试块。与IIW试块相比，IIW2试块质量轻、尺寸小、形状简单、容易加工和便于携带，但功能不及IIW试块。IIW2试块的材质同IIW，结构

20、尺寸和反射特点如图,半圆试块 半圆试块是目前广泛应用的一种试块，其特点是加工方便，便于携带，材质同IIW。半圆试块结构和反射特点如图3.24。试块圆弧部分切去一块是为了安放平稳。图中半圆试块中心切槽是为了产生多次反射，在示渡屏上形成等距离的反射波。由于中心槽未切通，切槽处反射波间距均为R，而未切槽处反射波间距为R、R、R，二者相互迭加使示波屏上奇次波高，偶次波低，如图3.24(a)。此外还一种中心不切槽的半圆试块，这种试块反射波间距为R、2R、2R，波形如图3.24(b)。常用半圆试块的半径为R40或R50。半圆试块的主要用途如下：,JB/T47302005标准中规定采用的焊缝超声波检测用的横

21、孔标准试块: CSKA，CSKA和CSK一A标准试块: CSKA结构如图432所示；,.常用对比试块 JB/T 4730.32005标准中规定和采用的对比试块主要有： a.钢板横波检测对比试块； b.锻件横波检测对比试块； c.无缝钢管横波检测用对比试块：纵向人工缺陷试块、横向人工缺陷试块； d.声能传输损耗超声检测对比试块； e.T形焊接接头超声检测对比试块； f.铝焊接接头超声检测对比试块； g.钢制压力管道和管子焊接接头超声检测对比试块； h.铝及铝合金压力管道和管子焊接接头超声检测对比试块； i.钛焊接接头超声检测对比试块； j.T1，T2，T3型堆焊层超声检测对比试块； k.奥氏体不

22、锈钢对接接头对比试块。,无缝钢管横波检测对比试块图443所示试块是JB/T4730.32005标准中规定的无缝钢管横波检测用对比试块，主要针对纵向缺陷。对比试块应选取与被检钢管规格相同，材质、热处理工艺和表面状况相同或相似的钢管制备。对比试块不得有大于或等于2mm当量的自然缺陷。对比试块的长度应满足检测方法和检测设备要求。 试块的尺寸、V形槽和位置如图443所示和表46。,4.4.5 试块的使用和维护 1.试块应在适当部位编号，以防混淆。 2.试块在使用和搬运过程中应注意保护，防止碰伤或擦伤。 3.使用试块时应注意清除反射体内的油污和锈蚀。常用蘸油细布将锈蚀部位抛光，或用合适的去锈剂处理。平底

23、孔在清洗干燥后用尼龙塞或胶合剂封口。 4.注意防止试块锈蚀，使用后停放时间长，要涂敷防锈剂。 5.要注意防止试块变形，如避免火烤，平板试块尽可能立放防止重压。,仪器和探头的性能及其测试 仪器和探头的性能包括仪器的性能、探头的性能以及仪器与探头的综合性能。 仪器的性能仅与仪器有关，如仪器的垂直线性、水平线性和动态范围等。 探头的性能仅与探头有关，如探头入射点、K值、双峰、主声束偏离等。 仪器与探头的综合性能不仅与仪器有关，而且与探头有关，如分辨力、盲区、灵敏度余量等。,仪器的性能及其测试 1垂直线性 仪器的垂直线性是指仪器示波屏上的波高与探头接收的信号之间成正比的程度。放大器和示波管的性能影响垂

24、直线性。 垂直线性好坏常以垂直线性误差来表示：其测试步骤如下：,(1)抑制至“0”，衰减器保留30dB衰减余量。 (2)直探头通过耦合剂置于IIW(或其他试块)上，对准25mm底面，并用压块恒定压力。 (3)调节仪器使试块上某次底波位于示波屏的中间，并达满幅度100%，但不饱和，作为“0”dB。 (4)固定增益和其他旋钮，调衰减器，每次衰减2dB，并记下相应的波高H1填入表3.9中，直到底波消失。,JB/T100611999A型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件规定仪器 垂直线性误差D8，JB/T4730中进一步规定垂直线性误差5。,2.水平线性 仪器水平线性是指仪器示波屏上时基线显示的水平刻

