1、超声波检测技术1. 超声波检测原理简介1.1原理： 利用超声波在缺陷界面的反射来进行对缺陷的定位、定量和定性。 （同声纳、雷达定位）1.2 超声波的产生和接受 产生产生： 逆压电效应：使用高频电压作用于压电晶片，使之产生高频的机械振动。 接受接受： 压电效应：将机械振动作用于压电晶片产生电荷，以电能的形式进入仪器。晶片视频晶片视频探头探头（换能器）：直探头斜探头双晶探头聚焦探头Wall thickness measurement with a digital thickness gauge in practice 斜探头检测斜探头检测直探头斜探头双晶探头聚焦水浸探头1.3 超声波的特征1.3.
2、1 频率高 f20KHz,检测使用范围为0.3MHz10MHz,常用15MHz，可作为直线传播，可使用几何光学的理论，讨论反射、透射等实际问题。1.3.2 波长短 如c=5900m/s，2.5MHz，=2.36mm。属于毫米波，超声波传播距离长，探测厚度大，大大超过X-ray，穿透能力强。1.3.3 具有波形转换的能力 可以使用纵波检测还可以使用于横波检测, 讨论波形的传播路径。 主要波形：纵波（Longitudinal waves）横波(Transverse waves or Shear waves)1.3.4 检测灵敏度高可检测的最小缺陷为波长的一半。 1.3.5 超声波声场的近场和指向性
3、近场近场： 声源轴线上的声压有若干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N， N=Rs2/=Ds2/(4)=Fs/()N=Rs2/=Ds2/(4)=Fs/() 式中 Ds-圆盘源直径， Fs -圆盘源面积非圆盘源可用Fs源面积作近似计算。(3)讨论N Ds ，N（1/）， NFs；f，N指向性：指向性： 声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声场的指向性。 定量描述： 用0称，为半扩散角（或指向角），20范围内的声束叫做主声束。 0=arcsin (1.22/Ds)。 讨论：0 ， 0 （1/ Ds ）；f， 0 , N 边长为2d和2b的矩形声源辐射的纵波声场半扩散角按下式计
4、算： 平行于2b边的平面内半扩散角：057/(2b)（度）平行于2d边的平面内半扩散角：057/(2d)（度）1.4 超声波检测方法1.4.1 穿透法 一收一发探头，两平行面检测，会漏检（缺陷距底面距离大于声影长度）。1.4.2 共振法 连续波，用于测厚。=n/2,n共振次数。c=f, =c(fn-fn-1)/21.4.3 脉冲反射法（A型为主） 向工件中发射脉冲，脉冲遇到界面产生反射，根据反射信号来确定缺陷的存在，完成定位、定量和定性。（a）射频显示;（b）视频显示 1.4.4 相控线阵相控线阵（phased array） （4）相控阵声波发射和返回示意图）相控阵声波发射和返回示意图Ultr
5、asonic TOFD（Time-of-flight diffraction） 探头探头TOFD原理1.波形衍射当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，另外在裂纹表面还会产生反射。另外在裂纹表面还会产生反射。TOFD就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来对缺陷进行定位定量。对缺陷进行定位定量。探头入射波反射波衍射波探头被测工件探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头探头发射探头发射探头接收探头接收探头被测工件2.TOFD扫查焊缝扫查焊缝形成的A扫脉冲图像直通
6、波上端点下端点底波TOFD扫描成像扫描成像+发射探头发射探头接收探头接收探头TOFD的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时探头所接收到的探头所接收到的A扫图形转换为黑白两色的灰度图，为了能扫图形转换为黑白两色的灰度图，为了能有更清晰的图像因些要求至少有更清晰的图像因些要求至少256级的灰度分辨率级的灰度分辨率100%0%100%利用灰阶度来表示振幅，当回波处于利用灰阶度来表示振幅，当回波处于0位时位时用中间灰色表示，当波形向正半周变化时向用中间灰色表示，当波形向正半周变化时向100%灰度（白色）渐变，当波形向负正半灰度（白色）渐变，当波形向
7、负正半周变化时向周变化时向-100%灰度（黑色）渐变灰度（黑色）渐变A扫图像扫图像D扫图像扫图像直通波直通波上端点上端点下端点下端点底波底波连续扫查时得到的扫描图像连续扫查时得到的扫描图像(非平行扫查非平行扫查)(纵向扫查纵向扫查)A扫波形扫波形D扫图像扫图像直通波直通波底波底波有缺陷时扫描图像有缺陷时扫描图像A扫图像扫图像D扫图像扫图像上端点上端点下端点下端点TOFD 扫查机构标准（报批稿） 承压设备无损检测承压设备无损检测 第第10部分：衍射时差法超声检测部分：衍射时差法超声检测 Ultrasonic time of flight diffraction technique JB/T 47
