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超聲波探傷儀之理論基礎(chǔ)

• 無損檢測概述

無損檢測包括射線檢測（RT）、超聲檢測（UT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）和渦流檢測（ET）等五種檢測方法。主要應(yīng)用于金屬材料制造的機(jī)械、器件等的原材料、零部件和焊縫，也可用于玻璃等其它制品。

射線檢測適用于碳素鋼、低合金鋼、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金材料制機(jī)械、器件等的焊縫及鋼管對(duì)接環(huán)縫。射線對(duì)人體不利，應(yīng)盡量避免射線的直接照射和散射線的影響。

超聲檢測系指用A型脈沖反射超聲波探傷儀檢測缺陷，適用于金屬制品原材料、零部件和焊縫的超聲檢測以及超聲測厚。

磁粉檢測適用于鐵磁性材料制品及其零部件表面、近表面缺陷的檢測，包括干磁粉、濕磁粉、熒光和非熒光磁粉檢測方法。

滲透檢測適用于金屬制品及其零部件表面開口缺陷的檢測，包括熒光和著色滲透檢測。

渦流檢測適用于管材檢測，如圓形無縫鋼管及焊接鋼管、鋁及鋁合金拉薄壁管等。

磁粉、滲透和渦流統(tǒng)稱為表面檢測。

• 超聲波探傷的物理基礎(chǔ)

*節(jié) 基本知識(shí)

超聲波是一種機(jī)械波，機(jī)械振動(dòng)與波動(dòng)是超聲波探傷的物理基礎(chǔ)。

物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)的傳播過程，稱為波動(dòng)。波動(dòng)分為機(jī)械波和電磁波兩大類。機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程。超聲波就是一種機(jī)械波。

機(jī)械波主要參數(shù)有波長、頻率和波速。波長l：同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離稱為波長，波源或介質(zhì)中任意一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長的距離，常用單位為米(m)；頻率f：波動(dòng)過程中，任一給定點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)所通過的完整波的個(gè)數(shù)稱為頻率  ，常用單位為赫茲(Hz)；波速C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速，常用單位為米/秒（m/s）。

由上述定義可得：C=l f ，即波長與波速成正比，與頻率成反比；當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長就愈長；當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長就愈長。

次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度相同。它們的區(qū)別在主要在于頻率不同。頻率在20~20000Hz之間的能引起人們聽覺的機(jī)械波稱為聲波，頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波，頻率高于20000Hz的機(jī)械波稱為超聲波。次聲波、超聲波不可聞。

超聲探傷所用的頻率一般在0.5~10MHz之間，對(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為1~5MHz。超聲波波長很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛用于無損探傷。

• 方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的機(jī)械波，在無損探傷中使用的波長為毫米級(jí)；超聲波象光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射，易于在被檢材料中發(fā)現(xiàn)缺陷。
• 能量高：由于能量（聲強(qiáng)）與頻率平方成正比，因此超聲波的能量遠(yuǎn)大于一般聲波的能量。
• 能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換：超聲波具有幾何聲學(xué)的上一些特點(diǎn)，如在介質(zhì)中直線傳播，遇界面產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等。
• 穿透能力強(qiáng)：超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在一些金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。

• 波的類型及波速測量

一．波的類型

根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向相對(duì)于波的傳播方向的不同，可將波動(dòng)分為縱波、橫波、表面波和板波等。

• 縱波L

介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用L表示。

當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波；凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)能承受位伸或壓縮應(yīng)力；液體和氣體雖不能承受拉伸應(yīng)力，但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生容積變化。因此固體、液體和氣體都能傳播縱波。鋼中縱波聲速一般為5960m/s?？v波一般應(yīng)用于鋼板、鍛件探傷。

• 橫波S(T)

介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波，用S或T表示。

當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生剪切形變，從而形成橫波；只有固體介質(zhì)才能承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)不能承受剪切應(yīng)力，因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。鋼中橫波聲速一般為3230m/s。橫波一般應(yīng)用于焊縫、鋼管探傷。

• 表面波R

當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用R表示。又稱瑞利波。

表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向；橢圓運(yùn)動(dòng)可視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波與橫波的合成，因此表面波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。

表面波的能量隨深度增加而迅速減弱，當(dāng)傳播深度超過兩倍波長時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了，因此，一般認(rèn)為表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。表面波一般應(yīng)用于鋼管探傷。

• 板波

在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟ǎQ為板波。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。板波一般應(yīng)用于薄板、薄壁鋼管探傷。

二．超聲波聲速測量

對(duì)探傷人員來說，用探傷儀測量聲速是簡便的，用這種方法測聲速，可用單探頭反射法或雙探頭穿透法；可用于測縱波聲速和橫波聲速。

• 反射法測縱波聲速

聲速按下式計(jì)算：

聲速 C=2d/(T₁-t)； t = 2T₁ – T₂

式中    d   ------ 工件厚度；

t   ------ 由探頭晶片至工件表面?zhèn)鬏敃r(shí)間；

T₁  ------ 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時(shí)間；

T₂   ------ 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時(shí)間；

• 穿透法測縱波聲速

聲速按下式計(jì)算：

聲速 C=d/(T₁-t)； t = 2T₁ – T₂

式中    d   ------ 工件厚度；

t   ------ 由探頭晶片至工件表面?zhèn)鬏敃r(shí)間；

T₁  ------ 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時(shí)間；

T₂   ------ 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時(shí)間；

• 反射法測橫波聲速

用半圓弧測橫波聲速，按下式計(jì)算：

聲速 C=2d/(T₁-t)； t = 2T₁ – T₂

式中    d   ------ 半圓半徑長度；

t   ------ 由探頭晶片至半圓弧探測面?zhèn)鬏敃r(shí)間；

T₁  ------ 由探頭晶片至圓弧面一次波傳輸時(shí)間；

T₂   ------ 由探頭晶片至圓弧面二次波傳輸時(shí)間；

• 波的若干概念

• 波的迭加與干涉

• 波的迭加原理

當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起振動(dòng)的合成，在任意時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起的位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長、振動(dòng)方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。

波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實(shí)觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個(gè)石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后的傳播情況。又如樂隊(duì)合奏或幾個(gè)人談話，人們可以分辨出各種樂器或各人的聲音，這些都可以說明波傳播的獨(dú)立性。

• 波的干涉

兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)互相減弱或*抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。

波的迭加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動(dòng)的重要特征。在超聲波探傷中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大極小值。

• 惠更斯原理和波的衍射

1.惠更斯原理

如前所述，波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)中任何質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，因此波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯提出了的惠更斯原理：介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。

2.波的衍射（繞射）

波在傳播過程中遇到與波長相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。

當(dāng)D<<l時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢；當(dāng)D>>l時(shí)，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。

波的繞射對(duì)探傷即有利又不利。由于波的繞射，使超聲波產(chǎn)生晶料繞射順利地在介質(zhì)中傳播，這對(duì)探傷有利；但同時(shí)由于波的繞射，使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢，這對(duì)探傷不利。一般超聲波探傷靈敏度約為l/2。

• 超聲場的特征值

充滿超聲波的空間或超聲振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場；超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場的特征植（即物理量）主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。

