一、 超速波检验的基本原理

超声波检验是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷、检测材料内部缺陷的一种无损检测方法。具有灵敏度高、设备轻巧、操作简便、探测速度快、成本低、对人体无害等特点；但对缺陷进行定性和定量的准确判定困难。

（一）超速波的产生与性质

超声波是频率大于20000Hz 的声波，属于机械波。在金属检测中适用的超声波，其频率为0.5~10MHz，其中2~5MHz为最常用的超声波频率。

1、机械波的产生与传播

1）定义：振动的传播过程为波。 波分为机械波和电磁波。

1）机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。如水波、声波、超声波等。

（2）电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。

2）产生机械波的条件：（1）要有作机械振动的波源（2）有能传播机械振动的弹性介质

2、波长、频率和波速

1）波长λ：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，用λ表示。常用单位为毫米(mm)或米(m)。

2）频率f ：波动中，任一点在1秒内所通过的完整波个数。波动频率在数值上同振动频率，单位为赫兹(Hz)。

3）波速C ：波动中，波在单位时间内所传播的距离，用C 表示。常用单位为米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。4）三者关系： C=λf 或λ=C/f

波长与波速成正比，与频率成反比。当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长

3、次声波、声波和超声波1）次声波、声波和超声波的划分

相同点：次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。 区分点：频率

（1）能引起听觉的机械波称为声波，频率在20-20000Hz 之间。

（2）频率低于20Hz 的机械波称为次声波。

（3）频率高于20000Hz 的机械波称为超声波。

4、超声波的产生与接收 检测中采用压电法来产生超声波。

5、超声波的性质 1）超声波具有良好的导向性 2）超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播 3）

不同的波型

（1）纵波（L ） 声波在介质中传播时，质点的振动方向和波的传播方向相同的波。

（2）横波（S ） 声波在介质中传播时，质点的振动方向波的传播方向垂直的波。

（3）表面波（R ） 仅在固体表面传播且介质表面质点 做椭圆运动的声波。

焊缝实际检测中通常选择横波。

6、超声波可以在异质界面透射、反射、折射和波型转换

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、超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性

（二）超声波检测设备简介 超声波检测设备主要由探头、探伤仪、试块及其附属部件组成。

1、探头1）探头的种类（1）直探头 声束垂直于被探焊件的表面入射的探头称为直探头。它可发射和接收纵波。（2）斜探头 利用透声楔块使声束倾斜于焊件表面入射焊件的探头称为斜探头。它可以发射和接收横波。通常横波斜探头以钢中折射角标称：有r=40 等几种；有时也以折射角的正切值标称：K=tanr=1.0、

1.5、2.0、2.5、3.0。

（3）水浸集焦探头 一种有超声波探头和声透镜组合而成的探头。由于集焦探头的声束细，声束集中，从而大幅度的改善了超声波的指向性，提高了灵敏度和分辨力。

（4） 双晶探头 为了弥补普通直探头探测近表面缺陷时存在的盲区大、分辨力低的缺点而设计的探头。双晶探头又称为分割试TR 探头，主要用于探测近表面缺陷和薄焊件的探测。

2）探头的主要参数 焊缝超声波探伤常用斜探头。斜探头的主要性能参数如下：

1）折射角 （或探头K 值）其大小决定了声束入射焊件的方向和声波传播途径，是为缺陷定位计算提供的一个有用数据，因此探头使用磨损后均需测量K 值。

（2）前沿长度 声束入射点至探头前端面的距离称为前沿长度。它反映了探头对有余高焊缝接近的程度。

（3）声轴偏离角 它反映了主声束中心线的重合程度。声轴偏离角直接影响缺陷定位和指示长度的测量精度，并导致对缺陷方向产生误判，从而影响对探伤结果的分析。

3）探头型号

（1）探头基本频率 单位为MHz

（2）压电晶片材料 常用的压电晶片材料及其代号见表

（3）压电晶片尺寸 单位为mm 。圆形晶片为晶片直径；方形晶片长度×宽度

2、超声波探伤仪

仪器的分类

按超声波的连续性可分为脉冲波、连续波和调频波探伤仪三种。

按缺陷显示方式，可将超声波探伤仪为A 型、B 型显示。C 型显示和3D 型显示等。

1）A 型显示探伤仪：

A 型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间(或距离) ，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。

（2）B 型显示探伤仪：

B 型显示是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，缴坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间(或距离) ，因而可只管地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。

（3）C 型显示探伤仪：

C 型显示也是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位

置。

按超声波的通道分类

（1）单通道探伤仪：仪器由一个或一对探头单独工作

（2）多通道探伤仪；仪器由多个或多对探头交替工作，每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用自动化探伤。

