超声波通用检测技术

超声波通用检测技术安徽省电力科学研究院2013.3合肥超声检测方法仪器与探头的选择耦合与补偿探伤仪的调节缺陷位置的确定缺陷大小的测定缺陷自身高度的测定影响缺陷定位、定量的主要因素缺陷性质分析非缺陷回波第一节超声检测方法超声波检测方法一般根据原理、采用的波型、使用探头数量、探头与工件接触方式、仪器显示方式和检测自动化程度对其进行分类。一、按原理分类的超声波检测方法超声波检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法、共振法和衍射时差法。（一）脉冲反射法超声波探头发射脉冲波到受检试件内，根据受检试件内反射波的情况来检测试件缺陷的方法，称为脉冲反射法。脉冲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：根据仪器显示屏上的缺陷波形进行判断的方法称为缺陷回波法。缺陷回波法的基本原理如图1所示。当工件内没有缺陷时，超声波穿透工件到达工件底面并产生反射，仪器显示屏上只有发射脉冲T和底面回波B,如图1(a)所示。若工件内存在缺陷，超声波在缺陷处反射，仪器显示屏上发射脉冲T和底面回波B之间有缺陷回波F,如图1(b)所示。2.底波高度法：当工件的材质和厚度一定时，底面回波的高度应是基本不变的。但若工件内存在缺陷，由于部分或全部超声波在缺陷处产生部分或全部反射，底面回波高度会下降甚至消失,如图2所示。因此根据底面回波高度情况可判断工件内存在缺陷情况，这种方法称为底波高度法。3.多次底波法：当工件厚度较小时，透入工件的超声波能量较高，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，仪器显示屏上出现多次底面回波B1、B2、B3……，且其高度有规律地依次降低。但若工件内存在缺陷时，由于缺陷对超声波的反射及散射，增加了声能的损耗,使底面回波次数减少，并打乱各次底面回波高度依次降低的规律，如图3所示。因此根据多次底面回波的变化，可判断工件内存在缺陷情况，这种方法称为多次底波法。图3多次底波法a)无缺陷b)小缺陷c)大缺陷（二）穿透法穿透法是根据超声波穿透工件后能量变化来判断缺陷情况的一种方法。如图4所示，由发射探头产生超声波穿透工件后被接收探头接收，仪器仪器显示屏上出现透射波，如图4(a)所示。若工件内存在缺陷，由于缺陷对超声波的反射及散射，透射波高度下降甚至消失，如图4(b)所示。图4穿透法（a）无缺陷；（b）有缺陷（三）共振法超声波在被检工件内传播时，若工件的厚度为超声波半波长的整数倍，将产生共振，仪器显示共振频率。用相邻的两个共振频率之差，由以下公式可计算出工件的厚度：（公式1）式中：δ——工件厚度；λ——波长；C——工件的声速；f0——工件的固有频率；fm、fm-1——相邻的两个共振频率。当工件内部存在缺陷或其厚度发生变化时，共振频率也将改变，根据工件的共振特性来判断缺陷情况和工件厚度的方法称为共振法。共振法常用于工件厚度测定。10222mmffCfC（四）衍射时差法衍射时差法(TimeofFlightDiffraction，简称TOFD)，是一种依靠从受检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射波（能量）来检测缺陷的方法。A扫描信号发射探头接收探头横向波LW上端点下端点内壁反射波BW典型TOFDD扫描成像直通波底面回波二、按波型分类的超声波检测方法根据所采用超声波的波型，超声波检测方法可分为纵波法、横波法、表面波法、爬波法和板波法等。（一）纵波法使用纵波进行检测的方法称为纵波法。在相同介质中，纵波的传播速度最大，穿透能力强，对晶界反射或散射的敏感性不高，因此纵波法可检测的工件厚度是所有波型中最大的，且可用于粗晶材料的检测。根据入射角度不同，纵波法又可分为纵波直探头法和纵波斜探头法两种。1.纵波直探头法：如图5所示，使用纵波直探头，超声波垂直入射至工件检测面，以不变波型和方向透入工件。这种方法对于与检测面平行的缺陷检测效果最佳。纵波直探头法有单晶直探头脉冲反射法、双晶直探头脉冲反射法和穿透法三种，常用的是单晶和双晶直探头脉冲反射法。