第6章 脉冲反射法超声检测通用技术0859.docx
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第6章脉冲反射法超声检测通用技术0859
第6章脉冲反射法超声检测通用技术
6.1检测面的选择和准备
检测面的选择应考虑以下几个方面：
1检测面应是平面或规则面的工件表面；
2检测面的粗糙度应≤6.3µm，表面应清除杂物，松动氧化皮，毛刺，油污等。
3被检测缺陷的位置、取向；
4入射声束应尽可能垂直于缺陷反射面；
5被检工件的材质、坡口形式、焊接工艺等；
6根据探头的晶片尺寸、K值等确定检测面宽度；
7工件侧面反射波的影响；
8变型波的影响等。
6.2仪器与探头的选择
一、探伤仪选择
1.仪器和各项指标要符合检测对象标准规定的要求。
2.其次可考虑检测目的，如对定位要求高时，应选择水平线性误差小的仪器，
选择数字式探伤仪更好。
对定量要求高时，应选择垂直线性误差小，衰减器精度高的仪器，对大型工件或粗晶材料工件探伤，可选择功率大，灵敏度余量高，信噪比高，低频性能好的仪器。
对近表面缺陷检测要求高时，可选择盲区小，近区分辨好的仪器。
主要考虑：
灵敏度、分辨力、定量要求，定位要求和便携、稳定等方面。
二、探头选择
1.型式选择：
原则为根据检测对象和检测目的决定：
如：
焊缝——斜探头
钢板、铸件——直探头
钢管、水浸板材——聚焦探头（线、点聚集）
近表面缺陷——双晶直探头
表面缺陷——表面波探头
2.探头频率选择
超声波检测灵敏度一般是指检测最小缺陷的能力，从统计规律发现当缺陷大小为
时，可稳定地发现缺陷波，对钢工件用2.5~5MHZ，λ为：
纵波2.36~1.18，横波1.29~0.65，则纵波可稳定检测缺陷最小值为：
0.6~1.2mm之间，横波可稳定检测缺陷最小值为：
0.3~0.6之间。
这对压力容器检测要求已能满足。
故对晶粒较细的铸件、轧制件、焊接件等常采用2.5~5MHZ。
对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等因会出现许多林状反射，（由材料中声阻抗有差异的微小界面作为反射面产生的反射），也和材料噪声干扰缺陷检测，故采用较低的0.5~2.5MHZ的频率比较合适，主要是提高信噪比，减少晶粒反射。
此外应考虑检测目的和检测效果，如从发现最小缺陷能力方面，可提高频率，但对大工件因声程大频率增加衰减急剧增加。
对粗晶材料如降低频率，且减小晶片尺寸时，则声束指向性变坏，不利于检测远场缺陷，所以应综合考虑。
3.晶片尺寸选择：
原则：
①晶片尺寸要满足标准要求，如满足JB/T4730-2005要求，即晶片面积≤500mm2，任一边长≤25mm。
②其次考虑检测目的，有利于发现缺陷，如工件较薄，则晶片尺寸可小些，此时N小。
铸件、厚工件则晶片尺寸可大些，N大、θ0小。
发现远距离缺陷能力强。
③考虑检测面的结构情况
如对小型工件，曲率大的工件复杂形状工件为便于耦合要用小晶片，对平面工件，晶片可大一些。
4.斜探头K值选择：
原则：
①保证声束扫到整个检测断面，对不同工件形状要具体分析选择。
②尽可能使检测声束与缺陷垂直，在条件许可时，尽量用K大些的探头。
薄工件K大些，厚工件K可小些。
③根据检测对象选K：
如单面焊根部未焊透，选K=0.7-1.5，即在K=0.84-1时检测灵敏度最高。
6.3耦合剂的选用
6.3.1耦合就是实现声能从探头向工件的传递，它可用探测面上声强透过率来表示耦合的好坏，声强透过率高，表示声耦合好。
