第6章 脉冲反射法超声检测通用技术.docx
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第6章脉冲反射法超声检测通用技术
第6章脉冲反射法超声检测通用技术
超声波检测通用的技术：
探测条件、耦合和补偿、仪器的调节、缺陷的定位、定量、定性。
基本步骤：
a.检测前的准备;
b.仪器、探头、试块的选择;
c.仪器调节和检测灵敏度确定;
d.耦合补偿;
e.扫查方式;
f.缺陷的测定、记录和等级评定;
g.仪器和探头系统复核。
6.1检测面的选择和准备
1.检测面的选择原则：
当一个确定的工件存在多个可能的声入射面时，首先要考虑缺陷的最大可能取向。
根据缺陷的可能取向，选择入射超声波的方向，使声束轴线和缺陷的主反射面接近垂直。
检测面的选择应该和检测技术的选择相结合。
多个检测面入射检测：
变形过程使缺陷有多种取向；单面检测存在盲区；单面检测灵敏度不能在整个工件厚度范围内实现时。
例如：
锻件：
缺陷大多平行和表面，通常采用纵波垂直入射检测，检测面可选为和锻件流线相平行的表面；
棒材：
入射面为圆周面，纵波检测位于棒材中心区的、延伸方向和棒材轴向平行的缺陷，横波检测位于表面附近垂直于表面的裂纹，或沿圆周延伸的缺陷。
2.检测面的准备：
保证检测面能提供良好的声耦合。
6.2仪器和探头的选择
正确选择仪器和探头对于有效地发现缺陷，并对缺陷定位、定量和定性是至关重要的。
实际检测中根据工件结构形状、加工工艺和技术要求选择仪器和探头
6.2.1检测仪器的选择
探伤要求仪器性能
定位要求高水平线性误差小
定量要求高垂直线性好，衰减器精度高
大型零件检测灵敏度余量高，信噪比高，功率大
发现近表面缺陷和区分相邻缺陷能力强盲区小，分辨率好
室外现场检测重量轻，显示屏亮，抗干扰能力强，便携式
6.2.2探头的选择
根据被检对象的形状、声学特点和技术要求来选择探头。
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。
1.探头型式：
一般根据工件形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择，使声束轴线尽量和缺陷垂直。
纵波直探头：
波束轴线垂直于探测面。
主要用于检测和检测面平行或近似平行的缺陷。
横波斜探头：
通过波型转换来实现横波检测。
主要用于检测和检测面垂直或成一定角度的缺陷。
纵波斜探头：
利用小角度的纵波进行检测，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斜入射纵波检测。
双晶探头：
探测薄壁工件或近表面缺陷。
聚焦探头：
用于水浸探测管材或板材。
2.探头频率
超声波检测频率范围为0.5～10MHz，选择频率时应考虑的因素：
检测灵敏度：
检测灵敏度约为1/2λ，频率高可提高检测灵敏度。
分辨力：
频率高，脉冲宽度小，分辨力高。
声束指向性：
，频率高，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，检测灵敏度高，相对的检测区域小。
近场区长度：
，频率高，近场区长度增加。
衰减：
αs=C2Fd3f4，频率高，衰减增加，信噪比下降。
缺陷反射指向性：
对于面积状缺陷，频率太高会形成显著的反射指向性，超声波不是近于垂直入射到面状缺陷上，检出率降低。
频率的高低对检测有较大影响，实际检测中要全面分析考虑各方面的因素，合理选择频率以取得最佳平衡。
对于小缺陷、厚度不大的工件，晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件，一般选择较高频率（2.5~10MHz）；
对于大厚度工件、高衰减材料选择较低频率（0.5~2.5MHz）。
3.探头带宽
宽带探头：
脉冲宽度较小，深度分辨率好，盲区小，灵敏度较低；
窄带探头：
脉冲较宽，深度分辨率变差，盲区大，灵敏度较高，穿透能力强。
4.探头晶片尺寸
晶片面积≥500mm2，圆晶片≤φ25mm，选择晶片尺寸时应考虑的因素：
