南車株洲電力機車研究所有限公司風電事業部制造中心質控部：曹曉亮超聲波檢測技術——理論知識第一章、超聲波物理知識一、超聲波的性質1、聲波次聲波超聲波聲波、次聲波、超聲波都是機械波，有聲速、頻率、波長、聲壓、聲強等參數，在界面也會發生反射、折射。我們能夠聽到聲音是因為聲波傳到了我們的耳內，聲波的頻率在20HZ～20000HZ，頻率低于或超過上述范圍時人們無法聽到聲音，頻率低于20HZ的聲波稱為次聲波，頻率超過20000HZ的聲波稱為超聲波。

工業探傷上常用的超聲波范圍是：0.5～20MHz;其中金屬探傷最常用的頻率是：1～5MHz；探水泥構建用的頻率是：<0.5MHz,如100KHz,200KHz;探測玻璃陶瓷中μm級小缺陷用的頻率是100MHz～200MHz,甚至更高。二、超聲波的特點1、有良好的指向性：2、能量高由于能量（聲強）與頻率的平方成正比，故超聲波的能量遠大于聲波的能量I1/I2=1MHz2/1KHz2=100萬倍。3、能像光線一樣呈直線傳播，并在界面上產生反射、折射和波型轉換，在傳播過程中還有干涉、疊加、繞射現象，故可以充分利用這些幾何、物理特征進行探傷。4、在金屬材料中的傳播速度很快，穿透能力強、衰減小，如對某些金屬的穿透能力可達數米，其他檢測手段無法相比。三、超聲波的波形與聲速1、縱波（L）質點的振動方向與波的傳播方向相平行。縱波在固、液、氣三種介質中均能傳播。2、橫波（S）質點的振動方向與傳播方向相垂直，質點受到的是交變剪切應力的作用，故亦稱切變波。液體和氣體不能夠承受剪切應力，故無橫波傳播。3、表面波，在固體表面傳播。

材料縱波聲速米每秒橫波聲速米每秒鋼59003230水1400-----有機玻璃27201460鋁62603080銅47002260四、超聲波的反射折射波型轉換1、入射縱波反射折射波型轉換縱波傾斜入射到不同介質的表面時會產生反射縱波反射橫折射縱波折射橫波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。介質1介質2αβLβSαS’αL’SinαC1LC1SC2LC2S=SinβSSinβL==SinαS’2、第一臨界角當在第二介質中的折射縱波角等于90度時，稱這時的縱波入射角為第一臨界角αI。這時在第二介質中已沒有縱波，只有橫波。焊縫探傷用的橫波就是，經過界面波型轉換得到的。3、第二臨界角當縱波入射角繼續增大時，在第二介質中的橫波折射角也增大，當βS達90度時，第二介質中沒有超聲波，超聲波都在表面，為表面波。介質1介質2α介質1介質2αβLβS在有機玻璃與鋼的介面，第一臨界角為α1=27.60βS=33.20第二臨界角為57.70，用于焊縫檢測的超聲波斜探頭的入射角必須大于第一臨界角而小于第二臨界角。我國習慣：斜探頭的橫波折射角用橫波折射角度的正切值表示，如K=2S第二章、超聲波的發射與接收一、壓電效應與逆壓電效應某些晶體材料在交變拉壓應力作用下，產生交變電場的效應稱為壓電效應。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。二、超聲波的發射與接收用有壓電效應的晶體材料做的晶片，在高頻電壓的激勵下在產生厚度方向的伸縮，這樣產生振動傳出就成超聲波。如果晶片在超聲波的聲壓作下，在晶片兩側產生電荷，產生一個小的電信號，經放大器放大后可識別。超聲波的發射與接收是由超聲波探頭完成的，有的是一個晶片（單晶探頭）完成發射與接收超聲波，有的是兩塊晶片（雙晶探頭）分別完成發射與接收超聲波三、縱波發射聲場分布（直探頭）

