超聲波探傷方法和通用探傷技術(shù)張志超

1、目錄6 超聲檢測方法和通用檢測技術(shù)016.1 超聲檢測方法概述016.2 儀器與探頭的選擇066.3 耦合與補償086.4 儀器的調(diào)節(jié)11 6.5 缺陷位置的測定166.6 缺陷大小的測定216.7 缺陷自身高度的測定27 6.8 影響缺陷定位、定量的主要因素31 6.9 缺陷性質(zhì)分析366.10 非缺陷回波的判別436.11 側(cè)壁干涉486.12 各向異向材料的超聲檢測技術(shù)506.13 表面波檢測556.14 板波檢測62 復(fù)習(xí)思考題 66 第六章超聲波檢測方法和通用檢測技術(shù)脈沖反射法超聲波檢測方法雖然很多，各種方法的操作也不盡相同，但它們在探測條件、耦合與補償、儀器的調(diào)節(jié)、缺陷的定位、定量

2、、定性等方面卻存在一些通用的技術(shù)問題。掌握這些通用技術(shù)對于發(fā)現(xiàn)缺陷并正確評價是很重要的。脈沖反射法超聲檢測的基本步驟是：檢測前的準備，儀器、探頭、試塊的選擇，儀器調(diào)節(jié)與檢測靈敏度確定，耦合補償，掃查方式，缺陷的測定、記錄和等級評定、儀器和探頭系統(tǒng)復(fù)核等。6.1 超聲波檢測方法概述6.1.1 按原理分類超聲波檢測方法按原理分類，可分為脈沖反射法、穿透法、共振法和tofd法。1.脈沖反射法超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢試件內(nèi)，根據(jù)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、底波高度法和多次底波法。（1）缺陷回波法：根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷波形進行判斷的方法，稱為缺陷回

3、波法。該方法是反射法的基本方法。圖6.1是缺陷回波檢測法的基本原理，當(dāng)試件完好時，超聲波可順利傳播到達底面，檢測圖形中只有表示發(fā)射脈沖t及底面回波b兩個信號，如圖6.1（a）所示。圖6.1缺陷回波法 圖6.2底波高度法若試件中存在缺陷，在檢測圖形中，底面回波前有表示缺陷的回波f如圖6.1（b）所示。（2）底波高度法：當(dāng)試件的材質(zhì)和厚度不變時，底面回波高度應(yīng)是基本不變的。如果試件內(nèi)存在缺陷，底面回波高度會下降甚至消失，如圖6.2所示。這種依據(jù)底面回波的高度變化判斷試件缺陷情況的檢測方法，稱為底波高度法。底波高度法的特點在于同樣投影大小的缺陷可以得到同樣的指示，而且不出現(xiàn)盲區(qū)，但是要求被探試件的探

4、測面與底面平行，耦合條件一致。由于該方法檢出缺陷定位定量不便，靈敏度較低，因此，實用中很少作為一種獨立的檢測方法，而經(jīng)常作為一種輔助手段，配合缺陷回波法發(fā)現(xiàn)某些傾斜的和小而密集的缺陷，鍛件探傷中常用：如由缺陷引起的底波降低量。（3）多次底波法：當(dāng)透入試件的超聲波能量較大，而試件厚度較小時，超聲波可在探測面與底面之間往復(fù)傳播多次，示波屏上出現(xiàn)多次底波b1、b2、b3。如果試件存在缺陷，則由于缺陷的反射以及散射而增加了聲能的損耗，底面回波次數(shù)減少，同時也打亂了各次底面回波高度依次衰減的規(guī)律，并顯示出缺陷回波，如圖6.3所示。這種依據(jù)底面回波次數(shù)，而判斷試件有無缺陷的方法，即為多次底波法。圖6.3多

5、次底波法(a)無缺陷 (b)小缺陷 (c)大缺陷多次底波法主要用于厚度不大、形狀簡單、探測面與底面平行的試件檢測，缺陷檢出的靈敏度低于缺陷回波法。2.穿透法穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷時情況的一種方法，如圖6.4所示。穿透法常采用兩個探頭，一個作發(fā)射用，一個作接收用，分別放置在試件的兩側(cè)進行探測，圖6.4(a)為無缺陷時的波形，圖4.4(b)為有缺陷時的波形。 圖6.4穿透法3.共振法若聲波（頻率可調(diào)的連續(xù)波）在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長的整數(shù)倍時，將引起共振，儀器顯示出共振頻率，用相鄰的兩個共振頻率之差，由以下公式算出試件厚度。 （6.1）式中

6、 f0工件的固有頻率；fm、fm-1相鄰兩共振頻率；c被檢試件的聲速；波長；試件厚度。當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷或工件厚度發(fā)生變化時，將改變試件的共振頻率。依據(jù)試件的共振特性，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。通常常用的測厚儀為雙晶直探頭脈沖反射法，與a型脈沖反射式超聲波探傷儀原理相同。4.tofd法tofd是time of flight diffraction 的第一個英文字母的縮寫，中文簡稱衍射時差法 。是上世紀七十年代由英國哈威爾無損檢測中心根據(jù)超聲波衍射現(xiàn)象首先提出來的，檢測時使用一對或多對寬聲束縱波斜探頭，每對探頭相對焊縫對稱布置（一發(fā)一收），如圖6.5所

7、示。聲束覆蓋檢測區(qū)域，遇到缺陷時產(chǎn)生反射波和衍射波。探頭同時接收反射波和衍射波，通過測量衍射波傳播時間，利用三角方程來確定出缺陷的尺寸和位置。發(fā)射探頭頭接收探頭頭圖6.5 tofd法6.1.2 按波形分類根據(jù)檢測采用的波形，可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。1.縱波法使用縱波進行檢測的方法，稱為縱波法。.縱波直探頭使用縱波直探頭進行檢測的方法，稱為縱波直探頭法。此法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，如圖6.6所示。 圖6.6垂直法 圖6.7橫波法垂直法分為單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。常用的是單晶探頭反射法。垂直法