25、度值与实际声程之间成正比的程度，或者说是示波屏上多次底波等距离的程度。水平线性主要取决于扫描锯齿波的线性。 水平线性的好坏常用水平线性误差来表示，其测试步骤如下： (1)将直探头置于IIW(或其他试块)上，对准25mm厚的大平底面，如图3.40(a) (2)调微调、水平或脉冲移位等旋钮，使示波屏上出现五次底波B1到B5，且使B1前沿对准2.0，B5对准10.0，如图3.40(b)。,JB/T100611999标准中规定仪器的水平线性误差2，JB/T4730中进一步规定 仪器的水平线性误差1。,（3）动态范围 动态范围的测量通常采用直探头，将试块上反射体的回波高度调节到垂直刻度的100，用衰减器

26、将回波幅度由100下降到刚能辨认的最小值时，该调节量即为仪器的动态范围。注意这时抑制旋钮为“0”。 JB/T100611999标准中规定仪器的动态范围不小于26dB。,探头的性能及其测试 1.斜探头入射点 斜探头的入射点是指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对曲线定位和测定探头的K值。 将斜探头放在IIW试块上，如图3.14位置，使R100圆柱曲底面回波达最高时斜楔底面与试块圆心的重合点就是该探头的入射点。这时探头的前沿长为:l0=RM,2.斜探头K值和折射角s 斜探头K值是指被探工件中横波折射角s的正切值，K=tgs，斜

27、探头的K值常 用IIW试块或CSKIA试块上的50和1.5横孔来测定，如图3.41。当探头置于 B位置时，可测定s为3560(K=0.71.73)；探头置于C位置时，可测定s， 为6075(K=1.733.73)；探头置于D位置时。可测定s为7580 (K=3.735.67)。,3.探头主声束偏离与双峰 探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度称为主声束的偏离，常用偏离角来表示。 平行平移动探头，同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰，这是波束分叉引起的。 直探头和斜探头都可能存在主声束偏离和双峰，下面以斜探头为例说明之。 如图3.42(a)所示，探头对准试块棱边，移动并转动探头，找到棱边最

28、高回波，这时探头侧面平行线与棱边法线夹角就是主声束偏离角。 探头双峰常用横孔试块来测定，如图3.43(a)。探头对准横孔，并前后平行移动，当示波屏出现图3.43(b)所示的双峰波形时，说明探头具有双峰。 探头主声束偏离与双峰，将会影响对缺陷的定位和判别。,三、仪器和探头的综合性能及其测试 1.灵敏度 超声波探伤中灵敏度广义的含意是指整个探伤系统(仪器与探头)发现最小缺陷的能力。发现的缺陷愈小，灵敏度就愈高。 仪器与探头的灵敏度常用灵敏度余量来衡量。灵敏度余量是指仪器最大输出时(增益、发射强度最大，衰减和抑制为0)，使规定反射体回波达基准高所需衰减的衰减总量。灵敏度余量大，说明仪器与探头的灵敏度

29、高。灵敏度余量与仪器和探头的综合性能有关，因此又叫仪器与探头的综合灵敏度。 一般要求仪器和斜探头的灵敏度余量40dB。,2.盲区与始脉冲宽度 盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离。盲区内的缺陷一概不能发现。盲区的大小与仪器的阻塞时间和始脉冲宽度有关。 始脉冲宽度是指在一定的灵敏度下，示波屏上高度超过垂直幅度20时的始脉冲延续长度。 盲区的测定可在盲区试块土进行，如图3.47。示波屏上能清晰地显示l平底孔独立回波的最小距离即为所测的盲区。 如果没有盲区试块，也可利用IIW或CSKIA试块来估计盲区的范围，如图3.48。若探头于I处有独立回波，则盲区小于或等于5mm。若I处无独立回波，I处有独

30、立回波，则盲区在510mm之间。若I处仍无独立回波，则盲区大于1Omm。,始脉冲宽度测定方法：按规定调好灵敏度并校准“0点，那么图3.49所示的示波屏上始脉冲达20%高处至水平刻度“0”点的距离Wn，即为始脉冲宽度。 始脉冲宽度与灵敏度有关，灵敏度高，始脉冲宽度大。,（3）远场分辨力 1）仪器与直探头远场分辨力的测定 抑制旋钮至“0”，探头置于图458a所示的CSKIA试块处，左右移动探头，使示波屏上出现85、91、100三个反射回波A、B、C，如图458b所示，则波峰和波谷的分贝差20lg（a/b）表示分辨力。 JB/T47302005中规定，直探头远场分辨力30dB。,2）仪器与斜探头分辨

