超声波检测：原理、分类及在无损检测中的应用

超声波检测适用于钢铁等金属、非金属、复合材料等多种试样的无损检测，具有缺陷定位准确、检测成本低、速度快、设备轻便等优点。

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原理与介绍

超声波探伤是利用超声波能量能穿透金属材料深处，从一个截面进入另一个截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。当金属遇到缺陷和零件底面时，分别产生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形。这些脉冲波形可用来确定缺陷的位置和大小。

图：超声波探伤原理示意图

超声波检测按其原理可分为缺陷回波法、穿透法和共振法，按波形可分为纵波、横波、表面波和板波，纵波用于检测金属锭、钢坯、中厚板、大型锻件及形状比较简单的零件中的缺陷；横波用于检测环向和轴向裂纹、管道中的划痕、焊缝中的气孔、夹渣、裂纹、未焊透等缺陷；表面波可检测形状简单的铸件上的表面缺陷；板波可检测薄板上的缺陷。

图：纵波&横波示意图

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测试流程

超声波检测方法可以采用多种检测技术，每种检测技术都有其在实施过程中需要考虑的特殊问题，其检测过程也各有特点。但各种超声波检测技术也存在共同的技术问题。检测过程大致可分为以下步骤：

1. 试件准备

为了提高检测结果的可靠性，对被检零件的材料品牌、性能、制造方法和工艺特点，影响其使用性能的缺陷种类及其原因，缺陷的最大可能方向和尺寸，被检零件的应力状态及验收标准等进行了解。

2、检测条件的确定，包括超声波检波器、探头、试块等的选择。

入射方向的选择应使声束中心线尽量靠近缺陷延伸平面，特别是垂直于最大力方向的缺陷平面，力争获得最大的缺陷信号。另外，为了避免被检工件的形状和结构，反射或变形信号会使缺陷难以识别。入射方向应选择在这些干扰信号不会出现的方向。必要时，应从正面和背面两个方向进行检查。

探头的选择也很重要，作为超声波检测的重要工具之一，探头的种类很多，结构型式也不同。检测前应根据被测物体的形状、衰减情况、技术要求等选择探头，选择的内容包括探头类型、频率、切屑大小以及斜探头的折射角（K值）等。一般根据工件的形状、可能出现缺陷的部位和方向来选择探伤方法，方法确定后，选用什么类型的探头也就确定了。

3. 检测仪器的调整

首次使用仪器时，测量仪器的水平和垂直线性度。可按比例调整时间基标度，以表示脉冲回波的水平距离、深度或声程。

4. 扫描

扫查一般要考虑两个原则：一是要保证试件的整个检查区域被声束充分覆盖，避免漏检；二是扫查过程中声束的入射方向始终符合规定的要求。扫查速度不应超过150mm/s。扫查过程中应给予探头适当、一致的压力，保持探头平稳移动，扫查过程中探头的方向应严格遵循扫查方法的规定（尤其对斜探头应注意）。

因为单探头探伤时，探头移动方向的变化会因入射波方向的变化而改变缺陷检测的灵敏度；双探头探伤时，可以防止反射波或透射波被另一个探头接收。检测时，每次扫查都应有一定比例的声束覆盖范围。

5. 缺陷评估

对于缺陷的具体评价方法我们这里就不再赘述了，有兴趣的朋友可以参考相应的国家标准。

6. 记录结果并编写报告

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优点和缺点

1.主要优点

它穿透力强，探测深度可达数米；灵敏度高，可探测到直径约零点几毫米、反射率与气隙相同的反射体；对内部反射体的位置、大小、形状等方面的确定相对准确；可即时提供缺陷检测结果；操作安全，设备轻便。

2. 主要缺点

超声波探伤对于缺陷不直观，探伤技术难度大，易受主客观因素影响；对粗糙、形状不规则、细小、薄片或非均质材料有较强的检查难度；对发现的缺陷表征虽然很准确，但定量表征仍较困难；对含有空腔的结构不适用。

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关于无损检测的 32 个常见问题

1、什么是无损检测/无损检测？

（1）无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的情况下，检查被检零件表面和内部质量的检测方法。

（2）无损检测（NDT）

2、常用的无损检测方法有哪些？

无损检测方法有很多种，根据NASA的研究分析，可分为六大类，约70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：