1.聲壓P

超聲場中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)P₁與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)P₀之差，稱為該點(diǎn)的聲壓，用P表示（P = P₁ - P₀）。

聲壓幅值 p = rcu = rc(2pfA)

其中 r----介質(zhì)的密度;

c----波速;

u----質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度；

A----聲壓大幅值；

f----頻率。

超聲場中某一點(diǎn)的聲壓的幅值與介質(zhì)的密度、波速和頻率成正比。在超聲波探傷儀上，屏幕上顯示的波高與聲壓成正比。

2.聲阻抗Z

超聲場中任一點(diǎn)的聲壓p與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度u之比稱為聲阻抗，常用Z表示。

Z = p / u = rcu / u = rc

由上式可知，聲阻抗的大小等于介質(zhì)的密度與波速的乘積。由u = P/Z可知，在同一聲壓下，Z增加，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度下降。因此聲阻抗Z可理解為介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。

3.聲強(qiáng)I

單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，常用I表示。

I = Z u²/2 = P²/(2Z)

當(dāng)超聲波傳播到介質(zhì)中某處時(shí)，該處原來靜止不動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)開始振動(dòng)，因而具有動(dòng)能；同時(shí)該處介質(zhì)產(chǎn)生彈性變形，因而也具有彈性位能；聲能為兩者之和。

聲波的聲強(qiáng)與頻率平方成正比，而超聲波的頻率遠(yuǎn)大于可聞聲波。因此超聲波的聲強(qiáng)也遠(yuǎn)大于可聞聲波的聲強(qiáng)。這是超聲波能用于探傷的重要原因。

在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比。

• 分貝的概念與應(yīng)用

• 概念

由于在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，所遇到的聲強(qiáng)數(shù)量級(jí)往往相差懸殊，如引起聽覺的聲強(qiáng)范圍為10^{- 16} ~ 10^{– 4} 瓦/厘米²，zui大值與zui小值相差12個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然采用量來度量是不方便的，但如果對(duì)其比值（相對(duì)量）取對(duì)數(shù)來比較計(jì)算則可大簡化運(yùn)算。分貝就是兩個(gè)同量綱的量之比取對(duì)數(shù)后的單位。

通常規(guī)定引起聽覺的zui弱聲強(qiáng)為I₁ = 10 ^–16  瓦/厘米² 作為聲強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，另一聲強(qiáng)I₂與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I₁ 之比的常用對(duì)數(shù)稱為聲強(qiáng)級(jí)，單位是貝爾(BeL)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝（dB）來作單位。（如取自然對(duì)數(shù)，則單位為奈培NP）

D = lg (I₂/I₁)  (Bel)

  =10 lg (I₂/I₁) = 20 lg (P₂/P₁)  (dB)

在超聲波探傷中，當(dāng)超聲波探傷儀的垂直線性較好時(shí)，儀器屏幕上的波高與聲壓成正比。這時(shí)有

D = 20 lg (P₂/P₁) = 20 lg(H₂/H₁)  (dB)

這時(shí)聲壓基準(zhǔn)P₁或波高基準(zhǔn)H₁可以任意選取。

• 應(yīng)用

分貝用于表示兩個(gè)相差很大的量之比顯得很方便，在聲學(xué)和電學(xué)中都得到廣泛的應(yīng)用，特別是在超聲波探傷中應(yīng)用更為廣泛。例如屏上兩波高的比較就常常用dB表示。

例如，屏上一波高為80％，另一波高為20％，則前者比后者高

D = 20 lg(H₂/H₁) = 20 lg(80/20) = 12 （dB）

用分貝值表示回波幅度的相互關(guān)系，不僅可以簡化運(yùn)算，而且在確定基準(zhǔn)波高以后，可直接用儀器的增益值（數(shù)字機(jī)）或衰減值（模擬機(jī)）來表示缺陷波相對(duì)波高。

• 波的反射、透射及衰減

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱為反射波；另一部分能量透過界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，稱為透射波。在界面上聲能（聲壓、聲強(qiáng)）的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律。

• 單一界面的反射和透射

聲能的變化與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)，設(shè)波從介質(zhì)1（聲阻抗Z₁）入射到介質(zhì)2（聲阻抗Z₂），有以下幾種情況：

• Z₂ > Z₁

聲壓反射率小于透射率。如水/鋼界面。

• Z₁> Z₂

聲壓反射率大于透射率。如鋼/水界面。

聲強(qiáng)反射率及透射率只與Z₁ 、Z₂的數(shù)值有關(guān)，與從哪種介質(zhì)入射無關(guān)。

• Z₁>> Z₂

聲壓（聲強(qiáng)）幾乎全反射，透射率趨于0。如鋼/空氣界面。

• Z₁» Z₂

此時(shí)幾乎全透射，無反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。

• 薄層界面的反射和透射

此情況主要對(duì)探頭保護(hù)膜設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

當(dāng)超聲波依次從三種介質(zhì)Z₁、 Z₂ 、Z₃(如晶片—保護(hù)膜—工件)中穿過，則當(dāng)薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，通過薄層的聲強(qiáng)透射與薄層的性質(zhì)無關(guān)，即好象不存在薄層一樣；當(dāng)薄層厚度等于四分之一波長的奇數(shù)倍且薄層聲阻抗為其兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗幾何平均值   （Z₂ = （Z₂ Z₃）^1/2 ）時(shí)，超聲波全透射

• 波型轉(zhuǎn)換和反射、折射定律

當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。

• 縱波斜入射

• 橫波入射

• 超聲波的衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因是波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收

• 擴(kuò)散衰減

超聲波在傳播過程中，由于波束的擴(kuò)散，使超聲波的能量隨距離增加面逐漸減弱的現(xiàn)象叫做擴(kuò)散衰減。超聲波的擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的形狀，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。

• 散射衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象，稱為散射衰減。散射衰減與材質(zhì)的晶粒密切相關(guān)，當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在屏上引起林狀回波（又叫草波），使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會(huì)湮沒缺陷波。

• 吸收衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)磨擦（即粘滯性）和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減或粘滯衰減

通常所說的介質(zhì)衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴(kuò)散衰減。

• 超聲波發(fā)射聲場和規(guī)則反射體的回波聲壓

超聲波探頭（波源）發(fā)射的超聲場，具有特殊的結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)

• 圓盤波源輻射的縱波聲場

在不考慮介質(zhì)衰減的條件下，當(dāng)離波源較遠(yuǎn)處軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。

1.近場區(qū)

波源附件由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，稱為超聲場的近場區(qū)。近場區(qū)聲壓分布不均，是由于波源各點(diǎn)至軸線上某點(diǎn)的距離不同，存在波程差，互相迭加時(shí)存在位相差而互相干涉，使某些地方聲壓互相加強(qiáng)，另一些地方互相減弱，于是就出現(xiàn)聲壓極大極小值的點(diǎn)。

波源軸線上zui后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度，用N表示。

N = （D_s² - l²）/(4l) » D_s²/(4l)

2.遠(yuǎn)場區(qū)