31、力的测定 斜探头置于图459a所示的CSKIA试块上，对准50mm、44mm、40mm三阶梯孔，使示波屏上出现三个反射波。 平行移动探头并调节仪器，使50mm、44mm回波等高，如图459b所示，其波峰为h1，波谷为h2，则其分辨力为： X20lg h1/h2（dB） （417） 实际测试时，用衰减器将h1衰减到h2，其衰减量N为分辨力，则XNdB。 JB/T47302005中规定，斜探头的远场分辨力6dB。,4.信噪比 信躁比是指示波屏上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度之比。信噪比高，杂波少，对探伤有利。信噪比太低，容易引起漏检或误判，严重时甚至无法进行探伤。 一般以200/l平底

32、孔反射回波H信与噪声杂波高H噪之间的分贝差来表示信噪比的大 小，即=20lgH信/H噪。,第5章 超声检测方法分类与特点 超声检测方法分类的方式有多种，较常用的有以下几种： 1.按原理分类：脉冲反射法、衍射时差法（TOFD）、穿透法、共振法。 2.按显示方式分类：A型显示和超声成像显示（可细分为B、C、D、S、P型显示等）。 3.按波型分类：纵波法、横波法、表面波法、板波法、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：接触法、液浸法、电磁耦合法。 6.按人工干预的程度分类：手工检测、自动检测。 每一个具体的超声检测方法都是上述不同分类方式的一

33、种组合，如最常用的单探头横波脉冲反射接触法（A型显示）。每一种检测方法都有其特点和局限性，针对每个检测对象所采用的不同的检测方法，是根据检测目的及被检工件的形状、尺寸、材质等特征来进行选择的。,5.1 按原理分类的超声检测方法 超声检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、衍射时差法、穿透法和共振法。 5.1.1 脉冲反射法 超声波探头发射脉冲波到被检工件内，通过观察来自内部缺陷或工件底面反射波的情况来对工件进行检测的方法，称为脉冲反射法。 脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法,1.缺陷回波法 根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。该方法以回波传播时间对缺陷定位

34、，以回波幅度对缺陷定量，是脉冲反射法的基本方法。 图5l所示为缺陷回波检测法的基本原理，当工件完好时，超声波可顺利传播到达底面，检测图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图51a所示。 若工件中存在缺陷，则在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F，如图51b所示。,2.底波高度法 当工件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。如果工件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失，如上页图所示。 这种依据底面回波的高度变化判断工件缺陷情况的检测方法，称为底波高度法。底波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区，但是要求被检工件的检测面与底面平行，耦合条件

35、一致。该方法检出缺陷定位定量不便，灵敏度较低，因此，实用中很少作为一种独立的检测方法，而是经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的、小而密集的缺陷，对于锻件采用直探头纵波检测法时常使用，如由缺陷引起的底波降低量。,3.多次底波法 当透入工件的超声波能量较大，而工件厚度较小时，超声波可在检测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3、。如果工件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波，如图53所示。这种依据多次底面回波的变化，判断工件有无缺陷的方法，称为多次底波法。 多次底波

36、法主要用于厚度不大、形状简单、检测面与底面平行的工件检测，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。,图53 多次底波法 a）无缺陷 b）小缺陷 c）大缺陷,按波型分类的超声检测方法 根据检测采用的波型，超声检测方法可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。 5.3.1 纵波法 使用纵波进行检测的方法，称为纵波法。在同一介质中传播时，纵波速度大于其他波型的速度，穿透能力强，对晶界反射或散射的敏感性不高，所以可检测工件的厚度是所有波型中最大的，而且可用于粗晶材料的检测。,1.纵波直探头法 使用纵波直探头进行检测的方法，称为纵波直探头法。波束垂直入射至工件检测面，以不变的波型和方向透人工件，所以又称

37、垂直入射法，简称垂直法，如图522所示。 垂直法分为单晶直探头脉冲反射法、双晶直探头脉冲反射法和穿透法。常用的是单、双晶直探头脉冲反射法。 垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的检测，该法对于与检测面平行的缺陷检出效果最佳。由于垂直法检测时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比较方便。,5.3.2 横波法 将纵波倾斜入射至工件检测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法，称为横波法。由于入射声束与检测面成一定夹角，所以又称斜射法。 斜射声束的产生通常有两种方式，一种是接触法时采用斜探头，由晶片发出的纵波通过一定倾角的斜楔到达接触面，在界面处发生波型转换，在工件中产生折射后的斜射横波声束；另一种是

