1、培訓教材之理論基礎 第一章無損檢測概述無損檢測包括射線檢測（RT）、超聲檢測（UT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）和渦流檢 測（ET）等五種檢測方法。主要應用于金屬材料制造的機械、器件等的原材料、零部件和焊縫， 也可用于玻璃等其它制品。射線檢測適用于碳素鋼、低合金鋼、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金材料制機械、器件等的焊縫 及鋼管對接環縫。射線對人體不利，應盡量避免射線的直接照射和散射線的影響。超聲檢測系指用 A型脈沖反射超聲波探傷儀檢測缺陷，適用于金屬制品原材料、零部件和 焊縫的超聲檢測以及超聲測厚。磁粉檢測適用于鐵磁性材料制品及其零部件表面、近表面缺陷的檢測，包括干磁粉、濕磁 粉、熒光和非熒光

2、磁粉檢測方法。滲透檢測適用于金屬制品及其零部件表面開口缺陷的檢測，包括熒光和著色滲透檢測。渦流檢測適用于管材檢測，如圓形無縫鋼管及焊接鋼管、鋁及鋁合金拉薄壁管等。 磁粉、滲透和渦流統稱為表面檢測。第二章超聲波探傷的物理基礎第一節基本知識超聲波是一種機械波，機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復周期性的運動，稱為機械振動。振動的傳 播過程，稱為波動。波動分為機械波和電磁波兩大類。機械波是機械振動在彈性介質中的傳播 過程。超聲波就是一種機械波。機械波主要參數有波長、頻率和波速。波長：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點間的距離稱為波長，波源或介質中任意一質點

3、完成一次全振動，波正好前進一個波長的距離，常 用單位為米（m）;頻率f:波動過程中，任一給定點在1秒鐘內所通過的完整波的個數稱為頻率 常用單位為赫茲（Hz）;波速C:波動中，波在單位時間內所傳播的距離稱為波速，常用單位為 米/ 秒（m/s）。由上述定義可得：C= f ，即波長與波速成正比，與頻率成反比；當頻率一定時，波速愈 大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質中傳播的機械波，在同一介質中的傳播速度相同。 它們的區別在主要在于頻率不同。頻率在2020000Hz之間的能引起人們聽覺的機械波稱為聲波，頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波， 頻率高于20

4、000Hz的機械波稱為超聲波。次聲波、超 聲波不可聞。超聲探傷所用的頻率一般在0.510MHz之間，對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為15MHz超聲波波長很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛用于無損探傷。1. 方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的機械波，在無損探傷中使用的波長為毫米 級；超聲波象光波一樣具有良好的方向性，可以定向發射，易于在被檢材料中發現缺陷。2. 能量高：由于能量（聲強）與頻率平方成正比，因此超聲波的能量遠大于一般聲波的 能量。3. 能在界面上產生反射、折射和波型轉換：超聲波具有幾何聲學的上一些特點，如在介 質中直線傳播，遇界面產生反射、折射和波型轉換等。4.

5、 穿透能力強：超聲波在大多數介質中傳播時，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能 力強，在一些金屬材料中其穿透能力可達數米。第二節 波的類型及波速測量一波的類型 根據波動傳播時介質質點的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將波動分為縱波、橫 波、表面波和板波等。1. 縱波 L 介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相平行的波，稱為縱波，用 L 表示。 當介質質點受到交變拉壓應力作用時，質點之間產生相應的伸縮形變，從而形成縱波；凡 能承受拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波。固體介質能承受位伸或壓縮應力；液體和氣體雖 不能承受拉伸應力，但能承受壓應力產生容積變化。因此固體、液體和氣體都能傳播縱波。鋼 中縱

6、波聲速一般為 5960m/s 。縱波一般應用于鋼板、鍛件探傷。2. 橫波 S(T) 介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，稱為橫波，用S 或 T 表示。當介質質點受到交變的剪切應力作用時，產生剪切形變，從而形成橫波；只有固體介質才 能承受剪切應力，液體和氣體介質不能承受剪切應力，因此橫波只能在固體介質中傳播，不能 在液體和氣體介質中傳播。鋼中橫波聲速一般為3230m/s。橫波一般應用于焊縫、鋼管探傷。3. 表面波 R當介質表面受到交變應力作用時，產生沿介質表面傳播的波，稱為表面波，常用R表示。又稱瑞利波。表面波在介質表面傳播時，介質表面質點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短

7、軸平行于波的傳播方向；橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成， 因此表面波只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播。表面波的能量隨深度增加而迅速減弱，當傳播深度超過兩倍波長時，質點的振幅就已經很 小了，因此，一般認為表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。表面波一般應 用于鋼管探傷。4. 板波 在板厚與波長相當的薄板中傳播的波，稱為板波。根據質點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。板波一般應用于薄板、薄壁鋼管探傷。二超聲波聲速測量 對探傷人員來說，用探傷儀測量聲速是最簡便的，用這種方法測聲速，可用單探頭反射法 或雙探頭穿透法；可用于測縱波聲速和橫波聲

8、速。1. 反射法測縱波聲速 聲速按下式計算：聲速 C=2d/(T i-t) ; t = 2T i -T2式中d 工件厚度；t 由探頭晶片至工件表面傳輸時間；T1 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時間；T2 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時間；2. 穿透法測縱波聲速聲速按下式計算：聲速 C=d/(T i-t) ; t = 2T i -T2式中d 工件厚度；t 由探頭晶片至工件表面傳輸時間；T1 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時間；T2 由探頭晶片至工件底二次波傳輸時間；3. 反射法測橫波聲速 用半圓弧測橫波聲速，按下式計算： 聲速 C=2d/(T i-t) ; t = 2T i -T2式中d 半圓半徑長

