超声检测技术.docx

1、超声检测技术超声检测技术（级讲稿）屠耀元上海斯耐特无损检测技术培训中心2003.2-2006.81 综合知识（另稿）3 检测技术及它们的局限性3.1 检测方法3.1.1 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。3.1.2 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。如图：深度100mm底面发射波; 左图显示一次反射回波，荧光

2、屏100小格代表100mm,此为1：1；右图显示二次反射回波，荧光屏100小格代表200mm,此为1：2；1.斜探头缺陷回波探伤: 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。该方法是反射法的基本方法。图示是斜探头缺陷回波探伤法的基本原理，当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面。若试件中存在缺陷，在探伤波形中，底面回波前有缺陷回波和底面回波两个信号。2.直探头缺陷回波探伤:：当透入试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，超声波可在探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。如果试件存在缺陷，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，

3、在底面回波之间出现缺陷回波F1、F2、F3。如图 #3.1.3 共振法 一、原理 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。 二、胶接件的声振动检测 航空航天器上常用胶接结构，脱胶处常用声振检测方法检测。 #3.1.4 自动和半自动法一、钢管自动检测线 原理、方法与应用照片二、相控阵技术 （1）原理：通过对阵列式换能器发射脉冲相位控制实现平面波斜入射、声波聚焦、聚焦斜入射等目的。 相控阵平面波发射示意图 相控阵声波聚焦示意图 相控阵聚焦斜入射示意图相

4、控阵声波发射和返回示意图（2）应用三、焊缝多探头检测技术 （1）原理：每个探头检测固定的被检区域，全部探头检测全部被检区域；（2）优点：缩短了检测时间、减少漏检几率。3.2 探头3.2.1 探头的基本知识一、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。 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。 常用的压电单晶有石英又称二氧化硅（SiO2）、硫酸锂（LiS04H20

5、）、碘酸锂LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）等，除石英外，其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。 # 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。二、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； 三、探头的基本结构 压电超声探头的种类繁多，

6、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。 3.2.2 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67

7、dB。 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。 # 3.2

8、.3 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

9、。 #三、晶片的厚度 通常把晶片材料的频率f和厚度T的乘积称为频率常数Nt，若T=/2，则 Nt = f T = C/2 式中：C为晶片材料中的纵波声速。常用晶片材料如PZT的Nt =18002000m/s，石英晶片的Nt285Om/s，钛酸钡晶片的Nt2520m/s，钛酸铅晶片的Nt=2120m/s。 由式（2.65）可知，频率越高，晶片越薄，制作越困难，且Nt小的晶片材料不宜用于制作高频探头。 #3.2.4 特殊探头一、水浸聚焦探头二、可变角探头三、充水探头四、双晶探头五、表面波探头3.3 超声检测技术3.3.1 串列技术用超声波检查板厚100mm以上的焊缝中垂直表面的裂纹，最有效的方法是

10、采用串列法。3.3.2 聚焦探头技术一、平面声波聚焦和发散的条件 平面声波聚焦和发散的原因是声波在介质分界面的折射； 介质分界面二边的声速决定了平面声波是聚焦还是发散； 聚焦的条件 声波进入凹面：入射介质内声速C1折射介质内声速C2 声波进入凸面：入射介质内声速C1折射介质内声速C2 发散的条件声波进入凹面：入射介质内声速C1 折射介质内声速C2声波进入凸面：入射介质内声速C1折射介质内声速C2 #二、声透镜三、聚焦探头：直探头 + 声透镜 （楔块声透镜或压电体声透镜） 3.3.3 双晶探头技术一、双晶探头的种类 双晶纵波探头 双晶横波探头（纵波全反射）二、应用：板材探伤 / 分层缺陷 / 发

