超声波探伤方法和通用探伤技术（张志超） - 图文

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6 超声检测方法和通用检测技术?????????????????????01 6.1 超声检测方法概述??????????????????????????01 6.2 仪器与探头的选择??????????????????????????06 6.3 耦合与补偿?????????????????????????????08 6.4 仪器的调节?????????????????????????????11 6.5 缺陷位置的测定???????????????????????????16 6.6 缺陷大小的测定???????????????????????????21 6.7 缺陷自身高度的测定?????????????????????????27 6.8 影响缺陷定位、定量的主要因素????????????????????31 6.9 缺陷性质分析????????????????????????????36 6.10 非缺陷回波的判别??????????????????????????43 6.11 侧壁干涉??????????????????????????????48 6.12 各向异向材料的超声检测技术?????????????????????50 6.13 表面波检测?????????????????????????????55 6.14 板波检测??????????????????????????????62

复习思考题 ??????????????????????????????66

第六章 超声波检测方法和通用检测技术

脉冲反射法超声波检测方法虽然很多，各种方法的操作也不尽相同，但它们在探测条件、耦合与补偿、仪器的调节、缺陷的定位、定量、定性等方面却存在一些通用的技术问题。掌握这些通用技术对于发现缺陷并正确评价是很重要的。

脉冲反射法超声检测的基本步骤是：检测前的准备，仪器、探头、试块的选择，仪器调节与检测灵敏度确定，耦合补偿，扫查方式，缺陷的测定、记录和等级评定、仪器和探头系统复核等。

6.1 超声波检测方法概述

6.1.1 按原理分类

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TOFD法。 1.脉冲反射法

超声波探头发射脉冲波到被检试件内，根据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：根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。该方法是反射法的基本方法。

图6.1是缺陷回波检测法的基本原理，当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，检测图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图6.1（a）所示。

图6.1 缺陷回波法 图6.2 底波高度法

若试件中存在缺陷，在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F如图6.1（b）所示。

（2）底波高度法：当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。如果试件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失，如图6.2所示。

这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的检测方法，称为底波高度法。 底波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区，但是要求被探试件的探测面与底面平行，耦合条件一致。由于该方法检出缺陷定位定量不便，灵敏度较低，因此，实用中很少作为一种独立的检测方法，而经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的和小而密集的缺陷，锻件探伤中常用：如由缺陷引起的底波降低量。

（3）多次底波法：当透入试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3??。如果试件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波，如图6.3所示。这种依据底面回波次数，

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而判断试件有无缺陷的方法，即为多次底波法。

图6.3 多次底波法

(a)无缺陷 (b)小缺陷 (c)大缺陷

多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行的试件检测，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。

2.穿透法

穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之 后的能量变化来判断缺陷时情况的一种方法，如 图6.4所示。

穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一 个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探测， 图6.4(a)为无缺陷时的波形，图4.4(b)为有缺 陷时的波形。

图6.4 穿透法

3.共振法

若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差，由以下公式算出试件厚度。

???2?cc （6.1） ?2f02(fm?fm?1)式中 f0——工件的固有频率； fm、fm-1——相邻两共振频率； C——被检试件的声速； λ——波长； δ——试件厚度。

当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。依据试件的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。共振法常用于试件测厚。

通常常用的测厚仪为双晶直探头脉冲反射法，与A型脉冲反射式超声波探伤仪原理相同。

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4.TOFD法

TOFD是Time of Flight Diffraction 的第一个英文字母的缩写，中文简称衍射时差法 。是上世纪七十年代由英国哈威尔无损检测中心根据超声波衍射现象首先提出来的，检测时使用一对或多对宽声束纵波斜探头，每对探头相对焊缝对称布置（一发一收），如图6.5所示。声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生反射波和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波，通过测量衍射波传播时间，利用三角方程来确定出缺陷的尺寸和位置。

发射探头接收探头

图6.5 TOFD法

6.1.2 按波形分类

根据检测采用的波形，可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。 1.纵波法

使用纵波进行检测的方法，称为纵波法。 ⑴.纵波直探头

使用纵波直探头进行检测的方法，称为纵波直探头法。此法波束垂直入射至试件探测面，以不变的波型和方向透入试件，所以又称为垂直入射法，简称垂直法，如图6.6所示。

图6.6 垂直法 图6.7 横波法

垂直法分为单晶探头反射法、双晶探头反射法和穿透法。常用的是单晶探头反射法。 垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的检测，该法对与探测面平行的缺陷检出效果最佳。由于盲区和分辨力的限制，其中反射法只能发现试件内部离探测面一定距离以外的缺陷。