对于单晶直探头，由于盲区和分辨力限制，只能发现工件内部离检测面一定距离以外的缺陷，而双晶直探头采用两个晶片一发一收，很大程度上克服了盲区的影响，因此，适用于检测近表面缺陷和薄壁工件。图5纵波直探头法2.纵波斜探头法：将纵波倾斜入射至工件检测面，利用折射纵波进行检测的方法。纵波斜探头的入射角小于第一临界角αⅠ，通常比横波斜探头的入射角小得多，因此也称为小角度纵波斜探头。电力行业运用纵波小角度探头，用斜入射法在电网支柱瓷绝缘子等多种部件检测中都收到了很好的效果。（二）横波法将纵波通过倾斜入射至工件检测面，利用波型转换在工件内产生折射横波进行检测的方法称为横波法。由于横波声束与检测面成一定角度，所以又称为斜射法，如图6所示。横波法主要用于瓷套、管材、焊接接头的检测，对于其他工件，则作为一种有效的辅助手段，用以发现与检测面成一定角度的缺陷。图6横波法（三）表面波法使用表面波进行检测的方法称为表面波法，由于表面波仅沿表面传播,而且衰减较大。因此，表面波法主要用于表面光滑工件的表面缺陷检测。表面波的产生常用的有两种：Y切石英法和纵波折射法。（四）爬波法当纵波入射角位于第一临界角附近时在工件中产生的表面下纵波称为爬波。利用爬波进行检测的方法即爬波法，这种方法用于检测表面比较粗糙的工件的表面缺陷。爬波声速与纵波相近，约为纵波的0.96。爬波检测距离较小，通常只有几十毫米，在很多情况下采用双晶一收一发探头较为有利。图7爬波的产生（五）板波法使用板波进行检测的方法，称为板波法。板波的种类1.根据质点振动情况分类SH型板波质点振动方向与表面平行的横波（SH波）。兰姆波同时含有质点振动方向与表面垂直的横波（SV波）和质点振动方向与表面平行的纵波(P波)。兰姆波中质点实际是做椭圆形运动。2.根据板的变形(振动)分类对称型板波在兰姆波的作用下，板的某截面处上下两个表面横波质点振动方向相反。非对称型板波在兰姆波的作用下，板的某截面处上下两个表面横波质点振动方向相同。图8兰姆波的类型a)对称型b)非对称型三、按探头数目分类的超声波检测方法按使用探头数目分类可以分为单探头法、双探头法和多探头法。（一）单探头法使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法称为单探头法。单探头法操作方便，能检出大多数缺陷，是使用最为广泛的一种方法。单探头法检测时，对于与波束轴线垂直的面状缺陷和立体型缺陷检出效果最好，与波束轴线平行的面状缺陷难以检出。当缺陷与波束轴线成一定倾角时，则根据倾斜角度不同，能够接收到部分回波或因反射波束全部在探头之外而无法检出。（二）双探头法使用两个探头（一个发射、一个接收）进行检测的方法称为双探头法。主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。双探头法根据两个探头的排列方式和工作方式不同，又可进一步分为并列式、交叉式、V型串列式、K型串列式、串列式等，如图9所示。图9双探头的排列方式a）并列式b）交叉式c）V形式d）K形式e）串列式1.并列式：两个探头并列放置，检测时两者作同步同向移动。但直探头作并列放置时，通常是一个探头固定，另一个探头移动，以便发现与检测面倾斜的缺陷，如图9a)所示。2.交叉式：两个探头轴线交叉，交叉点为要检测的部位，如图9b)所示。这种方法可用来发现与检测面垂直的面状缺陷，在焊缝检测中，常用来检测横向缺陷。3.V型串列式：两探头相对放置在同一面上，一个探头发射的超声波被缺陷反射，反射波被另一探头接收，如图9c)所示。这种方法主要用来发现与检测面平行的面状缺陷。4.K型串列式：两探头以相同方向分别放置在工件上下表面上，一个探头发射的超声波被缺陷反射，反射波被另一探头接收，如图9d)所示。这种方法主要用来发现与检测面垂直的面状缺陷。5.串列式：两探头一前一后，以相同方向放置同一表面上，一个探头发射的超声波被缺陷反射，反射波经底面再次反射后被另一探头接收，如图9e)所示。这种方法主要用来发现与检测面垂直的面状缺陷。（三）多探头法使用两个以上探头成对地组合在一起进行检测的方法成为多探头法。多探头法主要是通过增加声束来提高检测速度或发现各种取向的缺陷，通常与多通道仪器和自动扫查装置配合，如图10所示。