钢铁等材料的超声波探伤检测知识讲解

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一、原理与简介

超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，可以通过这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。


图：超声探伤原理示意图

超声波检测按照其原理可分为缺陷回波法、穿透法、共振法。按波形分可分为纵波、横波、表面波和板波等。纵波是用来探测金属铸锭、坯料、中厚板、大型锻件和形状比较简单的制件中所存在的缺陷；横波是探测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺陷；表面波可探测形状简单的铸件上的表面缺陷；板波可探测薄板中的缺陷。


图：纵波&横波示意图


二、检测过程

超声检测方法可采用多种检测技术，每种检测技术在实施过程中，都有其需要考虑的特殊问题，其检测过程也各有特点。但各种超声检测技术又都存在着通用的技术问题。其检测过程也大致可分为以下几步：

1、试件的准备

为了提高检测结果的可靠性，应对受检件的材料牌号、性能，制造方法和工艺特点，影响其使用性能的缺陷种类及形成原因、缺陷的最大可能取向及大小、受检部位受力状态及检收标准进行了解。

2、检测条件的确定，包括超声波检测仪、探头、试块等的选择

   入射方向的选择应使声束中心线与缺陷延伸平面，特别是与最大受力方向垂直的缺陷面尽可能地接近垂直，并力求得到缺陷最大信号，此外，为避免被探工件形状和结构可能产生反射或变型信号对缺陷的判别造成困难，入射方向还应选择在不会出现这些干扰信号的方向上。必要时应从正、反两面进行检查。

   探头的选择也是尤为重要的。作为超声检测的重要工具之一，探头的种类很多，结构型式也各不相同。检测前应根据被检对象的形状、衰减情况和技术要求来选择探头。探头的选择包括选择探头型式、频率、晶片尺寸和斜探头的折射角(K值)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伤方法，一旦方法确定，应采用什么型式的探头也就确定了。

3、检测仪器的调整

   在仪器开始使用时，对仪器的水平线性和垂直线性进行测定。时基线刻度可按比例调节为代表脉冲回波的水平距离、深度或声程。

4、扫查

   扫查一般考虑两个原则，一是保证试件的整个检查区有足够的声束覆盖以避漏检；二是扫查过程中声束入射方向始终符合所规定的要求。一般标准都规定扫查速度不得大于150mm／s。且在扫查过程中应给探头以适当的和一致的压力，保持探头移动平稳，扫查过程中，探头的方向应严格按照扫查方式的规定(斜射探头尤应注意)。

   因为探头移动方向的改变对于单探头探伤，将因入射波的方向改变而使缺陷检出灵敏度变化；对于双探头法探伤，则可使反射或透射波不能为另一探头接收。所以为免漏检，每次扫查应有一定比例的声束覆盖率。

5、缺陷的评定

   缺陷的具体评定方法，这里我们就省略了。有兴趣的朋友可以查阅对应的国家标准。

6、结果记录与报告的编写


三、优缺点

1、主要优点

穿透能力强，探测深度可达数米；灵敏度高，可发现与直径约十分之几毫米的空气隙反射能力相当的反射体；在确定内部反射体的位向、大小、形状及等方面较为准确；可立即提供缺陷检验结果;操作安全,设备轻便。

2、主要缺点

超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，对粗糙、形状不规则、小、薄或非均质材料难以检查；对所发现缺陷作十分准确的定性、定量表征仍有困难；不适合有空腔的结构。


四、无损检测的32个常见问题


1、什么是无损探伤/无损检测？

(1)无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。
(2)无损检测：NondestructiveTesting（缩写 NDT）

2、常用的探伤方法有哪些？

无损检测方法很多据美国国家宇航局调研分析，认为可分为六大类约70余种。但在实际应用中比较常见的有以下几种：

常规无损检测方法有：
－超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT）；
－射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）；
－磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT）；
－渗透检验 Penetrant Testing （缩写 PT）；
－涡流检测Eddy current Testing（缩写 ET）；

非常规无损检测技术有：
－声发射Acoustic Emission(缩写 AE)；
－泄漏检测Leak Testing（缩写 UT）；
－光全息照相Optical Holography；
－红外热成象Infrared Thermography；
－微波检测 Microwave Testing

3、超声波探伤的基本原理是什么？

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(见图1)，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。

4、超声波探伤与X射线探伤相比较有何优的缺点？

超声波探伤比X射线探伤具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等优点；缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性；超声波探伤适合于厚度较大的零件检验。