9、度；t 由探頭晶片至半圓弧探測面傳輸時間；Ti 由探頭晶片至圓弧面一次波傳輸時間；T2 由探頭晶片至圓弧面二次波傳輸時間；第三節 波的若干概念 一波的迭加與干涉1. 波的迭加原理 當幾列波在同一介質中傳播時，如果在空間某處相遇，則相遇處質點的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質點的位移是各列波引起的位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自 己原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續前進，好象在各自的途中沒有 遇到其他波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨立性原理。波的迭加現象可以從許多事實觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個石子入水處為中心的 圓形水波的迭加情況和相遇后的傳播情況。

10、又如樂隊合奏或幾個人談話，人們可以分辨出各種 樂器或各人的聲音，這些都可以說明波傳播的獨立性。2. 波的干涉 兩列頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時，介質中某些地方的振動互相加強，而另一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現象叫做波的干涉現象。波的迭加原理是波的干涉現象的基礎，波的干涉是波動的重要特征。在超聲波探傷中，由 于波的干涉，使超聲波源附近出現聲壓極大極小值。二惠更斯原理和波的衍射i. 惠更斯原理如前所述，波動是振動狀態的傳播，如果介質是連續的，那么介質中任何質點的振動都將引起鄰近質點的振動，鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振動，因此波動中任何質點都可以 看作是新的波源

11、。據此惠更斯提出了著名的惠更斯原理：介質中波動傳播到的各點都可以看作是發射子波的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。2. 波的衍射（繞射）波在傳播過程中遇到與波長相當的障礙物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續前進的現象,稱為波的衍射或波的繞射。如右圖，超聲波（波長為）在介質中傳播時，遇到缺陷AB （其尺寸為D），據惠更斯原理，缺陷邊 緣可以看作是發射子波的波源，使波的傳播改變，從 而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低。當D<<時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢；當 D>>時，反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。波的繞射對探傷即有利又不利。由于波的繞射

12、，使超聲波產生晶料繞射順利地在介質中傳播，這對探傷有利；但同時由于波的繞射，使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢，這對 探傷不利。一般超聲波探傷靈敏度約為/2。三.超聲場的特征值充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質，叫超聲場；超聲場具有一定的空間大小 和形狀，只有當缺陷位于超聲場內時，才有可能被發現。描述超聲場的特征植（即物理量）主 要有聲壓、聲強和聲阻抗。1. 聲壓P超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強Pi與沒有超聲波存在時的靜態壓強P0之差，稱為該點的聲壓，用 P表示（P = P 1 - Po ）。聲壓幅值 p = cu =c（2二fA）其中-介質的密度；c-波速；u-質點的振動速

13、度； A聲壓最大幅值； f- 頻率。超聲場中某一點的聲壓的幅值與介質的密度、波速和頻率成正比。在超聲波探傷儀上，屏 幕上顯示的波高與聲壓成正比。2. 聲阻抗Z超聲場中任一點的聲壓p與該處質點振動速度 u之比稱為聲阻抗，常用Z表示。Z = p / u =cu / u = c由上式可知，聲阻抗的大小等于介質的密度與波速的乘積。由u = P/Z可知，在同一聲壓下，Z增加，質點的振動速度下降。因此聲阻抗Z可理解為介質對質點振動的阻礙作用。超聲波在兩種介質組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質的聲阻抗密切相關。3. 聲強I單位時間內垂直通過單位面積的聲能稱為聲強，常用I表示。2 2I = Z u /2

14、= P /（2Z）當超聲波傳播到介質中某處時，該處原來靜止不動的質點開始振動，因而具有動能；同時該處介質產生彈性變形，因而也具有彈性位能；聲能為兩者之和。聲波的聲強與頻率平方成正比，而超聲波的頻率遠大于可聞聲波。因此超聲波的聲強也遠 大于可聞聲波的聲強。這是超聲波能用于探傷的重要原因。在同一介質中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。四分貝的概念與應用1. 概念由于在生產和科學實驗中，所遇到的聲強數量級往往相差懸殊，如引起聽覺的聲強范圍為10- 16 10-4瓦/厘米2,最大值與最小值相差12個數量級。顯然采用絕對量來度量是不方便的，但如果對其比值(相對量)取對數來比較計算則可大簡化運算。分貝就是

15、兩個同量綱的量之比 取對數后的單位。通常規定引起聽覺的最弱聲強為 I 1 = 10 % 瓦/厘米2作為聲強的標準，另一聲強 丨2與標 準聲強I 1之比的常用對數稱為聲強級，單位是貝爾 (BeL)。實際應用時貝爾太大，故常取 1/10 貝爾即分貝(dB)來作單位。(如取自然對數，則單位為奈培 NP)=lg (I2/I 1)(Bel)=10 lg (I2/I 1) = 20 lg (P2/P1) (dB)在超聲波探傷中，當超聲波探傷儀的垂直線性較好時，儀器屏幕上的波高與聲壓成正比。 這時有=20 lg (P2/P1) = 20 lg(H 2/H1) (dB)這時聲壓基準 P1或波高基準Hi可以任意

16、選取。2. 應用分貝用于表示兩個相差很大的量之比顯得很方便，在聲學和電學中都得到廣泛的應用，特 別是在超聲波探傷中應用更為廣泛。例如屏上兩波高的比較就常常用dB表示。例如，屏上一波高為 80%，另一波高為20%，則前者比后者高=20 lg(H 2/H1) = 20 lg(80/20) = 12(dB)用分貝值表示回波幅度的相互關系，不僅可以簡化運算，而且在確定基準波高以后，可直 接用儀器的增益值(數字機)或衰減值(模擬機)來表示缺陷波相對波高。第四節波的反射、透射及衰減超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩種介質的分界面上，一部分能量反射回原介 質內，稱為反射波；另一部分能量透過界面在另一種