8、主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的檢測，該法對與探測面平行的缺陷檢出效果最佳。由于盲區(qū)和分辨力的限制，其中反射法只能發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部離探測面一定距離以外的缺陷。在同一介質(zhì)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檢測。由于垂直法檢測時，波型和傳播方向不變，所以缺陷定位比較方便。.縱波斜探頭使用縱波斜探頭進行檢測的方法，稱為縱波斜探頭法。a.tofd探頭tofd檢測技術(shù)中使用的探頭為縱波斜探頭，工件中既有縱波也有橫波。但是，縱波傳播速度快，幾乎是橫波的兩倍，最先到達接收探頭，容易識別缺陷，以縱波波速計算缺

9、陷深度，不會與橫波信號混淆。b.小角度縱波斜探頭小角度縱波斜探頭常用來檢測探頭移動范圍較小、檢測范圍較深的一些部件，如從螺栓端部檢測螺栓，多層包扎設(shè)備的環(huán)焊縫等。2.橫波法將縱波通過楔塊、水等介質(zhì)傾斜入射至試件探測面，利用波型轉(zhuǎn)換得到橫波進行檢測的方法，稱為橫波法。由于透入試件的橫波束與探測面成銳角，所以又稱斜射法，如圖6.7所示。此方法主要用于焊縫、管材的檢測。其它試件檢測時，則作為一種有效的輔助手段，用以發(fā)現(xiàn)垂直檢測法不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。3.表面波法使用表面波進行檢測的方法，稱為表面波法。這種方法主要用于表面光滑的試件。表面波波長比橫波波長還短，因此衰減也大于橫波。同時。它僅沿表面?zhèn)鞑ィ瑢τ诒?/p>

10、面上的復(fù)層、油污、不光潔等，反應(yīng)敏感，并被大量地衰減。利用此特點可以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檢測的方法，稱為板波法。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡單的試件檢測，板波充塞于整個試件，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的和表面的缺陷。但是檢出靈敏度除取決于儀器工作條件外，還取決于波的形式。 5.爬波法爬波是指表面下縱波，它是當(dāng)?shù)谝唤橘|(zhì)中的縱波入射角位于第一臨界角附近時在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的表面下縱波。這時第二介質(zhì)中除了表面下縱波外，還存在折射橫波。這種表面下縱波不是純粹的縱波，還存在有垂直方向的位移分量。爬波對于檢測表面比較粗糙的工件的表層缺陷，如鑄鋼件、

11、有堆焊層的工件等，其靈敏度和分辨力均比表面波高。6.1.3 按探頭數(shù)目分類1.單探頭法使用一個探頭兼作發(fā)射和接收超聲波的檢測方法稱為單探頭法。單探頭法操作方便，大多數(shù)缺陷可以檢出，是目前最常用的一種方法。單探頭法檢測，對于與波束軸線垂直的片狀缺陷和立體型缺陷的檢出效果最好。與波束軸線平行的片狀缺陷難以檢出。當(dāng)缺陷與波束軸線傾斜時，則根據(jù)傾斜角度的大小，能夠收到部分回波或者因反射波束全部反射在探頭之外而無法檢出。2.雙探頭法使用兩個探頭（一個發(fā)射，一個接收）進行檢測的方法稱為雙探頭法。主要用于發(fā)現(xiàn)單探頭法難以檢出的缺陷。雙探頭法又可根據(jù)兩個探頭排列方式和工作方式進一步分為并列式、交叉式、v型串列

12、式、k型串列式、串列式等。（1）并列式：兩個探頭并列放置，檢測時兩者作同步同向移動。但直探頭作并列放置時，通常是一個探頭固定，另一個探頭移動，以便發(fā)現(xiàn)與探測面傾斜的缺陷，如圖6.8（a）所示。分割式探頭的原理，就是將兩個并列的探頭組合在一起，具有較高的分辨能力和信噪比，適用于薄試件、近表面缺陷的檢測。圖6.8雙探頭的排列方式(a)并列式(b)交叉式(c)形式(d)形式(e)串列式（2）交叉式：兩個探頭軸線交叉，交叉點為要探測的部位，如圖6.8（b）所示。此種檢測方法可用來發(fā)現(xiàn)與探測面垂直的片狀缺陷，在焊縫檢測中，常用來發(fā)現(xiàn)橫向缺陷。（3）v型串列式：兩探頭相對放置在同一面上，一個探頭發(fā)射的聲波

13、被缺陷反射，反射的回波剛好落在另一個探頭的入射點上，如圖6.8（c）所示。此種檢測方法主要用來發(fā)現(xiàn)與探測面平行的片狀缺陷。（4）k型串列式：兩探頭以相同的方向分別放置于試件的上下表面上。一個探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射，反射的回波進入另一個探頭，如圖6.8（d）所示。此種檢測方法主要用來發(fā)現(xiàn)與探測面垂直的片狀缺陷。（5）串列式：兩探頭一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一個探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射的回波，經(jīng)底面反射進入另一個探頭，如圖6.8（e）所示。此種檢測方法用來發(fā)現(xiàn)與探測面垂直的片狀缺陷（如厚焊縫的中間未焊透、窄間隙焊縫的坡口面未熔合等）。這種檢測方法的特點是，不論缺陷是處在焊縫的上部、中