在同一介质中传播时，纵波速度大于其它波型的速度，穿透能力强，晶界反射或散射的敏感性较差，所以可探测工件的厚度是所有波型中最大的，而且可用于粗晶材料的检测。

由于垂直法检测时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比较方便。 ⑵.纵波斜探头

使用纵波斜探头进行检测的方法，称为纵波斜探头法。

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a.TOFD探头

TOFD检测技术中使用的探头为纵波斜探头，工件中既有纵波也有横波。但是，纵波传播速度快，几乎是横波的两倍，最先到达接收探头，容易识别缺陷，以纵波波速计算缺陷深度，不会与横波信号混淆。

b.小角度纵波斜探头

小角度纵波斜探头常用来检测探头移动范围较小、检测范围较深的一些部件，如从螺栓端部检测螺栓，多层包扎设备的环焊缝等。

2.横波法

将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法，称为横波法。由于透入试件的横波束与探测面成锐角，所以又称斜射法，如图6.7所示。

此方法主要用于焊缝、管材的检测。其它试件检测时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现垂直检测法不易发现的缺陷。

3.表面波法

使用表面波进行检测的方法，称为表面波法。这种方法主要用于表面光滑的试件。 表面波波长比横波波长还短，因此衰减也大于横波。同时。它仅沿表面传播，对于表面上的复层、油污、不光洁等，反应敏感，并被大量地衰减。利用此特点可以通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化，对缺陷定位。

4.板波法

使用板波进行检测的方法，称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件检测，板波充塞于整个试件，可以发现内部的和表面的缺陷。但是检出灵敏度除取决于仪器工作条件外，还取决于波的形式。

5.爬波法

爬波是指表面下纵波，它是当第一介质中的纵波入射角位于第一临界角附近时在第二介质中产生的表面下纵波。这时第二介质中除了表面下纵波外，还存在折射横波。这种表面下纵波不是纯粹的纵波，还存在有垂直方向的位移分量。

爬波对于检测表面比较粗糙的工件的表层缺陷，如铸钢件、有堆焊层的工件等，其灵敏度和分辨力均比表面波高。 6.1.3 按探头数目分类

1.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，大多数缺陷可以检出，是目前最常用的一种方法。

单探头法检测，对于与波束轴线垂直的片状缺陷和立体型缺陷的检出效果最好。与波束轴线平行的片状缺陷难以检出。当缺陷与波束轴线倾斜时，则根据倾斜角度的大小，能够收到部分回波或者因反射波束全部反射在探头之外而无法检出。

2.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。

双探头法又可根据两个探头排列方式和工作方式进一步分为并列式、交叉式、V型串列式、K型串列式、串列式等。

（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，以便发现与探测面倾斜的缺陷，如图6.8（a）所示。分割式探头的原理，就是将两个并列的探头组合在一起，具有较高的分辨能力和信噪比，适用于薄试件、近表面缺陷的检测。

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差。因为常用探头表面为平面，与曲面接触为点接触或线接触，声强透射率低。特别是凹曲面，探头中心不接触，因此耦合效果更差。

不同曲率半径的耦合效果也不相同，曲率半径大，耦合效果好。

6.3.3 表面耦合损耗的测定和补偿

在实际检测中，当调节检测灵敏度用的试块与工件表面粗糙度、曲率半径不同时，往往由于工件耦合损耗大而使检测灵敏度降低。为了弥补耦合损耗，必须增大仪器的输出来进行补偿。

1.耦合损耗的测定

为了恰当地补偿耦合损耗，应首先测定工件与试块表面耦合损耗的分贝差。

一般的测定耦合损耗差的方法为：在表面耦合状态不同，其他条件（如材质、反射体、探头和仪器等）相同的工件和试块上测定二者回波或穿透波高分贝差。

下面以横波斜探头为例来说一、二次波检测时耦合损耗的测定方法。一次波检测又称直射法，二次波检测又称一次反射法。一、二次波对应的水平距离为一倍跨距，常用1S表示。

图6.13 耦合损耗dB差值的测定

（a）对比试块 （b）待测试块

首先制作两块材质与工件相同、表面状态不同的试块。一块为对比试块、粗糙度同试块，另一块为待测试块，表面状态同工件。分别在两试块同深度处加工相同的长横孔反射体，然后将探头分别置于两试块上，如图6.13所示，测出二者长横孔回波高度的ΔdB差，此ΔdB即为二者耦合损耗差。

以上是一次波检测时耦合损耗差的测定法。当用二次波检测时，常用一发一收的双探头穿透法测定。

当工件与试块厚度、底面状态相同时，只需在同样探测条件下用穿透法测定二者反射波高的ΔdB即可。

当工件厚度小于试块厚度时，如图6.14所示。图中R1、R2分别为工件上一倍跨距离（1S）和两倍跨距（2S）测试点的底面反射波高，R为试块上一倍跨距（1S）测试点底面反射波高，在R1、R2两波峰之间连一直线，则用[衰减器]测得的R、R2连线高度差ΔdB即为二者的表面耦合差补偿量。