3、试块 是一种按一定用途设计制作的具有简单形状的人工反射体。它是探伤标准的一个组成部分，是判定探伤对象质量的重要尺度。试块分成标准试块和对比试块两大类。

标准试块的主要用途是：（1）利用R100mm 圆弧面测定探头入射点和前沿长度，利用 50mm 孔的反射波测定斜探头折射角（K 值）（2）校检探伤仪水平线性和垂直线性。

（3）利用横孔的反射波调整探伤灵敏度，利用R100mm 圆弧调整探测范围。

（4）利用圆孔估测直探头盲区和斜探头前后扫描声束特性。

（5）采用测试回波幅度或反射波宽度的方法可测定远场分辨力

2）对比试块 试块共有三种，即RB-1（适用于8~25mm板厚）、RB-2（适用于8~100mm 板厚）和RB-3（适用于8~150mm板厚）。

二、超声波探伤的基本方法 在超声波探伤中有各种探伤方式及方法。按探头与焊件接触方式分类，可将超声波探伤分为直接接触法和液浸法两种。

（一）直接接触法

直接接触法超声波探伤时，使探头直接接触焊件进行探伤的方法称为直接接触法。

直接接触法超声波探伤有垂直入射法和斜角探伤法两种。

1、垂直入射法 是采用直探头将声束垂直入射焊件探伤面进行探伤的方法。适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的焊件。

2、斜角探伤法 1）斜角探伤法（简称斜射法） 是采用斜探头将声束斜射入焊件探伤面进行探伤的方法。由于它是利用横波进行探伤，故又称横波法

2）斜角探伤法的应用

能发现与探测表面成角度的缺陷，常用于焊缝、环状锻件、管材的检查。在焊缝探伤中，有时也采用一发一收两个斜探头，并用专门夹具固定成组，对焊缝进行所谓串列式扫查，称串列式斜角探伤法

1）并列式： 两个探头并列放置，探伤时两者作同步向移动。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，以便发现与探测面倾斜的缺陷。

（2）交叉式： 两个探头轴线交叉，交叉点为要探测的部位，可用来发现与探测面垂直的片状缺陷，在焊缝探伤中，常用来发现横向缺陷。（3）V 型串列式； 两探头相对放置在同一面上，一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波刚好落在另一个探头的入射点上，主要用来发现与探测面平行的片状缺陷。

4）K 型串列式 两探头以相同的方向分别放置于试件的上下表面上。一个探头发射的声缺陷反射，反射的回波进入另一个探头。此种探伤方法主要用来发现与探测面垂直的片状缺陷。5）串列式 两探头一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一个探头发射的声波被缺陷反射的回波，经底面反射进入另一个探头。此种探伤方法用来发现与探测面垂直的片状缺陷(如厚焊缝的中间未焊透) 。

（6）多探头法 使用两个以上的探头成对地组合在一起进行探伤的方法，称为多探头法。

二）、液浸法 液浸法是将焊件和探头头部浸在耦合剂液中，探头不接触焊件的探伤方法。根据焊件和探头浸没方式的不同，可分为全没液浸法、局部液浸法和喷流式液浸法等

液浸法当用水作耦合介质时，称作水浸法。水浸法探伤时，探头常用聚焦探头。

三、 仪器与探头的选择

（一）探伤仪的选择

1、对于定位要求高的情况，应选择水平线性误差小的仪器。

2、对于定量要求高的情况，应选择垂直线性好，衰减器精度高的仪器。

3、对于大型零件的探伤，应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。

4、为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力好的仪器。

5、对于室外现场探伤，应选择重量轻，荧光屏亮度好，抗干扰能力强携带式仪器。

6、要选择性能稳定、重复性好和可靠性好的仪器。

（二）探头的选择

探伤前应根据被检对象的形状、衰减和技术要求来选择探头。

1、探头型式的选择

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头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。

1）纵波直探头只能发射和接收纵波，束轴线垂直于探测面，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。

2）横波斜探头是通过波形转换来实现横波探伤的。主要用于探测与深测面垂直或成一定角的缺陷。如焊缝生中的未焊透、夹渣、未溶合等缺陷。

3）表面波探头用于探测工件表面缺陷，双晶探头用于探测工件近表面缺陷。聚焦探头用于水浸探测管材或板材。

2、探头频率的选择

1）超声波探伤选择频率时应考虑以下因索。

（1）由于波的绕射，提高频率，利于发现更小的缺陷。

（2）频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷；且声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。但频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利，另外频率增加，衰减急剧增加。

2）具体选择时考虑如下：

（1）对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2.5-5.0MHz 。（2）对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用O.5-2.5MHz 。如频率过高，就会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法探伤。