波源軸線上至波源的距離x >N的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)。遠(yuǎn)場區(qū)軸線上的聲壓隨距離增加單調(diào)減少。當(dāng) x >3N時(shí)，聲壓與距離成反比，近似球面波的規(guī)律。因?yàn)榫嚯xx足夠大時(shí)，波源各點(diǎn)至軸線上某一點(diǎn)的波程差很小，引起的相位差也很小，這樣干涉現(xiàn)象可以略去不計(jì)，所以遠(yuǎn)場區(qū)不會(huì)出現(xiàn)聲壓極大極小值。

3.近場區(qū)在兩種介質(zhì)中分布

實(shí)際探傷時(shí)，有時(shí)近場區(qū)分布在兩種不同的介質(zhì)中，如水浸探傷，超聲波*入水，然后再進(jìn)入鋼中，當(dāng)水層厚度較小時(shí)，近場區(qū)就會(huì)分布在水、鋼兩種介質(zhì)中。設(shè)水層厚度為L，則鋼中剩余近場區(qū)長度N為

N = D_s²/(4l) – Lc₁/c₂

式中 c₁----介質(zhì)1水中波速；

c₂----介質(zhì)2鋼中波速；

l ----介質(zhì)2鋼中波長。

在近場區(qū)內(nèi)，實(shí)際聲場與理想聲場存在明顯區(qū)別，實(shí)際聲場軸線上聲壓雖也存在極大極小值，但波動(dòng)幅度小，極值點(diǎn)的數(shù)量也明顯減少。

• 橫波聲場

目前常用的橫波探頭，是使縱波斜入射到界面上，通過波形轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)橫波探傷的，當(dāng)入射角在*、第二臨界角之間時(shí)，縱波全反射，第二介質(zhì)中只有折射橫波。

橫波聲場同縱波聲場一樣由于波的干涉存在近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)，當(dāng)x≥3N時(shí)，波束軸線上的聲壓與波源面積成正比，與至假想波源的距離成反比，類似縱波聲場。當(dāng)橫波探頭晶片尺寸一定時(shí)，K值增大，近場區(qū)長度將減小。

• 規(guī)則反射體的回波聲壓

在實(shí)際探傷中一般采用反射法，即根據(jù)缺陷反射回波聲壓的高低來評(píng)價(jià)缺陷的大小。然而工件中的缺陷形狀性質(zhì)各不相同，目前的探傷技術(shù)還難以確定缺陷的真實(shí)大小和形狀，回波聲壓相同的缺陷的實(shí)際大小可能相差很大，為此特引用當(dāng)量法；當(dāng)量法是指在同樣的探測條件下，當(dāng)自然缺陷回波與某人工規(guī)則反射體回波等高時(shí)，則該人工規(guī)則反射體的尺寸就是此自然缺陷的當(dāng)量尺寸。自然缺陷的實(shí)際尺寸往往大于當(dāng)量尺寸。

超聲波探傷中常用的規(guī)則反射體有平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔和大平底面等。

回波聲壓公式（考慮介質(zhì)衰減因素）：

• AVG曲線

AVG曲線是描述規(guī)則反射體的距離、回波高及當(dāng)量大小之間關(guān)系的曲線；A、V、G是德文距離、增益和大小的字頭縮寫，英文縮寫為DGS。AVG曲線可用于對(duì)缺陷定量和靈敏度調(diào)整。

以橫坐標(biāo)表示實(shí)際聲程，縱坐標(biāo)表示規(guī)則反射體相對(duì)波高，用來描述距離、波幅、當(dāng)量大小之間的關(guān)系曲線，稱為實(shí)用AVG曲線。實(shí)用AVG曲線可由以下公式得到：

不同距離的大平底回波dB差

  Δ=20lgPB1/PB2=20lgX2/X1

不同距離的不同大小平底孔回波dB差

  Δ=20lgPf1/Pf2=40lgDf1X2/Df2X1

同距離的大平底與平底孔回波dB差

  Δ=20lgPB/Pf=20lg2λX/πDfDf

用以上公式計(jì)算繪制實(shí)用AVG曲線時(shí)，要統(tǒng)一靈敏度基準(zhǔn)。

• 儀器、探頭和試塊

超聲波探傷儀、探頭和試塊是超聲波探傷的重要設(shè)備，了解這些設(shè)備的原理、構(gòu)造和作用及其主要性能的測試方法是正確選用探傷設(shè)備進(jìn)行有效探傷的保證。

• 超聲波探傷儀

1.作用

超聲波探傷儀的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器（探頭）上，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過一定方式顯示出來，從而得到被探工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷位置和大小等信息。

2.分類

按缺陷顯示方式分類，超聲波探傷儀分為三種。

A型：A型顯示是一種波形顯示，探傷儀的屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播距離，縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。

B型：B型顯示是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表探頭的掃查軌跡，縱坐標(biāo)代表聲波的傳播距離，因而可直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。

C型：C型顯示也是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都代表探頭在工件表面的位置，探頭接收信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示，因而當(dāng)探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)，屏上顯示出被探工件內(nèi)部缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。

目前，探傷中廣泛使用的超聲波探傷儀都是A型顯示脈沖反射式探傷儀。

3.A型脈沖反射式模擬超聲波探傷儀的一般原理

• 探頭

超聲波的發(fā)射和接收是通過探頭來實(shí)現(xiàn)的。下面介紹探頭的工作原理、主要性能及其及結(jié)構(gòu)。

• 壓電效應(yīng)

某些晶體材料在交變拉壓應(yīng)作用下，產(chǎn)生交變電場的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。反之當(dāng)晶體材料在交變電場作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。

超聲波探頭中的壓電晶片具有壓電效應(yīng)，當(dāng)高頻電脈沖激勵(lì)壓電晶片時(shí)，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能(機(jī)械能)，探頭發(fā)射超聲波。當(dāng)探頭接收超聲波時(shí)，發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換為電能。不難看出超聲波探頭在工作時(shí)實(shí)現(xiàn)了電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換，因此常把探頭叫做換能器。

• 探頭的種類和結(jié)構(gòu)

直探頭用于發(fā)射和接收縱波，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如板材、鍛件探傷等。

斜探頭可分為縱波斜探頭、橫波斜探頭和表面波斜探頭，常用的是橫波斜探頭。橫波斜探頭主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫、汽輪機(jī)葉輪等。

當(dāng)斜探頭的入射角大于或等于第二臨界角時(shí)，在工件中產(chǎn)生表面波，表面波探頭用于探測表面或近表面缺陷。

雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發(fā)射超聲波，另一塊用于接收超聲波。根據(jù)入射角不同，分為雙晶縱波探頭和雙晶橫波探頭。

雙晶探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 靈敏度高
• 雜波少盲區(qū)小
• 工件中近場區(qū)長度小
• 探測范圍可調(diào)

雙晶探頭主要用于探傷近表面缺陷。

聚焦探頭種類較多。

• 探頭型號(hào)