晶片大小影响：
声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围、远距离缺陷检出能力。
（1）声束指向性：
，晶片尺寸大，半扩散角小，声束指向性好，超声波能量集中，对声束轴线附近的缺陷检出有利。
。
（2）近场区长度：
，晶片尺寸大，近场区长度增加，对检测不利。
（3）扫查范围：
晶片尺寸大，辐射超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，发现远距离缺陷能力增加。
大晶片探头：
提高检测效率，检测厚工件时有效发现远距离的缺陷；
小晶片探头：
检测小工件时提高缺陷定位、定量精度，检测表面不太平整或曲率较大工件时减少耦合损失。
5.横波斜探头K值：
横波检测中，斜探头K值影响缺陷检出率、检测灵敏度、声束轴线方向，一次波的声程。
实际检测，工件厚度较小时，应选用较大K值，工件厚度较大时，应选用较小K值。
焊缝检测中，K值的选择应考虑可能产生的和检测面的角度，并保证主声束能扫查整个焊缝截面。
检测根部未焊透应考虑端角反射率问题。
6.3耦合剂的选用
6.3.1耦合剂
超声耦合：
超声波在检测面上的声强透射率。
耦合剂作用：
排除探头和工件表面之间的空气，使超声波有效的传入工件，达到检测的目的。
6.3.2影响声耦合的主要因素
1.耦合层厚度：
厚度为λ/4的奇数倍时，透声效果差；为λ/2的整数倍或很薄时，透声效果好。
2.工件表面粗糙度：
对声耦合有明显的影响，要求工件检测面Ra≤6.3μm，见图6-2。
3.耦合剂声阻抗：
对耦合效果有较大的影响，见图6-2。
4.工件表面形状：
平面耦合效果最好，凸曲面次之，凹曲面最差。
曲率半径大，耦合效果好。
6.4纵波直探头检测技术
6.4.1检测设备的调整
调整内容：
a.仪器的扫描速度调整；b.检测灵敏度调整。
调整目的：
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
调整目的：
a.使时基线显示的范围足以包含需检测的深度范围；
b.使时基线刻度和在材料中声传播的距离成一定比例，以便准确测定缺陷的深度位置。
调整内容：
a.根据所需扫描声程范围确定时基扫描线比例；
b.零位调节，将声程零位设置在所选定的水平刻度线上。
调整方法：
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处。
注意：
调节扫描速度用的试块应和被检工件具有相同的声速。
2.检测灵敏度的调整
检测灵敏度：
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规定要求。
调整目的：
发现工件中规定大小的缺陷，并对缺陷定量。
调节方法：
试块调整法和工件底波调整法。
（1）试块调整法：
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，使示波屏上人工反射体的最高反射回波达到基准高度。
注意问题：
工件厚度x<3N或不能获得底波情况时，较为适宜。
试块表面状态和材质衰减是否和被检工件相近，应考虑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：
根据工件底面回波和同深度的人工缺陷（如平底孔）回波分贝差ΔdB为定值的原理进行的。
ΔdB理论计算公式：
（x≥3N）
式中：
x──工件厚度，mm；
Df──要求探出的最小平底孔尺寸，mm。
注意问题：
只能用于厚度x≥3N的工件，要求工件具有平行底面或圆柱底面，且底面光洁干净。
3.传输修正值的测定
在利用试块调节检测灵敏度时，当工件表面状态和材质衰减和对比试块存在差异时采取的一种补偿措施。
测定方法：
通过试块的底波和工件底波进行比较，取其比值的分贝值。
要求：
试块和工件均有相互平行的大平底表面。
测定方法：
（1）试块和工件厚度相同：
使试块的一次底面回波B1和工件的一次底面回波B2达到同一基准高度时的衰减器读数为V1（dB）和V2（dB）。