17、介質內傳播，稱為透射波。在界面上聲能(聲壓、聲強)的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規律。一.單一界面的反射和透射聲能的變化與兩種介質的聲阻抗密切相關，設波從介質1 (聲阻抗乙)入射到介質2 (聲阻抗Z2),有以下幾種情況：1. Z2 > Z1聲壓反射率小于透射率。如水 /鋼界面。2. 乙> Z2聲壓反射率大于透射率。如鋼 /水界面。聲強反射率及透射率只與Z1、Z2的數值有關，與從哪種介質入射無關。3. 乙>> Z2聲壓（聲強）幾乎全反射，透射率趨于0。如鋼/空氣界面。4. Zi ： Z 2此時幾乎全透射，無反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結合面沒有任何缺陷,

18、 是不會產生界面回波的。二薄層界面的反射和透射此情況主要對探頭保護膜設計具有指導意義。當超聲波依次從三種介質 Zi、Z2、Z3（如晶片一保護膜一工件）中穿過，則當薄層厚度等于 半波長的整數倍時，通過薄層的聲強透射與薄層的性質無關，即好象不存在薄層一樣；當薄層 厚度等于四分之一波長的奇數倍且薄層聲阻抗為其兩側介質聲阻抗幾何平均值（Z2 = （ Z2 Z3）1/2 ）時，超聲波全透射三.波型轉換和反射、折射定律當超聲波傾斜入射到界面時，除產生同種類型的反射和折射波外，還會產生不同類型的反 射和折射波，這種現象稱為波型轉換。1. 縱波斜入射2. 橫波入射四.超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時，隨著距離

19、增加，超聲波能量逐漸減弱的現象叫做超聲波衰減。引 起超聲波衰減的主要原因是波束擴散、晶粒散射和介質吸收1. 擴散衰減超聲波在傳播過程中，由于波束的擴散，使超聲波的能量隨距離增加面逐漸減弱的現象叫 做擴散衰減。超聲波的擴散衰減僅取決于波陣面的形狀，與介質的性質無關。2. 散射衰減超聲波在介質中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面產生散亂反射引起衰減的現象，稱為散射 衰減。散射衰減與材質的晶粒密切相關，當材質晶粒粗大時，散射衰減嚴重，被散射的超聲波 沿著復雜的路徑傳播到探頭，在屏上引起林狀回波（又叫草波），使信噪比下降，嚴重時噪聲會湮沒缺陷波。3. 吸收衰減超聲波在介質中傳播時，由于介質中質點間內磨擦（即

20、粘滯性）和熱傳導引起超聲波的衰 減，稱為吸收衰減或粘滯衰減通常所說的介質衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴散衰減。第五節超聲波發射聲場和規則反射體的回波聲壓超聲波探頭（波源）發射的超聲場，具有特殊的結構，只有當缺陷位于超聲場內時，才有 可能被發現一.圓盤波源輻射的縱波聲場在不考慮介質衰減的條件下，當離波源較遠處軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成 正比。1. 近場區波源附件由于波的干涉而出現一系列聲壓極大極小值的區域，稱為超聲場的近場區。近場 區聲壓分布不均，是由于波源各點至軸線上某點的距離不同，存在波程差，互相迭加時存在位 相差而互相干涉，使某些地方聲壓互相加強，另一些地方互相減弱，于是

21、就出現聲壓極大極小 值的點。波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區長度，用N表示。2 2 2N =( DS -)/(4 ):- Ds/(4)2. 遠場區波源軸線上至波源的距離 x >N的區域稱為遠場區。 遠場區軸線上的聲壓隨距離增加單調減 少。當x >3N時，聲壓與距離成反比，近似球面波的規律。因為距離x足夠大時，波源各點至軸線上某一點的波程差很小，弓I起的相位差也很小，這樣干涉現象可以略去不計，所以遠場區 不會出現聲壓極大極小值。3. 近場區在兩種介質中分布實際探傷時，有時近場區分布在兩種不同的介質中，如水浸探傷，超聲波先進入水，然后 再進入鋼中，當水層厚度較小時，近

22、場區就會分布在水、鋼兩種介質中。設水層厚度為L,則鋼中剩余近場區長度 N為2N = Ds/(4 ) -Lc i/c 2式中ci-介質1水中波速；C2-介質2鋼中波速；-介質2鋼中波長。在近場區內，實際聲場與理想聲場存在明顯區別，實際聲場軸線上聲壓雖也存在極大極小 值，但波動幅度小，極值點的數量也明顯減少。二橫波聲場目前常用的橫波探頭，是使縱波斜入射到界面上，通過波形轉換來實現橫波探傷的，當入 射角在第一、第二臨界角之間時，縱波全反射，第二介質中只有折射橫波。橫波聲場同縱波聲場一樣由于波的干涉存在近場區和遠場區，當x > 3N時，波束軸線上的聲壓與波源面積成正比，與至假想波源的距離成反比，

23、類似縱波聲場。當橫波探頭晶片尺寸一 定時，K值增大，近場區長度將減小。三規則反射體的回波聲壓在實際探傷中一般采用反射法，即根據缺陷反射回波聲壓的高低來評價缺陷的大小。然而 工件中的缺陷形狀性質各不相同，目前的探傷技術還難以確定缺陷的真實大小和形狀，回波聲 壓相同的缺陷的實際大小可能相差很大，為此特引用當量法；當量法是指在同樣的探測條件下，當自然缺陷回波與某人工規則反射體回波等高時，則該人工規則反射體的尺寸就是此自然缺陷 的當量尺寸。自然缺陷的實際尺寸往往大于當量尺寸。超聲波探傷中常用的規則反射體有平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔和大平底面等。回波聲壓公式(考慮介質衰減因素)：四.AVG曲線AVG曲