11、现焊缝近表面气孔 三、优点： 灵敏度高 杂波少、盲区小 近场区长度小3.3.4 表面波探头技术一、表面波的产生 入射角大于第二临界角时产生表面波。二、表面波传播特征（1）只在厚度远大于波长的光滑表面传播；（2）传播体表面质点运动状态具有纵波和横波的综合特性，运动轨迹为椭圆；（3）表面波振幅随深度的衰减很快，离表面一个波长以上的地方很微弱；（4）表面波在曲率半径较大（约大于5个波长）的棱边可以全部跨过继续前进；（5）表面波在尖锐棱边（缺陷）会原路反射，曲率愈大，反射愈强烈。三、表面波技术的应用 （1）表面波能够检测到表面或近表面的缺陷；（2）工件表面应清除油污、毛刺等杂物；（3）用沾有油的手指点

12、击表面会引起表面波的反射，用此探测表面波的存在；3.3.5 液浸技术一、一般技术 探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法，称为液浸法。耦合剂可以是水，也可以是油。当以水为耦合剂时，称为水浸法。 液浸法探伤时，探头不直接接触试件，所以此方法适用于表面粗糙的试件，探头也不易磨损，耦合稳定，探测结果重复性好，便于实现自动化探伤。 液浸法按探伤方式不同又分为全浸没式和局部浸没式。 根据探头与试件探测面之间液层的厚度，液浸法又可分为高液层法和低液层法。 #二、充水法与水层计算 如图，由于水层关系水界面一次回波（S）先于钢板底面回波（B）； 钢板底面第一回波（B1）与水界面二次回波（S2）重合称

13、为一次重合法 ； 钢板底面第二回波（B2）与水界面二次回波（S2）重合称为二次重合法 ； 水界面一次回波（S1）由于声程差无法与钢板底面回波重合； 水层厚度计算 C水 C水、 C钢： 纵波速度 H=n- =n- n： 重合次数 C钢 4 ： 钢板厚度例：水浸法探30毫米厚的钢板，采用4次重合法水层厚度应为多少？解： 30 H=n-=4-= 30 毫米 4 4 5 检测系统的校准5.1 设备的校准5.1.1 水平线性一、定义：仪器水平线性是示波屏上时基线的水平刻度与实际声程之间成正比的程度，即示波屏上多次底波等距离的程度。水平线性对缺陷定位有较大的影响。 水平线性用水平线性误差表示。二、测试步骤

14、：（1）将直探头置于CSK-1A试块的25mm厚大平底面上；（2）通过微调水平脉冲位移等按钮，使屏上出现5次底波 B1-B5，当底波B1和B5的幅度分别为50满刻度时，将它们的前沿分别对准刻度2.0和10.0。B1和B6的前沿位置在调整中如相互影响，则应反复进行调整。 a2、a3、a4分别为B2、B3、B4与4.0、6.0、8.0的偏差。（3）水平线性误差计算： |amax| amax： a2、a3、a4中的最大值 =-100% b为示波屏水平满刻度值 0.8b * ZBY230-84规定：仪器的水平线性误差2%例：用IIW或CSK-1A试块测仪器的水平线性，现测得B1对准2.0，B5对准10

15、.0时，B2、B3、B4与4.0、6.0、8.0的偏差分别为0.5、0.6、0.8;求其水平误差为多少？解： 0.8 =-100%=1% 0.81005.1.2 垂直线性一、定义：仪器垂直线性是示波屏上波高与探头接收的信号幅值之间成正比的程度。它取决于仪器放大器的性能。垂直线性用垂直线性误差表示。垂直线性影响缺陷的检出和定量。 二、测试步骤： （1）抑制至零，衰减器保留30dB衰减余量； （2）将直探头置于CSK-1A试块的25mm厚大平底面上， 恒定压力压住； （3）调节仪器使试块上某次底波位于示波屏中央，并达到100%幅度，作为“0”dB; （4）固定增益和其他旋钮，调衰减器，每次衰减2d

16、B,并记下相应的波高H填入表中，直到底波消失； Hi(衰减idB后波高)上表中：实测相对波高%=-100% H0(衰减0dB后波高) 理想相对波高是i=2、4、6dB时的波高比（如i=6dB时的理想相对波高是50.1%）三、计算垂直线性误差 D=（ |d1|+|d2| ） 式中： d1-实测值与理想值的最大正偏差 d2-实测值与理想值的最大负偏差* ZBY230-84规定：仪器的垂直线性误差D8%5.2 探头的验证5.2.1 试块一、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。二、试块的分类（主要分二类） 标准试块