ΔdB=V1-V2（衰减型）
ΔdB=V2-V1（增益型）
（2）试块和工件厚度不同：
按上述步骤测得ΔdB，再测得试块和工件的声程不同引起的底波高度的分贝差V3：
式中：
x──工件厚度，mm；
xj──试块厚度，mm。
传输修正值为：
ΔdB＋V3。
4.工件材质衰减系数的测定
目的：
在检测大厚度工件的情况下，用计算法调整灵敏度和评定缺陷当量时，计算材质衰减引起的信号幅度差。
方法：
在工件无缺陷完好区域，选取三处检测面和底面平行且有代表性的部位测定第一次底面回波（B1或Bn）幅度和第二次底面回波（B2或Bm）幅度为同一基准高度时的衰减器读数的dB差值，按下列公式计算衰减系数
。
（1）当x≤3N时：
；
（2）当x≥3N时：
6.4.2扫查
扫查：
移动探头是声束覆盖到工件上需检测的所有体积的过程。
扫查方式：
探头移动方式、扫查速度、扫查间距。
扫查灵敏度：
为了保证缺陷的检出，防止因耦合不稳使缺陷显示幅度过低而漏检，扫查时将调整好的一起灵敏度在再增益4～6dB。
（1）扫查方式：
按探头移动方向、移动轨迹来描述。
考虑：
声束覆盖范围和根据受检工件的形状、缺陷的可能取向和延伸方向，尽量使缺陷能够重复显现，并使动态波形容易判别。
全面扫查：
对工件全部体积进行扫查，探头在整个检测面上沿一定方向移动，移动时相邻的间距需保证声束有一定的重叠量。
局部扫查：
以间隔较大的间距进行扫查，或只扫查工件的某些部位。
分区扫查：
体积大、形状复杂的工件，将工件分成几个部分（区）分别进行扫查。
双晶探头检测时，扫查方式需要考虑扫查方向和隔声层方向平行或垂直进行。
（2）扫查速度：
探头在检测面上移动的相对速度。
扫查速度的上限和探头的有效声束宽度和重复频率有关。
扫查速度v为：
式中：
D──探头的有效直径
f──重复频率
n──一般取3以上的数值
（3）扫查间距：
相邻扫查线之间的距离。
根据探头的最小声束宽度来衡量。
探头有效声束宽度的测定方法：
6.4.3缺陷的评定
评定内容：
缺陷位置──缺陷平面位置和埋藏深度。
缺陷尺寸──缺陷回波幅度、当量尺寸、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
（2）缺陷埋藏深度的确定
2.缺陷尺寸的评定
（1）回波高度法：
根据回波高度给缺陷定量的方法。
1）缺陷回波高度法：
在调定的灵敏度下，缺陷回波峰值相对于荧光屏垂直满刻度的百分比，或用回波峰值下降或上升至基准高度所需衰减（或增益）的分贝数来表示缺陷回波的高度。
2）底面回波高度法：
地面回波高度的降低的多少和缺陷的大小有关。
①B/BF法：
在一定的检测灵敏度条件下，用无缺陷时的工件底面回波高度B和有缺陷时的工件底面回波高度BG相比较来确定缺陷相对大小的方法。
②F/BF法：
用缺陷回波的高度F和缺陷处工件底面回波的高度BG相比较来确定缺陷相对大小的方法。
③F/B法：
用缺陷回波的高度F和无缺陷处工件底面回波的高度B相比较来确定缺陷相对大小的方法。
优点：
不需要对比试块和复杂的计算，可利用缺陷的阴影对缺陷大小进行评价有助于检测因缺陷形状、反射率等原因使反射信号较弱的大缺陷。
缺点：
不能明确地给出缺陷的尺寸，位考虑缺陷深度、声束直径等对检测结果的影响。
不适用于对形状复杂而无底面回波的工件进行检测。
（2）当量评定法：
将缺陷的回波幅度和规则形状的人工反射体的回波幅度进行比较的方法。
适用于面积小于声束截面的缺陷的尺寸评定。
缺陷的当量尺寸：
缺陷和规则形状的人工反射体的埋深相同，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。
注意：
通常情况下实际缺陷的实际尺寸要大于当量尺寸。
1）试块对比法：
将缺陷波幅度直接和对比试块中同声程的人工反射体回波幅度相比较，两者相等时以该人工反射体尺寸作为缺陷当量。
注意：
采用试块对比法给缺陷定量时，要保持检测条件（试块的材质、表面粗糙度和形状、缺陷和平底孔的埋深、所用的仪器、探头和对探头施加的压力等）相同。