当工件厚度大于试块时，如图6.15所示。图中R1、R2分别为试块上1S和2S测试点上的底面反射波高，R为工件1S测试点上底面反射波高，则R1R2连线与R的高度差即为二者的耦合差补偿量。

2.补偿方法

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设测得的工件与试块表面耦合差补偿是ΔdB。具体补偿方法如下：

图6.14 穿透法测耦合差（工件厚小于试块）

图6.15 穿透法测耦合差（工件厚大于试块）

先用“衰减器”衰减ΔdB，将探头置于试块上调好检测灵敏度，然后再用“衰减器”增益ΔdB即减少ΔdB衰减量），这时耦合损耗恰好得到补偿，试块和工件上相同反射体回波高度相同。

6.4 检测仪的调节

在实际检测中，为了在确定的探测范围内发现规定大小的缺陷，并对缺陷定位和定量，就必须在探测前调节好仪器的扫描速度和灵敏度。 6.4.1 扫描速度的调节

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仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值τ与实际声程x（单程）的比例关系，即τ∶x=1∶n称为扫描速度或时基扫描线比例。它类似于地图比例尺，如扫描速度1∶2表示仪器示波屏上水平刻度1 mm表示实际声程2 mm。

检测前应根据探测范围来调节扫描速度，以便在规定的范围内发现缺陷并对缺陷定位。 调节扫描速度的一般方法是根据探测范围利用已知尺寸的试块或工件上的两次不同反射波的前沿分别对准相应的水平刻度值来实现。不能利用一次反射波和始波来调节，因为始波与一次反射波的距离包括超声波通过保护膜、耦合剂（直探头）或有机玻璃斜楔（斜探头）的时间，这样调节扫描速度误差大。

下面分别介绍纵波、横波、表面波检测时扫描速度的调节方法。 1.纵波扫描速度的调节

纵波检测一般按纵波声程来调节扫描速度。具体调节方法是：将纵波探头对准厚度适当的平底面或曲底面，使两次不同的底波分别对准相应的水平刻度值。

例如探测厚度为400 mm工件，扫描速度为1∶4，现得用IIW试块来调节。将探头对准试块上厚为100 mm的底面，调节仪器上“深度微调”、“脉冲移位”等旋钮，使底波B2、B4分别对准水平刻度50、100，这时扫描线水平刻度值与实际声程的比例正好为1∶4，如图6.16（a）。

图6.16 纵波、表面波扫描速度的调节 图6.17 横波检测缺陷位置的确定 2.表面波扫描速度的调节

表面波检测一般也是按声程调节扫描速度，具体调节方法基本上与纵波相同。只是表面波不能在同一反射体上形成多次反射。调节时要利用两个不同的反射体形成的两次反射波分别对准相应的水平刻度值来调节。如图6.16（b），探头置于图示位置，调节仪器使棱边A、B的反射波A波和B波分别对准水平刻度值40、65这时表面波扫描速度为1∶1。

3.横波扫描速度的调节

如图6.17所示，横波检测时，缺陷位置可由折射角β和声程x来确定，也可由缺陷的水平距离l和深度d来确定。

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。 (1)声程调节法：声程调节法是使示波屏上的水平刻度值τ与横波声程x成比例，即τ∶x=1∶n。这时仪器示波屏上直接显示横波声程。

按声程调节横波扫描速度可在IIW、CSK-I A、IIW2、半圆试块以及其它试块或工件上进行。

①利用IIW试块调节：IIW试快R100圆心处未切槽，因此横波不能在R100圆弧面上形成多次反射，这样也就不能直接利用R100来调节横波扫描速度。但IIW试块上有91 mm尺寸，钢中纵波声程91 mm相当于横波声程50 mm的时间。因此利用91 mm可以调节横波扫描速度。

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下面以横波1∶1例为说明之。如图6.18所示，先将直探头对准91 mm底面，调节仪器使底波B1、B2分别对准水平刻度50、100这时扫描线与横波声程的比例正好为1∶1。然后换上横波探头，并使探头入射点对准R100圆心，调“脉冲移位”使R100圆弧面回波B1对准水平刻度100，这时零位才算校准。即这时水平刻度“0”对应于斜探头的入射点，始波的前沿位于“0”的左侧。

以上调节方法比较麻烦，针对这一情况，我国的CSK-IA试块在R100圆弧处增加了一个R50的同心圆弧面，这样就可以将横波探头直接对准R50和R100圆弧面，使回波B（R50）对50，B2，（R100）对100，于是横波扫描速度1∶1和“0”点同时调好校准。

图

6.18 用IIW试块按声程调横波扫描速度

②利用IIW2和半圆试块调节：当利用IIW2和半圆试块调横波扫描速度时，要注意它们的反射特点。探头对准IIW2试块R25圆弧面时，各反射疲的间距为25、75、75??，对准R50圆弧面时，各反射波间距为50、75、75??。探头对准R50半圆试块（中心为切槽）的圆弧面，各反射波的间距离为50、100、100??。

