超声波探伤理论知识.ppt

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1、超声波检测理论培训,理论学习内容,超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个

2、缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。,第一章超声波检测的物理基础,我们采用超声波进行探伤，首先要弄明白超声波的物理概念，这是我们学习超声波探伤学习的第一步。下面我们了解几个概念。机械振动机械波声波超声波一、机械振动和机械波1、机械振动：物理学术语中机械振动的概念：一般来说，物体或质点在某一平衡位置附近作

3、往复运动，叫做机械振动，简称振动。,在摩擦力可忽略的情况下，上述振动都是余弦函数（或正弦函数）性质的，我们称之为谐振动。谐振动时，只有弹力或重力做功，其它力不做功，符合机械能守恒定律。谐振动是一种周期性振动，其振动量每隔一固定的时间T就完全重复一次，时间T称为周期运动的周期，每秒种所完成的周期数即称为频率。2、机械波：振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。在物理学上可以把物体看作是质点的堆积，振动的质点可引起周围质点的振动，并逐步向前传播，我们把机械振动在介质中的传播过程称为机械波；机械振动在上述弹性体中的传播就称为弹性波（即声波）。它是一种重要的机械波。声波产生的条件是首先

4、要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传播振动的弹性介质。当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近振动而已，向前传播的只是超声波的能量。电磁波是交变电磁场以光速在空间传播，完全不同于机械波，如无线电波、红外线、X射线等。,声波以人的可感觉频率为分界线分为：超声波，频率大于2万Hz的声波；次声波，频率小于20Hz的声波；可闻声波，介于二者之间，三大类。为什么探伤采用超声波，而不采用次声波或可闻声波？或者说超声波探伤主要利用了超声波的哪些特性？利用了超声波频率高，指向性好；反射性能，遇到障碍物能产生反射、折射，具有波型转换性能；传播能量大，声能损失小，穿透能力强。超声波的

5、分类：1、按声波的连续性分为：连续波（简谐波）和脉冲波（冲击波）；2、按波动型式（波型）分为：纵波、横波、表面波（瑞利波）、板波（蓝姆波）；3、按波传播的形状、波振面的形状（波形）分为：平面波、球面波、柱面波、活塞波。,下面分别讲述：（1）介质各质点振动持续时间为无穷时所形成的波动为连续波。其中最重要的特例是各质点都作同频率的谐振动，这种情况下的连续波称为简谐波（也称为正弦波、余弦波）。振动持续时间有限（单个或间发）时所形成的波动称为脉冲波。根据数学知识，任何周期振动可以分解为许多谐振动之和，对于非周期性的振动也可以分解为无限多个频率连续变化的谐振动之和。这种把复杂振动分解为谐振动的方法，称为

6、频谱分析。实际探伤用的超声波是多个频率超声波的迭加，并非单一的超声波，标称频率其实是它的中心频率，也就是按能量划分，多个频率中占比最多的哪个单一超声波的频率。理论上是将实际探伤的超声波作为单一频率的超声波来研究，也就是理想状态。所以超声波理论计算与我们实际超声波探伤结果是不一致的。谐振动、简谐波的表达式：y=Acos（t+）,式中y表示在任意瞬间t时振动的幅度；A是振幅，是y的最大值；（t+）是相位角，其中为角频率（角速度），为初始位相角（t=0时的相位角）。（2）由于声源在介质中振动方向与波在介质中传播方向可以相同也可以不同，这就可产生不同类型的声波。波的传播方向与质点的运动方向一致，这种波

7、称为纵波。纵波在介质中传播时会产生质点的稠密部分和稀疏部分，故又称为疏密波。质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波。横波在介质中传播时介质会相应地产生交变的剪切形变，故又称为剪切波或切变波。质点作上下振动时产生的横波称为垂直偏振横波（SV波），质点作前后振动时产生的横波称为水平偏振横波（SH波），如不作特殊说明，一般横波均指垂直偏振横波（SV波）。在半无限大固体介质与气体介质的交界面上，质点在平面内作椭圆振动，长轴垂直于波的传播方向，,短轴平行于波的传播方向，这种波动称为表面波（瑞利波）。它仅在固体表面传播，在固体内部深度一般不超过一个波长。利用其特性，可发现固体表面的缺陷。如果固体

8、物质的尺寸进一步受到限制而成为板状，当板厚小到某一程度时，瑞利波就不会存在而只能产生各种类型的板波，蓝姆波是最主要的一种板波。板厚一定时，传播速度随频率而变，这种现象称为频散。因为液体和气体中缺乏恢复横向运动的弹性力，所以液体和气体中只能传播纵波，而固体中可传播任意波型，并且各种波型可同时存在。学过超声波探伤的人都知道同样波型的超声波在一种介质中的声速一定，则频率越大，探伤灵敏度越高；同频率的不同波型超声波，在同一种介质中声速越小，则探伤灵敏度越高。即波长越短，越能发现小缺陷，探伤灵敏度就越高。（3）声波在无限大且各向同性的介质中传播时（为研究方便，我们假设的理想状态），其形状（亦称为波形）是