24、線是描述規則反射體的距離、回波高及當量大小之間關系的曲線；A、V G是德文距離、增益和大小的字頭縮寫，英文縮寫為DGS AVG曲線可用于對缺陷定量和靈敏度調整。以橫坐標表示實際聲程，縱坐標表示規則反射體相對波高，用來描述距離、波幅、當量大 小之間的關系曲線，稱為實用AVG曲線。實用AVG曲線可由以下公式得到：不同距離的大平底回波 dB差 =20lgPBi/P B2=20lgX2/Xi不同距離的不同大小平底孔回波dB差 =20lgP f1 /P f2=40lgD f1X2/D f2X1同距離的大平底與平底孔回波dB差 =20lgP B/Pf=20lg2 入 X/ n DD用以上公式計算繪制實用

25、AVG曲線時，要統一靈敏度基準。第六節 儀器、探頭和試塊 超聲波探傷儀、探頭和試塊是超聲波探傷的重要設備，了解這些設備的原理、構造和作用 及其主要性能的測試方法是正確選用探傷設備進行有效探傷的保證。一超聲波探傷儀1. 作用 超聲波探傷儀的作用是產生電振蕩并加于換能器（探頭）上，激勵探頭發射超聲波，同時將探頭送回的電信號進行放大，通過一定方式顯示出來，從而得到被探工件內部有無缺陷及缺 陷位置和大小等信息。2. 分類 按缺陷顯示方式分類，超聲波探傷儀分為三種。A型：A型顯示是一種波形顯示，探傷儀的屏幕的橫坐標代表聲波的傳播距離，縱坐標代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度

26、可以估算缺陷大小。B 型： B 型顯示是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標代表探頭的掃查軌跡， 縱坐標代表聲波的傳播距離，因而可直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型：C型顯示也是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標和縱坐標都代表探頭在工件表面的位置， 探頭接收信號幅度以光點輝度表示，因而當探頭在工件表面移動時，屏上顯示出被探工件內部 缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。目前，探傷中廣泛使用的超聲波探傷儀都是A型顯示脈沖反射式探傷儀。3. A 型脈沖反射式模擬超聲波探傷儀的一般原理二探頭 超聲波的發射和接收是通過探頭來實現的。下面介紹探頭的工作原理、主要性能及其及結 構。1. 壓電效應

27、某些晶體材料在交變拉壓應作用下，產生交變電場的效應稱為正壓電效應。反之當晶體材 料在交變電場作用下， 產生伸縮變形的效應稱為逆壓電效應。 正、逆壓電效應統稱為壓電效應。超聲波探頭中的壓電晶片具有壓電效應， 當高頻電脈沖激勵壓電晶片時， 發生逆壓電效應， 將電能轉換為聲能 （機械能 ） ，探頭發射超聲波。當探頭接收超聲波時，發生正壓電效應，將聲 能轉換為電能。不難看出超聲波探頭在工作時實現了電能和聲能的相互轉換，因此常把探頭叫 做換能器。2. 探頭的種類和結構 直探頭用于發射和接收縱波，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如板材、鍛件探傷等。 斜探頭可分為縱波斜探頭、橫波斜探頭和表面波斜探頭，常用的

28、是橫波斜探頭。橫波斜探 頭主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫、汽輪機葉輪等。當斜探頭的入射角大于或等于第二臨界角時，在工件中產生表面波，表面波探頭用于探測 表面或近表面缺陷。雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發射超聲波，另一塊用于接收超聲波。根據入射角不 同，分為雙晶縱波探頭和雙晶橫波探頭。雙晶探頭具有以下優點：（ 1）靈敏度高（2）雜波少盲區小（3）工件中近場區長度小（ 4）探測范圍可調 雙晶探頭主要用于探傷近表面缺陷。聚焦探頭種類較多。3. 探頭型號 探頭型號的組成項目及排列順序如下： 基本頻率 -晶片材料 -晶片尺寸 -探頭種類 - 特征三試塊按一定用途設計制作的具有簡單幾

29、何形狀人工反射體的試樣， 通常稱為試塊。 試塊和儀器、 探頭一樣，是超聲波探傷中的重要工具。1試塊的作用（1）確定探傷靈敏度 超聲波探傷靈敏度太高或太低都不好，太高雜波多，判傷困難，太低會引起漏檢。因此在 超聲波探傷前，常用試塊上某一特定的人工反射體來調整探傷靈敏度。（2）測試探頭的性能 超聲波探傷儀和探頭的一些重要性能，如放大線性、水平線性、動態范圍、靈敏度余量、 分辨力、盲區、探頭的入射點、 K 值等都是利用試塊來測試的。（3）調整掃描速度 利用試塊可以調整儀器屏幕上水平刻度值與實際聲程之間的比例關系，即掃描速度，以便 對缺陷進行定位。（4）評判缺陷的大小利用某些試塊繪出的距離 -波幅-當

30、量曲線（即實用 AVG來對缺陷定量是目前常用的定量 方法之一。特別是3N以內的缺陷，采用試塊比較法仍然是最有效的定量方法。此外還可利用試塊來測量材料的聲速、衰減性能等。2. 試塊的分類（ 1）按試塊來歷分為：標準試塊和參考試塊。 （2）按試塊上人工反射體分：平底孔試塊、橫孔試塊和槽形試塊3. 試塊的要求和維護4. 常用試塊簡介（儀器使用時重點講解）IIW（CSK-IA）CS-1CSK-IIIA第七節 儀器和探頭的性能及其測試 儀器和探頭的性能包括儀器的性能、探頭的性能以及儀器與探頭的綜合性能。儀器的性能 僅與儀器有關，如儀器的垂直線性、水平線性和動態范圍等。探頭的性能僅與探頭有關，如探 頭入射