38、利用水浸直探头，在水中改变声束入射到检测面时的入射角，从而在工件中产生所需波型和角度的折射波。 横波法主要用于焊接接头和管材的检测，是目前特种设备行业中应用最多的一种方法。检测其他工件时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现与检测面有一定倾角的缺陷。,5.4 按探头数目分类的超声检测方法 5.4.1 单探头法 使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法称为单探头法。单探头法操作方便，可检出大多数缺陷，是目前最常用的一种方法。 单探头法检测，对于与波束轴线垂直的面状缺陷和立体型缺陷的检出效果最好。与波束轴线平行的面状缺陷难以检出。 5.4.2 双探头法 使用两个探头（一个发射，一个接收）进行检测的

39、方法称为双探头法。主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。 双探头法又可根据两个探头排列方式和工作方式，进一步分为并列式、交叉式、V形串列式、K形串列式、串列式等，如图549所示。 图549 双探头的排列方式 a）并列式 b）交叉式 c）V形式 d）K形式 e）串列式,5.5 按探头接触方式分类的超声检测方法 依据检测时探头与工件的接触方式，可分为接触法、液浸法和电磁超声。 5.5.1 接触法和液浸法 探头与工件检测面之间，涂有很薄的耦合剂层，因此可以看作为两者直接接触，这种检测方法称为直接接触法，或简称接触法。 将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行检测的方法，称为液浸法。耦合剂可以是水，也可

40、以是油。当以水为耦合剂时，称为水浸法。 液浸法检测，探头不直接接触工件，所以此方法适用于表面粗糙的工件，探头也不易磨损耦合稳定，检测结果重复性好，便于实现自动化检测。 液浸法按检测方式不同，又分为全浸没式和局部浸没式。,图551 液浸法 a全浸没式 b喷液式 c通水式 d满溢式,5.5.2 电磁耦合法 采用电磁超声探头激发和接收超声波的检测方法，通常称为电磁超声检测（EMAT）。探头与工件之间既无耦合剂，也不相互接触。 电磁超声能用于铁磁材料的检测，必须既能方便地在材料中激发电磁超声，又方便地接收 常规的超声检测和测厚给无损检测工作者带来最大的不便就是需对检测对象的表面进行处理，使其达到一定的

41、表面粗糙度。电磁超声检测与常规方法相比无需机械和液体耦合，进行锅炉、压力容器和压力管道检测时对沾染或结渣轻微的表面无须进行处理，大大减少了辅助性工作量；由于电磁超声探头与工件有一定的距离，因此还可能应用于高温在线检测；同时电磁超声检测速度快，适用于连续生产线的自动检测。综合而言，电磁超声技术具有广阔的发展空间。 EMAT装置已在钢管自动化检测、钢板自动化检测中进入实用化阶段。但是，电磁超声的缺陷检出能力和信噪比与常规的压电晶片换能器超声检测相比，还有待于进一步研究和提高。,5.6 手工检测和自动检测 按人工干预的程度分类，超声检测可分为手工检测和自动检测。 5.6.1 手工检测 手工检测一般指

42、由操作者手持探头进行的A型脉冲反射式超声检测。 手工检测方便易操作，大量应用于特种设备的相关行业，对于保证产品质量起了重要的作用，我国机械行业标准JB/T4730.32005主要的适用范围即为手工检测。 但是，也要看到，手工检测结果受操作者的人为因素影响比较大，假定在仪器探头等其他一切硬件条件均满足工艺的情况下，这时操作者的责任心、情绪状态、扫查探头的方式和手法、技术水平等均会直接关系到缺陷的检出率和缺陷判断的准确率，同时检测过程中的超声信号无法连续记录，检测结果的可靠性、复现性难以保证。 5.6.2 自动检测 自动检测指使用自动化超声检测设备，在最少的人工干预下进行并完成检测的全部过程。一般