17、 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。三、试块简介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-A1、英国BS-A、西德DIN545212. IIW2试块（三角形试块、牛角试块） 适用于现场检验（体积小、轻、方便）； 用途较IIW少3. CSK-IA试块：中国的改型试块三、试块简介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-

18、A1、英国BS-A、西德DIN545212. IIW2试块（三角形试块、牛角试块） 适用于现场检验（体积小、轻、方便）； 用途较IIW少3. 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。4. CS-1和CS-2 1986年通过，CS-1全套26块，CS-2全套66块； 要求： （1）D/L比不能太小，否则产生侧壁效应； （2）平底孔应足以分辨； （3）材质衰减要

19、小。 注：铸钢件试块与此形状相同、尺寸不同5. CSK-IIA / CSK-IIIA6. RB-1、RB-2、RB-37. 钢板试块8. 半圆试块9. 管子试块10. 其它试块5.2.2 探头灵敏度一、调节灵敏度的几个旋钮 发射强度 调节发射脉冲的输出幅度，发射强度大灵敏度高，但分辨率低； 增益 调节接收放大器的放大倍数，增益大灵敏度高； 抑制 限制检波后信号的输出幅度，主要用于抑制杂波、提高信噪比。使用抑制会使仪器的垂直线性变坏，动态范围变小。 抑制增加，灵敏度降低，尽量不要用抑制； 衰减器 电路内专用器件，用于定量地调节示波屏上的波高，它是步进旋钮。分：粗调细调二档， 粗调步长10-20d

20、B, 细调步长1-2dB。CTS-6型总衰减量50db;CTS-22型则为80dB;调节灵敏度的几个旋钮 ZB Y230-84 A型脉冲反射超声探伤通用技术条件中规定：总衰减量不小于60dB;衰减误差：1dB / 12dB.二、灵敏度和灵敏度余量概念 灵敏度:超声波在规定反射体上的回波振幅（即回波高度）即灵敏度。 灵敏度余量：使超声波在规定反射体上的回波振幅达到一定高度（即基准波高）时所需的衰减总量称为灵敏度余量。三、直探头 + 仪器的灵敏度余量测试 探头对准200 / 2平底孔； 抑制：0； 发射强度 增益：最大； 提起探头，用衰减器将电噪声电平衰减到10%以下，这时衰减量为N1dB; 调衰

21、减器使2孔最高回波达满刻度的50%（基准高），这时衰减量为N2dB; 灵敏度余量 N=N1-N2（dB）; 直探头的灵敏度余量要求30dB四、斜探头 + 仪器的灵敏度余量测试 探头对准IIW试块R100园弧面； 抑制：0； 发射强度 增益：最大； 提起探头，用衰减器将电噪声电平衰减到10%以下，这时衰减量为N1dB; 调衰减器使R100回波达满刻度的50%（基准高），这时衰减量为N2dB; 灵敏度余量 N=N1-N2（dB）; 斜探头的灵敏度余量要求40dB五、探头盲区测定 1 概念 盲区是指从探测面到能够发现缺陷处的最小距离，即始脉冲宽度覆盖区的距离。 盲区与近场区的区别：盲区是始脉冲宽度与

22、放大器引起的，而近场区是波的干涉引起的。盲区内缺陷一概不能发现，而近场区内缺陷可以发现但很难定量。 2 测定方法 方法（1）： 先将直探头在灵敏度试块上用1平底孔调80%基准高。 将直探头放于盲区试块上，能独立显示1平底孔回波的最小深度为盲区。方法（2）： 用IIW试块估算 将直探头放于IIW上方：能独立显示回波的，盲区5mm。无独立回波的，盲区5mm。 将直探头放于IIW左侧：能独立显示回波的，盲区510mm。无独立回波的，盲区10mm。5.2.3 探头分辨率一、概念：示波屏上区分相邻二缺陷的能力，能区分的相邻二缺陷的距离愈小，分辨率就愈高。分辨率与仪器和探头的质量有关。二、纵波直探头分辨率