下面说明横波1∶1扫描速度的调整方法。

利用IIW2试块调：探头对准R25圆弧面，调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度25、100即可，如图6.19（a）。

图6.19 用IIW2和半圆式块按声程调扫描速度

(a)IIW2试块 （b）半圆试块

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利用R50半圆试块调：探头对准R50圆弧面，调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度0、100，然后调“脉冲移位”使B1对准50即可，如图6.19（b）。 (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检测。

按水平距离调节横波扫描速度可在CSK-IA试块、半圆试块、横孔试块上进行。 ①利用CSK-IA试块调节：先计算R50、R100对应的水平距离l1、l2：

??l1????l?2??KR501?K2KR1001?K2?2l1 (6.2) 式中 K——斜探头的K值（实测值）。

然后将探头对准R50、R100，调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度l1、l2。当K=1.0时，l1=35 mm，l2=70 mm，若使B1-35，B2-70，则水平距离扫描速度为1：1。

②利用R50半圆试块调节：先计算B1、B2对应的水平距离l1、l2：

KR?l??11?K2? (6.3) ?3KR?l??2l122?1?K?然后将探头对准R50圆弧，调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度值l1、l2当K=1.0时，

l1=35 mm，l2=105 mm。先使B1、B2分别对准0、70，再调“脉冲移位”使B1-35，则水平距离扫描速度为1∶1。

③利用横孔试块调节：以CSK-ⅢA试块为例说明之。

设探头的K=1.5，并计算深度为20、60的φ136对应的水平距离l1、l2：

l1?Kd1?1.5?20?30

l2?Kd2?1.5?60?90调节仪器使深度为20、60的φ136的回波H1、H2分别对准水平刻度30、90，这时水平距离扫描速度1∶1就调好了。需要指出的是，这里H1、H2不是同时出现的，当H1对准30时，H2不一定正也对准90、因此往往要反复调试，直至H1对准30，H2正好对准90。

（3）深度调节法：深度调节法是使示波屏上的水平刻度值τ与反射体深度d成比例，即τ：d=1：n，这时示波屏水平刻度值直接显示深度距离。常用于较厚工件焊缝的横波检测。

按深度调节横波扫描速度可在CSK-IA试块、半圆试块和横孔试块等试块上调节。 ①利用CSK-IA试块调节：先计算R50、R100圆弧反射波B1、B2对应的深d1、d2：

d1?d2?R501?K2R1001?K2 (6.4)

?2d1然后调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度值d1、d2。当K=2.0时，d1=22. 4 mm、d2=44.8 mm，调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度22.4、44.8，则深度1∶1就调好了。

②利用R50半圆试块调节：先计算半圆试块B1、B2对应的深度d1、d2：

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R?d?1?1?K2? （6.5） ?3R?d??3d122?1?K?然后调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度值d1、d2即可，这时深度1∶1调好。

③利用横孔试块调节：探头分别对准深度d1=40，d2=80的CSK-IA试块上的136横孔，调节仪器使d1、d2对应的υ136回波H1、H2分别对准水平刻度40、80，这时深度1：1就调好了。这里同样要注意反复调试，使H1对准40时的H2正好对准80。 6.4.2 检测灵敏度的调节

检测灵敏度是指在确定的声程范围内发现规定大小缺陷的能力，一般根据产品技术要求或有关标准确定。可通过调节仪器上的[增益]、[衰减器]、[发射强度]等灵敏度旋钮来实现。

调整检测灵敏度的目的在于发现工件中规定大小的缺陷，并对缺陷定量。检测灵敏度太高或太低都对检测不利。灵敏度太高，示波屏上杂波多，判伤困难。灵敏度太低，容易引起漏检。

实际检测中，在粗探时为了提高扫查速度而又不致引起漏检，常常将检测灵敏度适当提高，这种在检测灵敏度的基础上适当提高后的灵敏度叫做搜索灵敏度或扫查灵敏度。

调整检测灵敏度的常用方法有试块调整法的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波高，这时灵敏度就调好了。

例如，压力容器用钢板是利用Φ5平底孔来调整灵敏度的。具体方法是：探头对准Φ5平底孔，[衰减器]保留一定的衰减余量，[抑制]至“0”，调[增益]使Φ5平底孔最高回波达示波屏满幅度50%，这时灵敏度就调好了。

又如，超声波检测厚度为100 mm的锻件，检测灵敏度要求是：不允许存在Φ2平底孔当量大小的缺陷。检测灵敏度的调整方法是：先加工一块材质、表面光洁度、声程与工件相同的Φ2平底孔试块，将探头对准Φ2平底孔，仪器保留一定的衰减余量，[抑制]至“0”调[增益]使Φ2平底孔的最高回波达80%或60%高，这时检测灵敏度就调好了。