- 超声波检测（UT）；

- 射线检测（缩写为 RT）；

- 磁粉检测（MT）；

- 渗透检测（PT）；

- 涡流检测（简称ET）；

非常规无损检测技术包括：

- 声发射（AE）；

- 泄漏测试（简称 UT）；

-光学全息术；

- 红外热成像技术；

－微波测试

3、超声波探伤的基本原理是什么？

超声波探伤仪的种类很多，但在实际的探伤过程中，脉冲反射式超声波探伤仪应用最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在会造成材料的不连续性，而这往往会造成声阻抗不一致。根据反射定理，超声波在两种声阻抗不同的介质的界面处会发生反射。反射回来的能量大小与界面两侧介质的声阻抗差异以及界面的方位和大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

目前便携式脉冲反射式超声波探伤仪大多为A扫描模式。所谓A扫描显示模式，就是显示屏的横轴为超声波在被检材料中的传播时间或传播距离，纵轴为超声波反射波的振幅。例如，一个钢制工件中存在缺陷，由于这个缺陷的存在，在缺陷与钢制材料之间形成了一个界面，这个界面的声阻抗是不同的，当超声波发射出来后，遇到这个界面就会发生反射（见图1），反射的能量就会被探头接收到，在显示屏横轴的某个位置就会显示出一个反射波的波形，这个位置就是被检材料中缺陷的深度。这个反射波的高度和形状对于不同的缺陷来说都是不一样的，反映了缺陷的性质。

4、超声波探伤与X射线探伤相比有哪些优点和缺点？

超声波探伤比X射线探伤具有检测灵敏度高、周期短、成本低、灵活性强、效率高、对人体无害等优点，但其缺点是要求工作面光滑、检测人员有丰富的经验才能辨别缺陷种类，没有缺陷的直观性；超声波检测适用于检测厚度较大的零件。

5、超声波探伤的主要特点是什么？

（1）超声波在介质中传播时，在不同质量的界面上具有反射的特性，如果遇到尺寸等于或大于超声波波长的缺陷，超声波就会从缺陷处反射回来，探伤仪就能显示反射波。如果缺陷的尺寸甚至小于波长，声波就会绕过射线，无法反射；

（2）声波的方向性好，频率越高，方向性越好，它以很窄的波束辐射到介质中，很容易确定缺陷的位置。

（3）超声波具有很大的传播能量。例如频率为1MHZ（100Hz）的超声波，其传播的能量相当于振幅相同但频率为1000Hz（赫兹）的声波的100万倍。

6、超声波探伤板材厚度为14mm时，距离幅值曲线上的三条主曲线之间有何关系？

测量线Ф1х6－12dB

定量线Ф1х6－6dB

度线Ф1х6－2dB

7、采用超声波探伤时，底波消失可能是什么原因造成的？

（1）近表面较大的缺陷；（2）吸收性缺陷；（3）较大的倾斜缺陷；（4）氧化皮与钢板结合不良。

8、简述超声波探伤时超声波在介质中传播时衰减的原因？

（1）随着超声波的扩散传播距离的增加，波束截面越来越大，单位面积上的能量下降。

（2）材料衰减是由于介质粘性引起的吸收和由于介质界面随机反射引起的散射引起的。

9、试块的主要作用是什么？

（1）检查灵敏度；（2）校准扫描线性。

10、用超声波检测大型饼状锻件时，如果用底波来调整检测的初始灵敏度，对工作底面有什么要求？

（1）底面必须与检查面平行；

（2）底面必须平整，并具有一定的光洁度。

11、超声波探伤时选择探头K值的三个原则是什么？

（1）声束扫描整个焊缝横截面；

（2）声束应尽量垂直于主要缺陷；

（3）具有足够的灵敏度。

12、超声波探伤仪的主要组成部分有哪些？

它主要由电路同步电路、发射电路、接收电路、水平扫描电路、显示器和电源组成。

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产生高频电脉冲信号，激励芯片，产生高频振动，在介质中产生超声波。