31、點、 K 值、雙峰、主聲束偏離等。儀器與探頭的綜合性能不僅與儀器有關，而且與探頭 有關，如分辨力、盲區、靈敏度余量等。一儀器的性能及其測試1. 垂直線性 儀器的垂直線性是指儀器屏幕上的波高與探頭接收的信號之間成正比的程度。垂直線性的 好壞影響缺陷定量精度。2. 水平線性 儀器水平線性是指儀器屏幕上時基線顯示的水平刻度值與實際聲程之間成正比的程度，或 者說是屏幕上多次底波等距離的程度。儀器水平線性的好壞直接影響測距精度，進而影響缺陷 定位。3. 動態范圍 動態范圍是指儀器屏幕容納信號大小的能力。二探頭的性能及其測試1. 斜探頭入射點 斜探頭的入射點是指其主聲束軸線與探測面的交點。入射點至探頭前沿

32、的距離稱為探頭的 前沿長度。測定探頭的入射點和前沿長度是為了便于對缺陷定位和測定探頭的 K 值。注意試塊上R應大于鋼中近場區長度 N,因為近場區同軸線上的聲壓不一定最高，測試誤 差大。2. 斜探頭 K 值和折射角斜探頭K值是指被探工件中橫波折射角的正切值。注意測定斜探頭的 K值或折射角也應在近場區以外進行。3. 探頭主聲束偏離和雙峰 探頭實際主聲束與其理論幾何中心軸線的偏離程度稱為主聲束的偏離。 平行移動探頭，同一反射體產生兩個波峰的現象稱為雙峰。 探頭主聲束偏離和雙峰，將會影響對缺陷的定位和判別。4. 探頭聲束特性探頭聲束特性是指探頭發射聲束的擴散情況，常用軸線上聲壓下降 6dB時探頭移動距

33、離（即某處的聲束寬度）來表示。三儀器和探頭的綜合性能及其測試1. 靈敏度 超聲波探傷中靈敏度一般是指整個探傷系統（儀器和探頭）發現最小缺陷的能力。發現缺陷愈小，靈敏度就愈高。 儀器的探頭的靈敏度常用靈敏度余量來衡量。靈敏度余量是指儀器最大輸出時（增益、發射強度最大，衰減和抑制為 0），使規定反射體回波達基準高所需衰減的衰減總量。靈敏度余量 大，說明儀器與探頭的靈敏度高。靈敏度余量與儀器和探頭的綜合性能有關，因此又叫儀器與 探頭的綜合靈敏度。2. 盲區與始脈沖寬度 盲區是指從探測面到能夠發現缺陷的最小距離。盲區內的缺陷一概不能發現。 始脈沖寬度是指在一定的靈敏度下，屏幕上高度超過垂直幅度20時的

34、始脈沖延續長度。始脈沖寬度與靈敏度有關，靈敏度高，始脈沖寬度大。3. 分辨力 儀器與探頭的分辨力是指在屏幕上區分相鄰兩缺陷的能力。能區分的相鄰兩缺陷的距離愈 小，分辨力就愈高。4. 信噪比 信噪比是指屏幕上有用的最小缺陷信號幅度與無用的噪聲雜波幅度之比。信噪比高，雜波 少，對探傷有利。信噪比太低，容易引起漏檢或誤判，嚴重時甚至無法進行探傷。第三章 常用探傷方法和技術第一節 探傷方法概述一按原理分類 超聲波探傷方法按原理分類，可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。1. 脈沖反射法 超聲波探頭發射脈沖波到被檢試件內，根據反射波的情況來檢測試件缺陷的方法，稱為脈 沖反射法。脈沖反射法包括缺陷回波法、底波

35、高度法和多次底波法。2. 穿透法 穿透法是依據脈沖波或連續波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法。穿透 法常采用兩個探頭，一收一發，分別放置在試件的兩側進行探測。3. 共振法 若聲波（頻率可調的連續波）在被檢工件內傳播，當試件的厚度為超聲波的半波長的整數 倍時，將引起共振，儀器顯示出共振頻率。當試件內存在缺陷或工件厚度發生變化時，將改變 試件的共振頻率，依據試件的共振頻率特性，來判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱為 共振法。共振法常用于試件測厚。二按波形分類 根據探傷采用的波形，可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。1. 縱波法 使用直探頭發射縱波進行探傷的方法，稱為

36、縱波法。此時波束垂直入射至試件探測面，以 不變的波型和方向透入試件，所以又稱為垂直入射法，簡稱垂直法。垂直法分為單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。常用單晶探頭反射法。 垂直法主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的探傷，該法對與探測面平行的缺陷檢出效果 最佳。 由于盲區和分辨力的限制， 其中反射法只能發現試件內部離探測面一定距離以外的缺陷。在同一介質中傳播時，縱波速度大于其它波型的速度，穿透能力強，晶界反射或散射的敏 感性較差，所以可探測工件的厚度是所有波型中最大的，而且可用于粗晶材料的探傷。2. 橫波法 將縱波通過楔塊、水等介質傾斜入射至試件探測面，利用波型轉換得到橫波進行探傷的方 法，稱為

37、橫波法。由于透入試件的橫波束與探測面成銳角，所以又稱斜射法。此方法主要用于管材、焊縫的探傷；其它試件探傷時，則作為一種有效的輔助手段，用以 發現垂直法不易發現的缺陷。3. 表面波法 使用表面波進行探傷的方法，稱為表面波法。這種方法主要用于表面光滑的試件。表面波 波長很短，衰減很大。同時，它僅沿表面傳播，對于表面上的復層、油污、不光潔等，反應敏 感，并被大量地衰減。利用此特點可通過手沾油在聲束傳播方向上進行觸摸并觀察缺陷回波高 度的變化，對缺陷定位。4. 板波法 使用板波進行探傷的方法，稱為板波法。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡單的試件探傷。 探傷時板波充塞于整個試件，可以發現內部和表面的缺陷。5

