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超声检测

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超声检测

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原理

超声检测---超声波频率

超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为0.5-5兆赫。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。

超声波是频率大于 20 kHz 的一种机械波（相对于频率范围在 20 Hz - 20 kHz 的声波而言）。超声检测用的超声波，其频率范围一般在 0.25 MHz -15 MHz 之间。用于金属材料超声检测的超声波，其频率范围通常在 0.5 MHz - 10 MHz 之间；而用于普通钢铁材料超声检测的超声波，其频率范围通常为 1 MHz - 5 MHz。

超声波具有众多与众不同的特性，如：声束指向性好（能量集中）；声压声强大（能量高），传播距离远；穿透能力强；在界面处会产生反射、透射（或折射）和波型转换，以及产生衍射等。

超声波测试的基本方法是基于超声波的频率要高于20KHz。对于不同频率和波形．从材料返回的波形是不同的。当超声波进入材料后将在材料中产生机械振动超声波在被检测材料中传播时．材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响通过对超声波受影响程度和状况的探讨来了解材料性能和结构的变化．

应用

超声检测--脉冲回波探伤法

脉冲回波探伤法通常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。可发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊透等缺陷。被探测物要求形状较简单，并有一定的表面光洁度。为了成批地快速检查管材、棒材、钢板等型材，可采用配备有机械传送、自动报警、标记和分选装置的超声探伤系统。除探伤外，超声波还可用于测定材料的厚度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪,其原理与脉冲回波探伤法相同，可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度。利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量(见拉伸试验)、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。此外，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂窝结构材料方面的应用也已日益广泛。超声全息成象技术也在某些方面得到应用。

主要方法

超声检测---波形判断法

一.波形判断法（经验法）

应用最广泛的是A扫描显示型超声脉冲反射式检测仪。经过长期的超声检测实践，许多超声检测人员对其大量接触的材料、产品及制造工艺有充分的了解，并通过大量的解剖分析验证，积累了丰富的经验，在检测时能通过A扫描显示型超声脉冲反射式探伤仪，根据示波屏上出现缺陷回波时的波形形状，例如视频显示或射频显示，起波速度，回波前沿的陡峭程度及回波后沿下降的速度（下降斜率），波尖形状，回波占宽以及移动探头时缺陷回波的变化情况（波幅、位置、数量、形状、动态包络等），还可以根据观察多次底波的次数，底波高度损失情况，再根据缺陷在被检件中的位置，分布情况，缺陷的当量大小（与反射率有关），延伸情况，结合具体产品、材料的特点和制造工艺作出综合判断，评估出缺陷的种类和性质。有时还可以通过改变发射超声波脉冲的频率、改变声束直径大小（采取聚焦或采用不同直径的探头等）来观察缺陷的回波变化特征，从而识别是材料中的冶金缺陷还是组织反射。

在这方面已经有不少经验总结和资料报道，例如判断钢锻件中的白点、夹杂物、残余缩孔、粗晶、中心疏松、方框形偏析，以及焊缝中的气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等等。

必须指出，这种判断方法在很大程度上依赖超声检测人员的经验、技术水平和对特定产品、材料及制造工艺的充分了解，其局限性是很大的，难以推广成为通用的评定方法。此外，作为A扫描显示的缺陷回波所显示的缺陷信息也极其有限，主要显示的是波幅大小、位置和回波包络形状，而缺陷对超声响应的相位、频谱等重要信息则无法显示出来，但是后两者与缺陷性质和种类有着密切关系，这也正是目前广大超声检测人员致力研究探索的问题。

下面举出一部分常见缺陷的回波特征：

（1）钢锻件中的粗晶与疏松－－多以杂波、丛状波形式或底波高度损失增大、底波反射次数减少等形式出现。

（2）棒材的中心裂纹－－在沿圆周面作360°径向纵波扫查时，由于裂纹的辐射方向性，其反射波幅有高低变化并有不同程度的游动，在沿轴向扫查时，反射波幅度和位置变化不大并显示有一定的延伸长度。

---超声检测----反射波幅度

（3）锻件中的裂纹－－由于裂纹型缺陷内含物多有气体存在，与基体材料声阻抗差异较大，超声反射率高，缺陷有一定延伸长度，起波速度快，回波前沿陡峭，波峰尖锐，回波后沿斜率很大，当探头越过裂纹延伸方向移动时，起波迅速，消失也迅速。

（4）钢锻件中的白点－－波峰尖锐清晰，常为多头状，反射强烈，起波速度快，回波前沿陡峭，回波后沿斜率很大，在移动探头时回波位置变化迅速，此起彼伏，多处于被检件例如钢棒材的中心到1/2半径范围内，或者钢锻件厚度最大的截面的1/4~3/4中层位置，有成批出现的特点（与炉批号和热加工批有关）。当白点数量多、面积大或密集分布时，还会导致底波高度显著降低甚至消失。