43、指采用自动扫查装置，或在检测过程中可自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据的检测方式。在自动检测中，检测结果受人为因素影响较小。,第6章 脉冲反射法超声检测通用技术 脉冲反射法超声检测在检测条件、耦合与补偿、仪器的调节、缺陷的定位、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。 脉冲反射法超声检测的基本步骤是： 检测前的准备仪器、探头、试块的选择仪器调节与检测灵敏度确定耦合补偿扫查方式缺陷的测定记录和等级评定仪器和探头系统复核等。,6.1 检测面的选择和准备 检测面的选择: 针对一个确定的工件，当存在多个可能的声入射面时，检测面的选择首先要考虑缺陷的最

44、大可能取向。如果缺陷的主反射面与工件的某一表面近似平行，则选用从该表面入射的垂直入射纵波，这样能使声束轴线与缺陷的主反射面接近垂直，这对缺陷的检测是最为有利的。缺陷的最大可能取向应根据材料、坡口形式、焊接工艺等综合分析。 有些情况下，需要从多个检测面入射进行检测。如：变形过程使缺陷有多种取向时；单面检测存在盲区，而另一面检测可以弥补时；单面检测灵敏度不能在整个工件厚度范围内实现时等。 检测面的准备:为了保证检测面能提供良好的声耦合，进行超声检测前应目视检查工件表面，去除松动的氧化皮、毛刺、油污、切削或磨削颗粒等。如果个别部位不可能清除，应作出标记并留下记录，供质量评定时参考。,6.2.2 探头

45、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值的选择等。 1.探头型式的选择 常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、纵波斜探头、双晶探头、聚焦探头等。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。,2.探头频率的选择 超声波检测频率一般在0.510MHz之间，选择范围大。 频率的选择可这样考虑：对于小缺陷、厚度不大的工件，宜选择较高频率；对于大厚度工件、高衰减材料，应选择较低频率

46、。如对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2.510.0MHz。对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用0.52.5MHz。,3.探头带宽的选择 探头发射的超声脉冲频率都不是单一的，而是有一定带宽的。宽带探头对应的脉冲宽度较小，深度分辨力好，盲区小，但由于探头使用的阻尼较大，通常灵敏度较低；窄带探头则脉冲较宽，深度分辨力变差，盲区大，但灵敏度较高，穿透能力强。 研究表明，宽带探头由于脉冲短，在材料内部散射噪声较高的情况下，具有比窄带探头信噪比好的优点。如对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用宽带探头。,4.探头晶片尺寸的选择 探头晶片面积一般不大于500mm2

47、，圆晶片直径一般不大于25mm，晶片大小对检测也有一定的影响 晶片大小对声束指向性，近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大影响。实际检测中，检测面积范围大的工件时，为了提高检测效率宜选用大晶片探头。检测厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。检测小型工件时，为了提高缺陷定位、定量精度宜选用小晶片探头。检测表面不太平整或曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。,5.横波斜探头K值的选择 在横波检测中，探头的K值对缺陷检出率、检测灵敏度、声束轴线的方向、一次波的声（入射点至底面反射点的距离）有较大的影响。由Ktans，可知，K值越大，s也越大，一次波的

48、声程也就越大。 因此在实际检测中，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，避免近场区检测。当工件厚度较大时，应选用较小的K值，以减少声程过大引起的衰减，便于发现深度较大处的缺陷。 在焊缝检测中，K值的选择既要考虑到可能产生的缺陷与检测面形成的角度，还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。,6.3 耦合剂的选用 6.3.1 耦合剂 超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合好。为了提高耦合效果，而加在探头和检测面之间的液体薄层称为耦合剂。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人工件，达到检测的目的。此外，耦合剂还有减小摩擦的作用。 一般

49、耦合剂应满足以下要求： （1）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。 （2）声阻抗高，透声性能好。 （3）来源广，价格便宜。 （4）对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。 （5）性能稳定，不易变质，能长期保存。 超声检测中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃和化学糨糊等。,6.4 纵波直探头检测技术 6.4.1 检测设备的调整 主要是对仪器进行扫描速度调整和检测灵敏度调整，以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。 1.时基线的调整 调整的目的：一是使时基线显示的范围足以包含需检测的深度范围；二是使时基线刻度与在材料中声传播的距离成一定比例