9、根据波阵面的形状来区分的。波阵面是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的面；,波前是指某一时刻振动所传到的距离声源最远的各点所联成的面。波线是表示波传播方向的线。在各向同性介质中波线恒垂直于波阵面；在任意时刻波前的位置总是确定的，且只能有一个，而波阵面的数目可以是任意多。波阵面为平面的波称为平面波。如不考虑介质吸收波的能量，则声压不随传播距离而变化，即声压为恒量。波源为作谐振动的无限大平面，在各向同性的弹性介质中传播。理想的平面波是不存在的。当声源尺寸远大于波长时，可近似看作平面波。声源为点状球体时，波阵面是以声源为中心的球面，称为球面波。声压与传播距离成反比，声强与距声源距离的平方成

10、反比。声压与传播距离的平方根成反比，声强与距声源的距离成反比。圆盘形声源发出的波介于球面波与平面波之间，称为活塞波。,这是我们实际探伤中所应用的波，相对超声波波长而言，圆盘形声源尺寸既不能看成很大，也不能看成很小。声源为无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面的波称为柱面波。三、超声波的传播特性：波长：两个振动位相相同点之间的最小距离。周期：振动量完全重复一次所需要的最小时间间隔。频率：每秒钟所完成的周期数。声速：单位时间内波所传过的距离称为这种频率的波在该介质中的传播速度，简称声速。声速为波长除以周期的商或波长与频率的积，即C=/T=f。,1、声速影响超声波探伤对缺陷的定位。声速与介质材料的弹性

11、和密度有关，与超声波波型有关（固体中ClCsCr）。C=（E/P）0.5 K（P为密度，E为弹性模量，K为材料泊松比有关的常数，它由波形决定。）我们要注意以下4点。（一）超声波的传播速度与介质中质点的振动速度是两个不同的概念，要注意区分。（二）一般说纵波声速大的材料，横波声速也大，但是铝纵波声速大于钢，而横波声速略小于钢，是个特例，计算或回答问题时要特别注意。（三）固体介质中的声速与介质温度、应力、均匀性有关。一般固体介质的声速随介质温度的升高而降低；一般应力增加，声速也增加，但增加缓慢；晶粒细声速大，晶粒粗大声速小。（四）除水以外的所有液体和气体介质，当温度升高时，超声波的传播速度降低。水温

12、度低于74时，声速随水温度升高而增加，74时声速达到最大值，当水温度大于74时，声速随温度升高而降低。,2、超声波场的特征量：超声波场定义：介质中有超声波存在的区域称为超声场。描述超声波的重要物理量：声压、声强和声特性阻抗。声压：在有声波传播的介质中，某一点在某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时该点的静压强之差。声压是个随时间改变的变量，P（t）=Pcos（t+）在实用上，比较二个超声波并不需要对每个时间的声压都进行比较，只需用其幅值比较即可.由无衰减的平面余弦行波可推倒出P=cu（为介质密度，c为介质中超声波的传播声速，u为介质中质点振动速度）。通常就把声压的幅值简称为声压。声压的幅值与介质

13、的密度、声速和频率成正比。声强：在垂直于声波传播方向上，单位面积上在单位时间内所通过的声能量，或称为声的能流密度。符号为I，I=P2/2c。即声强与声压幅值的平方成正比。声强与超声波的频率平方成正比，因此频率高声能量就大。,声特性阻抗：将介质的密度与声速的积称为介质的声特性阻抗，以符号z表示。z=c，声特性阻抗能直接表示介质的声学性质，表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。一般材料的声特性阻抗随温度的升高而降低。声压、声强的分贝表示法：由于人耳对声音响度的感觉近似地与声强的对数成正比，于是采用对数来表示这一关系，即贝耳数为两个声波声强之比的常用对数值，也就是说一个声波比另一个声波高（低）多少贝

14、耳。贝耳数=lgI1/I2（贝耳）实际应用时，由于贝耳单位太大，取其十分之一称为分贝，用符号dB表示。分贝数=10 lgI1/I2（dB）=20 lgP1/P2（dB）通常生活中所说的噪声分贝数，是把其声强与标准基准声强（10-16瓦每平方厘米）带于上式计算得出的，,3、超声波的波动特性：波的叠加：几列波同时在一种介质中传播时，相遇处质点的振动是各列波所引起的振动的合成，合成声场的声压等于每列声波声压的矢量和，这就是声波的叠加原理。相遇后各列声波仍保持各自原有的特性不变继续前进。干涉：频率相同、波型相同，相位相同或相位差恒定的两列波叠加，在某些位置振动始终加强，某些位置振动始终减弱或完全抵消，