圓盤聲源輻射的縱波聲場，晶片為圓形，在高頻的激勵下產生振動，晶片上每個小區域都輻射超聲波，這些波某處疊加會加強，另一處會減弱。（1）縱波圓形晶片超聲場的發布（直探頭）指向性用半擴散角表示，θ＝Sin-11.22λ/D。（λ是波長，D是晶片直徑）半擴散角θ副聲束瓣（2）中線軸線上的聲壓分布情況在靠晶片的一個范圍內，由于波的干涉，出現的聲壓為“0”點，從晶片至最后一個聲壓最大值的距離稱為近場距離，此區域稱近場區。N近場長度計算N=(D2-λ2)/4λ探傷時缺陷在聲場中才能被發現，如在近場區聲壓為零處也不能發現。在距晶片三倍的近場區以外，聲壓隨距離下降情況與球面波相似，與理論計算值基本相同。在聲束徑向上的聲壓分布情況：分別是N1、3N和6N處聲壓分布在聲束徑向上的聲壓分布情況：分別是晶片附近、1/2N和1N處聲壓分布四、橫波發射聲場常用的橫波探頭，是使縱波傾斜入射到界面上，通過波型轉換來實現橫波探傷的。縱波入射角應在第一臨界角與第二臨界角之間，縱波全反射，在工件中只有橫波存在。第三章、超聲波探傷原理

超聲波透射進入金屬材料的內部，并向前傳播，當超聲波遇到缺陷時，在缺陷界面產生反射波，缺陷反射波傳播進入探頭，探頭接收到反射波后可產生脈沖波幅信號，即可發現內部缺陷。超聲波檢測能發現最小缺陷尺寸a≥λ/2，當a＜λ/2時，超聲波會產生繞射，2.5MHz0.646mm，5MHz0.323mm；超聲波在介質中的反射率：空氣是100%，夾渣為46%，水為88%。探傷方法分類①按波型分：a縱波探傷：垂直探傷法b橫波探傷：斜射探傷法c表面波探傷②按耦合方式分a直接耦合接觸法，又稱接觸法。b水浸法1