50、，以便准确测定缺陷的深度位置。,调节的一般方法是根据检测范围，利用已知尺寸的试块或工件上的两次不同反射波，通过调节仪器上的扫描范围和延迟旋钮，使两个信号的前沿分别位于相应的水平刻度值处。不能利用始波和一个反射波来调节，因为始波与反射波之间的时间包括超声波通过保护膜、耦合剂的时间，始波起始点不等于工件中的距离零点，这样扫描速度误差大。 用来调节的两个已知声程的信号可以是同材料的试块中的人工反射体信号，也可是工件本身已知厚度的平行面的反射信号。需注意的是，调节扫描速度用的试块应与被检工件具有相同的声速，否则调定的比例与实际不符。,2.检测灵敏度的调整 检测灵敏度是指在确定的声程范围内发现规定大小缺

51、陷的能力。一般根据产品技术要求或有关标准确定，可通过调节仪器上的增益、衰减器、发射强度等灵敏度旋钮来实现。 调整检测灵敏度的目的在于发现工件中规定大小的缺陷，并对缺陷定量。检测灵敏度太高或太低都对检测不利。灵敏度太高，示波屏上杂波多，缺陷判断困难。灵敏度太低，容易发生漏检。,2.检测灵敏度的调整 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。一般根据产品技术要求或有关标准确定，可通过调节仪器上的增益、衰减器、发射强度等灵敏度旋钮来实现。 调整检测灵敏度的目的在于发现工件中规定大小的缺陷，并对缺陷定量。检测灵敏度太高或太低都对检测不利。灵敏度太高，示波屏上杂波多，缺陷判断困难。灵敏度太

52、低，容易发生漏检。,调整检测灵敏度的常用方法有试块调整法和工件底波调整法两种。 （1）试块调整法对于工件厚度x3N或不能获得底波时，采用试块调整法较为适宜，因为x3N时不符合计算法的适用条件，而且幅度随距离的变化不是单调的。如部分钢板检测、锻件检测等。 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，调整仪器上的有关灵敏度旋钮，使示波屏上人工反射体的最高反射回波达到基准高度。同时，在采用试块调整法必须考虑一个问题：试块的表面状态和材质衰减等是否与被检工件相近，在选取试块之后，必须考虑因两者的差异引起的反射波高差异值，并对灵敏度进行补偿。,2）工件底波调整法 利用试块

53、调整灵敏度，操作简单方便，但需要加工不同声程不同当量尺寸的试块，成本高，携带不便。同时还要考虑工件与试块因耦合和衰减不同进行补偿。如果利用工件底波来调整检测灵敏度，那么既不要加工任何试块，又不需要进行传输修正。工件底波调整法只能用于厚度x3N的工件，同时要求工件具有平行底面或圆柱曲底面，且底面光洁干净，如锻件检测。 利用工件底波调整检测灵敏度是根据工件底面回波与同深度的人工缺陷（如平底孔）回波分贝差为定值的原理进行的，这个定值可以由下述理论公式计算出来。 20lgPb/Pf20lg2/Df2（x3N） （61） 式中 x工件厚度，mm； Df要求探出的最小平底孔尺寸，mm。 利用底波调整灵敏度

54、时，将探头对准工件底面，仪器保留足够的衰减余量，一般大于+（610）dB（考虑扫查灵敏度），将抑制旋钮调整至“0”，调增益旋钮使底波B1最高达到基准高度（如80），然后用衰减器增益db（即衰减余量减小dB）。,6.4.2 扫查 将一个探头放到工件上，其所产生的声束范围是它可以检测到的部分。扫查就是移动探头使声束覆盖到工件上需检测的所有体积的过程。因此，扫查的方式，包括探头移动方式、扫查速度、扫查间距等就是为保证扫查的完整而做出的具体规定。 1）扫查方式 扫查方式按探头移动方向、移动轨迹来描述。纵波直探头检测的扫查方式一方面要考虑声束覆盖范围，另一方面，还要根据受检工件的形状、缺陷的可能取向和延

55、伸方向，尽量使缺陷能够重复显现，并使动态波形容易判别。,（2）扫查速度 扫查速度指的是探头在检测面上移动的相对速度。扫查速度应适当，在目视观察时应能保证缺陷回波能清楚地看到，在自动记录时，则要保证记录装置能有明确的记录。 （3）扫查间距 扫查间距指的是相邻扫查线之间的距离（锯齿形扫查为齿距，螺旋线扫查为螺距等）。扫查的间距通常根据探头的最小声束宽度来衡量，保证两次扫查之间有一定比例的覆盖。,6.4.3 缺陷的评定 当超声检测发现缺陷显示信号之后，要对缺陷进行评定，以判断是否危害使用。缺陷评定的内容主要是缺陷位置的确定和缺陷尺寸的评定。缺陷位置的确定包括缺陷平面位置和埋藏深度的确定；缺陷尺寸的评