15、这种现象称为干涉。驻波：两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向彼此相向传播时叠加而成的波。它是干涉现象的特例。惠更斯原理：波动起源于波源的振动，波的传播须借助于介质中质点之间的相互作用。对于连续介质来说，任何一点的振动将引起相邻质点的振动。所以，波前在介质中达到的每一点都可以看作是新的波源（即子波源)向前发出球面子波，这就是惠更斯原理。超声波在传播过程中如果遇到一个障碍物（声阻抗与周围介质不同的物质），就可能产生若干现象，这些现象与障碍物的大小有关。如果障碍物的尺寸比超声波的波长小得多，则它对超声波的传播几乎没有影响；如果障碍物的尺寸小于超声波的波长，则波到达这障碍物后将使其成,为新的波源

16、而向四周发射波，如果障碍物的尺寸与超声波的波长近似，则超声波将发生不规则的反射、折射和透射，这称为超声波的散射；如果障碍物的尺寸比超声波的波长大得多，则有入射声波的反射和透射。两者声特性阻抗差别大时，则只有反射无透射，此时在障碍物后面将形成一个声影区，但声波是一种波动，可绕过障碍物的边缘不按原来的方向而弯曲向障碍物后面传播，即存在所谓绕射（衍射）现象。声影区随离障碍物的距离的增加而逐渐缩小，到一定距离后声影区才消失。此现象本质上是子波的干涉。超声波探伤是利用超声波的反射原理，所以要发现工件中的缺陷，一是缺陷与工件的声阻抗差别足够大，二是缺陷垂直于超声波传播方向上的尺寸大于超声波的波长。这就是前

17、面我们说的波长越短，探伤灵敏度越高的原因。什么是探伤灵敏度？是指在确定的探测范围内的最大声程处发现规定大小缺陷的能力。探伤前为什么要调节探伤灵敏度？探伤灵敏度一般根据有关标准或技术要求确定的。探伤前调节灵敏度的目的在于发现工件中规定大小的缺陷，并对缺陷定位/定量。灵敏度太高，杂波多，分辨波形困难；灵敏度太低易漏检。,四、超声平面波在界面上垂直入射的行为平面波声压不随传播距离而变，研究起来比较简单。界面两边声阻抗不同时，有反射和透射发生。声压反射系数r=Pr/P0=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）；声压透射系数t=2 Z2/（Z2+Z1）；声强能量守恒。声强反射系数R=（Z2-Z1）/（Z2+Z1

18、）2；声强透射系数T=4 Z1Z2/（Z2+Z1）2。由该式可得出，垂直入射时，声压反射率、透射率与从何种介质入射有关；声强反射率、透射率与从界面哪侧入射无关。1、若Z2Z1，声波几乎没有反射而全部从第一介质透射入第二介质。2、若Z1Z2，则声波在界面上几乎全反射而透射极少。例子见书上。3、若Z2Z1时，反射系数为正值，表示入射波与反射波相位相同，透射系数大于1，表示透射声压大于入射波声压。,往返透射比及多层平界面时的反射和透射行为.Z1=Z3Z2时（类似于工件中存在薄层缺陷），中间介质（Z2）层的厚度为超声波在该介质层中的半波长整数倍时，超声波全透射。工件中的缺陷若厚度满足此条件时，超声波全

19、透射而无反射，则缺陷漏检。Z1Z2Z3时，中间介质（Z2）层的厚度为超声波在该介质层中的1/4波长奇数倍时，超声波全透射。相当于超声波由探头斜楔到耦合剂，再到工件中时，耦合层厚度为/4的奇数倍时，可产生全透射，这称为四分之一波长全透射。这只对单频超声波是准确的，而实际超声波探伤是多频率波，具有连续谱，当中心频率满足全透射条件时，其它频率分量并不满足此条件。所以实际情况与计算仍有误差，但所述物理概念对我们实际探伤工作仍有重要参考作用。超声波通过异质薄层时的声压反射率、透射率不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度和超声波在薄层内的波长之比有关。往复透射率的高低直接影响探伤灵敏度，透射率高

20、探伤灵敏度就高。,五、超声平面波在界面上斜入射的行为如果两种介质中超声波的声速不同(即两种介质的声阻抗不同)，则在界面上可能会发生超声波的反射、折射和波型转换（即入射声波与反射声波或折射声波不同波型）现象。由于气体和液体不能传播横波，所以不是任何情况下反射波和折射波都有波型转换。1、反射遵从反射定律，即入射角的正弦与反射角的正弦之比，等于入射声速与反射声速之比。2、折射遵从折射定律，即入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射声速与折射声速之比。3、临界角、全反射和反射波的位移：纵波入射，第二种介质中只有折射横波存在，折射纵波折射角为90度时的，第一种介质中的纵波入射角称为第一临界角。=sin-