縱波探傷示意圖探頭發射和接收超聲波，發射的超聲波是脈沖波三）超聲波探傷原理，脈沖超聲在工件中遇界面反射超聲波，超聲再在探頭中換成電信號經放大后顯示，顯示屏上橫座標表示超聲波在工件中傳播的時間，縱座標表示反射的超聲波聲壓，與反射面積大小對應。2、橫波探傷示意圖1水平定位示意圖2深度定位示意圖第四章、儀器探頭試塊1、儀器按缺陷的顯示方式分為A型B型還有C型，普遍使用A型顯示。儀器上熒光屏橫軸表示超聲波在工件中傳播的時間，縱軸表示反射體反射回來的聲壓大小，可以比較缺陷的大小。為使進入放大器中的信號在一定范圍，儀器上有一衰減器。目前公司現有的設備為TUD-310數字超聲波探傷儀器。(儀器缺失保存功能)儀器面板介紹2、探頭根據波型，探頭可分為有縱波探頭、橫波探頭、表面波探頭、板波探頭等。根據波束可以分為聚焦探頭與非聚焦探頭。根據晶片數可分為單晶片、雙晶片。常用的主要是直探頭與斜探頭（1）直探頭結構主要有壓電晶片、保護膜、電纜線、阻尼塊、外殼、接頭。阻尼塊的作用是：晶片在受激勵振蕩后立即停下來，使脈沖寬度變小，分辨力提高。吸收背面的雜波，支撐固定晶片。探頭的主要參數有：晶片材料、直徑、頻率、保護膜如PZT2.5Φ20（2）斜探頭結構主要有壓電晶片、斜楔、電纜線、阻尼塊、吸聲材料、外殼、接頭。斜楔的作用是實現波型轉換,使被探工件中只存在折射橫波。斜楔的縱波聲速必須小于工件中的縱波波速,要耐磨、易加工,對超聲波的衰減系數小。探頭的主要參數有：晶片尺寸、頻率、K值如2.5P13×13K23、試塊按一用途設計制作的具有簡單人工幾何反射體的試樣。（1）作用a確定探傷靈敏度；b測試儀器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、探頭入射點、K值等；c調時間掃描線比例C評判缺陷的大小（2）分類一類是由權威機構制定的試塊，稱為標準試塊如CSK-IA一類是按具體探傷對象制定的試塊，如CSK-IIIA、CS-1CSK-IACSK-IIIACSK-IIACSK-IVA平底孔試塊第五章、影響探傷結果的因素1）儀器與探頭組合性能垂直線性－－會影響缺陷當量大小判定水平線性－－影響缺陷定位，非缺陷波的識別盲區－－影響近表面的缺陷的檢測2）探頭頻率－－理論上能夠發現的最小缺陷是波長的1/2，在能保證穿透的前提下，選高一些頻率直徑－－直徑大，發射功率大，能探厚度大的工件，工作效率高，但近場區長度增加，近場區內易漏缺陷，波高不穩。K值－－根據厚度和焊縫寬度選擇，應一次波越過背面對過焊縫邊緣，薄板選大一些，厚板選小一些，保證掃查到整個面。3）耦合超聲波探傷時在探頭與工件之間如存在空氣，由于空氣聲阻抗比較大，超聲波不能被導入工件，必須使用一種液體消除間隙，在探頭與件之間起透聲的作用，這就是耦合劑。耦合劑－－應選用聲阻抗（密度與聲速乘積）比較大的，常用的有機油、水玻璃、甘油、水、化學漿糊耦合層厚度－－理論上耦合層厚度為波長1/2的整數倍時透聲效果最好，耦合層厚度為波長的1/4的奇數倍時透聲效果最差，實際工作中一般盡可能使耦合層薄一些。工件表面粗糙影響，要求工件表面的粗糙度不高于6.3μm4)探傷靈敏度靈敏度選擇過高時探傷時反射的雜波太多,影響缺陷波的識別,靈敏度過低時會漏掉缺陷。5）儀器時間掃描線調試的正確性，斜探頭K值測試的正確性會影響缺陷的定位或對非缺陷信號的判別。6）手工探傷時探頭的移動速度過快，缺陷波顯示不夠亮，易漏掉缺陷。第六章、超聲波探傷工藝1、探傷準備（1）技術等級、檢測區、工件表面準備(對接焊接接頭檢測)檢測技術等級a技術等級分為A、B、C三級，C級，根據壓力容器產品的重要程度進行選用。b選用原則：A級檢測適用于承壓設備有關的支承件和結構件焊縫檢測；B級檢測適用于一般承壓設備對接焊縫檢測；C級檢測適用于重要承壓設備對接焊縫檢測。c具體要求：A級要求：母材厚度為8～46㎜，用一種K值探頭在工件的單面單側進行檢測，一般不要求進行橫向裂紋檢測；B級要求：母材厚度為8～46㎜，用一種K值探頭在工件的單面雙側進行檢測；母材厚度為46～120㎜，采用一種K值在工件的雙面雙側進行檢測，條件不允許時可在工件的雙面單側或單面雙側采用兩種K值的探頭檢測；母材厚度>120㎜，用兩種K值在工件的雙面雙側檢測，兩種K值的探頭折射角相差不小于100；應進行橫向缺陷的檢測。焊縫余高要磨平。C級要求：采用C級檢測時應將焊縫余高磨平，探頭掃查經過區要用直探頭檢測；母材厚度為8～46㎜，一般用兩種K值探頭在在工件的單面雙側進行檢測，兩探頭的折射角相差不小于100，其中一個為450母材厚度為46～400㎜，一般用兩種K值探頭在在工件的雙面雙側進行檢測，兩探頭的折射角相差不小于100，對單側坡口角度小于50的窄間隙焊縫，增加對與坡口表面平行缺陷的有效方法；應進行橫向缺陷的檢測，檢測時將探頭放在焊縫及熱影響區上作兩個方向的平行掃查。檢測區檢測區的寬度為焊縫本身，再加上焊縫兩側各相當于母材厚度的30%的區域，這個區域最小為5㎜，最大為10㎜探頭移動區寬度a一次反射法檢測時探頭移動應大于或等于1.25P,P=2KT檢測面位置1位置2檢測區b直射法檢測時探頭的移動區應大于或等于0.75PP=2KT。檢測面位置2檢測區位置1（2）工件表面準備探頭移動區應清除焊接飛濺、鐵屑、油污及其他雜質，檢測表面平整，便于探頭的掃查其表面的粗糙度Ra小于6.3μm2、非缺陷信號的識別A工件側壁回波縱波檢測細長工件時,由于擴散波束在側壁產生波型轉換,由縱波轉換為橫波,此橫波在另一面又轉換為縱波,最后經底面反射回到探頭。0.76ddBTB三角回波縱波徑向探測實心圓柱體時，探頭平面與柱面接觸面積小，使波束擴散角增加，擴散聲束會在圓柱在上形成三角反射路徑B1B2d1.3d1.67d2dC焊角回波焊縫余高過高時會在余高處反射和波型轉換。有時呈山形回波，可以根據山形回波的出現判斷焊縫中無大缺陷。縱波橫波①②③①②③3、掃查方式A以規定的掃查靈敏度（基準靈敏度）先進行掃查粗探傷，再以定量靈敏度對缺陷進行定量、定級、定位。B為檢測縱向缺陷，斜探頭應垂直于焊縫中心線放置在檢測面上，作鋸齒型掃查。探頭前后移動的范圍應保證掃查到全部焊接接頭截面，在保持探頭垂直焊縫作前后移