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。同时还要考虑工件与试块因耦合和衰减不同进行补偿。如果利用工件底波来调整检测灵敏度，那么既不要加工任何试块，又不需要进行补偿。

利用工件底波调整检测灵敏度是根据工件底面回波与同深度的人工缺陷（如平底孔）回波分贝差为定值，这个定值可以由下述理论公式计算出来。

??20lgPB2?x?20lg(x?3N) （6.6） PfπD2f式中 x——工件厚度；

Df——要求探出的最小平底孔尺寸。

利用底波调整检测灵敏度时，将探头准工件底面，仪器保留足够的衰减余量，一般大于Δ+（6~10）dB（考虑搜索灵敏度），[抑制]至“0”，调[增益]使底波B1最高达基准高（如80%），然后用[衰减器]增益ΔdB（即衰减余量减少ΔdB），这时检测灵敏度就调好了。

由于理论公式只适用于x≥3N的情况，因此利用工件底波调灵敏度的方法也只能用于厚度尺寸x≥3N的工件，同时要求工件具有平行底面或圆柱曲底面，且底面光洁干净。当底面

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粗糙或有水油时，将使底面反射率降低，底波下降，这样调整的灵敏度将会偏高。

例如，用2.5p202(2.5 MHzφ20 mm直探头)检测厚度x=400 mm的饼形钢制工件,钢中cL=5 900 m/s,检测灵敏度为400/Φ2平底孔(在400 mm处发现Φ2平底孔缺陷)。

利用工件底波调整灵敏度的方法如下。

①计算：利用理论计算公式算出400 mm处大底度与Φ2平底孔回波的分贝差Δ为

??20lgPB2?x?20lg2PπDf?2 2?2.36?400?20lg?43.5?44(dB)3.14?22分贝差Δ也可由纵波平底孔AVG曲线得到，如图2—17中MN对应的分贝差Δ=44 dB。 ②调整：将探头对准工件大平底面，[衰减器]衰减50 dB，调[增益]使底波B1达80%，然后使[衰减器]的衰减量减少44 dB，即[衰减器]保留6 dB，这时Φ2灵敏度就调好了，也就是说这时400 nm处的平底孔回波正好达基准高（即400 mm处Φ2回波高为6 dB）。如果粗探时为了便于发现缺陷，可采用使[衰减器]再去6 dB的搜索灵敏度来进行扫查。但当发现缺陷以后对缺陷定量时，衰减器应打回到6 dB。

利用试块和底波调整检测灵敏度的方法应用条件不同。利用底波调整灵敏度的方法主要用于具有平底面或曲底面大型工件的检测，如锻件检测。利用试块调整灵敏度的方法主要用于无底波和厚度尺寸小于3N的工件检测。如焊缝检测、钢板检测、钢管检测等。

此外，还可以利用工件某些特殊的固有信号来调整检测灵敏度，例如在螺栓检测中常利用螺纹波来调整检测灵敏度，在汽轮机叶轮键槽径向裂纹检测中常利用键槽圆角反射的键槽波来调整检测灵敏度。

6.5 缺陷位置的测定

超声波检测中缺陷位置的测定是确定缺陷在工件中的位置，简称定位。一般可根据示波屏上缺陷波的水平刻度值与扫描速度来对缺陷定位。 6.5.1 纵波（直探头）检测时缺陷定位

仪器按1∶n调节纵波扫描速度，缺陷波前沿所对的水平刻度值为τf、测缺陷至探头的距隔xf为：

xf=nτf （6.7） 若探头波束轴线不偏离，则缺陷正位于探头中心轴线上。 例如用纵波直探头检测某工件，仪器按１∶２调节纵波扫描速度，检测中示波屏上水平刻度值７０处出现一缺陷波，那么此缺陷至探头的距离xf:

xf=nτf=2370=140（mm）

6.5.2 表面波检测时缺陷定位

表面波检测时，缺陷位置的确定方法基本同纵波。只是缺陷位于工件表面，并正对探头中心轴线。

例如表面波检测某工件，仪器按1∶1调节表面波扫描速度，检测中在示波屏水平刻度60处出现一缺陷波，则此缺陷至探头前沿距离xf为：

xf=nτf=1360=60（mm）

6.5.3横波检测平面时缺陷定位

横波斜探头检测平面时，波束轴线在探测面处发生折射，工件中缺陷的位置由探头的折射角和声程确定或由缺陷的水平和垂直方向的投影来确定。由于横波速度可按声程、水平、深度来调节，因此缺陷定位的方法也不一样。下面分别加以介绍。

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1.按声程调节扫描速度时

仪器按声程１∶n调节横波扫描速度，缺陷波水平刻度为τf。 一次波检测时，如图4.19（a），缺陷至入射点的声程xf=nτf，如果忽略横线孔直径，则缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为：