探頭型號(hào)的組成項(xiàng)目及排列順序如下：

基本頻率-晶片材料-晶片尺寸-探頭種類-特征

• 試塊

按一定用途設(shè)計(jì)制作的具有簡單幾何形狀人工反射體的試樣，通常稱為試塊。試塊和儀器、探頭一樣，是超聲波探傷中的重要工具。

• 試塊的作用

• 確定探傷靈敏度

超聲波探傷靈敏度太高或太低都不好，太高雜波多，判傷困難，太低會(huì)引起漏檢。因此在超聲波探傷前，常用試塊上某一特定的人工反射體來調(diào)整探傷靈敏度。

• 測試探頭的性能

超聲波探傷儀和探頭的一些重要性能，如放大線性、水平線性、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度余量、分辨力、盲區(qū)、探頭的入射點(diǎn)、K值等都是利用試塊來測試的。

• 調(diào)整掃描速度

利用試塊可以調(diào)整儀器屏幕上水平刻度值與實(shí)際聲程之間的比例關(guān)系，即掃描速度，以便對(duì)缺陷進(jìn)行定位。

• 評(píng)判缺陷的大小

利用某些試塊繪出的距離-波幅-當(dāng)量曲線（即實(shí)用AVG）來對(duì)缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特別是3N以內(nèi)的缺陷，采用試塊比較法仍然是zui有效的定量方法。此外還可利用試塊來測量材料的聲速、衰減性能等。

2.試塊的分類

• 按試塊來歷分為：標(biāo)準(zhǔn)試塊和參考試塊。
• 按試塊上人工反射體分：平底孔試塊、橫孔試塊和槽形試塊

3.試塊的要求和維護(hù)

• 常用試塊簡介（儀器使用時(shí)重點(diǎn)講解）

IIW(CSK-IA)

CS-1

CSK-IIIA

• 儀器和探頭的性能及其測試

儀器和探頭的性能包括儀器的性能、探頭的性能以及儀器與探頭的綜合性能。儀器的性能僅與儀器有關(guān)，如儀器的垂直線性、水平線性和動(dòng)態(tài)范圍等。探頭的性能僅與探頭有關(guān)，如探頭入射點(diǎn)、K值、雙峰、主聲束偏離等。儀器與探頭的綜合性能不僅與儀器有關(guān)，而且與探頭有關(guān)，如分辨力、盲區(qū)、靈敏度余量等。

• 儀器的性能及其測試

• 垂直線性

儀器的垂直線性是指儀器屏幕上的波高與探頭接收的信號(hào)之間成正比的程度。垂直線性的好壞影響缺陷定量精度。

• 水平線性

儀器水平線性是指儀器屏幕上時(shí)基線顯示的水平刻度值與實(shí)際聲程之間成正比的程度，或者說是屏幕上多次底波等距離的程度。儀器水平線性的好壞直接影響測距精度，進(jìn)而影響缺陷定位。

• 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指儀器屏幕容納信號(hào)大小的能力。

• 探頭的性能及其測試

• 斜探頭入射點(diǎn)

斜探頭的入射點(diǎn)是指其主聲束軸線與探測面的交點(diǎn)。入射點(diǎn)至探頭前沿的距離稱為探頭的前沿長度。測定探頭的入射點(diǎn)和前沿長度是為了便于對(duì)缺陷定位和測定探頭的K值。

注意試塊上R應(yīng)大于鋼中近場區(qū)長度N，因?yàn)榻鼒鰠^(qū)同軸線上的聲壓不一定zui高，測試誤差大。

• 斜探頭K值和折射角

斜探頭K值是指被探工件中橫波折射角的正切值。

注意測定斜探頭的K值或折射角也應(yīng)在近場區(qū)以外進(jìn)行。

• 探頭主聲束偏離和雙峰

探頭實(shí)際主聲束與其理論幾何中心軸線的偏離程度稱為主聲束的偏離。

平行移動(dòng)探頭，同一反射體產(chǎn)生兩個(gè)波峰的現(xiàn)象稱為雙峰。

探頭主聲束偏離和雙峰，將會(huì)影響對(duì)缺陷的定位和判別。

• 探頭聲束特性

探頭聲束特性是指探頭發(fā)射聲束的擴(kuò)散情況，常用軸線上聲壓下降6dB時(shí)探頭移動(dòng)距離（即某處的聲束寬度）來表示。

• 儀器和探頭的綜合性能及其測試

• 靈敏度

超聲波探傷中靈敏度一般是指整個(gè)探傷系統(tǒng)（儀器和探頭）發(fā)現(xiàn)zui小缺陷的能力。發(fā)現(xiàn)缺陷愈小，靈敏度就愈高。

儀器的探頭的靈敏度常用靈敏度余量來衡量。靈敏度余量是指儀器zui大輸出時(shí)（增益、發(fā)射強(qiáng)度zui大，衰減和抑制為0），使規(guī)定反射體回波達(dá)基準(zhǔn)高所需衰減的衰減總量。靈敏度余量大，說明儀器與探頭的靈敏度高。靈敏度余量與儀器和探頭的綜合性能有關(guān)，因此又叫儀器與探頭的綜合靈敏度。

• 盲區(qū)與始脈沖寬度

盲區(qū)是指從探測面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的zui小距離。盲區(qū)內(nèi)的缺陷一概不能發(fā)現(xiàn)。

始脈沖寬度是指在一定的靈敏度下，屏幕上高度超過垂直幅度20％時(shí)的始脈沖延續(xù)長度。始脈沖寬度與靈敏度有關(guān)，靈敏度高，始脈沖寬度大。

• 分辨力

儀器與探頭的分辨力是指在屏幕上區(qū)分相鄰兩缺陷的能力。能區(qū)分的相鄰兩缺陷的距離愈小，分辨力就愈高。

• 信噪比

信噪比是指屏幕上有用的zui小缺陷信號(hào)幅度與無用的噪聲雜波幅度之比。信噪比高，雜波少，對(duì)探傷有利。信噪比太低，容易引起漏檢或誤判，嚴(yán)重時(shí)甚至無法進(jìn)行探傷。

• 常用探傷方法和技術(shù)

• 探傷方法概述

• 按原理分類

超聲波探傷方法按原理分類，可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。

• 脈沖反射法

超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢試件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試件缺陷的方法，稱為脈沖反射法。脈沖反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。

• 穿透法

穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法。穿透法常采用兩個(gè)探頭，一收一發(fā)，分別放置在試件的兩側(cè)進(jìn)行探測。

• 共振法

若聲波（頻率可調(diào)的連續(xù)波）在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長的整數(shù)倍時(shí)，將引起共振，儀器顯示出共振頻率。當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷或工件厚度發(fā)生變化時(shí)，將改變試件的共振頻率，依據(jù)試件的共振頻率特性，來判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱為共振法。共振法常用于試件測厚。

• 按波形分類

根據(jù)探傷采用的波形，可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。

• 縱波法

使用直探頭發(fā)射縱波進(jìn)行探傷的方法，稱為縱波法。此時(shí)波束垂直入射至試件探測面，以不變的波型和方向透入試件，所以又稱為垂直入射法，簡稱垂直法。

垂直法分為單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。常用單晶探頭反射法。

垂直法主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的探傷，該法對(duì)與探測面平行的缺陷檢出效果。由于盲區(qū)和分辨力的限制，其中反射法只能發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部離探測面一定距離以外的缺陷。