耦合剂——在工件与探头之间表面，涂敷液体、排除空气，实现声能传递该液体即耦合剂。
实际耦合剂声阻抗在1.5~2.5×106公斤/米2，而钢声阻抗为45×106公斤/米2。
所以靠耦合剂是很难补偿曲面和粗糙表面对探测灵敏度的影响。
水银耦合效果最好，声阻抗为：
19.8×106kg/m2与钢接近，但有毒、很贵，故不推荐。
对耦合剂的要求：
①对工件表面和探头表面有足够浸润性，并既有流动性，又有附着力强，且易清洗。
②声阻抗大，应尽量和被检工件接近。
③对人体无害，对工件无腐蚀作用。
④来源广，价格低廉。
⑤性能稳定。
6.3.2影响声耦合的主要因素
1.耦合层厚度d：
在均匀介质中：
最好：
d=n·
即半波长整数倍时声压透射率为1，几乎无反射，声能全部透射。
好象耦合层不存在。
最不好：
d=（2n+1）
即四分之一波长奇数倍时，声压透射率最低，反射率最高。
此时相当于钢保护膜直探头探测钢件。
根据均匀介质中异质薄层对声波的反射特性，其声压反射r为：
在非均匀介质中，根据教材2.37式，当d=n
时和d=（2n+1）
且Z2=
时，声强透射率最大，超声检测大多情况满足次种条件。
由式可看出：
当耦合层d=
时，r=0、t=1，灵敏度可以保证，但发射反射
脉冲后面干扰振荡增加，也影响缺陷检测，故实际上常使用d→0的光滑工件使耦合层d→0，效果好。
如果再增加耦合层厚度，可以使界面波和工件多次反射波分得很开，探伤图
形变得很清晰，如控制在底面回波在第二次界面回波前出现，对缺陷判断有利（这是水浸探伤中的水层耦合原理）。
为使耦合层耦合效果好，由教材（2-38）式和（2-39）式可知，则必须使r≈0，此时t≈1，或T=
达最大，即声能从探头全部透到工件，则由声压反射率表示式知，r≈0得Sin
≈0，即d≈0或d→0，但d≠0，即工件表面越平整，耦合剂层厚d越接近零，耦合越好。
2.工件表面粗糙度影响
由上面均匀介质中异质薄层对声波的声压反射率表示式可知d→0时，可得
r≈0。
耦合效果越好。
表示工件表面光洁度越光越好，表面粗糙度越差。
则d越大耦合越差。
但是当表面太光后探头和工件之间耦合层由于表面张力吸附作用，变成真空使探头移动困难。
同时因真空不能传播声波，使耦合变差。
一般工件要求粗糙度Ra=6.3μm
3.耦合剂声阻抗影响
一般液体耦合剂声阻抗均比工件声阻抗小，故对同一探测面（光洁度相工件
材质相同）声阻抗越大的耦合剂耦合效果越好。
4.工件表面形状影响
平面工件耦合最好。
凸曲面和凹曲面均耦合不好。
在实际工作中，T最大处声压透射率为平面接触时，透射率一半时的曲率半径
为声耦合临界曲率半径R0。
则：
R0=0.45fD2Zt/C0Z0（1+Zt/Zm）
f——频率，D——晶片直径，Zt——保护膜或斜透声楔声阻抗，
Z0——耦合剂声阻抗，Zm——工件声阻抗，C0——耦合剂声速。
当工件曲率半径R与临界曲率半径R0比较R/R0=1时，修正值2.5dB以下，
R/R0≥1时，可不修正，此时修正值为2.5dB以下，当R/R0<1时要修正，可用实测修正。
大致值为：
R/R0=0.50.30.20.114
5dB7dB9dB15dB2.5dB0dB
5.表面耦合损耗测定与补偿
①耦合损耗测定
试块和工件在材质、反射体、探头、仪器相同条件下，仅表面光洁度不同测出相同反射体（声程相同）回波高度dB差。
声程不同时，应对声程变化引起的dB差进行修正。
②补偿