21、1（Cl1/Cl2）纵波入射，第二种介质中折射横波折射角为90度时的，第一种介质中的纵波入射角称为第二临界角。=sin-1（Cl1/Ct2）横波入射，第一种介质中反射纵波反射角为90度时的，入射横波入射角称为第三临界角。=sin-1（Ct1/Cl1）当入射角大于临界角时，折射角正切值大于1，折射角不是实角，在,波，而是产生所谓的“非均匀平面波”，这现象称为全内反射。这非均匀平面波在下方介质中沿分界面传播一段距离后又回到原第一介质中汇合到反射波中去，此时，反射波能量等于入射波能量，反射波反射角等于入射角，但整个反射波束沿界面向前移动了一段距离。移动距离的大小取决于两种介质的声速比和入射角接近临界

22、角的程度，以及入射波的波长。这称为反射波的位移。反射定律和折射定律仅说明反射波和透射波的方向，而没有涉及它们之间的声压关系，但斜入射时这种关系计算比较复杂。影响反射率、折射率的因素有：两种介质的声阻抗、波型（波速）、入射角等。界面两侧介质的声速不同，决定了超声波斜入射时，反射、折射波的方向；两侧介质的声特性阻抗不同，反映了声压、声强的反射率、透射率。超声波斜入射到界面时，入射方向是否改变只与两侧声速有关。4、在曲面上的反射和透射：反射时只和界面曲率有关，凹面会聚，凸面发散；透射时和界面曲率及两侧介质声速有关，发散或会聚可由折射定律计算得出。C1C2，透过波凹面发散，凸面会聚；C1C2，透过波凹

23、面会聚，凸面发散。,5、圆盘声源的声场（超声波探头的声场）：圆盘声源是指一种平面状的圆振子，当它沿平面法线方向振动时，其面上各点的振动速度的幅值和相位都是相同的，产生活塞波。声束中心轴线上声压等于声源各点辐射的声压在该点的叠加，由于有相位差，因而在整个声束轴线上出现有声压极大值和声压极小值的波动。声轴线上最后一个声压极大值点到声源的距离称为近场长度，以N表示，当晶片直径远大于波长时，N=D2/4=A/（）其中A为晶片的面积。距离小于N的范围称为近距离声场（近场）。距离大于N的范围称为远距离声场（远场）。在距离大于3N时，圆盘声源的声场轴线上的声压与球面波的声压之间的差别已很小。超声场内有主声束

24、和副瓣声束。超声波的能量主要部分集中在主声束内，这种声束集中向一个方向辐射的性质叫做声场的指向性。在与声源的距离远大于声源尺寸（a3D2/4即3N）处有一个声压正好为零的方向，这个方向与中心轴之间的夹角可用来表示声束的指向性，称为指向角。,sin=/D 其中=1.22(圆晶片);=1(方晶片)为声波的波长 D为圆晶片的直径、方晶片的边长。由于超声波能量基本集中在主声束，对于圆晶片可以认为超声波能量未逸出以晶片面积为底的圆柱体，1.6N范围内的区域就称为非扩散区。为什么尽量避免在近场区探伤定量？由于近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值处的小缺陷可能回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回

25、波较低，这样就引起了误判。6、规则形状反射体的反射：非大平界面时的反射行为。（前提条件）（1）圆形平面和方形平面的反射（平底孔）：Pr=PoAs/（2a2）其中A为发射晶片的面积，s为圆形平面的面积，a为两者之间的距离。两个平底孔：=40lg(d1/d2)+40lg(a2/a1)d2=d1(a2/a1)10-(/40)（2）球形反射体（球孔）：Pr=PoAd/（4a2）其中d为球体的直径。两个球孔：=20lg(d1/d2)+40lg(a2/a1),（3）圆柱形反射体（长横孔）：Pr=PoA（d/8 a）1/2/a两个长横孔：=10lg(d1/d2)+30lg(a2/a1)（4）大平面的反射（大

26、平底）：Pr=PoA/2a 利用大平底对平底孔的分贝差，可用大平底校探伤灵敏度而不用考虑材质及表面状态补偿。7、超声波在传播过程中的衰减：超声波在实际介质传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减。由于波型造成的衰减为扩散衰减，它仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关，非平面声波的声束不断扩展增大，单位面积上的声能随距离的增大而减小。由于介质原因造成的衰减有散射衰减和吸收衰减。实际材料不均匀，导致材料声特性阻抗不均匀，从而引起声波的散射，使主声束能量减弱，称为散射衰减，晶粒越粗大，声波频率越高，衰减越严重；由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，使一部分声能转化为热能，由于介

27、质的热传导，介质稠密部分和稀疏部分之间进行热交换，导致声能损耗，以及由于分子弛豫造成的吸收，称为吸收衰减。,当底面处于3N以外时，上下表面平行的试件单程衰减系数粗略为：=Vm-n-20lg（n/m）/2（n-m）T式中：Vm-n表示试样第m次与第n次底面回波幅值的dB差。nm,第二章 超声波检测仪、探头及试块,一、超声波检测仪：1、用于固体材料超声波检测的装置，按其所指示的参量可分为：指示穿透的能量（常用于穿透法）；指示频率可变的超声连续波在试件中形成驻波的情况（可用于共谐法测厚）；指示反射的能量和运行时间（用于脉冲反射法，为最常用的超声波探伤方法）。,脉冲反射法又分为：A型显示（显示缺陷深度