38、. 爬波法三按探頭數目分類1. 單探頭法 使用一個探頭兼作發射和接收超聲波的探傷方法稱為單探頭法，單探頭法最常用。2. 雙探頭法 使用兩個探頭（一個發射，一個接收）進行探傷的方法稱為雙探頭法，主要用于發現單探 頭難以檢出的缺陷3. 多探頭法 使用兩個以上的探頭成對地組合在一起進行探傷的方法，稱為多探頭法。四按探頭接觸方式分類1. 直接接觸法 探頭與試件探測面之間，涂有很薄的耦合劑層，因此可以看作為兩者直接接觸，此法稱為 直接接觸法。此法操作方便，探傷圖形較簡單，判斷容易，檢出缺陷靈敏度高，是實際探傷中用得最多 的方法。但對被測試件探測面的粗糙度要求較高。2. 液浸法 將探頭和工件浸于液體中以液

39、體作耦合劑進行探傷的方法， 稱為液浸法。 耦合劑可以是油， 也可以是水。液浸法適用于表面粗糙的試件，探頭也不易磨損，耦合穩定，探測結果重復性好，便于實 現自動化探傷。液浸法分為全浸沒式和局部浸沒式。第二節 儀器、探頭的選擇及耦合與補償一探傷儀的選擇二探頭的選擇超聲波探傷中，超聲波的發射和接收都是通過探頭來實現的。探頭的種類很多，結構型式 也不一樣。探傷前應根據被檢對象的形狀、衰減和技術要求來選擇探頭，探頭的選擇包括探頭 型式、頻率、晶片尺寸和斜探頭 K 值的選擇等。1. 探頭型式的選擇 常用的探頭型式有縱波直探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭，聚焦探頭等。一般 根據工件的形狀和可能出現缺陷

40、的部位、方向等條件來選擇探頭的型式，使聲束軸線盡量與缺 陷垂直。縱波直探頭波束軸線垂直于探測面，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中 的夾層、折疊等缺陷。橫波斜探頭主要用于探測與探測面垂直可成一定角度的缺陷，如焊縫中未焊透、夾渣、未 溶合等缺陷。表面波探頭用于探測工件表面缺陷，雙晶探頭用于探測工件近表面缺陷，聚焦探頭用于水 浸探測管材或板材。2. 探頭頻率的選擇。超聲波探傷頻率 0.510MHz 之間，選擇范圍大。一般選擇頻率時應考慮以下因素 :(1) 由于波的繞射，使超聲波探傷靈敏度約為波長的一半，因此提高頻率，有利于發現更 小的缺陷。(2) 頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區

41、分相鄰缺陷。(3) 頻率高，波長短，則半擴散角小，聲束指向性好，能量集中，有利于發現缺陷并對缺 陷定位。(4) 頻率高，波長短，近場區長度大，對探傷不利。(5) 頻率增加，衰減急劇增加。由以上分析可知，頻率的高低對探傷有較大的影響，頻率高，靈敏度和分辨力高，指向性 好，對探傷有利；但近場區長度大，衰減大，又對探傷不利。實際探傷中要全面分析考慮各方 面的因素，合理選擇頻率。一般在保證探傷靈敏度的前提下盡可能選用較低的頻率。對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊接件等，一般選用較高的頻率，常用2.55MHz;對晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等宜選用較低的頻率，常用0.52.5MHz。如果頻率過高，就會引起嚴重

42、衰減，屏幕上出現林狀回波，信噪比下降，甚至無法探傷。3. 探頭晶片尺寸的選擇晶片尺寸對探傷也有一定的影響，選擇晶片尺寸進要考慮以下因素：( 1)晶片尺寸增加，半擴散角減少，波束指向性變好，超聲波能量集中，對探傷有利。( 2 )晶片尺寸增加，近場區長度迅速增加，對探傷不利。( 3)晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，探頭未擴散區掃查范圍大，遠距離掃查范圍相 對變小，發現遠距離缺陷能力增強。以上分析說明晶片大小對聲束指向性、近場區長度、近距離掃查范圍和遠距離缺陷檢出能 力有較大的影響。實際探傷中，探傷面積范圍大的工件時，為了提高探傷效率宜選用大晶片探 頭; 探傷厚度大的工件時， 為了有效地發現遠距離的

43、缺陷宜選用大晶片探頭; 探傷小型工件時， 為了提高缺陷定位定量精度宜選用小晶片探頭;探傷表面不太平整，曲率較低較大的工件時， 為了減少耦合損失宜選用小晶片探頭。4. 橫波斜頭K值的選擇在橫波探傷中，探頭的 K值對探傷靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程(入射點至底 面反射點的距離)有較大的影響。 K 值大，一次波的聲程大。因此在實際探傷中，當工件厚度較小時，應選用較大的 K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區探傷；當工件厚度較大時， 應選用較小的K值，以減少聲程過大引起的衰減，便于發現深度較大處的缺陷。在焊縫探傷中,不要保證主聲束能掃查整個焊縫截面；對于單面焊根未焊透，還要考慮端角反射問題，應

44、使 K=0.71.5,因為K<0.7或K>1.5，端角反射很低，容易引起漏檢。三耦合超聲耦合是指超聲波在探測面上的聲強透射率。聲強透射率高，超聲耦合好。為提高耦合 效果，在探頭與工件表面之間施加的一層透聲介質稱為而耦合劑。耦合劑的作用在于排除探頭 與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效地傳入工件，達到探傷的目的；耦合劑還有減少磨擦 的作用。影響聲耦合的主要因素有：耦合層的厚度，耦合劑的聲阻抗，工件表面粗糙度和工件表面 形狀。四表面耦合損耗的補償在實際探傷中，當調節探傷靈敏度用的試塊與工件表面粗糙度、曲率半徑不同時，往往由 于工件耦合損耗大而使探傷靈敏度降低，為了彌補耦合損耗，必須增大