在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，縱波速度大于其它波型的速度，穿透能力強(qiáng)，晶界反射或散射的敏感性較差，所以可探測工件的厚度是所有波型中zui大的，而且可用于粗晶材料的探傷。

• 橫波法

將縱波通過楔塊、水等介質(zhì)傾斜入射至試件探測面，利用波型轉(zhuǎn)換得到橫波進(jìn)行探傷的方法，稱為橫波法。由于透入試件的橫波束與探測面成銳角，所以又稱斜射法。

此方法主要用于管材、焊縫的探傷；其它試件探傷時(shí)，則作為一種有效的輔助手段，用以發(fā)現(xiàn)垂直法不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。

• 表面波法

使用表面波進(jìn)行探傷的方法，稱為表面波法。這種方法主要用于表面光滑的試件。表面波波長很短，衰減很大。同時(shí)，它僅沿表面?zhèn)鞑?，?duì)于表面上的復(fù)層、油污、不光潔等，反應(yīng)敏感，并被大量地衰減。利用此特點(diǎn)可通過手沾油在聲束傳播方向上進(jìn)行觸摸并觀察缺陷回波高度的變化，對(duì)缺陷定位。

• 板波法

使用板波進(jìn)行探傷的方法，稱為板波法。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡單的試件探傷。探傷時(shí)板波充塞于整個(gè)試件，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部和表面的缺陷。

• 爬波法

• 按探頭數(shù)目分類

• 單探頭法

使用一個(gè)探頭兼作發(fā)射和接收超聲波的探傷方法稱為單探頭法，單探頭法zui常用。

• 雙探頭法

使用兩個(gè)探頭（一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收）進(jìn)行探傷的方法稱為雙探頭法，主要用于發(fā)現(xiàn)單探頭難以檢出的缺陷

• 多探頭法

使用兩個(gè)以上的探頭成對(duì)地組合在一起進(jìn)行探傷的方法，稱為多探頭法。

• 按探頭接觸方式分類

• 直接接觸法

探頭與試件探測面之間，涂有很薄的耦合劑層，因此可以看作為兩者直接接觸，此法稱為直接接觸法。

此法操作方便，探傷圖形較簡單，判斷容易，檢出缺陷靈敏度高，是實(shí)際探傷中用得zui多的方法。但對(duì)被測試件探測面的粗糙度要求較高。

• 液浸法

將探頭和工件浸于液體中以液體作耦合劑進(jìn)行探傷的方法，稱為液浸法。耦合劑可以是油，也可以是水。

液浸法適用于表面粗糙的試件，探頭也不易磨損，耦合穩(wěn)定，探測結(jié)果重復(fù)性好，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化探傷。

液浸法分為全浸沒式和局部浸沒式。

• 儀器、探頭的選擇及耦合與補(bǔ)償

• 探傷儀的選擇
• 探頭的選擇

超聲波探傷中，超聲波的發(fā)射和接收都是通過探頭來實(shí)現(xiàn)的。探頭的種類很多，結(jié)構(gòu)型式也不一樣。探傷前應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象的形狀、衰減和技術(shù)要求來選擇探頭，探頭的選擇包括探頭型式、頻率、晶片尺寸和斜探頭K值的選擇等。

• 探頭型式的選擇

常用的探頭型式有縱波直探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭，聚焦探頭等。一般根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的型式，使聲束軸線盡量與缺陷垂直。

縱波直探頭波束軸線垂直于探測面，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折疊等缺陷。

橫波斜探頭主要用于探測與探測面垂直可成一定角度的缺陷，如焊縫中未焊透、夾渣、未溶合等缺陷。

表面波探頭用于探測工件表面缺陷，雙晶探頭用于探測工件近表面缺陷，聚焦探頭用于水浸探測管材或板材。

• 探頭頻率的選擇。

超聲波探傷頻率0.5~10MHz之間，選擇范圍大。一般選擇頻率時(shí)應(yīng)考慮以下因素:

• 由于波的繞射，使超聲波探傷靈敏度約為波長的一半，因此提高頻率，有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷。
• 頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區(qū)分相鄰缺陷。
• 頻率高，波長短，則半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，能量集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷定位。
• 頻率高，波長短，近場區(qū)長度大，對(duì)探傷不利。
• 頻率增加，衰減急劇增加。

由以上分析可知，頻率的高低對(duì)探傷有較大的影響，頻率高，靈敏度和分辨力高，指向性好，對(duì)探傷有利；但近場區(qū)長度大，衰減大，又對(duì)探傷不利。實(shí)際探傷中要全面分析考慮各方面的因素，合理選擇頻率。一般在保證探傷靈敏度的前提下盡可能選用較低的頻率。

對(duì)于晶粒較細(xì)的鍛件、軋制件和焊接件等，一般選用較高的頻率，常用2.5~5MHz；對(duì)晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等宜選用較低的頻率，常用0.5~2.5MHz。如果頻率過高，就會(huì)引起嚴(yán)重衰減，屏幕上出現(xiàn)林狀回波，信噪比下降，甚至無法探傷。

• 探頭晶片尺寸的選擇

晶片尺寸對(duì)探傷也有一定的影響，選擇晶片尺寸進(jìn)要考慮以下因素：

• 晶片尺寸增加，半擴(kuò)散角減少，波束指向性變好，超聲波能量集中，對(duì)探傷有利。
• 晶片尺寸增加，近場區(qū)長度迅速增加，對(duì)探傷不利。
• 晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，探頭未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍大，遠(yuǎn)距離掃查范圍相對(duì)變小，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力增強(qiáng)。

以上分析說明晶片大小對(duì)聲束指向性、近場區(qū)長度、近距離掃查范圍和遠(yuǎn)距離缺陷檢出能力有較大的影響。實(shí)際探傷中，探傷面積范圍大的工件時(shí)，為了提高探傷效率宜選用大晶片探頭；探傷厚度大的工件時(shí)，為了有效地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的缺陷宜選用大晶片探頭；探傷小型工件時(shí)，為了提高缺陷定位定量精度宜選用小晶片探頭；探傷表面不太平整，曲率較低較大的工件時(shí)，為了減少耦合損失宜選用小晶片探頭。

• 橫波斜頭K值的選擇

在橫波探傷中，探頭的K值對(duì)探傷靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程（入射點(diǎn)至底面反射點(diǎn)的距離）有較大的影響。K值大，一次波的聲程大。因此在實(shí)際探傷中，當(dāng)工件厚度較小時(shí)，應(yīng)選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區(qū)探傷；當(dāng)工件厚度較大時(shí)，應(yīng)選用較小的K值，以減少聲程過大引起的衰減，便于發(fā)現(xiàn)深度較大處的缺陷。在焊縫探傷中，不要保證主聲束能掃查整個(gè)焊縫截面；對(duì)于單面焊根未焊透，還要考慮端角反射問題，應(yīng)使K=0.7~1.5,因?yàn)镵<0.7或K>1.5，端角反射很低，容易引起漏檢。