?lf?xfsin??n?fsin? （6.8） ?d?xcos??n?cos??fff

图6.20 横波检测缺陷定位

（a）一次波 （b）二次波

二次波检测时，如图6.20（b）缺陷至入射点的声程xf=nτf，则缺陷在工件中的水平距

离lf和深度df为

?lf?xfsin??n?fsin? (6.9) ?d?2T?xcos??2T?n?cos??fff式中 T——工件厚度；

β——探头横波折射角。 2.按水平调节扫描速度时

仪器按水平距离1∶n调节横波扫描速度，缺陷波的水平刻度值为τf，采用K值探头检测。

一次波检测时，缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为：

?lf?n?f??lfn?f (6.10) d??f??KK二次波检测时，缺陷波在工件中的水平距离lf和深度df为。

?lf?n?f??lfn?f (6.11) df?2T??2T???KK例如用K2横波斜探头检测厚度T=150 mm的钢板焊缝，仪器按水平1∶1调节横波扫描

速度，检测中在水平刻度τf=45处出现一缺陷波，求此缺陷的位置。

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由于KT=2315=30，2KT=60，KT＜τf=45＜2KT，因此可以判定此缺陷是二次波发现的。那么缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为：

lf?n?f?1?45?45(mm)df?2T? lf45?2?15??7.5(mm)K23.按深度调节扫描速度时

仪器按深度1∶n调节横波扫描速度，缺陷波的水平刻度值为τf，采用K值探头检测。一次波检测时，缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为：

?lf?Kn?f (6.12) ?d?n??f0f二次波检测时，缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为：

lf?Kn?fdf?2T?n?f (6.13)

例如用K1.5横波斜探头检测厚度T=300 mm的钢板焊缝，仪器按深度1∶1调节横波扫

描速度，检测中在水平刻度τ=40处出现一缺陷波发,求此缺陷位置。

由于T＜τf＜2T,因此可以判定此缺陷是二次波发现的。缺陷在工件中的水平距离lf和深度df为：

lf=Knτf=1.531340=60(mm) df=2T-nτf=2330-1340=20(mm)

6.5.4 横波周向探测圆柱曲面时缺陷定位

前面讨论的是横波检测中探测面为平面时的缺陷定位问题。当横波探测圆柱面时，若沿轴向探测，缺陷定位与平面相同；若沿周向探测，缺陷定位则与平面不同。下面分外圆和内壁探测两种情况加以讨论。

1.外圆周向探测

?如图6.21所示，外圆周向探测圆柱曲面时，缺陷的位置由深度H和弧长L来确定,显然?H、 L与平板工件中缺陷的深度d和水平距离l是有较大差别的。

图6.21中:

AC=d(平面工件中缺陷深度)

BC=dtgβ=Kd=l(平板工件中缺陷水平距离) AO=R，CO=R-d

tg??BCKdKd?,??tg-1OCR?dR?d BO?(Kd)2?(R?d)2

图6.21 外圆周向探测定位法

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从而可得：

?H?OD?OB?R?(Kd)2?(R?d)2? (6.14) ??R??R?-1Kd?tg?L?180180R?d?

由（4.14）式算出用K1.0探头外圆周向探测φ 2 3883148(外径3壁厚)圆柱曲面时不

?同d值所对应的H和L列于表4.1。

表6.1 外圆周向探测定位修正表K1.0

d(l) 10 ?L 10 H 10 20 20 20 30 31 30 40 41 39 50 52 49 60 63 58 70 74 68 80 85 77 90 97 86 100 109 95 110 120 104 120 132 113 130 145 122 140 157 131 150 170 139 160 183 148 ?从表6.1可以看出，当探头从圆柱曲面外壁作周向探测时，弧长L总比水平距离l值大，但深度H却总比d值小，而且差值随d值增加而增大。

2.内壁周向探测

?如图6.22所示，内壁周向探测圆柱曲面时，缺陷的位置由深度h和孤长l来确定，这

?里的h和l与平板工件中缺陷深度d和水平距离l是有较大差别的。

图6.22中：

AC=d（平板工件中缺陷的深度）

BC=dtgβ=Kd=l(平板工件中缺陷的水平距离) AO=r,CO=r+d tg?=BCKdKd?,??tg-1OCr?dr?d BO?(Kd)2?(r?d)2

图6.22 内壁周向探测

从而可得：

?h?OB?OD?(Kd)2?(r?d)2?r? ??r?? (6.15) r?-1Kdl??tg?180180r?d?由（4.15）式算出用K1.0探头内壁周向探测φ2 3883148圆柱曲面时，不同d值所对应的

?K和 l值列于表6.2。

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定的dB值来测定缺陷的长度。降低的分贝值有3 dB、6 dB、10 dB、12 dB、20 dB、等几种。常用的是6 dB法和端点6 dB法。

（1）6 dB法（半波高度法）：由于波高降低6 dB后正好为原来的一半，因此6 dB法又称为半波高度法。

半波高度法具体做法是：移动探头找到缺陷的最大反射波（不能达到饱和）然后沿缺陷方向左右移动探头，当缺陷波高降低一半时，探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度。