14、超声波检测时，为什么要在芯片表面与被检工件表面之间使用耦合剂？

晶圆表面与被检工件表面之间存在气隙，会造成超声波完全反射，造成探伤结果不准确，无法检测出缺陷。

15、JB1150-73标准规定的判定缺陷的三种情况是什么？

（1）没有底波，只有来自缺陷的多次反射波。

（2）没有底波，只有多个杂乱无章的缺陷波。

（3）缺陷波与底波同时存在。

16、JB1150-73标准中规定的距离—幅度曲线起什么作用？

距离-幅度曲线主要用于确定缺陷的大小，为验收标准提供依据，由废品线、定量线、测长线三条曲线组成。

废品线——确定允许的最大缺陷当量；

定量线——用于确定缺陷尺寸和长度的控制线；

长度测量线——探伤的初始灵敏度控制线。

17.什么是超声波场？

充满超声场能量的空间称为超声场。

18、反映超声波场特性的主要参数有哪些？

反映超声波场特性的重要物理量有声强、声压、声阻抗、声束扩散角度、近场、远场等。

19、探伤仪最重要的性能指标是什么？

分辨率、动态范围、水平线性度、垂直线性度、灵敏度、信噪比。

20、超声波探伤仪的近场显示模式有哪几种？

（1）A型显示屏：横坐标表示超声波传输时间（或距离），纵坐标表示反射回波的高度。

（2）B型显示：示波器屏幕的横坐标表示超声波的传输时间（或距离）。此种显示方式得到的是探头扫描深度方向的横截面图。

（3）C型显示仪表的示波屏显示的是被检工件的投影面，这种显示可以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，能把返回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程度，当改变探头的入射角度或超声波的扩散角度，可以使得声波的主要能量以不同的角度注入介质中或改变声波的指向性，以提高分辨率；

3.实现波形转换；

4、控制工作频率，适合不同工况。

22、为什么要加强超声波探伤的记录和报告？

任何工件经超声波探伤后，都要出具检测报告，作为工作质量的证据，一份正确的检测报告，除了建立可靠的检测方法和结果外，很大程度上取决于原始记录和最终的无损检测报告，这非常重要，如果我们对工件进行检测而不做记录、不出具报告，那么无损检测就毫无意义。

23.无损检测的应用有哪些？

何时使用：设计阶段；制造过程；成品检验；在役检验。

应用对象：各种材料（金属、非金属等）；各种工件（焊缝、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、超声波焊缝检测时，调整仪器时间扫描线对缺陷进行定位的方法有哪些？

有三种方法：水平定位器、垂直定位器和声路定位器。

25、焊缝超声波检测缺陷有哪几种？是如何分类的？

在焊缝超声波探伤中，焊缝中的缺陷一般分为三类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

在分类中，长度小于10mm的缺陷称为点缺陷；一般不测量长度，小于10mm的缺陷按5mm计。长度大于10mm的缺陷称为线缺陷。长度大于10mm且高度大于3mm的缺陷称为表面缺陷。

26、超声波试块的作用是什么？

超声波试块的作用是验证仪器和探头的性能、确定探伤的初始灵敏度、校准扫描线性度。

27、斜探头折射角β的正确值是多少？

斜探头折射角的正确值称为K值，它等于斜探头λ发射点到反射点的水平距离与对应深度之比。

28.局部无损检测时发现焊缝中有不可接受的缺陷，如何处理？

应沿缺陷延伸方向或怀疑区域进行附加射线检测，如果附加检测后对焊缝质量仍有怀疑，则应对整条焊缝进行检测。

29、超声波探伤仪中同步信号发生器的主要作用是什么？它主要控制哪两个电路？

同步电路产生同步脉冲信号，触发仪器各个电路同时协调工作，主要控制同步发射、同步扫描两个电路。

30.无损检测的目的是什么？

1.改进制造工艺；2.降低制造成本；3.提高产品可能性；4.确保设备安全运行。

31、超声波检测仪的作用及主要应用行业

超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器，能快速、方便、无损、准确地对缺陷进行检测、定位、评估和诊断，既可用于实验室，也可用于现场工程，该仪器可广泛应用于制造业、钢铁冶金、金属加工、化工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和寿命评估，是无损检测行业必不可少的仪器。

32、超声波探伤国家及行业标准

超声波探伤的国家和行业标准为：

1.QB/T 12604.1-90 无损检测术语 超声波检测

2、JB/T 10061-1999 A型脉冲反射式超声波探伤机通用技术条件

3.JJG 746-91 中华人民共和国超声波探伤仪国家计量检定规程