28、及缺陷反射信号幅值、形状）；B型显示（显示缺陷深度及其在纵截面上的分布）；C型显示（缺陷在平面视图上的分布）。A型显示仪的组成部分：发射部分、接收部分、同步电路、扫描电路、示波器、电源部分、辅助电路等。各部分的作用见课本始波前沿并不等于超声波进入工件时的零位置，一般来说调整好的（标定好）的仪器的始波前沿位于示波屏零刻度的左侧。（由于探头有保护膜等）控制位置的仪器旋钮：水平粗调、水平微调、水平延迟。控制回波高低（灵敏度）的仪器旋钮：发射强度、增益、抑制、衰减器。数字化A型显示超声波检测仪可有多种形式。大致有峰值采样法（可实时地得到缺陷的当量和位置等主要信息，成本较低。不足的是仅仅取得闸门内的最高

29、峰值，丢失了大量有用信息，无法对回波进行信号处理，因此局限性较大）；,全波采样法（实时提供缺陷的当量、位置等信息外，可显示、存储和回放存储的回波波形，并对回波进行逐点分析。为得到好的分辨力和脉冲逼真度，关键因素是采样频率和荧光屏的像素数，采样频率应为信号频谱中最高频率成分的二倍以上方可使信号不丢失或失真，当采样频率不够高时易产生最高峰漏检，但提高采样频率则将大幅度提高成本，应采用合适的技术处理以充分满足检测要求）；模拟数字混合方式等（兼顾了模拟和数字仪器的特点，显示波形细节丰富，也具备数字调节与处理功能，保留了模拟仪器显示迅速、真实、细腻的优点）。二、超声波探头：凡能将任何其他形式能量转换成超

30、声振动形式能量的元件，均可用来产生超声波，叙述压电换能器和电磁声换能器。1、压电换能器是利用某些材料的压电效应制作的。压电晶片受到发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，为逆压电效应，对应超声波的发射；当超声波作用于压电晶片时，晶片受迫振动引起形变可转换成相应的电信号，是为正压电效应，对应超声波的接收。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度。为得到较高的效率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1/2波长。,压电材料的居里点是指压电材料完全丧失压电效应的温度。介电常数反映材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用。压电应变常数是指当压电

31、体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏。压电电压常数则是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着晶片接收性能的好坏。探头材料一般采用环氧树脂加钨粉来制作。（1）直探头的组成部分：压电晶片、吸收块、保护膜、导线、外壳、匹配线圈。（2）斜探头的组成部分：压电晶片、吸收块、斜楔、导线、外壳、匹配线圈。（3）压电换能器的主要种类：接触式直探头、斜探头，联合双探头（接触式纵波/横波联合双探头）、液浸探头、液浸聚焦探头、接触式聚焦探头。实际工作中应用多探头法可提高探伤速度，并可发现各种取向的缺陷。（4）

32、压电换能器的型号标识：,组成项目及排列顺序为：基本频率（用数字表示，单位MHz）、晶片材料（用字母表示）、晶片尺寸（用数字，单位毫米）、探头种类（用汉语拼音缩写字母表示）、特征。（5）压电换能器与仪器的连接：常用高频同轴电缆。介电常数很低的压电晶片探头，同轴电缆的长度、种类不同，会引起检测灵敏度的较大变化，所以不能任意配用非规定电缆；介电常数很高的压电晶片探头，电缆种类和长度的不大变化，对探头灵敏度影响不大。2、电磁声换能器：把通有交变电流的线圈放在导体表面上，在交变磁场的作用下，导体中将感生出涡流，如果这交变涡流又处于另一恒定磁场之中，构成涡流回路的质点将受到洛伦兹力的作用，适当选择涡流和恒

33、定磁场的方向就可以使洛伦兹力的方向垂直或平行试件表面，从而产生超声纵波或横波，其频率与线圈中所通过的电流频率相同，这种效应是可逆的，这就是电磁声换能器的工作原理。,三、试块：按一定的用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件称为试块。分为标准试块和对比试块。标准试块是指材质、形状、尺寸及表面状态等均由国际组织讨论通过的试块（国际标准试块），或由某个国家权威机关制定并讨论通过的试块（国家标准试块）；对比试块是指以特定的方法检测试件时所用的试块。因为横通孔比平底孔更容易校准超声横波，所以试块上的人工孔多数为横通孔。试块的作用：确定探伤灵敏度、测试仪器探头性能、调整扫描速度、评判缺陷大小。IIW试块