5、超声波探伤的主要特性有哪些？

（1）超声波在介质中传播时，在不同质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过射线而不能反射；

（2）波声的方向性好，频率越高，方向性越好，以很窄的波束向介质中辐射，易于确定缺陷的位置。

（3）超声波的传播能量大，如频率为1MHZ（100赫兹）的超生波所传播的能量，相当于振幅相同而频率为1000HZ（赫兹）的声波的100万倍。

6、超生波探伤板厚14毫米时，距离波幅曲线上三条主要曲线的关系怎样？

测长线 Ф1 х 6 －12dB
定量线 Ф1 х 6 －6dB　
判度线 Ф1 х 6 －2dB

7、用超生波探伤时，底波消失可能是什么原因造成的？

（1）近表表大缺陷；（2）吸收性缺陷；（3）倾斜大缺陷；（4）氧化皮与钢板结合不好。

8、简述超生波探伤中，超生波在介质中传播时引起衰减的原因是什么？

（1）超声波的扩散传播距离增加，波束截面愈来愈大，单位面积上的能量减少。
（2）材质衰减一是介质粘滞性引起的吸收；二是介质界面杂乱反射引起的散射。

9、试块的主要作用是什么？

（1）校验灵敏度；（2）校准扫描线性。

10、用超生波对饼形大锻件探伤，如果用底波调节探伤起始灵敏度对工作底面有何要求？

（1）底面必须平行于探伤面；
（2）底面必须平整并且有一定的光洁度。

11．超声波探伤选择探头K值有哪三条原则？

（1）声束扫查到整个焊缝截面；
（2）声束尽量垂直于主要缺陷；
（3）有足够的灵敏度。

12、超声波探伤仪主要有哪几部分组成？

主要有电路同步电路、发电路、接收电路、水平扫描电路、显示器和电源等部份组成。

13、发射电路的主要作用是什么？

由同步电路输入的同步脉冲信号，触发发射电路工作，产生高频电脉冲信号激励晶片，产生高频振动，并在介质内产生超声波。

14、超声波探伤中，晶片表面和被探工件表面之间使用耦合剂的原因是什么？

晶片表面和被检工件表面之间的空气间隙，会使超声波完全反射，造成探伤结果不准确和无法探伤。

15．JB1150－73标准中规定的判别缺陷的三种情况是什么？

（1）无底波只有缺陷的多次反射波。
（2）无底波只有多个紊乱的缺陷波。
（3）缺陷波和底波同时存在。

16．JB1150－73标准中规定的距离――波幅曲线的用途是什么？

距离――波幅曲线主要用于判定缺陷大小，给验收标准提供依据它是由判废线、定量线、测长线三条曲线组成；
判废线――判定缺陷的最大允许当量；
定量线――判定缺陷的大小、长度的控制线；
测长线――探伤起始灵敏度控制线。

17．什么是超声场？

充满超声场能量的空间叫超声场。

18．反映超声场特征的主要参数是什么？

反映超声场特征的重要物理量有声强、声压声阻抗、声束扩散角、近场和远场区。

19．探伤仪最重要的性能指标是什么？

分辨力、动态范围、水平线性、垂直线性、灵敏度、信噪比。

20．超声波探伤仪近显示方式可分几种？

（1）A型显示示波屏横座标代表超声波传递播时间（或距离）纵座标代表反射回波的高度
（2）B型显示示波屏横座标代表超声波传递播时间（或距离），这类显示得到的是探头扫查深度方向的断面图；
（3）C型显示仪器示波屏代表被检工件的投影面，这种显示能绘出缺陷的水平投影位置，但不能给出缺陷的埋藏深度。

21．超声波探头的主要作用是什么？

1、探头是一个电声换能器，并能将返回来的声波转换成电脉冲；
2、控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率；
3、实现波型转换；
4、控制工作频率；适用于不同的工作条件。

22．为什么要加强超波探伤合录和报告工作？

任何工件经过超声波探伤后，都必须出据检验报告以作为该工作质量好坏的凭证，一份正确的探伤报告，除建立可靠的探测方法和结果外，很大程度上取决于原始记录和最后出据的探伤报告是非常重要的，如果我们检查了工件不作记录也不出报告，那么探伤检查就毫无意义。

23．无损检测有哪些应用？

应用时机：设计阶段；制造过程；成品检验；在役检查。
应用对象：各类材料（金属、非金属等）；各种工件（焊接件、锻件、铸件等）；各种工程（道路建设、水坝建设、桥梁建设、机场建设等）。

24．超声波焊缝探伤时为缺陷定位仪器时间扫描线的调整有哪几种方法？

有水平定位仪、垂直定位、声程定位三种方法

25．在超声波探伤中把焊缝中的缺陷分几类？怎样进行分类？

在焊缝超声波探伤中一般把焊缝中的缺陷 分成三类：点状缺陷、线状缺陷、面状缺陷。
在分类中把长度小于10mm的缺陷叫做点状缺陷；一般不测长，小于10mm的缺陷按5mm计。把长度大于10mm的缺陷叫线状缺陷。把长度大于10mm高度大于3mm的缺陷叫面状缺陷。

26．超声波试块的作用是什么？

超声波试块的作用是校验仪器和探头的性能，确定探伤起始灵敏度，校准扫描线性。

27．什么是斜探头折射角β的正确值？

斜探头折射角的正确值称为K值，它等于斜探头λ射点至反射点的水平距离和相应深度的比值。

28．当局部无损探伤检查的焊缝中发现有不允许的缺陷时如何办？

应在缺陷的延长方向或可疑部位作补充射线探伤。补充检查后对焊缝质量仍然有怀疑对该焊缝应全部探伤。

29．超声波探伤仪中同步信号发生器的主要作用是什么？它主要控制哪二部分电路工作？

同步电路产生同步脉冲信号，用以触发仪器各部分电路同时协调工作，它主要控制同步发射和同步扫描二部分电路。

30．无损检测的目地？

1、改进制造工艺；2、降低制造成本；3、提高产品的可能性；4、保证设备的安全运行。

31.超探仪的作用及主要应用行业

超探仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（焊缝、裂纹、夹杂、折叠、气孔、砂眼等）的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。本仪器能够广泛地应用在制造业、钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域，也广泛应用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。它是无损检测行业的必备仪器

32.有关超声波探伤的国家标准和行业标准

超声波探伤国家标准和行业标准有：
1、QB/T 12604.1–90 无损检测术语 超声检测
2、JB/T 10061-1999 A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件
3、JJG 746-91 超声探伤仪 中华人民共和国国家计量检定规程

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请问，英文的这篇原文你有吗？