将试块上反射体回波高调至某高h，再提高测得的dB值，即为补偿。
利用底波反射横波耦合损耗测试实例：
用两个相同规格斜探头，作一发一收方式先在试块上相对探测，分别测得两探头相距一跨距和二跨距时底面回波高H1和H2，在示波屏上作出H1和H2连线。
再将两探头在工件上相对探测，同样分别测得两探头相距一跨距和二跨距时底面回波高h1和h2，在示波屏上作出h1和h2连线。
则H1和H2连线位于h1和h2连线上方，这是因为工件表面粗糙耦合差引起的结果，则此两线高度差即为表面耦补偿差dB值。
当试块厚度小于工件时，h1位于H1和H2中间，当试块厚度大于工件时，H1位于h1和h2中间。
6.4纵波直探头检测技术
6.4.1仪器调整
1.扫描线比例
以工件厚度声程为基准调节，一般将工件二次底波调在10格，一次底波调在第5格。
也可按扫描线1：
n的比例调节。
2.检测灵敏度调整
1.试块法
根据工件探伤灵敏度要求。
将探头对准标准试块上人工缺陷探测使波高达到某基准波高（如50%高），再根据工件厚度、要求、调节衰减器达到要求的灵敏度，这方法要注意下到几点：
1试块和工件材质不同，衰减不同的补偿。
2试块和工件表面粗糙度不同的补偿。
3试块反射体声程和工件检测灵敏度要求声程不同引起补偿（扩散、材质）。
4试块反射体和工件检测灵敏度要求的反射体种类不同引起补偿。
2.工件底波法调整灵敏度
要求：
①工件底面和探测面平行。
②工件底面和探测面形状相同，且规则。
△dB=20lg
③工件底面和探测面形状不同。
如带中心孔的轴或筒体外表面或内表面探测。
A△dB=20lg
+10lg
B△dB=20lg
－10lg
特点：
①方便、不用试块
②不考虑表面补偿
③不考虑材质衰减（底面缺陷和底波声程相同）
方法：
只要求出底波高与要求的检测灵敏度反射法之间回波高度差。
3.传输损失测定
①试块与工件厚度相同时
试块上第一次回波B1调到基准波高时衰减器读数dB值V1
工件上第一次回波B1′……
读数dB值V2
则传输修正值△dB＝V1—V2（Db）
②试块与工件厚度不相同时
按上述试块与工件同厚度测得的△dB值，再按下式修正
V3（dB）＝△dB＋20lg
式中：
X工—工件声程（mm）
X试—试块声程（mm）
4.工件材质衰减系数测定
在工件完好区选三处检测面与工件底面平行的代表性部位，调节底波Bn和Bm的高度，取m=2n，
则衰减系数α为：
α＝（Bn－Bm－20lg
）/2X（m-n）
当工件厚度X≥2N（N为探头近场长度）时，取n=1，m=2。
6.4.2扫查
扫查应考虑：
①扫查到整个探伤面；
②声束扫查到整个工件检测范围内全体积；
③探头移动间距相邻有一定范围覆盖重叠区；
④扫查速度满足JB/T4730标准要求
⑤有效声束范围。
6.4.3缺陷到评定
1.缺陷位置确定
①缺陷平面位置
找到缺陷最大反射波，缺陷位于探头主声束上，即在探头正下方工件内。
②埋藏深度
根据缺陷波声程及扫描线比例计算得出。
2.缺陷尺寸的评定
（1）回波高度法
1）缺陷回波高度法
根据缺陷回波高度比检测灵敏度下基准波高比较，确定缺陷大小。
2）底波高度法
在远场（X>3N），当缺陷比声束截面小时，缺陷波高与面积成正比（此时可用当量法定缺陷大小）；当小缺陷数量很多，或缺陷面积逐渐增加，则缺陷越大，所遮挡的声束愈多，造成缺陷处工件底波下降越大，此时可用缺陷波与底波相对波高来评价缺陷的大小。
1.
：
BF——为缺陷处底波高度，F——缺陷波高
2.
：
BG——无缺陷处底波高度
3.