14、部或根部，其缺陷聲程始終相等，從而缺陷信號在熒光屏上的水平位置固定不變；且上、下表面存在盲區(qū)。兩個探頭在一個表面上沿相反的方向移動，用手工操作是困難的，需要設(shè)計專用的掃查裝置。3.多探頭法使用兩個以上的探頭成對地組合在一起進行檢測的方法，稱為多探頭法。多探頭法的應(yīng)用，主要是通過增加聲束來提高檢測速度或發(fā)現(xiàn)各種取向的缺陷。通常與多通道儀器和自動掃描裝置配合，如圖6.9所示。圖6.9多探頭法6.1.4 按探頭接觸方式分類依據(jù)檢測時探頭與試件的接觸方式，可以分為接觸法與液浸法。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，這種檢測方法稱為直接接觸法。此方法操作方

15、便，檢測圖形較簡單，判斷容易，檢出缺陷靈敏度高，是實際檢測中用得最多的方法。但是，直接接觸法檢測的試件，要求探測面光潔度較高。2.液浸法將探頭和工件浸于液體中以液體作耦合劑進行檢測的方法，稱為液浸法。耦合劑可以是水，也可以是油。當(dāng)以水為耦合劑時，稱為水浸法。液浸法檢測，探頭不直接接觸試件，所以此方法適用于表面粗糙的試件，探頭也不易磨損，耦合穩(wěn)定，探測結(jié)果重復(fù)性好，便于實現(xiàn)自動化檢測。液浸法按檢測方式不同又分為全浸沒式和局部浸沒式。圖6.10液浸法（1）全浸沒式：被檢試件全部浸沒于液體之中，適用于體積不大，形狀復(fù)雜的試件檢測，如圖6.10（a）所示。（2）局部浸沒式：把被檢試件的一部分浸沒在水中

16、或被檢試件與探頭之間保持一定的水層而進行檢測的方法，適用于大體積試件的檢測。局部浸沒法又分為噴液式、通水式和滿溢式。噴液式：超聲波通過以一定壓力噴射至探測表面的如圖6.10（b）所示。通水式：借助于一個專用的有進水、出水口的液罩，以使罩內(nèi)經(jīng)常保持一定容量的液體，這種方法稱為通水式，如圖6.10(c)。滿溢式:滿溢罩結(jié)構(gòu)與通水式相似,但只有進水口,多余液體在罩的上部溢出,這種方法稱為滿溢式,如圖6.10（d）所示。根據(jù)探頭與試件探測面之間液層的厚度，液浸法又可分為高液層法和低液層法。6.2儀器與探頭的選擇探測條件的選擇首先是指儀器和探頭的選擇。正確選擇儀器和探頭對于有效地發(fā)現(xiàn)缺陷，并對缺陷定位、

17、定量和定性是至關(guān)重要的。實際檢測中要根據(jù)工件結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝和技術(shù)要求來選擇儀器與探頭。6.2.1 檢測儀的選擇超聲波檢測儀是超聲波檢測的主要設(shè)備。目前國內(nèi)外檢測儀種類繁多，性能各異，檢測前應(yīng)根據(jù)探測要求和現(xiàn)場條件來選擇檢測儀。一般根據(jù)以下情況來選擇儀器：（1）對于定位要求高的情況，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器。（2）對于定量要求高的情況，應(yīng)選擇垂直線性好，衰減器精度高的儀器。（3）對于大型零件的檢測，應(yīng)選擇靈敏度余量高、信噪比高、功率大的儀器。（4）為了有效地發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)辨、分率力好的儀器。（5）對于室外現(xiàn)場檢測，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好，抗干擾能力強的攜帶式儀

18、器。此外要求選擇性能穩(wěn)定、重復(fù)性好和可靠性好的儀器。6.2.2 探頭的選擇超聲波檢測中，超聲波的發(fā)射和接收都是通過探頭來實現(xiàn)的。探頭的種類很多，結(jié)構(gòu)型式也不一樣。檢測前應(yīng)根據(jù)被檢對象的形狀、衰減和技術(shù)要求來選擇探頭。探頭的選擇包括探頭的型式、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、縱波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、聚焦探頭等。一般根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、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?？v波直探頭只能發(fā)射和接收縱波，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

19、探頭是通過波形轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)橫波檢測的。主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷。如焊縫中的未焊透、夾渣、未溶合等缺陷。常見的縱波斜探頭有tofd探頭和縱波小角度斜探頭，縱波斜探頭在工件中既有縱波也有橫波，但由于縱波和橫波的速度不同加以識別。主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷。如焊縫中的裂紋、未溶合、未焊透、夾渣等缺陷。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檢測頻率在0.510 mhz之間,選擇范圍大。一般選擇頻率時應(yīng)考慮以下因素。(1)由于波的繞射,使超聲波檢測靈敏度約為,因此提高頻率,有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺

20、陷。（2）頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區(qū)分相鄰缺陷。（3）由可知，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(fā)現(xiàn)缺陷并對缺陷定位。（4）由可知，頻率高，波長短，近場區(qū)長度大，對檢測不利。（5）由可知，頻率增加，衰減急劇增加。由以上分析可知，頻率的高低對檢測有較大的影響。頻率高，靈敏度和分辨力高，指向性好，對檢測有利。但頻率高，近場區(qū)長度大，衰減大，又對檢測不利。實際檢測中要全面分析考慮各方面的因素，合理選擇頻率。一般在保證檢測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2.55.0mhz。對晶粒較粗大的鑄件、奧氏體

21、鋼等宜選用較低的頻率，常用0.52.5mhz。如果頻率過高，就會引起嚴重衰減，示波屏上出現(xiàn)林狀回波，信噪比下降，甚至無法檢測。3.探頭晶片尺寸的選擇探頭圓晶片尺寸一般為1030 mm，晶片大小對檢測也有一定的影響，選擇晶片尺寸時要考慮以下因素。（1）由可知，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，對檢測有利。（2）由可知，晶片尺寸增加，近場區(qū)長度迅速增加，對檢測不利。（3）晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，探頭未擴散區(qū)掃查范圍大，遠距離掃查范圍相對變小，發(fā)現(xiàn)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(qū)長度、近距離掃查范圍和遠距離缺陷檢出能力有較大影響。實際檢測