34、的主要用途：校验超声波仪的时间基线线性及垂直偏转线性；调整探测范围；测定纵波远距离分辨力；测定斜探头的入射点、斜楔中的声程长度、在钢试件中的折射角及声束指向性、分辨力；估计盲区大小；估计最大穿透能力；调整检测灵敏度。,四、仪器、探头及其组合的性能测定：1、仪器某些电性能：水平线性、垂直线性、衰减器精度、脉冲重复频率（过高容易出现幻象波）。2、探头性能：回波频率、声场结构（主声束偏斜角、双峰）、空载始波宽度。3、组合性能：灵敏度余量、分辨力、盲区、水平线性、垂直线性。盲区是探测面附近不能探出缺陷的区域，以探测面到能够发现缺陷的最小距离来表示。影响盲区的主要因素有发射强度、始波宽度、放大器恢复时间

35、、探头的阻尼特性等。分辨力是在声束作用范围内，在探伤仪荧光屏上能够把两个反射信号区别出来的能力。影响分辨力的主要因素有发射强度、回波宽度和探头的阻尼特性等。灵敏度余量是指探测一定深度和尺寸的反射体，当其反射波幅被调节至探伤仪荧光屏指定高度时探伤仪所剩余的放大能力。影响的主要因素有探伤仪放大器功能、探头特性、探测频率、反射体深度和尺寸等。,第三章 铸锻件的超声波检测,第一节 铸件的超声波检测一、铸件及铸件超声波检测的特点。1、铸件的特点：组织不均匀，晶粒一般比较粗大；组织不致密，容易形成疏松甚至缩孔；表面状态一般比较粗糙；缺陷种类多且形态复杂，主要缺陷有缩孔、疏松、夹杂、气孔、铸造冷裂纹、热裂纹

36、等。2、铸件超声波检测的特点：超声波穿透性差，散射衰减很大，探测深度小；杂波干扰多，影响缺陷回波的判断；缺陷的定量评定困难，与人工缺陷差异较大。但铸件质量要求一般较低，允许存在的缺陷尺寸较大，数量相对较多。很大部分的铸件检测属于工艺性检查，有的只要求检出危险性缺陷，能加以挖补。,二、检测方法和检测条件。1、检测方法：对于厚度较大、表面光滑的铸件，可采用纵波法进行检查。为发现裂纹或为了有效检测那些由于设计或缺陷取向不能用纵波作有效检测的关键部位可采用横波法。为检查近表面缺陷，可采用联合双晶探头法。对于厚度不大，表面不很光滑的铸件，可用纵波法检查，并观察一次与二次底面回波之间是否有缺陷回波。对于厚

37、度较薄、材质均匀的铸件，可采用多次回波法以检查疏松型缺陷。厚度特大的铸件可采用分层检测法，即人为地将所探工件的厚度分为若干层，并使用不同的探测灵敏度进行检测。当用一般的缺陷回波法检测时，检测灵敏度必须按试件的最大厚度校正，此时，近表面的林状回波等杂波信号愈靠近发射脉冲，幅度越高。因此，在此段内的缺陷回波可能无法辨认。当用分层法时，探测灵敏度按该层的厚度校正，荧光屏上该区段的杂波信号幅度可以降低，缺陷回波就可显示；探测近表面层时，厚度更小，检测灵敏度可比前者更低，杂波信号幅度继续降低，结果在此层内的原先无法辨认的缺陷回波也可看到。这种仅观测所测一层中是否有缺陷的分层法，是解决杂波干扰的一种有效措

38、施。2、探测条件：表面状态：要进行超声波检测的铸件表面应清除型砂等杂物，必要时须用手持砂轮进行打磨或机械加工。耦合剂：探测时，可选用粘度较大的耦合剂如机油、甘油等；粗糙度较大的表面可用水玻璃作耦合剂；可采用带软保护膜的探头；有条件时也可采用液浸法。,探测频率：探测频率的选择由铸件厚度及热处理状态决定，厚度不大且经过热处理改善材质的铸件可选用2-5MHz；厚度大或未经热处理的铸件，多采用0.5-1MHz；高合金钢铸件，晶粒粗大、组织不均匀，目前即使使用更低频率也难进行检测。探测灵敏度：铸件的探测灵敏度视对铸件的质量要求而定，可用带平底孔的试块或试件底面进行调整。扫查方式：考虑到缺陷的形态，只要有

39、可能从两面接近，所有规定进行超声波检测的部位都应从两面进行完整的检测。3、缺陷的评定。缺陷大小的评定：目前应用的有当量法、回波高度法和测长法等。由于铸件中允许存在的缺陷较大，测长法用得较多，通过半波高度法测出缺陷的边界，而后计算出其面积。缺陷位置的测定：可从荧光屏时间基线上缺陷回波位置，根据比例关系推出缺陷在试件上的实际位置。铸件检测时对缺陷的定位要求通常比定量为高，这是由于精确定位可提供挖除区的具体位置。此外，由于铸件中的缺陷大多具有一定体积，有时须从几个方向进行测定以推出缺陷体积的大小。,第二节 锻件的超声波检测锻件是超声波检测实际应用的主要对象之一，本节我们只介绍轴类饼类和筒类锻件的检测