如果缺陷和平底孔的埋深不同，则可用两个埋深和之相近的平底孔，用插值法进行评定。
优点：
明确直观，结果可靠，不受近场区的限制。
缺点：
要制作一系列含不同声程不同直径人工缺陷的试块。
2）当量计算法：
根据超声检测中测得的缺陷回波和基准波高（或底波）的分贝差值，利用各种规则反射体的理论回波声压公式进行计算，求出缺陷当量尺寸的定量方法。
注意：
计算法使用的前提是缺陷位于3倍近场长度以外。
平底孔回波声压公式：
（x≥3N）
大平底回波声压公式：
（x≥3N）
不同直径和距离平底孔，其回波声压间的分贝差值为：
若考虑材质衰减引起的声压随距离的变化：
不同距离的平底孔和大平底回波声压间的分贝差值为：
若考虑材质衰减引起的声压随距离的变化：
测出缺陷回波高度和基准平底孔回波高度之比的分贝差
，计算缺陷的当量尺寸：
测出缺陷回波高度和大平底回波高度之比的分贝差
，计算缺陷的当量尺寸：
不考虑材质衰减时，衰减系数α为0。
3）AVG曲线法：
纵波直探头检测时，可用平底孔AVG曲线确定缺陷当量。
通用AVG曲线、实用AVG曲线。
原理：
和当量计算法相同，测出缺陷回波幅度相对于某一基准反射体回波幅度的分贝值，根据测得的分贝值，在曲线上查出缺陷的当量尺寸。
基准──工件的底面回波或试块上的规则反射体回波。
（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。
缺陷的指示长度：
按规定的方法测定的缺陷长度。
和缺陷的实际长度有一定的差别。
测定原理：
根据缺陷的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界范围或长度。
1）相对灵敏度测长法：
以缺陷的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。
a.6dB法：
扫查过程中缺陷发射波只有一个高点情况；
b.端点6dB法：
扫查过程中缺陷发射波有多个高点情况。
2）绝对灵敏度测长法：
在仪器灵敏度一定的条件下，探头沿缺陷的长度方向左右移动，当缺陷波高降低到规定位置时，将探头移动的距离作为缺陷的指示长度。
3）端点峰值法：
扫查过程中缺陷发射波有多个高点情况，将缺陷两端反射波极大值之间探头移动的距离作为缺陷的指示长度。
6.4.4非缺陷回波的判断
1.迟到波：
当纵波直探头置于细长工件或试块上时，扩散纵波波束在侧壁产生波型转换（纵波→横波，横波→纵波），最后经底面反射回探头出现的回波。
2.61°反射：
当探头置于直角三角形工件上时，若纵波入射角α和横波反射角β的关系为：
α＋β=90°会出现位置特定的反射波。
3.三角反射：
纵波直探头径向检测实心圆柱时，扩散声束在圆柱面上形成三角反射路径出现的多个反射回波。
4.探头杂波：
5.工件轮廓回波：
6.侧壁干涉波
（1）侧壁干涉对检测的影响
（2）避免侧壁干涉的条件：
2W－a＞4λ
6.5横波斜探头检测技术
6.5.1检测设备的调节
1.探头入射点和折射角的测定
2.扫描速度的调节：
声程调节法、水平调节法、深度调节法。
（1）声程调节法：
示波屏上的水平刻度值τ和横波声程x成比例。
τ：
x=1：
n
（2）水平调节法：
示波屏上的水平刻度值τ和反射体的水平距离l成比例。
τ:
l=1：
n
（3）深度调节法：
示波屏上的水平刻度值τ和反射体的深度d成比例。
τ:
l=1：
n
3.距离─波幅曲线的制作和灵敏度调整
距离─波幅曲线：
相同大小的反射体随探头距离的变化其反射波高的变化曲线。
绘制：
根据时基线调节的三种方法，按相应的方法进行绘制。
4.传输修正值的测定和补偿
传输修正值：
包括试块和工件两者间材料的材质衰减以及工件表面粗糙度和耦合状态引起的表面声能损失。
（1）单探头测定法：
采用和工件相同厚度试块测定。
（2）双探头测定法：
斜入射检测用一发一收的双探头测定。
1）工件和试块的厚度相同
2）工件厚度小于试块厚度
3）工件厚度大于试块厚度
6.5.2扫查
四种基本扫查方式：
前后、左右、转向和环绕扫查。
前后左右扫查用于发现缺陷的存在；