图10多探头法四、按探头接触方式分类的超声波检测方法依据检测时探头与试件的接触方式，可以分为接触法与液浸法。（一）直接接触法探头与工件接触面之间涂有很薄的耦合剂层，因此可以看作两者直接接触，这种检测方法称为直接接触法。直接接触法操作简单，检测时波形比较简单，容易判断，缺陷检出灵敏度高，是实际检测中使用最多的方法，但对工件探测面光洁度要求较高。（二）液浸法将探头与工件浸于液体中，以液体作为耦合剂进行检测的方法称为液浸法。耦合剂可以是水，也可以是油，当以水作为耦合剂，称为水浸法。液浸法检测时探头不直接接触工件，因此可适用于表面粗糙的工件，探头也不易磨损，耦合效果好且稳定，探测结果重复性好，便于实现自动化检测。液浸法按检测方式不同又分为全浸没式和局部浸没式。1.全浸没式：被检工件全部浸没于液体中，适用于体积不大，形状复杂的工件的检测，如图11a)所示。2.局部浸没式：将被检工件局部浸没于液体中或被检工件与探头之间保持一定的液体层，适用于大体积工件的检测。局部浸没式又分为喷液式、通水式和满溢式。(1)喷液式：超声波通过以一定压力喷射至检测面的液流进入工件，如图11b)所示。(2)通水式：借助于一个专用的具有进、出水口的液罩，使液罩内保持一定容量的液体，如图11c)所示。(3)满溢式：满溢罩结构与通水式，但只有进水口，多余液体从罩的上部溢出，如图11d)所示。a）全浸没式b）喷液式c）通水式d）满溢式图11液浸法五、按超声信号显示方式分类的超声波检测方法按超声信号的显示方式，可将超声检测方法分为A型显示和超声成像方法。（一）A型显示A型显示是一种波形显示，是将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来，横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。（二）超声成像方法超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。主要采用扫描接受信号、再进行图像重构的方式，因此又称为超声扫描成像技术。1.B、C、D扫描成像A扫描显示中，示波管的电子束是振幅调制。B、C、D扫描显示是示波管的电子束是强度调制，用荧光屏上的每个点代表被测试件某个截面上的一个点，而用该点的亮度大小表示从试件内对应点测得的回波振幅大小。B扫描所显示的是与声束传播方向平行且与工件的检测面垂直的剖面；D扫描所显示的是与声束平面及检测面都垂直的剖面；C扫描所显示的则是试件的横断面，由电子闸门控制选择不同深度的横断面的像。2.P扫描成像P扫描是投影成像扫描，是一种同时显示C扫描图像（俯视）和D扫描图像（侧视）的商品化成像系统。图12A、B、C、D扫描显示图13C扫描图14P扫描原理3.ALOK超声成像ALOK（德文）是“振幅——传播时间——位置曲线。4.相控阵和S扫描成像相控阵成像是通过控制换能器阵列中各阵元激励（或接受）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，就可以实现聚焦和声束方位的变化，从而可进行扫描成像。S扫描成像即在某入射点形成一定角度的扇形扫查范围，又称扇形扫描成像。六、按人工干预的方式分类的超声波检测方法按检测时人工干预的程度分类，可将超声检测方法分为手工检测和自动检测。（一）手工检测手工检测一般指由操作者手持探头进行的A型脉冲反射式超声波检测。（二）自动检测自动检测是指使用自动化超声检测设备，在最少的人工干预下进行并完成检测的全部过程。采用自动扫查装置或自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据的超声波检测均可称自动检测。第二节仪器与探头的选择合理选择超声波仪器和探头对于缺陷的有效检出和正确定位、定量、定性至关重要。实际检测中应根据被检工件的结构形状、尺寸、材质、加工工艺及检测要求选择仪器和探头。一、超声波探伤仪的选择目前国内外检测仪器种类繁多,性能各异,检测前应根据工件、检测要求及现场条件选择仪器。一般根据以下情况选择：1.对于定位要求高的情况，应选择水平线性误差小的