6 dB法的具体做法是：移动探头找到缺陷的最大反射波后，调节衰减器，使缺陷波高降至基准波高。然后用衰减器将仪器灵敏度提高6 dB，沿缺陷方向移动探头，当缺陷波高降至基准波高时，探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度，如图4.29所示。

半波高度法（6 dB法）是用来对缺陷测长较常用的一种方法。适用于测长扫查过程中缺陷波只有一个高点的情况。

（2）端点6 dB法（端点半波高度法）：当缺陷各部分反射波高有很大变化时，测长采用端点6 dB法。

端点6 dB法测长的具体做法是：当发现缺陷后，探头沿着缺陷方向左右移动，找到缺陷两端的最大反射波，分别以这两个端点反射波高为基准，继续向左、向右移动探头，当端点反射波高降低一半时（或6 dB时），探头中心线之间的距离即为缺陷的指示长度，如图6.27所示。这种方法适用于测长扫查过程中缺陷反射波有多个高点的情况。

图6.27 端点6 dB法测长 图6.28 绝对灵敏度测长法 半波高度法和端点6 dB法都属于相对灵敏度法，因为它们是以被测缺陷本身的最大反射波或以缺陷本身两端最大反射波为基准来测定缺陷长度的。

2.绝对灵敏度测长法

绝对灵敏度测长法是在仪器灵敏度一定的条件下，探头沿缺陷长度方向平行移动，当缺陷波高降到规定位置时（如图6.28所示B线）探头移动的距离，即为缺陷的指示长度。

绝对灵敏度测长法测得的缺陷指示长度与测长灵敏度有关。测长灵敏度高，缺陷长度大。在自动检测中常用绝对灵敏度法测长。

3.端点峰值法

探头在测长扫查过程中，如发现缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点时，则可以缺陷两端反射波极大值之间探头的移动长度来确定为缺陷指示长度，如图6.29所示。这种方法称为端点峰值法。

端点峰值法测得的缺陷长度比端点6 dB法测得的指示长度要小一些。端点峰值法也只适用于测长扫查过程中，缺陷反射波有多个高点的情况。

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图6.29 端点峰值测长法

6.6.3 底波高度法

底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。

当工件中存在缺陷时，由于缺陷反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高与底波波高之比就愈大。

底波高度法常用以下几种方法来表示缺陷的相对大小。 1.F/BF法

F/BF法是在一定的灵敏度条件下，以缺陷波高F与缺陷处底波高BF之比来衡量缺陷的相对大小，如图6.30（a）。

2.F/BG法

F/BG法法是在一定的灵敏度条件下，以缺陷波高F与无缺陷处底波高BG之比来衡量缺陷的相对大小，如图6.30（b）。

图6.30 底波高度法

（a）F/BF (b)F/BG

3.BG/BF法

BG/BF法是在一定的灵敏度条件下，以无缺陷处底波BG与缺陷处底波BF之比来衡量缺陷的相对大小。

底波高度法不用试块，可以直接利用底波调节灵敏度和比较缺陷的相对大小，操作方便。但不能给出缺陷的当量尺寸，同样大小的缺陷，距离不同，F/BF不同，距离小时F/BF大，距离大时F/BF小。因此F/BF相同的缺陷当量尺寸并不一定相同。此外底波高度法只适用于具有平行底面的工件。

最后还要指出：对于较小的缺陷底波B1往往饱和；对于密集缺陷往往缺陷波不明显，这时上述底波高度法就不适用了，但这时可借助于底波的次数来判定缺陷的相对大小和缺陷

26

的密集程度。底波次数少，缺陷尺寸大或密集程度严重。

底波高度法可用于测定缺陷的相对大小、密集程度、材质晶粒度和石墨化程度等。

6.7 缺陷自身高度的测定

设备的安全可靠性除与缺陷长度有关外，还与缺陷自身高度有关。在脆性断裂破坏中，有时缺陷高度比长度更为重要。然而缺陷高度测定比长度困难更大。迄今为止，缺陷高度测定，还处于研究阶段。虽然测定方法较多，但实际应用时，测量精度不高，误差较大。下面介绍几种用得较多的方法。

这里的缺陷包括表面开口和未开口缺陷，表面开口缺陷又分为上表面开口和下表面开口两种情况。

6.6.1 表面波波高法

如图6.31所示，表面波入射到上表面开口缺陷时，会产生一个反射回波，其波高与缺陷深度有关。当缺陷深度较小时，波高随缺陷深度增加而升高。实际探测中，常加工一些具有不同深度的人工缺陷试块，利用试块比较法来确定缺陷的深度。