• 耦合

超聲耦合是指超聲波在探測面上的聲強(qiáng)透射率。聲強(qiáng)透射率高，超聲耦合好。為提高耦合效果，在探頭與工件表面之間施加的一層透聲介質(zhì)稱為而耦合劑。耦合劑的作用在于排除探頭與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效地傳入工件，達(dá)到探傷的目的；耦合劑還有減少磨擦的作用。

影響聲耦合的主要因素有：耦合層的厚度，耦合劑的聲阻抗，工件表面粗糙度和工件表面形狀。

• 表面耦合損耗的補(bǔ)償

在實(shí)際探傷中，當(dāng)調(diào)節(jié)探傷靈敏度用的試塊與工件表面粗糙度、曲率半徑不同時(shí)，往往由于工件耦合損耗大而使探傷靈敏度降低，為了彌補(bǔ)耦合損耗，必須增大儀器的輸出來進(jìn)行補(bǔ)償。

• 儀器調(diào)節(jié)和缺陷定位

在實(shí)際探傷中，為了在確定的探測范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)規(guī)定大小的缺陷，并對(duì)缺陷定位和定量，就必須在探測前調(diào)節(jié)好儀器。

• 零點(diǎn)調(diào)節(jié)

由于超聲波通過保護(hù)膜、耦合劑（直探頭）或有機(jī)玻璃楔塊（斜探頭）進(jìn)入待測工件的，缺陷定位時(shí)，需將這部分聲程移去，才能得到超聲波在工件中實(shí)際聲程。

零點(diǎn)一般是通過已知聲程的試塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，如CSK-IA試塊中的R100圓弧面（斜探頭）或深100mm的大平底（直探頭）。

• K值調(diào)節(jié)

由于斜探頭探傷時(shí)不僅要知道缺陷的聲程，更要得出缺陷的垂直和水平位置，因此斜探頭還要測定其K值（折射角）才能準(zhǔn)確地對(duì)缺陷進(jìn)行定位。

K值一般是通過對(duì)具有已知深度孔的試塊來調(diào)節(jié)，如用CSK-IA試塊F50或F1.5的孔。

• 定量調(diào)節(jié)

定量調(diào)節(jié)一般采用AVG（直探頭）或DAC（斜探頭）。

• 缺陷定位

超聲波探傷中測定缺陷位置簡稱缺陷定位。

• 縱波（直探頭）定位

縱波定位較簡單，如探頭波束軸線不偏離，缺陷波在屏幕上位置即是缺陷至探頭在垂直方向的距離。

• 表面波定位

表面波探傷定位與縱波定位基本類似，只是缺陷位于工件表面，缺陷波在屏幕上位置是缺陷至探頭在水平方向的距離（此時(shí)要考慮探頭前沿）。

• 橫波定位

橫波斜探頭探傷定位由缺陷的聲程和探頭的折射角或缺陷的水平和垂直方向的投影來確定。

• 橫波周向探測圓柱面時(shí)缺陷定位

周向探傷時(shí)，缺陷定位與平面探傷不同。

• 外圓探傷周向探測
• 內(nèi)壁周向探測

• 缺陷大小的測定和缺陷高度的測定

缺陷定量包括確定缺陷的大小和數(shù)量，而缺陷的大小指缺陷的面積和長度。常用的定量方法有當(dāng)量法、底波高度法和測長法三種。當(dāng)量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于聲束截面的情況，測長法用于缺陷尺寸大于聲束截面的情況。

• 當(dāng)量法測缺陷大小

采用當(dāng)量法確定的缺陷尺寸是缺陷的當(dāng)量尺寸，常用的當(dāng)量法有當(dāng)量試塊比較法、當(dāng)量計(jì)算法和當(dāng)量AVG曲線法。

• 當(dāng)量試塊比較法

當(dāng)量試塊比較法是將工件中的自然缺陷回波與試塊上的人工缺陷回波進(jìn)行比較來對(duì)缺陷定量的方法。

此法的優(yōu)點(diǎn)是直觀易懂，當(dāng)量概念明確，定量比較穩(wěn)妥可靠。但成本高，操作也較煩瑣，很不方便。所以此法應(yīng)用不多，僅在x<3N的情況下或特別重要零件的定量時(shí)應(yīng)用。

• 當(dāng)量計(jì)算法

當(dāng)x>3N時(shí)，規(guī)則反射體的回波聲壓變化規(guī)律基本符合理論回波聲壓公式，當(dāng)量計(jì)算法就是根據(jù)探傷中測得的缺陷波高的dB值，利用各種規(guī)則反射體的理論回波聲壓公式進(jìn)行計(jì)算來確定缺陷當(dāng)量尺寸的定量方法。

3.當(dāng)量AVG曲線法

當(dāng)量AVG曲線法是利用AVG曲線來確定工件中缺陷的當(dāng)量尺寸。

• 測長法測缺陷大小

當(dāng)工件中缺陷尺寸大于聲束截面時(shí)，一般采用測長法來確定缺陷的長度。

測長法是根據(jù)缺陷波高與探頭移動(dòng)距離來確定缺陷的尺寸，按規(guī)定的方法測定的缺陷長度稱為缺陷的指示長度。由于實(shí)際工件中缺陷的取向、性質(zhì)、表面狀態(tài)等都會(huì)影響缺陷回波高度，因此缺陷的指示長度總是小于或等于缺陷的實(shí)際長度。

根據(jù)測定缺陷長度時(shí)的基準(zhǔn)不同將測長法分為相對(duì)靈敏度法、靈敏度法和端點(diǎn)峰值法。

• 底波高度法測缺陷大小

    底波高度法是利用缺陷波與底波的相對(duì)波高來衡量缺陷的相對(duì)大小。當(dāng)工件中存在缺陷時(shí)，由于缺陷的反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高與底波高之比就愈大。

• 缺陷測高

• 影響缺陷定位、定量的主要因素及其它

目前A型脈沖反射式超聲波探傷儀是根據(jù)屏幕上缺陷波的位置和高度來評(píng)價(jià)被檢工件中缺陷的位置和大小，了解影響因素，對(duì)于提高定位、定量精度是十分有益的。

一．影響缺陷定位的主要因素

• 儀器的影響

儀器的水平線性的好壞對(duì)缺陷定位有一定的影響。

• 探頭的影響

探頭的聲束偏離、雙峰、斜楔磨損、指向性等影響缺陷定位。

• 工件的影響

工件的表面粗糙度、材質(zhì)、表面形狀、邊界影響、溫度及缺陷情況等影響缺陷定位。

• 操作人員的影響

儀器調(diào)試時(shí)零點(diǎn)、K值等參數(shù)存在誤差或定位方法不當(dāng)影響缺陷定位

二．影響缺陷定量的主要因素

• 儀器及探頭性能的影響

儀器的垂直線性、精度及探頭頻率、型式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影響缺陷回波高度。

• 耦合與衰減的影響

耦合劑的聲阻抗和耦合層厚度對(duì)回波高有較大的影響；當(dāng)探頭與調(diào)靈敏度用的試塊和被探工件表面耦合狀態(tài)不同時(shí)，而又沒有進(jìn)行恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，也會(huì)使定量誤差增加，精度下降。