3、探头晶片尺寸的选择

1）探伤面积范围大的工件时，为了提高探伤效率宜选用大晶片探头。

2）探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。

3）探伤小型工件时，为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。

4）探伤表面不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。

4、横波斜探头K 值的选择

1）当工件厚度较小时，应选用较大的K 值，增加一次波的声程，避免近场区探伤。

2）当工件厚度较大时，应选用较小的K 值，以减少声程过大引起的衰减，便于发现深度较大处的缺陷。

3）在焊缝探伤中，还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。

四、耦合与补偿

（一）耦合剂 在探头与工件表面之间施加的一层透声介质；其作用在于排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入工件，并减少摩擦的作用。

二）要求：

1、能润湿工件和探头表面，流动性、粘度和附着力适当，不难清洗。2、声阻抗高，透声性能好。3、来源广，价格便宜。4、对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。5、性能稳定，不易变质，能长期保存。

四、探头的测试

1、斜探头入射点：

指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。

四、焊缝的超声波探伤

超声波探伤是通过探伤仪示波屏上反射回波的位置、高度、波形的静态和动态特征来显示被探焊件

缺陷的，对焊缝探伤时，应该根据焊件的材质、结构、焊接方法、适用条件、载荷等，确定不同的方案。

（一）焊缝超声波探伤的一般程序

焊缝超声波探伤一般程序如下：

1、编写委托检验书 2、确定参加检验人员 3、探伤前的准备 4、现场粗探伤

5、现场精探伤 6、评定焊接缺陷

（二）焊缝直接接触法超声波探伤

1、超声波探伤检验等级的确定

根据对焊缝探测的多少，目前把超声波探伤划分为三个级别：

A 级--检验的完善程度最低，适用于普通钢结构的检验。

B 级—检验的完善程度一般，适用于压力容器的检验。

C 级--检验的完善程度较高，适用于反应性容器与管道等的检验。

2、超声波探伤面及探伤方法的选定

1）探伤面的选择与准备

3、探头的选择

1）探头形式的选择

2）晶片尺寸的选择

晶片尺寸大，声束指向性好，能量大且集中，对探伤有利。但同时，又使近场区长度增长，对探伤不利。实际探伤中，对于大厚度焊件或粗晶材料的探伤，常采用大晶片镜头；而对于薄焊件或表面曲率较大的焊件探伤，宜选用小晶片探头。

3）频率的选择 对于粗糙表面、粗晶粒材料以及厚度大焊件的探伤，宜选用较低频率；对于表面粗糙度低、晶粒细小以及薄壁焊件的探伤，宜选用较高频率。 焊缝探伤时，一般选用超声波频率，以2～5MHz 为宜，推荐采用2～2.5MHz 。

4）探头角度或K 值的选择 K 值是按板厚选择的，探伤时要根据产品中的板厚找出标称K 值的探头，但K 值常因斜楔块中的声波衰减、探头的磨损等而产生的变化，因此，探伤时必须对探头K 值进行校正。

4、超声波探伤仪的调节 1）探伤范围和扫描速度的调节 探伤范围的选择应以尽量扩大示波屏的观察视野为原则，一般要求受检焊件最大探测距离的反射信号位置应不小于刻度范围的2/3。探伤范围可通过仪器上的“深度（粗调）”旋钮，改变不同档级来调节。

横波扫描速度的调节：

一般横波扫描速度的调节方法有三种：声程调节法、水平调节法和深度调节法。

（2）水平调节法：

水平调节法是指示波屏上水平刻度值τ与反射体的水平距离L 成比例，即τ:L=1:n。这时示波屏水平刻度值直接显示反射体的水平投影距离(简称水平距离) ，多用于薄板工件焊缝横波探伤。

按水平距离调节横波扫描速度可在CSK —IA 试块进行。

先计算R50、R100对应的水平距离11、12：

然后将探头对准R50、R100，调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度11、12。当K=1.0时，11=35mm，12=70mm，若使B1一35，B2—70，则水平距离扫描速度为1:1。