22、中，檢測面積范圍大的工件時，為了提高檢測效率宜選用大晶片探頭。檢測厚度大的工件時，為了有效地發(fā)現(xiàn)遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭。檢測小型工件時，為了提高缺陷定位宣精度宜選用小晶片探頭。檢測表面不太平整，曲率較大的工件時，為了減少耦合損失宜選用小晶片探頭。4.橫波斜探頭k值的選擇在橫波檢測中，探頭的k值對檢測靈敏度、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。由圖1.39可知，對于用有機玻璃斜探頭檢測鋼制工件，s=40°(k=0.84)左右時，聲壓往復(fù)透射率最高，即檢測靈敏度最高。由k=tgs可知，k值大，s大，一次波的聲程大。因此在實際檢測中，當(dāng)工件厚度較小時

23、，應(yīng)選用較大的k值，以便增加一次波的聲程，避免近場區(qū)檢測。當(dāng)工件厚度較大時，應(yīng)選用較小的k值，以減少聲程過大引起的衰減，便于發(fā)現(xiàn)深度較大處的缺陷。在焊縫檢測中，還要保證主聲束能掃查整個焊縫截面。對于單面焊根部未焊透，還要考慮端角反射問題，應(yīng)使k=0.71.5，因為k0.7或k1.5，端角反射率很低，容易引起漏檢。6.3耦合與補償6.3.1 耦合劑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。為了提高耦合效果，在探頭與工件表面之間施加的一層透聲介質(zhì)稱為耦合劑。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，達到檢測的目的。此外耦合劑還有減少摩擦的作用

24、。一般耦合劑應(yīng)滿足以下要求：(1)能潤濕工件和探頭表面，流動性、粘度和附著力適當(dāng)，不難清洗。(2)聲阻抗高，透聲性能好。(3)來源廣，價格便宜。(4)對工件無腐蝕，對人體無害，不污染環(huán)境。(5)性能穩(wěn)定，不易變質(zhì)，能長期保存。超聲波檢測中常用耦合劑有機油、變壓器油、甘油、水、水玻璃等。它們的聲阻抗z如下：耦合劑 機油 水 水玻璃 甘油z×106 kg/m2 ·s 1.28 1.5 2.17 2.43由此可見，甘油聲阻抗高，耦合性能好，常用于一些重要工件的精確檢測，但價格較貴，對工件有腐蝕作用。水玻璃的聲阻抗較高，常用于表面粗糙的工件檢測，但清洗不太方便，且對工件有腐蝕作用。

25、水的來源廣，價格低，常用于水浸檢測，但使工件生銹。機油和變壓器油粘度、流動性、附著力適當(dāng)，對工件無腐蝕、價格也不貴，因此是目前應(yīng)用最廣的耦合劑。此外，近年來化學(xué)漿糊也常用來作耦合劑，耦合效果比較好。6.3.2 影響聲耦合的主要因素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。1.耦合層厚度的影響如圖6.11所示，耦合層厚度對耦合有較大的影響。當(dāng)耦合層厚度為的奇數(shù)倍時，透聲效果差，耦合不好，反射回波低。當(dāng)耦合層厚度為的整數(shù)倍或很薄時，透聲效果好，反射回波高。圖6.11耦合層厚度d對耦合的影響 圖6.12表面光潔度對耦合的影響2.表面粗糙度的影響由圖6.12可

26、知，工件表面粗糙度對聲耦合有明顯的影響。對于同一耦合劑，表面粗糙度高，耦合效果差，反射回波低。聲阻抗低的耦合劑，隨粗糙度的變差，耦合效果降低得更快。但粗糙度也不必太低，因為粗糙度太低，耦合效果無明顯增加，而且使探頭因吸附力大而移動困難。一般要求工件表面粗糙度ra不高于6.3m。3.耦合劑聲阻抗的影響由圖4.11還可以看出，耦合劑的聲阻抗對耦合效果也有較大的影響。對于同一探測面，耦合劑聲阻抗大，耦合效果好，反射回波高，例如表面粗糙度rz=100m時 ，z=4的甘油耦合回波比z=5的水耦合回波高67 db。工件表面形狀的影響工件表面形狀不同，耦合效果不一樣，其中平面耦合效果最好，凸曲面次之，凹曲面

27、最差。因為常用探頭表面為平面，與曲面接觸為點接觸或線接觸，聲強透射率低。特別是凹曲面，探頭中心不接觸，因此耦合效果更差。不同曲率半徑的耦合效果也不相同，曲率半徑大，耦合效果好。6.3.3 表面耦合損耗的測定和補償在實際檢測中，當(dāng)調(diào)節(jié)檢測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檢測靈敏度降低。為了彌補耦合損耗，必須增大儀器的輸出來進行補償。1.耦合損耗的測定為了恰當(dāng)?shù)匮a償耦合損耗，應(yīng)首先測定工件與試塊表面耦合損耗的分貝差。一般的測定耦合損耗差的方法為：在表面耦合狀態(tài)不同，其他條件（如材質(zhì)、反射體、探頭和儀器等）相同的工件和試塊上測定二者回波或穿透波高分貝差。下面