8、30.1020072超声波检测通用技术 2.1 检测前的准备工作标准的选择标准的选择仪器的选择仪器的选择耦合剂的选择耦合剂的选择探头的选择探头的选择 探头种类，大小和频率 斜探头入射角、折射角和K值探头的类型探头的类型 常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、表面波探头、双晶探头、聚焦探头等。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。晶片尺寸晶片尺寸 探头圆晶片尺寸一般为1030mm，晶片大小对探伤也有一定的影响，选择晶片尺寸时要考虑以下因素。 （1）由0=arcsin(l.22/D)可知，晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能
9、量集中，对探伤有利。 （2）由ND2/(4)可知，晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。 （3）晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。 探伤面积范围大的工件时，为了提高探伤效率宜选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。探伤小型工件时，为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。探伤表面不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。频率大小频率大小 超声波探伤频率在0.51OMHz之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素： （1）由于波的绕射，使超声波探伤灵敏度约
10、为/2，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。 （2）频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。 （3）由0=arcsin(l.22/D)可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指问性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。 （4）由N=D2/(4)可知，频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。 （5) 由s= C2Fd2f4可知，频率增加，衰减急剧增加。 对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2.55.0MHz，对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用0.52.5MHz。 如果频率过高，就会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法
11、探伤。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。探头探头K值值 探头的K 值对探伤灵敏度、声束轴线的方向，一次波的声程（入射点至底面反射点的距离）有较大的影响。对于用有机玻璃斜探头探伤钢制工件，s40（KO.84）左右时，即探伤灵敏度最高。 K值大，大，一次波的声程大，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，避免近场区探伤。当工件厚度较大时，应选用较小的K值，以减少声程过大引起的衰减。便于发现深度较大处的缺陷。 在焊缝探伤中，还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。对于单面焊根部未焊透，还要考虑端角反射问题，应使K=O.71.5，因为K0.7或K1.5，端角反射率很低，容易
12、引起漏检。2.2 线性调节（扫描线调节）2.2.1 概念 仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值与实际声程x（单程）的比例关系,即:x=1:n 称为扫描速度或时基扫描线比例。 如扫描速度1:2 表示仪器示波屏上水平刻度1小格表示实际声程2mm。 如扫描速度2:1 表示仪器示波屏上水平刻度2小格表示实际声程1mm。 2.2.2 纵波扫描速度的调节 纵波探伤一般按纵波声程来调节扫描速度。具体调节方法是：将纵波探头对准厚度适当的平底面或曲底面，使两次不同的底波分别对准相应的水平刻度值。 如探测厚度为100mm工件，扫描速度为1:4，现利用IIW试块调节。将探头对准试块上厚为100mm的底面，调节仪器“深