45、儀器的輸出來進行補償。第三節儀器調節和缺陷定位在實際探傷中，為了在確定的探測范圍內發現規定大小的缺陷，并對缺陷定位和定量，就 必須在探測前調節好儀器。一. 零點調節由于超聲波通過保護膜、耦合劑（直探頭）或有機玻璃楔塊（斜探頭）進入待測工件的， 缺陷定位時，需將這部分聲程移去，才能得到超聲波在工件中實際聲程。零點一般是通過已知聲程的試塊進行調節，如CSK-IA試塊中的R100圓弧面（斜探頭）或深100mmB勺大平底（直探頭）。二. K值調節由于斜探頭探傷時不僅要知道缺陷的聲程，更要得出缺陷的垂直和水平位置，因此斜探頭 還要精確測定其 K值（折射角）才能準確地對缺陷進行定位。K值一般是通過對具有已

46、知深度孔的試塊來調節，如用CSK-IA試塊 50或 1.5的孔。三. 定量調節定量調節一般采用 AVG （直探頭）或DAC （斜探頭）。四. 缺陷定位超聲波探傷中測定缺陷位置簡稱缺陷定位。1. 縱波（直探頭）定位縱波定位較簡單，如探頭波束軸線不偏離，缺陷波在屏幕上位置即是缺陷至探頭在垂直方 向的距離。2. 表面波定位表面波探傷定位與縱波定位基本類似，只是缺陷位于工件表面，缺陷波在屏幕上位置是缺 陷至探頭在水平方向的距離（此時要考慮探頭前沿）。3. 橫波定位橫波斜探頭探傷定位由缺陷的聲程和探頭的折射角或缺陷的水平和垂直方向的投影來確4. 橫波周向探測圓柱面時缺陷定位 周向探傷時，缺陷定位與平面探

47、傷不同。 （1）外圓探傷周向探測 （2）內壁周向探測第四節 缺陷大小的測定和缺陷高度的測定 缺陷定量包括確定缺陷的大小和數量，而缺陷的大小指缺陷的面積和長度。常用的定量方 法有當量法、底波高度法和測長法三種。當量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于聲束截面的情 況，測長法用于缺陷尺寸大于聲束截面的情況。一當量法測缺陷大小 采用當量法確定的缺陷尺寸是缺陷的當量尺寸，常用的當量法有當量試塊比較法、當量計 算法和當量AVG曲線法。1. 當量試塊比較法 當量試塊比較法是將工件中的自然缺陷回波與試塊上的人工缺陷回波進行比較來對缺陷定量的方法。此法的優點是直觀易懂，當量概念明確，定量比較穩妥可靠。但成本高，操作

48、也較煩瑣， 很不方便。所以此法應用不多，僅在 x<3N 的情況下或特別重要零件的精確定量時應用。2. 當量計算法當x>3N時，規則反射體的回波聲壓變化規律基本符合理論回波聲壓公式，當量計算法就是根據探傷中測得的缺陷波高的dB值，利用各種規則反射體的理論回波聲壓公式進行計算來確定缺陷當量尺寸的定量方法。3. 當量 AVG曲線法當量AVG曲線法是利用AVG曲線來確定工件中缺陷的當量尺寸。二測長法測缺陷大小 當工件中缺陷尺寸大于聲束截面時，一般采用測長法來確定缺陷的長度。 測長法是根據缺陷波高與探頭移動距離來確定缺陷的尺寸，按規定的方法測定的缺陷長度 稱為缺陷的指示長度。 由于實際工件中

49、缺陷的取向、 性質、表面狀態等都會影響缺陷回波高度， 因此缺陷的指示長度總是小于或等于缺陷的實際長度。根據測定缺陷長度時的基準不同將測長法分為相對靈敏度法、 絕對靈敏度法和端點峰值法。三底波高度法測缺陷大小 底波高度法是利用缺陷波與底波的相對波高來衡量缺陷的相對大小。當工件中存在缺陷時，由于缺陷的反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高與底波高 之比就愈大。四缺陷測高第五節 影響缺陷定位、定量的主要因素及其它目前 A 型脈沖反射式超聲波探傷儀是根據屏幕上缺陷波的位置和高度來評價被檢工件中缺 陷的位置和大小，了解影響因素，對于提高定位、定量精度是十分有益的。一影響缺陷定位

50、的主要因素1. 儀器的影響 儀器的水平線性的好壞對缺陷定位有一定的影響。2. 探頭的影響 探頭的聲束偏離、雙峰、斜楔磨損、指向性等影響缺陷定位。3. 工件的影響 工件的表面粗糙度、材質、表面形狀、邊界影響、溫度及缺陷情況等影響缺陷定位。4. 操作人員的影響 儀器調試時零點、 K 值等參數存在誤差或定位方法不當影響缺陷定位二影響缺陷定量的主要因素1. 儀器及探頭性能的影響 儀器的垂直線性、精度及探頭頻率、型式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影響缺陷回波 高度。2. 耦合與衰減的影響 耦合劑的聲阻抗和耦合層厚度對回波高有較大的影響；當探頭與調靈敏度用的試塊和被探 工件表面耦合狀態不同時，而又沒有進行