28、以橫波斜探頭為例來說一、二次波檢測時耦合損耗的測定方法。一次波檢測又稱直射法，二次波檢測又稱一次反射法。一、二次波對應(yīng)的水平距離為一倍跨距，常用1s表示。圖6.13耦合損耗db差值的測定（a）對比試塊（b）待測試塊首先制作兩塊材質(zhì)與工件相同、表面狀態(tài)不同的試塊。一塊為對比試塊、粗糙度同試塊，另一塊為待測試塊，表面狀態(tài)同工件。分別在兩試塊同深度處加工相同的長橫孔反射體，然后將探頭分別置于兩試塊上，如圖6.13所示，測出二者長橫孔回波高度的db差，此db即為二者耦合損耗差。以上是一次波檢測時耦合損耗差的測定法。當(dāng)用二次波檢測時，常用一發(fā)一收的雙探頭穿透法測定。當(dāng)工件與試塊厚度、底面狀態(tài)相同時，只需

29、在同樣探測條件下用穿透法測定二者反射波高的db即可。當(dāng)工件厚度小于試塊厚度時，如圖6.14所示。圖中r1、r2分別為工件上一倍跨距離（1s）和兩倍跨距（2s）測試點的底面反射波高，r為試塊上一倍跨距（1s）測試點底面反射波高，在r1、r2兩波峰之間連一直線，則用衰減器測得的r、r2連線高度差db即為二者的表面耦合差補償量。當(dāng)工件厚度大于試塊時，如圖6.15所示。圖中r1、r2分別為試塊上1s和2s測試點上的底面反射波高，r為工件1s測試點上底面反射波高，則r1r2連線與r的高度差即為二者的耦合差補償量。2.補償方法設(shè)測得的工件與試塊表面耦合差補償是db。具體補償方法如下：圖6.14穿透法測耦合

30、差（工件厚小于試塊）圖6.15穿透法測耦合差（工件厚大于試塊）先用“衰減器”衰減db，將探頭置于試塊上調(diào)好檢測靈敏度，然后再用“衰減器”增益db即減少db衰減量），這時耦合損耗恰好得到補償，試塊和工件上相同反射體回波高度相同。 6.4檢測儀的調(diào)節(jié)在實際檢測中，為了在確定的探測范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)規(guī)定大小的缺陷，并對缺陷定位和定量，就必須在探測前調(diào)節(jié)好儀器的掃描速度和靈敏度。6.4.1 掃描速度的調(diào)節(jié)儀器示波屏上時基掃描線的水平刻度值與實際聲程x（單程）的比例關(guān)系，即x=1n稱為掃描速度或時基掃描線比例。它類似于地圖比例尺，如掃描速度12表示儀器示波屏上水平刻度1 mm表示實際聲程2 mm。檢測前應(yīng)根據(jù)探

31、測范圍來調(diào)節(jié)掃描速度，以便在規(guī)定的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)缺陷并對缺陷定位。調(diào)節(jié)掃描速度的一般方法是根據(jù)探測范圍利用已知尺寸的試塊或工件上的兩次不同反射波的前沿分別對準相應(yīng)的水平刻度值來實現(xiàn)。不能利用一次反射波和始波來調(diào)節(jié)，因為始波與一次反射波的距離包括超聲波通過保護膜、耦合劑（直探頭）或有機玻璃斜楔（斜探頭）的時間，這樣調(diào)節(jié)掃描速度誤差大。下面分別介紹縱波、橫波、表面波檢測時掃描速度的調(diào)節(jié)方法。1.縱波掃描速度的調(diào)節(jié)縱波檢測一般按縱波聲程來調(diào)節(jié)掃描速度。具體調(diào)節(jié)方法是：將縱波探頭對準厚度適當(dāng)?shù)钠降酌婊蚯酌?，使兩次不同的底波分別對準相應(yīng)的水平刻度值。例如探測厚度為400 mm工件，掃描速度為14，現(xiàn)得用i

32、iw試塊來調(diào)節(jié)。將探頭對準試塊上厚為100 mm的底面，調(diào)節(jié)儀器上“深度微調(diào)”、“脈沖移位”等旋鈕，使底波b2、b4分別對準水平刻度50、100，這時掃描線水平刻度值與實際聲程的比例正好為14，如圖6.16（a）。圖6.16縱波、表面波掃描速度的調(diào)節(jié) 圖6.17橫波檢測缺陷位置的確定2.表面波掃描速度的調(diào)節(jié)表面波檢測一般也是按聲程調(diào)節(jié)掃描速度，具體調(diào)節(jié)方法基本上與縱波相同。只是表面波不能在同一反射體上形成多次反射。調(diào)節(jié)時要利用兩個不同的反射體形成的兩次反射波分別對準相應(yīng)的水平刻度值來調(diào)節(jié)。如圖6.16（b），探頭置于圖示位置，調(diào)節(jié)儀器使棱邊a、b的反射波a波和b波分別對準水平刻度值40、65這

33、時表面波掃描速度為11。3.橫波掃描速度的調(diào)節(jié)如圖6.17所示，橫波檢測時，缺陷位置可由折射角和聲程x來確定，也可由缺陷的水平距離l和深度d來確定。一般橫波掃描速度的調(diào)節(jié)方法有三種：聲程調(diào)節(jié)法、水平調(diào)節(jié)法和深度調(diào)節(jié)法。(1)聲程調(diào)節(jié)法：聲程調(diào)節(jié)法是使示波屏上的水平刻度值與橫波聲程x成比例，即x=1n。這時儀器示波屏上直接顯示橫波聲程。按聲程調(diào)節(jié)橫波掃描速度可在iiw、csk-i a、iiw2、半圓試塊以及其它試塊或工件上進行。利用iiw試塊調(diào)節(jié)：iiw試快r100圓心處未切槽，因此橫波不能在r100圓弧面上形成多次反射，這樣也就不能直接利用r100來調(diào)節(jié)橫波掃描速度。但iiw試塊上有91 mm