2）探伤灵敏度的选定

探伤灵敏度是指在确定的探测范围内的最大声程处发现规定大小缺陷的能力。

常用试块调整法和工件底波调整法两种

（1）试块调整法

根据工件对灵敏度的要求选择相应的试块，将探头对准试块上的人工缺陷，调整仪器上的有关灵敏度旋钮，使示波屏上人工缺陷的最高反射回波达基准高，灵敏度就调好了

（2）工件底波调整法

利用试块调整灵敏度，操作简单方便，但需要加工不同声程不同当量尺寸的试块，成本高，携带不

便

（三）各种焊接接头的探伤

1、平板对接接头的探伤

1）探伤条件的选择

按不同检验等级和板厚范围选择探伤面、探伤方法和斜探头折射角或K 值。

2）检验区域宽度的确定

检验宽度应是焊缝本身再加上焊缝两侧各相当于母材厚度30％的一段区域，这个区域宽度最小为10mm ，最大20mm 。

3）探头移动区L 的确定

探头必须在探伤面上作前后左右移动扫查，且应有足够的移动宽度，以保证声束能扫查到焊缝整个截面。

采用一次反射法或串列式扫查探伤时，探头移动区L 应满足： L ﹥1.25P P —跨距（mm ）采用直接法探伤时，探头移动区宽度L 应满足 L ﹥0.75P

4）单探头的扫描方法 （1）锯齿形扫描 （2）基本扫描（3）平行扫描 （4）斜平行扫描 5）双探头的扫描方法 双探头扫描是用两个斜探头，一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波。（1）串列扫描 （2）交叉扫描 （3）V 形扫描

2、曲面焊件对接接头的探伤

3、其他结构焊接接头的探伤

五、缺陷的位置、大小测定及其性质的估判

（一）缺陷位置的测定

测定缺陷在钢件或焊接接头的位置称为缺陷的定位。

1、垂直入射法时缺陷定位 当探伤仪按1：n 调节纵波扫描时，则有

Z f= n · тf Z f —缺陷在焊件中的深度（mm ） n —探伤仪调节比例系数

тf —示波屏上缺陷波前沿所对应的水平刻度值。

2、斜角探伤时缺陷定位

用斜探头探伤时，缺陷在探头前方的下面，其位置可用入射点至缺陷的水平距离和缺陷到探伤面的垂直距离两个参数来描述。

1）水平调节法定位 探伤仪按水平1：n 调节横波扫描仪时，则为直射法探伤 Lf = n · тf ;Zf = n · тf /K

一次反射法探伤：Lf = n · тf ； Zf = 2δ － n · тf /K

Lf —缺陷在焊件中的水平距离（mm ）； Zf —缺陷在焊件中的深度（mm ）；тf —缺陷波前沿所对应的水平刻度值；n —探伤仪调节比例系数； δ—探伤厚度（mm ） K —探头K 值

2）深度调节定位

探伤仪按深度1：n 调节横波扫描速度时，则有

直射法探伤探伤 ：

（二） 1、距离——波幅曲线的作用

在焊缝横波探伤中常利用距离－波幅曲线来对缺陷进行定量和评价焊缝的质量级别。

距离——波幅曲线的制作

2、探伤仪扫描速度的调节

调节横波扫描速度有两种方法：深度法和水平距离法。在焊缝探伤中当板厚T ≥200mm 时，一般采用深度法，当板厚T ＜20mm 时，一般采用水平距离法。

按深度1：1调节扫描速度

1）用将示波屏上的始脉冲左移约10mm 。

2）探头置于CSK －IB 试块上，选定两个φ50、φ100的圆弧面，找到最高回波，此时探头入射点与圆心

重合。

3）然后移动时基扫描按钮，使回波与相应位置线重合。如K=2.5时，其实际反射面深度相对应的位置线为：18与36mm. 此时深度1：1调节好。

3、距离——波幅曲线的制作

三）缺陷大小的确定 测定焊件或焊接接头中缺陷的大小和数量称为缺陷定量。

1、当量法 将已知形状和尺寸的人工缺陷（平底孔或横孔）回波与探测到的缺陷回波相比较，如二者的声程、回波相等，则这个已知的人工缺陷尺寸就是被探测到的缺陷的所谓缺陷当量。

2、探头移动法

对于尺寸或面积大于声束直径或横截面的缺陷，一般采用探头移动法来测定其指示长度或范围。缺陷指示长度ΔL 的测定推荐采用以下两种方法：

（1）相对灵敏度测长法 当缺陷反射波只有一个最高点或高点起伏小于4dB 时，用降低6dB 相对灵敏度测定指示长度，称为相对灵敏度测长法。如图所示。

（2）端点峰值测长法 在测定指示长度扫描过程中，如发现缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点，则以缺陷两端反射波大值之间探头的移动长度确定为指示长度，称为端点峰值法。

（四）缺陷性质的估判 判定焊件或焊接接头中缺陷的性质称之为缺陷定性。

1、气孔

单个气孔回波较低，波形为单峰，较稳定，当探头绕过缺陷转动时，缺陷波高大致不变，但探头定点转动时，反射波立即消失；密集气孔出现一簇反射波，其波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼伏的现象。

2、裂纹 缺陷回波高度大，波幅宽，常出现波峰。探头平移时，反射波连续出现，波幅有变动；探头转动时，波峰有上下错动现象。

3、夹杂 4、未焊透 5、未熔合