由于超聲波在工件中存在衰減，當(dāng)衰減系數(shù)較大或距離較大時(shí)，由此引起的衰減也較大，如不考慮介質(zhì)衰減補(bǔ)償，定量精度勢必受到影響。因此在探傷晶粒較粗大和大型工件時(shí)，應(yīng)測定材質(zhì)的衰減系數(shù)，并在定量計(jì)算時(shí)考慮介質(zhì)衰減的影響，以便減少定量誤差。

• 工件幾何形狀和尺寸的影響

工件底面形狀不同，回波高度不一樣，凸曲面使反射波發(fā)散，回波降低，凹曲面使反射波聚焦，回波升高；工件底面與探測面的平行度以及底面的光潔度、干凈程度也對(duì)缺陷定量有較大的影響；由于側(cè)壁干涉的原因，當(dāng)探測工件側(cè)壁附近的缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生定量不準(zhǔn)，誤差增加；工件尺寸的大小對(duì)定量也有一定的影響。

為減少側(cè)壁的影響，宜選用頻率高、晶片尺寸大且指向性好的探頭探測或橫波探測；必要時(shí)不可采用試塊比較法來定量。

• 缺陷的影響

不同的缺陷形狀對(duì)其回波高度有很大的影響，缺陷方位也會(huì)影響到回波高度，另外缺陷波的指向性與缺陷大小有關(guān)，而且差別較大；另外缺陷回波高度還與缺陷表面粗糙度、缺陷性質(zhì)、缺陷位置等有影響。

三．缺陷性質(zhì)分析

超聲波探傷還應(yīng)盡可能判定缺陷的性質(zhì)，不同性質(zhì)的缺陷危害程度不同，例如裂紋就比氣孔、夾渣大得多。但缺陷定性是一個(gè)很復(fù)雜的問題，實(shí)際探傷中常常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合工件的加工工藝、缺陷特征、缺陷波形和底波情況來分析估計(jì)缺陷的性質(zhì)。

• 非缺陷回波的判別

超聲波探傷中屏上常常除了始波、底波、和缺陷波外，還會(huì)出現(xiàn)一些其他的信號(hào)波，如遲到波、三角反射波、61°反射波以及其他原因引起的非缺陷回波，分析和了解常見非缺陷回波產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)也是十分必要的。

• 側(cè)壁干涉

    縱波探傷時(shí)，探頭若靠近側(cè)壁，則經(jīng)側(cè)壁反射的縱波或橫波與直接傳播的縱波相遇產(chǎn)生干涉，對(duì)探傷帶來不利影響。一般脈沖持續(xù)的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的聲程不大于4λ。因此只要側(cè)壁反射波束與直接傳播的波束聲程差大于4λ就可以避免側(cè)壁干射。

• 板材和管材超聲波探傷

• 板材超聲波探傷

根據(jù)板材的材質(zhì)不同，板材分為鋼板、鋁板、銅板等，實(shí)際生產(chǎn)中鋼板應(yīng)用zui廣，這里以鋼板為例來說明板材的超聲波探傷工藝方法。

• 鋼板常見缺陷及探傷方法

鋼板是由板坯軋制而成，而板坯又是由鋼錠軋制或連續(xù)澆鑄而成的，鋼板中常見缺陷有分層、折迭、白點(diǎn)等，裂紋少見。

鋼板中分層、折迭等缺陷是在軋制過程中形成的，因此它們大都平行于板面。根據(jù)板厚的不同，將鋼板分為薄板（小于6mm）與中厚板(中板在6~40mm之間，厚板大于40mm)。中厚板常用垂直板面入射的縱波探傷法；薄板常用板波探傷法。

中厚板垂直探傷法的耦合方式有直接接觸法和充水耦合法。采用的探頭有單晶直探頭、雙晶直探頭或聚焦探頭。探傷鋼板時(shí)，一般采用多次底波反射法，只有當(dāng)板厚很大時(shí)才采用一次底波或二次底法。

• 探頭與掃查方式的選擇

• 探頭的選擇包括探頭頻率、直徑和結(jié)構(gòu)形式的選擇

由于鋼板晶粒比較細(xì)，為了獲得較高的分辨力，宜選用較高的頻率，一般為2.5~5.0MHz。

鋼板面積大，為了提高探傷效率，宜選用較大直徑的，但對(duì)于厚度較小的鋼板，探頭直徑不宜過大，因?yàn)榇筇筋^近場區(qū)長度大，對(duì)探傷不利。一般探頭直徑范圍為F10~F30mm。

探頭的結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)板厚為確定，板厚較大時(shí)，常選用單晶探頭；板厚較薄時(shí)可選用雙晶直探頭，因?yàn)殡p晶直探頭盲區(qū)很小。雙晶直探頭主要用于探測厚度為6~30mm的鋼板。

• 掃查方式的選擇

根據(jù)鋼板用途和要求不同，采用的主要掃查方式分為全面掃查、列線掃查、邊緣掃查和格子掃查等。

• 探測范圍和靈敏度的調(diào)整

• 復(fù)合材料超聲波探傷

• 復(fù)合材料中常見缺陷

復(fù)合材料是由母材與復(fù)合層粘合而成，常的復(fù)合材料是在碳鋼或低合金母材上，粘接不銹鋼、鈦、鋁、銅合金等復(fù)合層，以提高鋼板的耐腐蝕性。

復(fù)合材料一般用軋制、粘接、爆炸和堆焊等方法制造。復(fù)合材料中常風(fēng)缺陷是脫層（脫接），即復(fù)合層與母材在界面處復(fù)合不良。

• 探傷方法

復(fù)合材料探傷與一般鋼板的探傷方法基本相同，常用單直探頭或聯(lián)合雙直探頭進(jìn)行縱波探傷。探傷時(shí)可從母材一側(cè)探測，也可從復(fù)合層一側(cè)探測。

• 缺陷的判別

• 薄板超聲波探傷

對(duì)于板厚小于6mm的薄板，如采用一般的縱波探傷法，由于其板厚往往在盲區(qū)內(nèi)，缺陷難以分辨。目前對(duì)這種薄板一般采用蘭姆波（板波）進(jìn)行探傷。

• 管材超聲波探傷

• 管材加工及常見缺陷

管材種類很多，據(jù)管徑不同分為小口徑管和大口徑管，據(jù)加工方法不同分為無縫鋼管和焊接管。

無縫鋼管是通過穿孔法和高速擠壓法得到的，穿孔法是用穿孔機(jī)穿孔，并同時(shí)用軋輥滾軋，zui后用心棒軋管機(jī)定徑壓延平整成型。高速擠壓法是在擠壓機(jī)中直接擠壓成形，這種方法加工的管材尺寸精度高。

焊接管是先將板材卷成管形，然后用電阻焊或埋弧自動(dòng)焊加工成型。一般大口徑管多用這種方法。對(duì)于厚壁大口徑管也可以由鋼錠經(jīng)鍛造、軋制等于工藝加工而成。

管材中常見缺陷與加工方法有關(guān)。無縫鋼管中常見缺陷有裂紋、折迭、夾層等；焊接管中常見缺陷與焊縫類似，一般為裂紋、氣孔、夾渣、未焊透等。鍛軋管常見缺陷與鍛件類似，一般為裂紋、白點(diǎn)、重皮等。