此方法在钢板、锻件探伤中常应用。
（2）缺陷当量评定法
1）当量法
适用于小于声场的缺陷的当量测定。
a、当量试块比较法
方法：
将人工缺陷（试块上标准反射体）与工件中自然缺陷回波比较，定出的缺陷当量。
要求：
①加工一系列不同声程，不同形状（平底孔或横孔），不同尺寸（直径不同）试块，将自然缺陷声程与试块上声程相近的反射体比较。
②试块与工件材质相近或相同，光面光洁度，工件形状相同或一致。
③探测条件一致，仪器、探头、灵敏度一致。
优点：
直观，测得当量值较明确。
缺点：
要做大量试块，成本高。
对X>3N时做试块不易，故仅在X≤3N时应用。
b、当量计算方法
△当量：
不同类型和不同大小的工件中的任何缺陷反射回波高与同声程的某标准（规则）反射体的反射回波高相同时，则该标准（规则）反射体的类型和尺寸即为该缺陷的当量。
△由于实际缺陷的几何形状，表面状况、方向，缺陷性质各不相同，其声吸
收、声散射比标准规则几何开头反射体复杂的多。
一般实际缺陷总比所定的当量值大3~5倍，或更多。
当量计算方法：
利用规则形状反射体回波声压（第二章中介绍的几种）与缺陷回波声压（缺
陷波高dB值）进行比较得到缺陷当量。
基本公式：
（各标准反射体回波声压）
大平底：
平底孔：
长横孔：
短横孔：
Lf——短横孔长，Df——短横孔直径。
球孔：
园柱曲面：
PC=
凸面r内半径
PC=
凹面R外半径。
考虑材质衰减应均乘上：
e-
式中：
P=2P0Sin
在X>3N时
P=
具体计算：
用公式计算：
应根据缺陷波高与所定探伤灵敏度比较或和底波高比较，再与探伤灵敏度比较。
计算时应考虑：
①材质衰减。
如题中不考虑，就不管。
如题中告诉衰减，要弄清是双程还是单程的。
②是否要不同孔型之间相互换算。
如灵敏度为平底孔，题中要求求出长横孔当量，这要互换。
X≥3N近似准确。
③用AVG图计算，可直接查得缺陷相对大小G，再乘探头晶片尺寸DS则可得缺陷尺Df。
④用实用当量曲线可在曲线上直接查得缺陷当量直径。
（3）缺陷延伸长度的测定：
适用于缺陷尺寸大于声束截面时的缺陷。
指示长度：
根据缺陷波高，用探头移动距离的方法。
按规定方法测得的缺陷长称指示长度。
特点：
由于工件中实际缺陷取向、性质、表面状态均影响缺陷回波高度。
故指示长度一般小于或等于实际长度（此时所用dB值即缺陷波最高波下降dB值≤6dB时），当dB>6dB时，一般将缺陷测大，即指示长度大于实际长度。
1）相对灵敏度测方法
相对灵敏度法是以缺陷最高回波为基准，使探头沿缺陷长度方向两端移动，使缺陷波下降一定的dB值。
常用6dB（半波）、12dB（
波高）、20dB（全波消失）。
①6dB法（半波）
适用于：
缺陷只有一个高点
缺陷基本垂直声束
缺陷沿探头移动方向基本均匀
缺陷长度大于声束截面
②端点6dB法：
一般将缺陷测大
缺陷有多个高点时，用端部6dB法即使端部波高下降6dB。
关键：
确定端部缺陷回波峰值（最高值），找到了缺陷端部峰值后，和6dB法同样操作。
2）绝对灵敏度法
探伤仪在规定灵敏度条件下沿缺陷方向移动（不管缺陷最高在何值）。
使缺陷波下降至规定的位置如评定线，如GB11345和JB/T4730中Ⅰ区缺陷规定降到测长线即为绝对灵敏度法。
特点：
①测长是与缺陷最高波多少无关。
②缺陷长度（指示长度）与缺陷波高和所规定的测长值位置有关，如缺陷波高只比规定测长灵敏度高3dB，即为3dB测长，一般将缺陷测短。
如缺陷波高比规定测长灵敏度高20dB，即为20dB测长，一般将缺陷测大。
3）端点峰值法：
一般将缺陷测少。
在探头移动过程中发现缺陷有多个高点，则将缺陷两端点最大波高处探头位置的距离作为端点峰值法指示长度。
关键：
寻找端点峰值位置。
△以上测长法适用：
长条形缺陷
①对于缺陷回波包络线只有一个极大值的缺陷，可用最大波高衰减法，常用6dB法。
②对缺陷回波包络线有多个极大值缺陷，可用端点6dB法或端点峰值法。
③对条形气孔、未焊缝等宜用6dB法。