（5）锻件中的非金属夹杂物－－多为单个反射信号，起波较慢，回波前沿不太陡峭，波峰较圆钝，回波后沿斜率不太大并且回波占宽较大。

（6）钛合金锻件中的高密度夹杂物（例如钨、钼）－－多为单个反射信号，回波占宽不太大，但较裂纹类要大些，回波前沿较陡峭，后沿斜率较大，当改变探测频率和声束直径时，其反射当量大小变化不大（如为大晶粒或其他组织反射在这种情况下回波高度将有显著变化）。

（7）铸件或焊缝中的气孔－－起波快但波幅较低，有点状缺陷的特征。

（8）焊缝中的未焊透－－多为根部未焊透（如V型坡口单面焊时钝边未熔合）或中间未焊透（如X型坡口双面焊时钝边未熔合），一般延伸状况较直，回波规则单一，反射强，从焊缝两侧探伤都容易发现。

（9）铸件或焊缝中的夹渣－－反射波较紊乱，位置无规律，移动探头时回波有变化，但波形变化相对较迟缓，反射率较低，起波速度较慢且后沿斜率不太大，回波占宽较大。

一般在可能的情况下，为了进一步确认缺陷性质，还应采用其他无损检测手段，例如X射线照相（检查内部缺陷）、磁粉和渗透检验（检查表面缺陷）来辅助判断。

二.根据回波相位识别反射体法

超声检测----X射线照相

根据声压反射率公式：rp=Z2cosα-Z1cosβ/Z2cosα Z1cosβ

式中：Z1-第一介质（被检材料）的声阻抗；Z2-第一介质（缺陷）的声阻抗；α-入射角；β-反射角

当超声波垂直入射时，cosα=cosβ=1，当入射波与反射波同为一种波型时，α=β，上述公式简化为：rp=Z2-Z1/Z2 Z1

即超声波在被检材料中投射到缺陷上时，在界面的声反射大小取决于两者声阻抗差值，并在Z2＜Z1的情况下，回波相位与入射波反相，从而可以利用回波与入射波的相位关系识别例如裂纹或其他反射体。

使用平底孔（含空气）调整起始灵敏度时，显示的射频回波相位与金属材料中的入射波相位相反，而对于裂纹、非金属夹杂物等缺陷，情况相似，即缺陷回波与平底孔回波相位相同。如果是高密度夹杂物（例如钨、钼等）缺陷时，则缺陷回波与平底孔回波相位相反，即Z缺＞Z基时，回波与入射波同相，与平底孔回波反相；Z缺＜Z基时，回波与入射波反相，与平底孔回波同相。（Z缺为缺陷声阻抗，Z基为基体材料声阻抗）。

另一种利用回波射频显示正向与负向最大振幅关系识别焊缝中裂纹类危险缺陷的方法所示。

应当说明的是，上述两种方法都需要能在示波屏上以较大程度（比例）展宽脉冲信号的超声探伤仪，并应能作射频显示，但目前常用的一般便携式超声探伤仪在这方面的应用还受到一定限制。

其他方法

超声检测--超声C扫描

1.超声C扫描和B扫描

这是将直通回波以线型方式显示缺陷的平面投影形状（C扫描）或缺陷在深度截面上反射面的平直、弯曲，即反射界面的形状（B扫描），从而帮助判断缺陷的种类和性质。

2.超声全息

借助全息原理，将缺陷反射的大量信息数据处理成三维空间立体图像显示以辅助判断。

3.利用电子计算机处理缺陷回波信号

国内外均在研究并试制出电脑化超声波探伤仪。但是常用的是与频谱分析结合使用或作为超声探测程序控制来使用，不过相信很快将有突破性发展。

技术不同

超声检测--连续波

按波源不同可分为：连续波、脉冲波；

按波型不同可分为：纵波、横波、表面波、板波、爬波；

按接收方式不同可分为：回波（反射）、穿透；

按耦合方式不同可分为：接触式、液浸式；

按探头数不同可分为：单探头、双探头、多探头。

脉冲回波（脉冲反射）技术是超声检测中最常用的一种技术，其所用的超声波是一种脉冲波，即波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级）、仅在很短一段时间内有振幅（间歇发射）的一种机械波动。

通常，脉冲回波超声检测的过程是：由超声检测仪（亦称超声波探伤仪）产生脉冲电信号，输入到换能器（或探头）上，激励换能器的压电晶片发射脉冲超声波；超声波透射（或折射）进入被检材料或工件中，经过反射或衍射等传播变化，最终又被换能器的压电晶片所接收，再转换成电信号，输送回超声检测仪显示出来；最后，通过对显示屏进行观察，来分析和评价被检材料或工件的内部或表面质量。

优缺点

超声检测法的优点是：穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上;对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小；设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。缺点是：不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。此外，超声检测^[1]还要求有一定经验的检验人员来进行操作和判断检测结果。