34、尺寸，鋼中縱波聲程91 mm相當(dāng)于橫波聲程50 mm的時間。因此利用91 mm可以調(diào)節(jié)橫波掃描速度。下面以橫波11例為說明之。如圖6.18所示，先將直探頭對準91 mm底面，調(diào)節(jié)儀器使底波b1、b2分別對準水平刻度50、100這時掃描線與橫波聲程的比例正好為11。然后換上橫波探頭，并使探頭入射點對準r100圓心，調(diào)“脈沖移位”使r100圓弧面回波b1對準水平刻度100，這時零位才算校準。即這時水平刻度“0”對應(yīng)于斜探頭的入射點，始波的前沿位于“0”的左側(cè)。以上調(diào)節(jié)方法比較麻煩，針對這一情況，我國的csk-ia試塊在r100圓弧處增加了一個r50的同心圓弧面，這樣就可以將橫波探頭直接對準r50和

35、r100圓弧面，使回波b（r50）對50，b2，（r100）對100，于是橫波掃描速度11和“0”點同時調(diào)好校準。圖6.18用iiw試塊按聲程調(diào)橫波掃描速度利用iiw2和半圓試塊調(diào)節(jié)：當(dāng)利用iiw2和半圓試塊調(diào)橫波掃描速度時，要注意它們的反射特點。探頭對準iiw2試塊r25圓弧面時，各反射疲的間距為25、75、75，對準r50圓弧面時，各反射波間距為50、75、75。探頭對準r50半圓試塊（中心為切槽）的圓弧面，各反射波的間距離為50、100、100。下面說明橫波11掃描速度的調(diào)整方法。利用iiw2試塊調(diào)：探頭對準r25圓弧面，調(diào)節(jié)儀器使b1、b2分別對準水平刻度25、100即可，如圖6.19

36、（a）。圖6.19用iiw2和半圓式塊按聲程調(diào)掃描速度(a)iiw2試塊 （b）半圓試塊利用r50半圓試塊調(diào)：探頭對準r50圓弧面，調(diào)節(jié)儀器使b1、b2分別對準水平刻度0、100，然后調(diào)“脈沖移位”使b1對準50即可，如圖6.19（b）。(2)水平調(diào)節(jié)法：水平調(diào)節(jié)法是指示波屏上水平刻度值與反射體的水平距離l成比例，即l=1n。這時示波屏水平刻度值直接顯示反射體的水平投影距離（簡稱水平距離），多用于薄板工件焊縫橫波檢測。按水平距離調(diào)節(jié)橫波掃描速度可在csk-ia試塊、半圓試塊、橫孔試塊上進行。利用csk-ia試塊調(diào)節(jié)：先計算r50、r100對應(yīng)的水平距離l1、l2： (6.2)式中k斜探頭的k值

37、（實測值）。然后將探頭對準r50、r100，調(diào)節(jié)儀器使b1、b2分別對準水平刻度l1、l2。當(dāng)k=1.0時，l1=35 mm，l2=70 mm，若使b1-35，b2-70，則水平距離掃描速度為1：1。利用r50半圓試塊調(diào)節(jié)：先計算b1、b2對應(yīng)的水平距離l1、l2： (6.3)然后將探頭對準r50圓弧，調(diào)節(jié)儀器使b1、b2分別對準水平刻度值l1、l2當(dāng)k=1.0時，l1=35 mm，l2=105 mm。先使b1、b2分別對準0、70，再調(diào)“脈沖移位”使b1-35，則水平距離掃描速度為11。利用橫孔試塊調(diào)節(jié)：以csk-a試塊為例說明之。設(shè)探頭的k=1.5，并計算深度為20、60的1×6

38、對應(yīng)的水平距離l1、l2：調(diào)節(jié)儀器使深度為20、60的1×6的回波h1、h2分別對準水平刻度30、90，這時水平距離掃描速度11就調(diào)好了。需要指出的是，這里h1、h2不是同時出現(xiàn)的，當(dāng)h1對準30時，h2不一定正也對準90、因此往往要反復(fù)調(diào)試，直至h1對準30，h2正好對準90。（3）深度調(diào)節(jié)法：深度調(diào)節(jié)法是使示波屏上的水平刻度值與反射體深度d成比例，即：d=1：n，這時示波屏水平刻度值直接顯示深度距離。常用于較厚工件焊縫的橫波檢測。按深度調(diào)節(jié)橫波掃描速度可在csk-ia試塊、半圓試塊和橫孔試塊等試塊上調(diào)節(jié)。利用csk-ia試塊調(diào)節(jié)：先計算r50、r100圓弧反射波b1、b2對應(yīng)的深

39、d1、d2： (6.4)然后調(diào)節(jié)儀器使b1、b2分別對準水平刻度值d1、d2。當(dāng)k=2.0時，d1=22. 4 mm、d2=44.8 mm，調(diào)節(jié)儀器使b1、b2分別對準水平刻度22.4、44.8，則深度11就調(diào)好了。利用r50半圓試塊調(diào)節(jié)：先計算半圓試塊b1、b2對應(yīng)的深度d1、d2： （6.5）然后調(diào)節(jié)儀器使b1、b2分別對準水平刻度值d1、d2即可，這時深度11調(diào)好。利用橫孔試塊調(diào)節(jié)：探頭分別對準深度d1=40，d2=80的csk-ia試塊上的1×6橫孔，調(diào)節(jié)儀器使d1、d2對應(yīng)的1×6回波h1、h2分別對準水平刻度40、80，這時深度1：1就調(diào)好了。這里同樣要注意反復(fù)