对裂纹、未熔合、条形夹渣等宜用10~12dB法。
对小于10mm缺陷宜用3dB法。
（标准规定指示长度小于10mm，以5mm计）。
④对中间粗、两端细或细长缺陷（裂纹、未熔合）用端点法可获得较好的结果。
⑤用20dB法时应考虑声场修正。
（即测得移动长度应减去声场直径才为缺陷指示长度）
6.4.4非缺陷回波的判别
1、迟到波
条件：
探头在细长工件（板或棒）一端纵波探测，扩散声束纵波射到侧壁产生变型横波，再变成给纵波经底面反回探头引导成迟到波。
2、61°反射：
特定反射。
当纵波入射到钢/空气界面。
α+β=90°α——纵波入射角
β——横波反射角。
由
及
即入射角α=61°时，出现β=29°的很强的横波反射。
3、三角反射回波
直探头在实心园柱体探测得的迟到反射。
B1——L底波————————————————声程d
H1——L等边三角形反射波——————————声程1.3d
H2——L-S-L反射波—————————————声程1.67d。
探测此类工件如工件中无缺陷，则出现三角形反射，如无此三角形波，则此工件中存在缺陷。
4、探头杂波
5、工件轮廓波——各种形状工件轮廓波不相同要具体分析。
6、耦合剂反射——表面波及大K值探头探伤时出现。
7、幻象波
重复频率太高时产生，可降低重复频率。
8、草状回波（林状回波）
工件晶粒粗大引起，可降低频率。
9、其它变型波
根据具体工件情况及横波探伤时特定条件，要具体分析。
10.侧壁干涉波
纵波探头靠近侧壁，经侧反射的纵波和变型横波与直接传播的纵波互相干涉，造成越靠近侧壁，回波反而下降，探头离开一定位置回波反而上升。
避免侧壁干扰条件：
侧壁反射波声程与直接传播声程差大于4λ。
1.轴线小缺陷无侧壁干扰条件：
对钢
2.底面无干扰：
对钢
△试块宽最小要满足上述条件。
6.5横波斜探头检测技术
6.5.1仪器调节
1.入射点、折射角测定
2.扫描线比例调节
①声程比例：
扫描线刻度按横波声程成一定比例调节，可利用IIW,IIW2,CSK-IA,半圆试块等调节。
②水平比例调节
扫描线刻度按反射体水平距离成一定比例调节，可利用CSK-IA,ⅡA,ⅢA等试块调节。
③深度比例调节
扫描线刻度按反射体深度距离成一定比例调节，可利用CSK-IA,ⅡA,ⅢA等试块调节。
3.距离—波幅曲线灵敏度
根据JB/T4730标准和检测要求制作和调整检测灵敏度。
4.传输修正测定和补偿
（一）引起损失原因
表面耦合差：
试块与工件，表面粗糙度不同；
材质衰减差：
试块与工件，材质不同引起材质衰减不同；
底面反射差：
试块与工件，底面不同状况。
（二）测试方法
1.薄板焊缝损失差：
一收一发两探头在工件上相距2P时，测得回波高为H1（具体可将波调至基准高如40%，记衰减器读数NdB），再在试块上一收一发探头相距仍为2P时，测得回波高为HZ（具体将波调至基准高如40%，记下衰减器读数N′）。
用衰减测出H1-H2=△dB值=（N-N′）dB。
如△dB即为：
表面耦合损失差
底面反射损失差
材质衰减损失差
2.中厚板焊缝声能损失差测定
1试块与工件材质、厚度相同。
上表面耦合损失差：
试块A面与工件光洁度相同，B面与CSK-ⅢA光洁度相同。
用衰减器测出B1-B2=△1dB值。
下表面反射声能损失差：
用衰减测出H1-H2=△2dB值。
总的声能损失△dB=△1dB+△2dB。
（★这里因材质相同故无材质衰减损失差）
2试块与工件材质、厚度不同
1）材质衰减系数测定：
试块：
厚T=40mm，材质、表面粗糙度与工件相同或相近。
仪器按深度1:
1调，两只相同型号斜探头一收一发，测出相距1P和2P时的波幅H1（dB）和H2（dB）。
则衰减系数
（S1和S2为横波声程；
为斜探头内等效声程）
（如忽略
，则此式约等于：
）
（这里
。
对K2值探头β=63.4°，
，
，故忽略
=10mm。
）
2）表面耦合与底面反射损失差测试。