40、。一、锻件中常见缺陷。锻件中的缺陷大致分为由铸锭中缺陷所引起的和锻造过程中产生的两大类别。1、缩孔：系钢锭冷却收缩时，于头部形成的孔洞，锻造时切头量不足而残留下来，锻造时被拉长形成缩管，多见于轴类锻件的头部，具有较大的体积和轴向延伸长度。2、缩松：在钢锭凝固收缩时形成的不致密和孔穴，如锻件锻压比不足，未能熔合而仍存在于锻件中。这种缺陷出现在钢锭中心及头部的机会较多，单个尺寸很小，但常呈弥散分布。3、夹杂物：根据其来源或性质又可分为，内在非金属夹杂（是钢中包含的脱氧剂、合金元素等与气体的反应产物，尺寸较小，在最后凝固的钢锭中心及头部聚积成区）、外来非金属夹杂（冶炼、浇注过程中混入的耐火材料或杂质

41、，尺寸较大，常混杂于钢锭下部，偶然落入的非金属夹杂则无一定位置）、金属夹杂（冶炼时加入合金较多且尺寸较大，或浇注时飞溅小粒或异型金属落入等，未被全部熔化而形成的缺陷）。,4、裂纹：种类繁多，有冶金缺陷在锻造时扩大而形成的裂纹；因锻造加热不当或工艺不当而形成裂纹；热处理过程中形成裂纹等等。铸锭中不均匀组织以及各种细小夹杂物等在压力加工过程中沿金属延伸方向被拉长而形成纤维状结构是为金属流线。应该注意，锻件中由铸锭中缺陷所引起的缺陷常就是沿流线延伸的。二、轴类锻件的超声波检测：1、检测方式：为尽可能发现各种取向的缺陷，应采用多种方式。直探头径向检测：纵波直探头置于轴的外圆面上，使声束沿轴的半径方向入

42、射，用于发现轴中最常见的轴向缺陷。直探头轴向检测：纵波直探头放置在轴的端面，使声束沿轴向入射，用来发现与轴线垂直的横向缺陷，但检测时应注意侧面影响。斜探头周向检测：当缺陷呈径向且为单片，要使用适当折射角的斜探头在轴的外圆作周向检测，使波束直射缺陷片上，或通过双探头串列接收反射回波而发现缺陷。对于斜探头，为了增加接触面改善耦合条件，有时按规程规定将有机玻璃透声斜楔与轴的接触面，修磨成与被探轴表面曲率一样或接近的弧面，此时须注意可能有干扰波出现。沿圆周移动探头的同时，还可以沿轴向移动，从而对整个轴进行横波探伤。2、检测条件：大型锻件的探测几乎都采用缺陷回波法。频率：成品检测常用频率为2-10MHz

43、；锻坯或粗坯的检测常用1-2 MHz。,4、裂纹：种类繁多，有冶金缺陷在锻造时扩大而形成的裂纹；因锻造加热不当或工艺不当而形成裂纹；热处理过程中形成裂纹等等。铸锭中不均匀组织以及各种细小夹杂物等在压力加工过程中沿金属延伸方向被拉长而形成纤维状结构是为金属流线。应该注意，锻件中由铸锭中缺陷所引起的缺陷常就是沿流线延伸的。二、轴类锻件的超声波检测：1、检测方式：为尽可能发现各种取向的缺陷，应采用多种方式。直探头径向检测：纵波直探头置于轴的外圆面上，使声束沿轴的半径方向入射，用于发现轴中最常见的轴向缺陷。直探头轴向检测：纵波直探头放置在轴的端面，使声束沿轴向入射，用来发现与轴线垂直的横向缺陷，但检测

44、时应注意侧面影响。,当缺陷呈径向且为单片，要使用适当折射角的斜探头在轴的外圆作周向检测，使波束直射缺陷片上，或通过双探头串列接收反射回波而发现缺陷。对于斜探头，为了增加接触面改善耦合条件，有时按规程规定将有机玻璃透声斜楔与轴的接触面，修磨成与被探轴表面曲率一样或接近的弧面，此时须注意可能有干扰波出现。沿圆周移动探头的同时，还可以沿轴向移动，从而对整个轴进行横波探伤。2、检测条件：大型锻件的探测几乎都采用缺陷回波法。频率：成品检测常用频率为2-10MHz；锻坯或粗坯的检测常用1-2 MHz。,探头：轴坯的检查为使足够的声能入射到重要部位，一般采用大尺寸探头。纵波直探头作轴向检测时，一般也采用大尺