左右扫查用于缺陷横向长度的测定；
转向扫查和环绕扫查确定缺陷的形状。
6.5.3缺陷的评定
缺陷的评定包括：
缺陷的水平位置和垂直深度的确定以及缺陷尺寸的评定。
缺陷的水平位置和垂直深度：
根据缺陷反射回波幅度最大时，在时基线上缺陷回波的前沿位置所读出的声程距离或水平、垂直距离，再按已知的探头折射角计算得到的。
缺陷的尺寸：
通过测量缺陷发射波高和基准反射体回波波高之比，以及测定缺陷的延伸长度来进行评定的。
1.平面工件的缺陷定位
工件中缺陷的位置由探头的折射角和声程来确定或由缺陷的水平和垂直方向的投影来确定。
三种横波扫描速度调节方法（声程、水平、深度）相对应的缺陷定位方法。
（1）按声程调节扫描速度时
一次检测波：
Lf=xfsinβ=nτfsinβ
df=xfcosβ=nτfcosβ
二次检测波：
Lf=xfsinβ=nτfsinβ
df=2T－xfcosβ=2T－nτfcosβ
（2）按水平调节扫描速度时
一次检测波：
Lf=nτf
二次检测波：
Lf=nτf
（3）按深度调节扫描速度时
一次检测波：
Lf=Knτf
df=nτf
二次检测波：
Lf=Knτf
df=2T－nτf
2.圆柱曲面工件的缺陷定位
沿轴向检测，缺陷定位和平面相同；
沿周向检测，缺陷定位和平面不同，分外圆和内壁检测两种情况：
（1）外圆周向探测：
外圆周向探测圆柱面时，缺陷的位置由深度H和弧长L来确定。
当探头从圆柱曲面外壁作周向检测时，弧长L总比水平距离l值大，但深度H总比d值小。
（2）内壁周向探测：
内壁周向探测圆柱面时，缺陷的位置由深度h和弧长l来确定。
当探头从圆柱曲面内壁作周向检测时，弧长L总比水平距离l值小，但深度H总比d值大。
（3）最大探测壁厚：
当用采用横波斜探头从外圆周向检测筒体工件时且波束轴线和筒体内壁相切时，对应的壁厚为最大探测厚度Tm，工件壁厚超过该厚度值时，超声波束将扫查不到内壁。
不同K值探头最大检测壁厚Tm和工件外径D之比Tm/D为：
3.缺陷定量：
缺陷回波幅度和指示长度。
回波幅度测定：
依据规则反射体的回波幅度和缺陷尺寸的关系，常用实测距离─波幅曲线进行评定。
（1）测长法：
相对灵敏度法、绝对灵敏度法和端点峰值法。
（2）缺陷自身高度的测定
1）端部最大高度法
2）6dB法
3）横波端角反射法
4）横波串列双探头法
5）端点衍射波法
4.非缺陷回波的判定
（1）工件轮廓回波
（2）端角反射波
（3）探头杂波
（4）表面波
（5）幻象波
（6）草状回波
（7）焊缝中的变形波
（8）“山”形波
6.6影响缺陷定位、定量的主要因素
6.6.1影响缺陷定位的主要因素
1.仪器的影响：
发射脉冲频带宽度、接收系统频宽、电噪声、分辨率等。
2.探头的影响
（1）声束偏离
（2）探头双峰
（3）斜楔磨损
3.工件的影响
（1）工件表面粗糙度
（2）工件材质：
声速和内应力
（3）工件表面形状
（4）工件边界
（5）工件温度
（6）工件中缺陷情况：
缺陷方向影响。
4.操作人员的影响
（1）仪器时基线比例调节
（2）入射点、K值测量
（3）定位方法不当
6.2.2影响缺陷定量的主要因素
1.仪器及探头性能的影响
（1）频率的影响：
（2）衰减器精度和垂直线性的影响
（3）晶片尺寸的影响
（4）探头K值的影响
2.耦合和衰减的影响
（1）耦合的影响：
耦合剂的声阻抗和耦合剂厚度，试块和工件表面耦合状态不同的情况。
（2）衰减的影响：
材质的衰减量Δ=2αx
3.工件几何形状和尺寸的影响
试件底面形状、底面和探测面的平行度、底面的粗糙度；侧壁干涉。
5.缺陷的影响
（1）缺陷形状的影响
（2）缺陷方位的影响
（3）缺陷波的指向性
（4）缺陷表面粗糙度的影响
（5）缺陷性质的影响
（6）缺陷位置的影响
6.7检测纪录和报告
6.7.1检测纪录
目的:
为工件无损检测质量评定（编发检测报告）提供书面的依据,并提供质量追踪所需要的原始资料.
内容
6.7.2检测报告
6.7.3
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