40、調(diào)試，使h1對準40時的h2正好對準80。6.4.2 檢測靈敏度的調(diào)節(jié)檢測靈敏度是指在確定的聲程范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)規(guī)定大小缺陷的能力，一般根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求或有關(guān)標(biāo)準確定。可通過調(diào)節(jié)儀器上的增益、衰減器、發(fā)射強度等靈敏度旋鈕來實現(xiàn)。調(diào)整檢測靈敏度的目的在于發(fā)現(xiàn)工件中規(guī)定大小的缺陷，并對缺陷定量。檢測靈敏度太高或太低都對檢測不利。靈敏度太高，示波屏上雜波多，判傷困難。靈敏度太低，容易引起漏檢。實際檢測中，在粗探時為了提高掃查速度而又不致引起漏檢，常常將檢測靈敏度適當(dāng)提高，這種在檢測靈敏度的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高后的靈敏度叫做搜索靈敏度或掃查靈敏度。調(diào)整檢測靈敏度的常用方法有試塊調(diào)整法的工件底波調(diào)整法兩種。1.試塊

41、調(diào)整法根據(jù)工件對靈敏度的要求選擇相應(yīng)的試塊，將探頭對準試塊上的人工缺陷，調(diào)整儀器上的有關(guān)靈敏度旋鈕，使示波屏上人工缺陷的最高反射回波達基準波高，這時靈敏度就調(diào)好了。例如，壓力容器用鋼板是利用5平底孔來調(diào)整靈敏度的。具體方法是：探頭對準5平底孔，衰減器保留一定的衰減余量，抑制至“0”，調(diào)增益使5平底孔最高回波達示波屏滿幅度50%，這時靈敏度就調(diào)好了。又如，超聲波檢測厚度為100 mm的鍛件，檢測靈敏度要求是：不允許存在2平底孔當(dāng)量大小的缺陷。檢測靈敏度的調(diào)整方法是：先加工一塊材質(zhì)、表面光潔度、聲程與工件相同的2平底孔試塊，將探頭對準2平底孔，儀器保留一定的衰減余量，抑制至“0”調(diào)增益使2平底孔的

42、最高回波達80%或60%高，這時檢測靈敏度就調(diào)好了。2.工件底波調(diào)整法利用試塊調(diào)整靈敏度，操作簡單方便，但需要加工不同聲程不同當(dāng)量尺寸的試塊，成本高，攜帶不便。同時還要考慮工件與試塊因耦合和衰減不同進行補償。如果利用工件底波來調(diào)整檢測靈敏度，那么既不要加工任何試塊，又不需要進行補償。利用工件底波調(diào)整檢測靈敏度是根據(jù)工件底面回波與同深度的人工缺陷（如平底孔）回波分貝差為定值，這個定值可以由下述理論公式計算出來。 （6.6）式中x工件厚度；df要求探出的最小平底孔尺寸。利用底波調(diào)整檢測靈敏度時，將探頭準工件底面，儀器保留足夠的衰減余量，一般大于+（610）db（考慮搜索靈敏度），抑制至“0”，調(diào)增

43、益使底波b1最高達基準高（如80%），然后用衰減器增益db（即衰減余量減少db），這時檢測靈敏度就調(diào)好了。由于理論公式只適用于x3n的情況，因此利用工件底波調(diào)靈敏度的方法也只能用于厚度尺寸x3n的工件，同時要求工件具有平行底面或圓柱曲底面，且底面光潔干凈。當(dāng)?shù)酌娲植诨蛴兴蜁r，將使底面反射率降低，底波下降，這樣調(diào)整的靈敏度將會偏高。例如，用2.5p202(2.5 mhz20 mm直探頭)檢測厚度x=400 mm的餅形鋼制工件,鋼中cl=5 900 m/s,檢測靈敏度為400/2平底孔(在400 mm處發(fā)現(xiàn)2平底孔缺陷)。利用工件底波調(diào)整靈敏度的方法如下。計算：利用理論計算公式算出400 mm處

44、大底度與2平底孔回波的分貝差為分貝差也可由縱波平底孔avg曲線得到，如圖217中mn對應(yīng)的分貝差=44 db。調(diào)整：將探頭對準工件大平底面，衰減器衰減50 db，調(diào)增益使底波b1達80%，然后使衰減器的衰減量減少44 db，即衰減器保留6 db，這時2靈敏度就調(diào)好了，也就是說這時400 nm處的平底孔回波正好達基準高（即400 mm處2回波高為6 db）。如果粗探時為了便于發(fā)現(xiàn)缺陷，可采用使衰減器再去6 db的搜索靈敏度來進行掃查。但當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷以后對缺陷定量時，衰減器應(yīng)打回到6 db。利用試塊和底波調(diào)整檢測靈敏度的方法應(yīng)用條件不同。利用底波調(diào)整靈敏度的方法主要用于具有平底面或曲底面大型工件的檢

45、測，如鍛件檢測。利用試塊調(diào)整靈敏度的方法主要用于無底波和厚度尺寸小于3n的工件檢測。如焊縫檢測、鋼板檢測、鋼管檢測等。此外，還可以利用工件某些特殊的固有信號來調(diào)整檢測靈敏度，例如在螺栓檢測中常利用螺紋波來調(diào)整檢測靈敏度，在汽輪機葉輪鍵槽徑向裂紋檢測中常利用鍵槽圓角反射的鍵槽波來調(diào)整檢測靈敏度。6.5缺陷位置的測定超聲波檢測中缺陷位置的測定是確定缺陷在工件中的位置，簡稱定位。一般可根據(jù)示波屏上缺陷波的水平刻度值與掃描速度來對缺陷定位。6.5.1 縱波（直探頭）檢測時缺陷定位儀器按1n調(diào)節(jié)縱波掃描速度，缺陷波前沿所對的水平刻度值為f、測缺陷至探頭的距隔xf為： xf=nf （6.7）若探頭波束軸線