一发一收两斜探头置于CSK-ⅢA（T=30mm）或CSK-ⅡA（T=T1）在相距1P时测出回波高H1（dB），再将探头移至工件上，相距1P时同样测出回波高H2（dB）。
则表面耦合与底面反射损失差△1为：
表面与底面反射损失：
△1（dB）=（H1-H2-△2-△3）dB
扩散（声程差引起）：
（T1——试块厚；T2——工件厚）
材质衰减引起：
△3=α2X2-α1X1
当试块α1≤0.01dB/mm时，△3=α2X2=α2
（单探头探伤时α2为来回双程，故
，不为
。
）
6.5.2扫查
按JB/T4730标准要求作前后、左右、环绕和转动扫查。
6.5.3缺陷的评定
1.横波平面工件的缺陷定位：
（1）声程比例调节
定出水平距离Lf=nTfSinβ和深度df=nTfCOSβ，二次波df=2T-nTfCOSβ。
（2）按水平比例调节
定出：
水平距离Lf=nTf可直接在扫描线上读出深度df=nTf/K，二次波
df=2T-nTf/K。
（3）按深度比例调节
定出：
水平距离：
Lf=K·nTf
深度：
df=nTf
二次波：
df=2T-nTf
2.横波周向探测
（1）外园周向探测
离外表深度H=R-
L
弧长⌒=
tg-1
式中：
d为扫描线上显示的平板工件深度。
H为曲面工件上缺陷离外表面实际深度。
R为工件外半径。
K为探头K值。
⌒为缺陷离探头外表面弧长。
L
特点：
HL（<平板工件缺陷水平距离）。
L
（2）内壁周向探测
h=
－r
L
⌒=
tg-1
L
特点：
h>d⌒式中：
r为工件内半径。
（3）最大探测壁厚
探头在筒体外表面探测时，主声束与内表面相切时筒体的壁厚即为最大探测壁厚Tm。
此时探头折射β为：
Sinβ=
（R、r分别为筒体外、内半径）
则
≤
即Tm≤R
（4）声程修正系数μ和跨距修正系数m。
当探头在外园探测时，设平板工件跨距
AH=2Ttgβ
工件上横波一次波声程
AG=
式中T——工件板厚，β——探头折射角。
⌒
AE
设AC为厚度为T的平板工件一次横波声程，为工件上外园面一跨距弧长，则：
μ=
m=
经整理得μ=
m=
一般：
μ≤1.1时可不作修正，则μ>1.1时修正条件，可求得：
K=1.0r/R<0.86
K=2.0r/R<0.96
K=2.5r/R<0.975
由上式可得到
△μ和T/D关系曲线
m和T/D关系曲线
实际应用时可查图，可求出缺陷靠近内壁（一次）和外壁（二次）的水平跨距和缺陷位置。
实际缺陷位置仍用前面外壁探测公式，本节只对是否要修正来说。
3.缺陷定量
（1）测长法；见6.4.3
（2）缺陷自身高度的测定
1）端部最大回波法
1利用超声波入射到裂纹端部，出现一个较强的回波（称端部峰值回波，
实质是由端部强裂散射引起回波峰值）。
测量裂纹深度（开口裂纹）
裂纹深h为
h=
=
2如用K=1探头，则h=
（实际测量时常用K＝1斜探头）
l0——探头前沿长度，a——探头前沿至缺陷距离。
3利用此法测表面未口裂纹高度，
△聚焦探头测效果好
△对上端点深度小于5mm困难
将扫描线按深度1:
1调，h1和h2分别表示缺陷上、下端点离开探测面距离，可直接在扫描线读取，则裂纹高度h：
h=h2–h1=
（a为探头分别探测到缺陷上、下端点时的探测位置处探头入射点之间的距离，可以在工件上测量出来，k探头k值。
）
2）横波端角反射法
横波射到下表面开口缺陷（根部未焊透，下表面裂纹等）回波高h与波长λ以及探头K值有关。
经试验在矩形槽深2mm以内，回波高度dB值与h/λ的变化不是单调的，而是起伏的。
因此，此种方法光靠波高无法确定缺陷深度，实际应用时，用不同深度槽形试块对比得出缺陷深，故误差较大。
当横波探测到下表面开口缺陷时，形成角镜反射条件，可用角镜反射法测量：
将探伤仪扫描线按深度1:
1调节，当探测面与缺陷不在同一面时使探头置于表面开口背侧，声束轴线对准缺陷与下表面直角处（此处角镜），将此波调至荧光
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