13、度微调”、“脉冲移位”旋钮,使底被B2、B4 分别对准水平刻度50、100，这时扫描线水平刻度值与实际声程的比例正好为l:4。 2.2.3 横波扫描速度的调节 横波探伤时，缺陷位置可由折射角和声程x来确定，也可由缺陷的水平距离l 和深度d来确定。 横波扫描速度的调节方法有三种：声程调节法、水平调节法和深度调节法 。（1）声程调节法 声程调节法是使示波屏上的水平刻度值与横波声程x成比例，即:x=1:n。这时仪器示波屏上直接显示横波声程。 按声程调节横波扫描速度可在IIW、CSK-IA、IIW2、半圆试块以及其它试块或工件上进行。 （2）水平调节法 水平调节法是指示波屏上水平刻度值与反射体的水平距
14、离l成比例,即:l=1:n。 示波屏水平刻度值直接显示反射体的水平投影距离（简称水平距离），多用于薄板工件焊缝横波探伤。 按水平距离调节横波扫描速度可在CSK-A试块、半圆试块、横孔等试块上进行。 （3）深度调节法 深度调节法是使示波屏上的水平刻度值与反射体深度d成比例，即:d=1:n，这时示波屏水平刻度值直接显示深度距离。 常用于较厚工件焊缝的横波深伤。 深度调节横波扫描速度可在CSK-A试块、半圆试块和横孔试块等试块上调节。 2.3 检测灵敏度的调节和校准 探伤灵敏度是指在确定的声程范围内发现规定大小缺陷的能力，一般由产品技术要求或有关标准确定。 探伤灵敏度太高或太低都对探伤不利。灵敏度太
15、高，示波屏上杂波多，判伤困难，灵敏度低，容易引起漏检。 灵敏度可通过调节仪器上的增益、衰减器、发射强度等灵敏度旋钮来实现。 调整探伤灵敏度的常用方法有试块调整法和工件底波调整法两种。 试块调整法试块调整法 将规定的人工缺陷的最高反射回波达基准高，这时灵敏度就调好了。工件底波调整法工件底波调整法 利用工件底波调整探伤灵敏度是根据工件底面回波与规定的同深度的人工缺陷（如平底孔）回波波高差值调整探伤灵敏度。 2.4 扫查方式 （1）锯齿形扫查：探头沿锯齿形路线进行扫查。扫查时，探头要作1015转动，每次前进齿距d不得超过探头晶片直径。 （2）左右扫查与前后扫查：当用锯齿形扫查发现缺陷时，可用左右扫查
16、和前后扫查找到回波的最大值，用左右扫查来确定缺陷沿焊缝方向的长度；用前后扫查来确定缺陷的水平距离或深度。 （3）转角扫查：利用它可以推断缺陷的方向。 （4）环绕扫查：它可用于推断缺陷的形状。环绕扫查时，回波高度几乎不变，则可判断为点状缺陷。 （5）平行或斜平行扫查：为了检验焊缝或热影响区的横向缺陷，但灵敏度要适当提高。 （6）串列式扫查：在厚板焊缝探伤中，与探伤面垂直的内部未焊透、未熔合等缺陷用单一K值斜探头很难探出，可采用两种不同K值探头探伤，也可采用串列式扫查探伤。2.5 缺陷位置的测定 超声波探伤中缺陷位置的测定是确定缺陷在工件中的位置，简称定位。一般可根据示波屏上缺陷波的水平刻度值与扫
17、描速度来对缺陷定位。 纵波（直探头）探伤时缺陷定位纵波（直探头）探伤时缺陷定位 仪器按1:n调节纵波扫描速度，缺陷波前沿所对的水平刻度值为f，则缺陷至探头的距离xf为：xf =nf 。例如例如：用纵波直探头探伤某工件，仪器按1:2调节纵波扫描速度，探伤中示波屏上水平刻度值70处出现一缺陷波，那么此缺陷至探头的距离xf为： xf =nf =270=140mm 横波探伤平面时缺陷定位横波探伤平面时缺陷定位 横波斜探头探伤时，波束轴线在探测面处发生折射，工件中缺陷的位置由探头的折射角和声程确定或由缺陷的水平和垂直方向的投影来确定。 由于横波扫描速度可按声程声程、水平水平、深度深度来调节，因此缺陷定位
18、的方法也不一样。例：用=40的探头探测T30mm的对接焊缝，仪器按声程1 l调节扫描速度，探伤中在示波屏水平刻度60处出现一缺陷波，求此缺陷在焊缝中的位置。解：由已知得一、二次波的声程为 x1=T/cos=30/cos40=39.2 mm x2=2x1=78.4 mm 39.2 mmxf60 mm78.4 mm 可见此缺陷是二次波发现的，因此有 lfxfsin=60sin4038.6（mm） hf2T-xfcos230-60cos4014（mm） 答：此缺陷的水平距离为38.6mm，深度为14mm。 2.6 缺陷定量缺陷定量包括确定缺陷的大小大小和数量数量，缺陷的大小指缺陷的面积面积和长度长度
19、。常用的定量方法有当量法、底波高度法和测长测长法法三种。 当量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于声束截面的情况，测长法用于缺陷尺寸大于声束截面的情况。2.6.1当量法当量试块比较法当量计算法当量AVG曲线法 ;当量法概念当量法概念 所谓“当量法”就是将缺陷波与某一规则形状的反射体的回波相比较，当缺陷的波高与同样探测条件下规则形状反射体的波高相等时，该反射体的尺寸即称为所发现缺陷的当量尺寸。当量法概念当量法概念 所谓“当量法”就是将缺陷波与某一规则形状的反射体的回波相比较，当缺陷的波高与同样探测条件下规则形状反射体的波高相等时，该反射体的尺寸即称为所发现缺陷的当量尺寸。2.6.2 底波高度法 底波高
