【正文】 超聲波檢測(cè)講義（ UT） 超聲波探傷是利用超聲波在物質(zhì)中的傳播、反射和衰減等物理特性來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷的一種探傷方法。與射線探傷相比，超聲波探傷具有靈敏度高、探測(cè)速度快、成本低、操作方便、探測(cè)厚度大、對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，特別對(duì)裂紋、未熔合等危險(xiǎn)性缺陷探傷靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但也存在缺陷評(píng)定不直觀、定性定量與操作者的水平和經(jīng)驗(yàn)有關(guān)、存檔困難等缺點(diǎn)。在探傷中，常與射線探傷配合使用，提高探傷結(jié)果的可靠性。超聲波檢測(cè)主要用于探測(cè)試件的內(nèi)部缺陷。 超聲波：頻率大于 20KHZ 的聲波。它是一種機(jī)械波。探傷中常用的超聲波頻率為~10MHz，其中 2~ 被推薦為焊縫探傷的公稱頻率。 機(jī)械振動(dòng)：物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。振幅 A、周期 T、頻率 f。 。 波動(dòng)： 振動(dòng)的傳播過(guò)程稱為波動(dòng)。 C=λ*f 波的類型：（ 1）縱波 L：振動(dòng)方向與傳播方向一致。氣、液、固體均可傳播縱波。 （ 2）橫波 S：振動(dòng)方向與傳播方向垂直的波。只能在固體介質(zhì)中傳播。 （ 3）表面波 R：沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?。只能在固體表面?zhèn)鞑ァ? （ 4）板波：在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟?。只能在固體介質(zhì)中傳播。 超聲波 的傳播速度（固體介質(zhì)中） （ 1） E：彈性橫量， ρ：密度， σ：泊松比，不同介質(zhì) E、 ρ 不一樣， 波速也不一樣。 （ 2）在同一介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同 CL＞ CS＞ CR 鋼： CL=5900m/s， CS=3230m/s， CR=3007m/s 波的迭加、干涉、衍射 ⑴ 波的迭加原理 當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起振動(dòng)的合成，在任意時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起位移的矢量和。幾列波相遇后仍保持自己原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等特性并按原來(lái)的傳播方 向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒(méi)有遇到其它波一樣，這就是波的迭加原理，又稱波的獨(dú)立性原理。 ⑵ 波的干涉 兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。波的干涉是波動(dòng)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(xiàn)聲壓極大極小值。 ⑶ 波的衍射（繞射） 波在傳播過(guò)程中遇到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，能繞過(guò)障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。 波的繞射和障礙物尺寸 Df 及波長(zhǎng) λ 的 相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng) Dfλ 時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲探傷靈敏度約為 λ/2，這是一個(gè)重要原因。當(dāng) Dfλ 時(shí)，反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射。 波的繞射對(duì)探傷即有利又不利。由于波的繞射，使超聲波產(chǎn)生晶粒繞射順利地在介質(zhì)中傳播，這對(duì)探傷是有利的。但同時(shí)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(duì)探傷不利。 超聲場(chǎng)的特征值 (1) 超聲場(chǎng)：充滿超聲波的空間或超聲波振動(dòng)所波及的部分介質(zhì)。 (2) 聲阻抗 Z：超聲波中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比。 (3) 聲強(qiáng) I：?jiǎn)?位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)。（ J/cm2s 或 w/ cm2）。 分貝 聲強(qiáng)級(jí)：某處的聲強(qiáng) I2 與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng) I1（ I1=1016 瓦 /厘米 2）之比。 *當(dāng)超聲波探傷儀的垂直線性較好時(shí)，儀器示波屏上的波高（ H）與聲壓（ P）成正比。 超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射和透射 聲壓的反射率 r 和透射率 t （單一平界面） (1) 當(dāng) Z1＞＞ Z2（如鋼 /空氣界面或固 /空氣界面） （鋼： Z=106g/cm2 s ,有機(jī)玻璃： Z=106g/cm2 s 空氣： Z=106g/cm2 s） r=1 t=0 幾乎全反射，無(wú)透射。 ☆ 探傷中，探頭和工件間如不施加耦合劑，則形成固（晶片） /氣界面，超聲波將無(wú)法進(jìn)入工件。 (2) 當(dāng) Z1=Z2 時(shí) r=0 t=1 幾乎全透射，無(wú)反射。 ☆ 若母材與填充金屬結(jié)合面沒(méi)有任何缺陷，便不會(huì)產(chǎn)生界面回波。 超聲波斜入射到界面時(shí)的反射和折射 波型轉(zhuǎn)換：超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射與折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射波。這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。 有機(jī)玻璃中： cl1=2730m/s 鋼中 cl2=5900m/s cS2=3230m/s 超聲波的衰減 超聲波的衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象。 儀器、探頭、試塊 超聲波探傷設(shè)備一般由超聲波探傷儀、探頭和試塊組成。 (1) 儀器 常用超聲波探傷儀為 A 型脈沖反射式超聲波探傷儀。 A 型顯示：一種波形顯示。 脈沖波：周期性的發(fā)射不連續(xù)且頻率不變的波。 反射式：通過(guò)接收反射回波信號(hào)。 (2) 探頭 在超聲波探傷中，超聲波的發(fā)射和接收是通過(guò)探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 探頭又稱換能器，其核心部件是壓電晶體，又稱晶片。晶片 的功能是把高頻電脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波，又可把超聲波轉(zhuǎn)換為高頻電脈沖，實(shí)現(xiàn)電一聲能量相互轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換器件。 壓電晶片：發(fā)射和接收超聲波。 壓電效應(yīng)：在交變拉壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生交變電場(chǎng)或者在交變電場(chǎng)作用下產(chǎn)生伸縮變形。機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 按波型分：縱波探頭、橫波探頭、表面波探頭、板波探頭。 按晶片數(shù)分：?jiǎn)尉筋^、雙晶探頭。 a，直探頭（縱波探頭） 直探頭用于發(fā)射和接收縱波。 ☆ 直探頭主要用于探測(cè)與探測(cè)面平行的缺陷。 b，斜探頭 橫波斜探頭是利用橫波探傷，主要用于探測(cè)與探測(cè)面垂直或成一定 角度的缺陷，如焊縫探傷等。 橫波斜探頭的標(biāo)稱方式常用兩種： ① 一種是以橫波折散角 βs 來(lái)標(biāo)稱。如 βs=40186。， 45186。，60186。 等； ② 另一種是以折射角的正切值（ K=tgβs）來(lái)標(biāo)稱。 K=， ， ， 等。 c，雙晶探頭 探頭型號(hào)： ； 5P66K3 (3) 試塊 試塊：按一定用途設(shè)計(jì)制作的具有簡(jiǎn)單幾何形狀人工反射體的試樣。 超聲探傷中是以試塊作為比較的依據(jù)，用試塊作為調(diào)節(jié)儀器和定量缺陷的參考依據(jù)是超聲探傷的一個(gè)特點(diǎn)。根據(jù)使用目的和要求的不同，通常將試塊分成以 下兩大類：標(biāo)準(zhǔn)試塊和對(duì)比試塊。 a，標(biāo)準(zhǔn)試塊：權(quán)威或法定機(jī)構(gòu)制定的試塊。如 GB11345—1989 規(guī)定 CSK—ZB 試塊為焊縫超聲波探傷用標(biāo)準(zhǔn)試塊。主要用于測(cè)定斜探頭的入射點(diǎn)、調(diào)整探測(cè)范圍和掃描速度、測(cè)定儀器探頭以及系統(tǒng)的性能等。 b，對(duì)比試塊：對(duì)比試塊又稱參考試塊，它是由各專業(yè)部門按某些具體探傷對(duì)象規(guī)定的試塊。 GB11345—1989 規(guī)定， RB—1(適應(yīng) 8—25mm 板厚 )、 RB—2(適應(yīng) 8～ 100mm 板厚 )和RB—3(適用 8—150mm 板厚 )為焊縫探傷用對(duì)比試塊。 RB 試塊組主要用于繪制距離 —波幅曲線、調(diào)整探 測(cè)范圍和掃描速度、確定探傷靈敏度和評(píng)定缺陷大小，它是焊縫評(píng)級(jí)判定的依據(jù)。 試塊的作用： a. 確定探傷靈敏度； b. 測(cè)試儀器和探頭的性能； c. 調(diào)整掃描速度； d .評(píng)判缺陷的大小。 1儀器和探頭性能 (1) 儀器的性能 垂直線性、水平線性、動(dòng)態(tài)范圍等。 (2) 探頭的性能 入射點(diǎn)、 K 值、雙峰、主聲束偏離等。 (3) 儀器和探頭的綜合性能 分辨力、盲區(qū)、靈敏度余量等。 △ 儀器的性能 垂直線性：儀器示波屏上的波高與探頭接收的信號(hào)成正比的程度。 垂直線性好壞影響缺陷的定量精度。 GB11345—1989 規(guī)定，儀器的垂直線性誤差 D≤5%。 水平線性：儀器示波屏上時(shí)基線顯示的水平刻度值與實(shí)際聲程之間呈正比的程度。 GB11345—1989 規(guī)定，儀器的水平線性誤差 ≤1%。 水平線性的好壞影響缺陷的定位。 動(dòng)態(tài)范圍：儀器示波屏容納信號(hào)大小的能力。（從 100%某波高衰減到剛能識(shí)別的最小值所需的衰減量）。 ZBY23084（ JB/T100611999）規(guī)定儀器的動(dòng)態(tài)范圍不小于 26dB。 △探頭的性能 斜探頭入射點(diǎn)：主聲束軸線與探測(cè)面的交點(diǎn)。 探頭前沿長(zhǎng)度：入射點(diǎn)至探頭前沿的距離。 斜探頭 K 值和折射角 βs： K 值：橫波折射角的正切值 K=tgβs 圖 22 入射點(diǎn)與 K 值測(cè)定 （ CSKIA 試塊） 探頭主聲束偏離：探頭實(shí)際主聲束與其理論幾何中心軸線的偏離程度。 用偏離角 θ 來(lái)表示。 GB11345—1989 規(guī)定， θ≤2176。 探頭雙峰：平行移動(dòng)探頭，同一反射體產(chǎn)生兩個(gè)波峰的現(xiàn)象稱為雙峰。 探頭主聲束偏離與雙峰，影響缺陷的定位和判斷。 △儀器和探頭的綜合性能 靈敏度：發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力，發(fā)現(xiàn)的缺陷越小，靈敏度越高。常用靈敏度余量來(lái)衡量。 靈敏度余量：是指儀器最大輸出時(shí)（增益、發(fā)射強(qiáng)度最大、衰減和 抑制為 0），使規(guī)定反射體回波達(dá)基準(zhǔn)波高所需衰減的衰減總量。 盲區(qū)：指從探測(cè)面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的最小距離。盲區(qū)內(nèi)的缺陷一概不能發(fā)現(xiàn)。 分辨力：是指在示波屏上區(qū)分相鄰兩缺陷的能力。能區(qū)分相鄰兩缺陷的距離愈小，分辨力就愈高。 1焊縫超聲波探傷 ▲ 對(duì)接焊縫超聲波探傷 （ 1），探測(cè)條件的選擇 a, 探測(cè)面修整： 表面粗糙度 Ra≤ 修整寬度 P≥2KT+50； P≥KT+50 b, 耦合劑的選擇 耦合劑：在探頭與工件表面之間施加的一層透聲介質(zhì)。 耦合劑作用： ⅰ 、排除探頭與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效 地傳入。 ⅱ 、減少摩擦。 耦合劑應(yīng)滿足的要求： ⅰ 、能潤(rùn)濕工件和探頭表面， 流動(dòng)性、粘度和附著力適當(dāng)，不難清洗。 ⅱ 、聲阻抗高，透聲性能好。 ⅲ 、來(lái)源廣，價(jià)格便宜。 ⅳ 、對(duì)工件無(wú)腐蝕，對(duì)人體無(wú)害，不污染環(huán)境。 ⅴ 、性能穩(wěn)定，不易變質(zhì)，能長(zhǎng)期保存。 c，頻率的選擇 一般 ～ 。薄工件采用較高值，厚工件采用較低值。 d， K 值選擇 根據(jù)工件厚度來(lái)選擇，薄工件采用大 K 值，避免近場(chǎng)區(qū)探傷，厚工件采用小 K 值，以縮短聲程，減少衰減。 ☆ 注意： K 值常因工件中的聲速變化和探頭的磨損而產(chǎn)生變化，所以探傷 前必須在試塊上實(shí)測(cè) K 值。 e，探測(cè)面的選擇 根據(jù)板厚和缺陷的位向以及檢驗(yàn)等級(jí)確定。 如縱向缺陷： ⅰ 、單面雙側(cè)，一種 K 值。 ⅱ 、一種或兩種 K 值，兩面雙側(cè)。 ⅲ 、兩種 K 值，兩面雙側(cè)，外加 ，單面雙側(cè)串列式探測(cè)。 （ 2），掃描速度（時(shí)基線比例）的調(diào)節(jié) 聲程法、水平法、深度法 . 常用水平法和深度法 δ＜ 20mm 時(shí)， ——常用水平法。 δ＞ 20mm 時(shí)， ——常用深度法。 水平法：使示波屏水平刻度值直接顯示反射體的水平投影距離。 RB 試塊等。 深度法：使示波屏水平刻度值直接顯示反射體的垂直深度。 RB 試塊等。 (3)，距 離一波幅曲線（ DAC 曲線） 描述某一確定反射體回波高度隨距離變化的關(guān)系曲線稱為距離 —波幅曲線。 圖 25 距離 ——波幅曲線示意圖 距離一波幅曲線由定量線、判廢線和評(píng)定線組成，評(píng)定線和定量線之間（包括評(píng)定線）稱為 Ⅰ 區(qū)，定量線與判廢線（包括定量線）稱為 Ⅱ 區(qū)，判廢線及其以上區(qū)域稱為 Ⅲ 區(qū)。 兩種形式： 距離 —dB 曲線 距離 —波高（ %）曲線（面板曲線） （ 4）， 掃查方式 a、鋸齒形掃查。 b、前后掃查。 c、左右掃查。 d、轉(zhuǎn)角掃查。 e、環(huán)繞掃查。 f、平行或斜平行掃查。 g、串列式掃查。 四種基本掃查方式 主要用來(lái)確定缺陷的位置、方向、形狀等情況。 （ 5）， 缺陷位置的確定 常用水平定位法、深度定位法。 ▲ 水平定位法：假定儀器按水平 1︰ 1 調(diào)節(jié)掃描速度。 6）， 缺陷大小的測(cè)定 探傷中發(fā)現(xiàn)位于定量線或定量線以上的缺陷要測(cè)定缺陷波的幅度和指示長(zhǎng)度。 ① 、缺陷波幅度的表示： SL