45、寸的探头，其原因是检测距离大，需要很大的辐射声能。探测部位及其粗糙度：质量检验性的检测部位，通常为轴的所有部位，工艺性的检查部位一般是选择最易发生缺陷之处或作线扫查。为得到良好的接触可用机械切削的方法加以制备。局部的抽查允许使用手工打磨的方法来制备探测面。探测灵敏度：检测灵敏度的要求和校正方法，因质量标准不同而各不相同。以当量表示的灵敏度正在逐步代替按波高或波高比表示的探测灵敏度。后者实际检出缺陷的能力较低且结果抽象。锻件中的缺陷经锻压后通常变得扁平，因此作为对比当量的人工缺陷常采用平底孔。3、注意事项：探测灵敏度校正：使用轴本身的底面作为探测灵敏度校正基准时，应选择完好无缺陷且确认波束不射及

46、侧面的部位进行。以轴的中心孔回波校正时或该部位为锥体时，应注意到它们反射声波的条件与理想上的大平底面不同，应按规程给予修正。使用平的试块作为探测灵敏度校正基准时，由于其探测面形状、粗糙度、以及材质可能与轴不同，因此也应按规程的规定给予修正。,当轴的直径小于近场值的三倍时，距离幅度变化较急剧，一般不宜使用底面为基准的探测灵敏度校正法。为避免使用平面试块校正时要进行修正的麻烦，最好使用各种条件与被测工件相同的对比试块。不论使用何种基准探头的探测灵敏度，都是假定缺陷与波束中心轴线相垂直，在使用直探头在端面作轴向探测时，轴的表面或接近表面的横向缺陷，由于几何形状的限制，波束中心无法射及且须考虑侧边界面

47、的影响，因此作此类缺陷检查时，应使用专门的试块。耦合：检测时，轴作水平放置，曲面上耦合剂比平面上更易流失，造成接触和耦合条件变差，为此在扫查过程中除给探头均匀稳定的压力外，还应随时注意耦合情况。扫查：轴类锻件在外圆探测时，宜使用周向扫查，扫查范围为全圆周。斜探头的周向和轴向扫查应分别沿正反两个方向进行。这是因为仪器存在探测盲区以及缺陷可能具有不利的取向。4、时间基线的校正：由于缺陷形状或位置等影响，它的反射回波有时可能落在底面回波之后，因此仪器时基的调整应使全程大于轴的直径（或轴的全长），以显示这类迟到的缺陷回波，并观察它们随探头移动时幅度和位置的变化（波形动态）。,5、高灵敏度的使用：实际探

48、测时允许使用较高的灵敏度，这是避免漏检的一种措施，也即为扫查灵敏度。但高灵敏度应以不出现干扰杂波为限，且不得影响近表面缺陷的探测可能性。在测定缺陷大小数值时，应恢复规定的探测灵敏度，即定量探伤灵敏度。6、指示延伸度的修正：当通过纵波直探头沿轴的周向移动以确定缺陷横向延伸度时，由于几何形状的影响，探头可移动的距离比缺陷延伸度扩大很多，应给予修正。三、饼类锻件的检测。盘、轮、盖等外形似饼的锻件，虽然其尺寸比轴类要小，质量容易控制，但由于生产工序较多，周期亦长，因此在制造过程中通常至少要进行两次检测，即锻坯检测和精坯检测。1、锻坯的检测。探测部位的选择：一般常选择饼类锻件的中心。因为该部位为原钢锭中

49、心，通常截面最厚，是夹杂物、气孔等缺陷的聚集处，锻造或热处理时的加热和冷却所形成的热应力和组织应力也最大。对于轮子来说，中心部位将装配在轴上，起传递应力的作用，受力也最大。如果轮缘部位须开槽，则加强边缘部位的检测也很重要。,检测方法：饼类锻件以采用镦粗锻造工艺为主，冶金缺陷多沿金属流动方向分布，一般以平行于端面者居多，内应力过大而产生的缺陷也是如此，所以常采用纵波直探头在端面上进行探测。但某些部位也须作横波探伤。重要盘件常用水浸法。此时，放置盘件的托盘自转而纵波直探头则首先垂直于盘件上表面作径向送进、沿全表面作扫查；而后将探头倾斜至一规定的角度（按流线分布确定）在盘转动时沿直径方向作自一端至另

50、一端的斜入射扫查。探测条件：频率一般常用2-5MHz。当饼厚度很大，表面很粗糙时，可用低于2 MHz的频率；反之，如再加上饼的质量要求高时，则可采用5-10 MHz，甚至更高的频率。探测灵敏度，动态下工作的一般饼类锻件，探测灵敏度常要求能保证检出当量于2平底孔的缺陷，航空、航天用发动机的盘件，探测灵敏度还要更高。对于封头类静态下工作的盘件，常用探测灵敏度为4平底孔。2、精坯的检测。已作最终热处理的饼类锻件可你为精坯。此时进行检测，是评价它合格与否的检查性检测，除以纵波直探头、横波斜探头在端面上进行探测外，还要用联合双晶探头垂直法、瑞利波法等方法进行扫查。,第三节 焊缝的超声波检测,焊接是通过加