20、度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。 当工件中存在缺陷时，由于缺陷反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高与底波高之比就愈大。1FBF法 2FBG法3BGBF 法 Reflectors with different areas and their echoes 2.6.3 测长法 当工件中缺陷尺寸大于声束截面时，一般采用测长法来确定缺陷的长度。 测长法是根据缺陷波高与探头移动距离来确定缺陷的尺寸，按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。 1）相对灵敏度测长法）相对灵敏度测长法 相对灵敏度测长法是以缺陷最高回波为相对基准、沿缺陷的长度方向移动探头，
21、降低一定的dB值来测定缺陷的长度。 A large reflector in the sound beam Straight beam probe on the reflector boundryTop view with reflector for extension. 2）绝对灵敏度测长法）绝对灵敏度测长法 绝对灵敏度测长法是在仪器灵敏度一定的条件下，探头沿缺陷长度方向平行移动，当缺陷波高降到规定位置时（如图所示B 线），探头移动的距离，即为缺陷的指示长度。 3）端点峰值法）端点峰值法 探头在测长扫查过程中，如发现缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点时，则可以缺陷两端反射波极大值之间探头的移
22、动长度来确定为缺陷的指示长度 2.7缺陷的等级评定按选用的方法标准对已经定位和定量的缺陷进行等级评定，并按验收标准作出被检对象合格与否的判定。3.超声波检测的应用3.1 板材3.2 锻件3.3 焊缝3.4 管道3.5 其他 管件超声波检测管件超声波检测 液浸法检测液浸法检测 入射角入射角聚焦水浸探头聚焦水浸探头水层水层Ultrasonic ArraysRubber TyreTest StructureTransducerAxleBearing and shaft sealWaterThe RapidscanThe Rapidscan1 1 Array-Wheel Sensor Array-Wh
23、eel Sensor1 NDT Solutions ltd, Chesterfield, UK (tel: +44 (0) 1246 267550, email: )Array-Wheel EvaluationArray-Wheel EvaluationPrototypeCommercial versionComposite Stringer InspectionComposite Stringer InspectionMaterial Quasi-isotropic CFRPDimensions 960 x590 mmThickness 10-20 mmSample supplied by
24、Airbus UKComparison ScansComparison ScansImmersion scan(47 mins)Array-Wheel scan(1 min 40 s)CrackingPTFEinsertLocalPre-cureBackingfilmPrototype Plate TesterarrayTest result on plain 5 mm thick 1m square plate at 160 kHzfront edgeback edge 50mm hole 30mm holeplate edgearray SourceDetectorX- Y Scannin
25、g StagesChargeAmplifier +200V dc De-couplerNCA 1000Tektronix OscilloscopePCX-Y ControllerTest sampleApparatus for NDE of composites x-axis(mm)y-axis(mm)x-axis(mm)y-axis(mm)(a)(b)Images of 10mm square defect in a CFRP composite plate (a) amplitude, (b) travel timeAir-coupled through-transmission images of solidsHIGH-RESOLUTION THROUGH-TRANSMISSION IMAGING Pulse Compression Unit (NCA 1000)Tektronix OscilloscopePCd.c. bias (+200V)Cooknell Charge Amplifier Scanning Stage Controller Scanning stageUltrasonic imaging using a focussed source and a planar receiver