51、恰當的補償，也會使定量誤差增加，精度下降。由于超聲波在工件中存在衰減，當衰減系數較大或距離較大時，由此引起的衰減也較大， 如不考慮介質衰減補償，定量精度勢必受到影響。因此在探傷晶粒較粗大和大型工件時，應測 定材質的衰減系數，并在定量計算時考慮介質衰減的影響，以便減少定量誤差。3. 工件幾何形狀和尺寸的影響 工件底面形狀不同，回波高度不一樣，凸曲面使反射波發散，回波降低，凹曲面使反射波 聚焦，回波升高；工件底面與探測面的平行度以及底面的光潔度、干凈程度也對缺陷定量有較 大的影響； 由于側壁干涉的原因，當探測工件側壁附近的缺陷時， 會產生定量不準，誤差增加； 工件尺寸的大小對定量也有一定的影響。為

52、減少側壁的影響，宜選用頻率高、晶片尺寸大且指向性好的探頭探測或橫波探測；必要 時不可采用試塊比較法來定量。4. 缺陷的影響 不同的缺陷形狀對其回波高度有很大的影響，缺陷方位也會影響到回波高度，另外缺陷波 的指向性與缺陷大小有關， 而且差別較大； 另外缺陷回波高度還與缺陷表面粗糙度、 缺陷性質、 缺陷位置等有影響。三缺陷性質分析 超聲波探傷還應盡可能判定缺陷的性質，不同性質的缺陷危害程度不同，例如裂紋就比氣 孔、夾渣大得多。但缺陷定性是一個很復雜的問題，實際探傷中常常根據經驗結合工件的加工 工藝、缺陷特征、缺陷波形和底波情況來分析估計缺陷的性質。四非缺陷回波的判別 超聲波探傷中屏上常常除了始波、

53、底波、和缺陷波外，還會出現一些其他的信號波，如遲 到波、三角反射波、61°反射波以及其他原因引起的非缺陷回波，分析和了解常見非缺陷回波 產生的原因和特點也是十分必要的。五側壁干涉縱波探傷時，探頭若靠近側壁，則經側壁反射的縱波或橫波與直接傳播的縱波相遇產生干涉，對探傷帶來不利影響。一般脈沖持續的時間所對應的聲程不大于4入。因此只要側壁反射波束與直接傳播的波束聲程差大于4入就可以避免側壁干射。第四章板材和管材超聲波探傷第一節板材超聲波探傷根據板材的材質不同，板材分為鋼板、鋁板、銅板等，實際生產中鋼板應用最廣，這里以 鋼板為例來說明板材的超聲波探傷工藝方法。一鋼板常見缺陷及探傷方法鋼板是由

54、板坯軋制而成，而板坯又是由鋼錠軋制或連續澆鑄而成的，鋼板中常見缺陷有分 層、折迭、白點等，裂紋少見。鋼板中分層、折迭等缺陷是在軋制過程中形成的，因此它們大都平行于板面。根據板厚的 不同，將鋼板分為薄板（小于6mrjn與中厚板（中板在640mm之間，厚板大于40mm。中厚板常用垂直板面入射的縱波探傷法；薄板常用板波探傷法。中厚板垂直探傷法的耦合方式有直接接觸法和充水耦合法。采用的探頭有單晶直探頭、雙 晶直探頭或聚焦探頭。探傷鋼板時，一般采用多次底波反射法，只有當板厚很大時才采用一次 底波或二次底法。二探頭與掃查方式的選擇1. 探頭的選擇包括探頭頻率、直徑和結構形式的選擇由于鋼板晶粒比較細，為了獲

55、得較高的分辨力，宜選用較高的頻率，一般為2.55.0MHz。鋼板面積大，為了提高探傷效率，宜選用較大直徑的，但對于厚度較小的鋼板，探頭直徑不宜過大，因為大探頭近場區長度大，對探傷不利。一般探頭直徑范圍為10 30mm探頭的結構形式主要根據板厚為確定，板厚較大時，常選用單晶探頭；板厚較薄時可選用雙晶直探頭，因為雙晶直探頭盲區很小。雙晶直探頭主要用于探測厚度為630mm的鋼板。2. 掃查方式的選擇根據鋼板用途和要求不同，采用的主要掃查方式分為全面掃查、列線掃查、邊緣掃查和格 子掃查等。三探測范圍和靈敏度的調整第二節復合材料超聲波探傷一復合材料中常見缺陷復合材料是由母材與復合層粘合而成，常的復合材料

56、是在碳鋼或低合金母材上，粘接不銹 鋼、鈦、鋁、銅合金等復合層，以提高鋼板的耐腐蝕性。復合材料一般用軋制、粘接、爆炸和堆焊等方法制造。復合材料中常風缺陷是脫層（脫接）， 即復合層與母材在界面處復合不良。二探傷方法 復合材料探傷與一般鋼板的探傷方法基本相同，常用單直探頭或聯合雙直探頭進行縱波探 傷。探傷時可從母材一側探測，也可從復合層一側探測。三缺陷的判別第三節 薄板超聲波探傷對于板厚小于6mm勺薄板，如采用一般的縱波探傷法，由于其板厚往往在盲區內，缺陷難 以分辨。目前對這種薄板一般采用蘭姆波（板波）進行探傷。第四節 管材超聲波探傷一、管材加工及常見缺陷 管材種類很多，據管徑不同分為小口徑管和大口徑管，據加工方法不同分為無縫鋼管和焊接管。無縫鋼管是通過穿孔法和高速擠壓法得到的， 穿孔法是用穿孔機穿孔， 并同時用軋輥滾軋， 最后用心棒軋管機定徑壓延平整成型。高速擠壓法是在擠壓機中直接擠壓成形，這種方法加工 的管材尺寸精度高。焊接管是先將板材卷成管形，然后用電阻焊或埋弧自動焊加工成型。一般大口徑管多用這 種方法。對于厚壁大口徑管也可以由鋼錠經鍛造、軋制等于工藝加工而成。管材中常見缺陷與加工方法有關。無縫鋼管中常見缺陷有裂紋、折迭、夾層等；焊接管中 常見