46、不偏離，則缺陷正位于探頭中心軸線上。例如用縱波直探頭檢測某工件，儀器按調(diào)節(jié)縱波掃描速度，檢測中示波屏上水平刻度值處出現(xiàn)一缺陷波，那么此缺陷至探頭的距離xf:xf=nf=2×70=140（mm）6.5.2 表面波檢測時缺陷定位表面波檢測時，缺陷位置的確定方法基本同縱波。只是缺陷位于工件表面，并正對探頭中心軸線。例如表面波檢測某工件，儀器按11調(diào)節(jié)表面波掃描速度，檢測中在示波屏水平刻度60處出現(xiàn)一缺陷波，則此缺陷至探頭前沿距離xf為：xf=nf=1×60=60（mm）6.5.3橫波檢測平面時缺陷定位橫波斜探頭檢測平面時，波束軸線在探測面處發(fā)生折射，工件中缺陷的位置由探頭的折射角

47、和聲程確定或由缺陷的水平和垂直方向的投影來確定。由于橫波速度可按聲程、水平、深度來調(diào)節(jié)，因此缺陷定位的方法也不一樣。下面分別加以介紹。1.按聲程調(diào)節(jié)掃描速度時儀器按聲程n調(diào)節(jié)橫波掃描速度，缺陷波水平刻度為f。一次波檢測時，如圖4.19（a），缺陷至入射點的聲程xf=nf，如果忽略橫線孔直徑，則缺陷在工件中的水平距離lf和深度df為： （6.8）圖6.20橫波檢測缺陷定位（a）一次波（b）二次波二次波檢測時，如圖6.20（b）缺陷至入射點的聲程xf=nf，則缺陷在工件中的水平距離lf和深度df為 (6.9)式中t工件厚度； 探頭橫波折射角。2.按水平調(diào)節(jié)掃描速度時儀器按水平距離1n調(diào)節(jié)橫波掃描速

48、度，缺陷波的水平刻度值為f，采用k值探頭檢測。一次波檢測時，缺陷在工件中的水平距離lf和深度df為： (6.10)二次波檢測時，缺陷波在工件中的水平距離lf和深度df為。 (6.11)例如用k2橫波斜探頭檢測厚度t=150 mm的鋼板焊縫，儀器按水平11調(diào)節(jié)橫波掃描速度，檢測中在水平刻度f=45處出現(xiàn)一缺陷波，求此缺陷的位置。由于kt=2×15=30，2kt=60，ktf=452kt，因此可以判定此缺陷是二次波發(fā)現(xiàn)的。那么缺陷在工件中的水平距離lf和深度df為：3.按深度調(diào)節(jié)掃描速度時儀器按深度1n調(diào)節(jié)橫波掃描速度，缺陷波的水平刻度值為f，采用k值探頭檢測。一次波檢測時，缺陷在工件中

49、的水平距離lf和深度df為： (6.12)二次波檢測時，缺陷在工件中的水平距離lf和深度df為： (6.13)例如用k1.5橫波斜探頭檢測厚度t=300 mm的鋼板焊縫，儀器按深度11調(diào)節(jié)橫波掃描速度，檢測中在水平刻度=40處出現(xiàn)一缺陷波發(fā),求此缺陷位置。由于tf2t,因此可以判定此缺陷是二次波發(fā)現(xiàn)的。缺陷在工件中的水平距離lf和深度df為：lf=knf=1.5×1×40=60(mm)df=2t-nf=2×30-1×40=20(mm)6.5.4 橫波周向探測圓柱曲面時缺陷定位前面討論的是橫波檢測中探測面為平面時的缺陷定位問題。當(dāng)橫波探測圓柱面時，若沿軸向

50、探測，缺陷定位與平面相同；若沿周向探測，缺陷定位則與平面不同。下面分外圓和內(nèi)壁探測兩種情況加以討論。1.外圓周向探測如圖6.21所示，外圓周向探測圓柱曲面時，缺陷的位置由深度h和弧長來確定,顯然h、 與平板工件中缺陷的深度d和水平距離l是有較大差別的。圖6.21中:ac=d(平面工件中缺陷深度)bc=dtg=kd=l(平板工件中缺陷水平距離)ao=r，co=r-d 圖6.21外圓周向探測定位法從而可得： (6.14)由（4.14）式算出用k1.0探頭外圓周向探測 2 388×148(外徑×壁厚)圓柱曲面時不同d值所對應(yīng)的h和列于表4.1。表6.1 外圓周向探測定位

51、修正表k1.0d(l)102030405060708090100110120130140150160102031415263748597109120132145157170183h10203039495868778695104113122131139148從表6.1可以看出，當(dāng)探頭從圓柱曲面外壁作周向探測時，弧長總比水平距離l值大，但深度h卻總比d值小，而且差值隨d值增加而增大。2.內(nèi)壁周向探測如圖6.22所示，內(nèi)壁周向探測圓柱曲面時，缺陷的位置由深度h和孤長來確定，這里的h和與平板工件中缺陷深度d和水平距離l是有較大差別的。圖6.22中：ac=d（平板工件中缺陷的深度）bc=dtg=kd=l

52、(平板工件中缺陷的水平距離)ao=r,co=r+d圖6.22內(nèi)壁周向探測從而可得： (6.15)由（4.15）式算出用k1.0探頭內(nèi)壁周向探測2 388×148圓柱曲面時，不同d值所對應(yīng)的k和 值列于表6.2。表6.2內(nèi)孔周向探測定位修正表1.0d(1)1020304050607080901001101201301401020293848576574829199107115123h102030415162728394104115126137148由表6.2可以看出，當(dāng)探頭從圓柱曲面內(nèi)壁作周向探測時，弧長總比水平距離l小，但深度h卻總比d值大。下面舉例說明周向探測圓柱曲面缺陷定位。例如用k1.5橫波斜探頭外圓周向探測1 080×85壓力容器縱縫。儀器按深度12調(diào)節(jié)掃描速度，檢測中在水平刻度40處出現(xiàn)一缺陷波，試確定此缺陷的位置。由已知得：d= nf=2×40=80,k=1.5l=kd=1.5×80=120,r=  =5