23、测定 直探头放于IIW试块85、91、100处，抑制为0，左右移动探头，使屏上出现A、B、C波； 若A、B、C不能分开，先将A、B等高，并取a1、b1值 求： a1 X=20 lg- (dB) b1 然后用衰减器使B、C等高，取相应的a2、b2值 求： a2 Y=20 lg- (dB) b2X、Y值愈大分辨率愈高，一般X、Y 15dB三、横波斜探头分辨率测定 如图,平行移动探头，使A、B等高则分辨率： h1 X=20lg- (dB) h2 平行移动探头，使B、C等高则分辨率： h3 Y=20lg- (dB) h4要求：X或Y 6dB实测时，衰减器将h1衰减到h2即为X值，将h3衰减到h4即为Y

24、值。5.2.4 斜探头的校准一、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。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 探头K值的选择原则: (1)声束扫查到整个焊缝截面; (2)声束尽量垂直于主要缺陷; (3)有足够的灵敏度和信噪比; (4)有利于防止出现伪缺陷波。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

25、声轴偏转角。 测定：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5.3 对曲面工件的校准 （略）5.4 距离-波幅曲线及校准一、概念： 描述同一反射体在不同声程时，其反射回波幅值关系的曲线称为距离-波幅曲线。二、距离-波幅（分贝）曲线的绘制 1.测探头入射点、K值。调扫描速度（通常调深度1：1）； 2.衰减器值定52dB（设定），在CSK-IIIA试块上调增益使10mm深的16孔的最高回波达基准的60%，依次测20、30,填入下表，并依次数据画出曲线三、距离-波幅（面板）曲线的绘制1.测探头入射点、K值。调扫描速度（通常调

26、深度1：1）；2. 在CSK-IIIA试块上调增益找到10mm深的16孔的最高回波达基准的100%，在面板上标记,记下dB值（例如选定30dB）。3.固定增益衰减器，分别测得20、30、4090处的16孔的最高回波并标注出相应的,连接各点便成面板曲线。该曲线为16缺陷。4. 衰减器值调到30-9=21dB,为评定线即16 - 95. 衰减器值调到30-3=27dB,为定量线即16 - 36. 衰减器值调到30+5=35dB,为判废线即16+5四、距离-波幅曲线的校准 扫描量程的复核 如果距离波幅曲线上任意一点在扫描线上的偏移超过扫描读数的10，则扫描量程应予以修正，并在检测记录中加以标明。 距

27、离波幅曲线的复核 复核时，校核应不少于3点。如曲线上任何一点幅度下降2d，则应对上一次以来所有的检测结果进行复检；如幅度上升2d，则应对所有的记录信号进行重新评定。5.4 AVG（DGS）曲线一、概念 表示回波声程、幅度（dB）和缺陷之间关系的曲线称为AVG曲线。可用于锻件检测时缺陷的面积当量计算。 声程以直探头的近场区为单位，用A表示 缺陷以探头的直径为单位，用G表示 幅值以初始波高为单位，用V表示 -缺陷回波幅值 Vf -大平底回波幅值 Vb 换算关系为： 二、AVG曲线的类型 （1）通用AVG 按以上计算公式算得一组数据做出的曲线图称为通用AVG曲线。 （2）实用AVG 实用AVG曲线是

28、在通用AVG曲线的基础上经坐标转换后得到的。 实用AVG曲线的坐标均以十进制。 三、AVG曲线的应用例：5.6 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，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

29、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 Z106kg/m2s 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。7. 法规、标准、技术条件和规程7.1 与超声检测特别有关的法规、标准和技术条件（1）GB/T 11345-89 钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级（2）JB4730-94 压力容器无损检测（将修订为锅炉、容器和管道标准） 压力容器原材料和另部件的超声检测，共有六个标准：钢板、锻件、复合钢板、高压无缝钢管、高压螺栓、奥氏体钢锻件 压力容器焊缝的超声检测，共有三个标准： 钢焊缝、不锈钢堆焊层焊缝、铝焊缝