• 小口徑管探傷

小口徑管是指外徑小于100mm的管材。這種管材一般為無縫管，采用穿孔法或擠壓法得到，其中主要缺陷平行于管軸的徑向缺陷（稱縱向缺陷），有時(shí)也有垂直于管軸線的徑向缺陷（稱橫向缺陷）。

對(duì)于管內(nèi)縱向缺陷，一般利用橫波進(jìn)行周向掃查探測；對(duì)于管內(nèi)橫向缺陷，一般利用橫波進(jìn)行軸向掃查探測。

按耦合方式不同，小口徑管探傷分為接觸法探傷和水浸法探傷。

• 大口徑管探傷

超聲波探傷中，大口徑管一般是指外徑大于100mm的管材。大口徑管曲率半徑較大，探頭與管壁耦合較好，通常采用接觸法探傷，批量較大時(shí)也可采用水浸探傷。

• 鍛件與鑄件超聲波探傷

鍛件和鑄件是各種機(jī)械設(shè)備及鍋爐壓力容器的重要毛坯，它們在生產(chǎn)加工過程中常會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，影響設(shè)備的安全使用。鑄件晶粒粗大、透聲性差，信噪比低，探傷困難大。

• 鍛件超聲波探傷

• 鍛件加工及常見缺陷

鍛件是由熱態(tài)鋼錠經(jīng)鍛壓變形而成。鍛壓過程包括加熱、形變和冷卻。形變大致分為鐓粗、拔長和滾壓。為改善鍛件的組織性能，鍛后還要進(jìn)行正火、退火或調(diào)質(zhì)等熱處理。

鍛件缺陷可分為鑄造缺陷、鍛造缺陷和熱處理缺陷。鑄造缺陷主要有：縮孔殘余、疏松、夾雜、裂紋等；鍛造缺陷主要有：折疊、白點(diǎn)、裂紋等。熱處理缺陷主要有：裂紋等。

• 探傷方法概述

• 探測條件的選擇

• 鑄件超聲波探傷

• 鑄件中常見缺陷

鑄件是金屬液注入鑄入鑄模中冷卻凝固而成的，鑄件中常見缺陷有氣孔、縮孔、夾雜和裂紋等。

• 鑄件探傷的特點(diǎn)

• 透聲性差
• 聲耦合差
• 干擾雜波多

• 鑄鋼件探測條件的選擇

• 探頭：一般以縱波直探頭為主，輔以橫波斜探頭和縱波雙晶探頭。鑄鋼晶粒較粗大，衰減嚴(yán)重，宜選用較低的頻率，一般為0.15~2.5MHZ。
• 試塊：鑄鋼件探傷常用ZGZ系列平底孔對(duì)比試塊。
• 探測表面與耦合劑：鑄鋼件表面粗糙，耦合條件差，探傷前應(yīng)對(duì)其表面進(jìn)行打磨清理，探傷時(shí)常用粘度較大的耦合劑。
• 透聲性測試
• 鑄鋼件內(nèi)外層劃分

• 焊縫超聲波探傷

在焊縫探傷中，不但要求探傷人員具備熟練的超聲波探傷技術(shù)，而且還要求探傷人員了解有關(guān)的焊接基本知識(shí)，如焊接接頭型式、焊接坡口型式、焊接方法和焊接缺陷等。只有這樣，探傷人員才能針對(duì)各種不同的焊縫，采用適當(dāng)?shù)奶綔y方法，從而獲得比較正確的探測結(jié)果。

• 焊接加工及常見缺陷

鍋爐壓力容器及一些鋼結(jié)構(gòu)件主要是采用焊接加工成形。焊縫內(nèi)部質(zhì)量一般利用射線和超聲波來檢測，對(duì)焊縫中裂紋、未熔合等危險(xiǎn)性缺陷，超聲波探傷比射線更容易發(fā)現(xiàn)。

• 焊接加工

焊接過程實(shí)際上是個(gè)冶煉和鑄造過程，焊接接頭形式主要有對(duì)接、角接、搭接和T型接頭等幾種。在鍋爐壓力容器中，常見的是對(duì)接，其次是角接和T型接頭，搭接少見。

• 焊縫中常見缺陷

焊縫中常見缺陷有氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等。

焊縫中的氣孔、夾渣是立體型缺陷，危害性較??；而裂紋、未熔合是平面型缺陷，危害性大，在焊縫探傷中，由于焊縫余高的影響及焊縫中裂紋、未焊透、未熔合等危險(xiǎn)性大的缺陷往往與探測面垂直或成一定角度，因此一般采用橫波探傷。

• 中厚板對(duì)接焊縫超聲波探傷。

• 探測條件的選擇

• 探測面的修整

工件表面的粗糙度直接影響探傷結(jié)果，一般要求表面粗糙度不大于6.3mm，否則應(yīng)予以修整。

焊縫兩側(cè)探測面的修整寬度P一般根據(jù)母材厚度而定。

厚度為8 ~46mm的焊縫采用二次波探傷，探測面修整寬度為

P ³ 2KT+50  (mm)

厚度為大于46mm的焊縫采用一次波探傷，探測面修整寬度為

P ³ KT+50  (mm)

式中 K----探頭的K值；

T-----工件厚度。

2.耦合劑的選擇

在焊縫探傷中，常用的耦合劑有機(jī)油、甘油、漿糊、潤滑脂和水等，實(shí)際探傷中用得zui多的是機(jī)油和漿糊。

3.頻率選擇

焊縫的晶粒比較細(xì)小，可選用比較高的頻率探傷，一般為2.5~5.0MHz。對(duì)于板厚較小的焊縫，可采用較高的頻率；對(duì)于板厚較大，衰減明顯的焊縫，應(yīng)選用較低的頻率。

4.K值選擇

探頭K值的選擇應(yīng)從以下三個(gè)方面考慮：

• 使聲束能掃查到整個(gè)焊縫截面；
• 使聲束中心線盡量與主要危險(xiǎn)性缺陷垂直；
• 保證有足夠的探傷靈敏度

設(shè)工件厚度為T，焊縫上下寬度分別為a和b，探頭K值為K，探頭前沿長度為L，則有：

K³（a+b+L）/T

一般斜探頭K值可根據(jù)工件厚度來選擇，薄工件采用大K值，以便避免近場區(qū)探傷，提高定位定量精度；厚工件采用小K值，以便縮短聲程，減小衰減，提高探傷靈敏度。同時(shí)還可減少打磨寬度。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用大K值探頭。

探頭K值常因工件中的聲速變化和探頭的磨損而產(chǎn)生變化，所以探傷前必須在試塊上實(shí)測K值，并在以后的探傷中經(jīng)常校驗(yàn)。

5.探測方向的選擇

• 距離-波幅曲線的繪制與應(yīng)用

缺陷波高與缺陷大小及距離有關(guān)，大小相同的缺陷由于距離不同，回波高度也不相同。描述某一確定反射體回波高度隨距離變化的關(guān)系曲線稱為距離-波幅曲線。

距離-波幅曲線(簡稱DAC曲線)由判廢線、定量線和測長線（又稱評(píng)定線）組成。