56、定包括缺陷回波幅度的评定、当量尺寸的评定和缺陷延伸长度（或面积）的测量。 1.缺陷位置的确定 （1）缺陷平面位置的确定 纵波直探头检测时，发现缺陷后，首先找到缺陷波为最大幅度的位置，则缺陷通常位于探头的正下方。由于声束通常有一定的宽度，这种方法确定的缺陷平面位置并不是十分精确的。 （2）缺陷埋藏深度的确定 用纵波直探头进行直接接触法检测时，如果超声检测仪的时基线是按1：n的比例调节的，观察到缺陷回波前沿所对的水平刻度值为f，则缺陷至探头的距离Xf为： Xf=n f,xfnf,2.缺陷尺寸的评定 在实际检测中，由于自然缺陷的形状、性质等是多种多样的，要通过超声回波信号确定缺陷的真实尺寸还是比较困

57、难的。目前主要是利用来自缺陷的反射波高、沿工件表面测出的缺陷延伸范围以及存在缺陷时底面回波的变化等信息，对缺陷的尺寸进行评定。评定的方法包括回波高度法、当量评定法和长度测量法。当缺陷尺寸小于声束截面时，可用缺陷回波幅度当量直接表示缺陷的大小；当缺陷大于声束截面时，幅度当量不能表示出缺陷的尺寸，则需用缺陷指示长度测定方法确定缺陷的延伸长度。,（2）当量评定法 当量评定法是将缺陷的回波幅度与规则形状的人工反射体的回波幅度进行比较的方法，如果两者的埋深相同，反射波高相等，则称该人工反射体的反射面尺寸为缺陷的当量尺寸，典型表述为：缺陷当量平底孔尺寸为2mm，或缺陷尺寸为2mm平底孔当量。当量评定法适用

58、于面积小于声束截面的缺陷的尺寸评定。 当量评定法的理论基础是第3章所讲的规则反射体回波声压规律。但是由于影响缺陷反射回波幅度的因素很多，所以当量法确定的当量尺寸并不是缺陷的真实尺寸。因为人工反射体是一个规则形状缺陷，且界面反射率较大，通常情况下实际缺陷的实际尺寸要大于当量尺寸。 当量评定的方法有试块对比法、当量计算法和AVG曲线法。,（3）缺陷延伸长度的测定 对于面积大于声束截面或长度大于声束截面直径的缺陷，可根据可检测到缺陷的探头移动范围来确定缺陷的大小，通常称为缺陷指示长度的测定。 缺陷指示长度测定的原理是：当声束整个宽度全部入射到大于声束截面的缺陷上时，缺陷的反射幅度为其最大值，而当声束

59、的一部分离开缺陷时，缺陷反射面积减小，回波幅度降低，完全离开时，缺陷回波不再显现，这样，就可以根据缺陷最大回波高度降低的情况和探头移动的距离来确定缺陷的边缘范围或长度。 实际检测时，缺陷的回波高度完全消失的临界位置是难以界定的，所以，按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。 由于实际工件中缺陷的取向、性质、表面状态等都会影响缺陷回波高度，因此缺陷的指示长度总是与缺陷的实际长度有一定的差别。,根据测定缺陷长度时的灵敏度基准不同，可以将测长法分为相对灵敏度法、绝对灵敏度法和端点峰值法。 1）相对灵敏度测长法。相对灵敏度测长法是以缺陷最高回波为相对基准，沿缺陷的长度方向移动探头，降低一定的dB值来测定缺陷的长度。降低的分贝值有3dB、6dB、10dB、12dB、20dB等几种。 图66 半波高度法 （6dB）测长 a.6dB法（半波高度法）：由于波高降低6dB后正好为原来的一半，因此6dB法又称为半波高度法。 半波高度法具体做法是：移动探头找到缺陷的最大反射波（调节增益或衰减使其不能达到100），然后沿缺陷方向左右移动探头，当缺陷波高降低一半时，探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度。 6dB法的具体做法是：移动探头找到缺陷的最大反