这种方法只适用于测试深度较小的表面开口缺陷。当缺陷深度超过两倍波长时，测试误差大。

图6.31 表面波波高法 图6.32 单探头表面波时延法

6.7.2 表面波时延法

（1）单探头法：如图6.32所示，仪器按表面波声程1∶n调节比例，表面波在缺陷开口A处和尖端B处产生A、B两个反射回波。根据A、B波前沿所对的水平刻度值τA、τB确定缺陷深度h。

n(?B??A) (6.19) h?2这种方法只适用于深度较大的开口缺陷。深度太小，难以分辨。缺陷表面过于粗糙，测试误差增加。如果缺陷中充满了油或水，误差会更大。

（2）双探头法：如图6.33所示。仪器按表面波声程1∶n调节比例，先将两个一发一收的表面波探头置于无缺陷处的工件表面，这时示波屏上出现一个波H1，记录该波前沿的刻度值?1和两探头之间距a，然后将两探头置于缺陷两测，间距保持不变，这时发射探头发出的表面波绕过缺陷被接收探头接收，示波屏上出现一个波H2，其水平刻度值为τ2这时缺陷的深度h为：

n(?2??1) （6.20） h?2 27

图6.33 双探头表面波时延法

这种方法只适用于测量表面开口缺陷。实验室测试误差可达±1mm。但当缺陷内含油或水等液体时，表面波有可能跨越缺陷开口，使测试误差大大增加。此外，缺陷端部太尖锐，接收到的波低甚至接收不到。还有缺陷表面过于粗糙，接收回波低，且误差增大。 6.7.3 端部回波峰值法

如图6.34所示，当横波斜探头主声束轴线打到缺陷端部时，产生一个较高的回波F。根据探头前沿至缺陷的距离a和探头的K（β）值可得缺陷深度h为：

a?l0a?l0h?? （6.21）

tg?K式中 l0——探头前沿长度。

图6.34 横波端部回波峰值法

试验表明，缺陷深度的测试误差与探头的K（β）值有关。当K值大于1.0时误差较大。当K=1.0时误差较小。

利用端部回波峰值法还可测定表面未开口缺陷的高度，如图6.35所示。当声波主声束轴线入射到缺陷中部时，由于缺陷表面凹凸不平，示波屏上将产生回波F。当探头前后移至1、2处时，波束轴线打到缺陷上、下端点，产生较强的回波F1、F2，据1、2处的声程x1、x2和探头的K（β）值可求得缺陷自身高度h：

h1?x1cos?,h2?x2cos?

h?h2?h1?(x2?x1)cos? ( 6.22)

利用探头1、2处的间距a也可求得h：

aah?? （6.23）

tg?K 28

图6.35 端部回波峰值法测未开口缺陷

当缺陷倾斜时，根据缺陷端部回波声程和探头的K（β）值，利用有关的几何关系同样可以求得缺陷的尺寸。具体方法这里不再赘述。

这种方法对于上端点至表面的距离小于5mm和缺陷，测试困难大。 横波端部回波峰值法是目前应用较广的一种方法，其测试误差较小。特别是采用点聚焦探头来测试，精度更是明显提高。 6.7.4 横波端角反射法

如图6.36（a）所示，横波入射到下表面开口缺陷时产生端角反射回波，其回波高与缺陷深度h同波长λ之比h/λ有关。如图6.36（b）所示，缺陷深度在2mm内，波高随h/λ的变化不是单调的，而是起伏变化。特别是探头K（β）值较大，这种起伏变化更大。因此实测中常用对比试块来测定缺陷的深度。这种方法用于测试下表面开口缺陷深度。

图6.36 横波端角反射法

（a）矩形槽试块 （b）矩形槽回波与h/λ关系

6.7.5 横波串列式双探头法

如图6.37所示,对于表面光洁且垂直于探测面的缺陷,单探头接收不到缺陷反射波。需用两个K（β）值相同的斜探头进行串列式探测来测定缺陷的高度。这时两个探头作一发一收,当工件中无缺陷时,接收探头接收不到回波。当工件中存在缺陷时，发射探头发出的波从缺陷反射到底面，再从底面反射至接收探头，在示波屏上产生一个回波。该回波位置固定不动。两探头前后平行扫查，确定声束轴线入射到缺陷上下端点时的位置A、A′和B、B′。然后根据探头A、B处的距离AB和K（β）值求得h：

29

h?ABABH1?H2?? （6.24） tg?K2K式中 H1——探头A、A′位置的间距；

H2——探头B、B′位置的间距。

图6.37 横波串列式双探头法 图6.38 串列式扫查死区

串列式双探头法测定缺陷下端点时,存在一个探测不到的死区,如图6.38所示。死区高度h′取决于两探头靠在一起时两入射点的距离b（即探头长度）

bbh??? （6.25）

2tg?2K式中 β——探头的折射角，K=tgβ。

这种方法用于测试表面未开口缺陷高度。 6.7.6 相对灵敏度10dB法

如图6.39所示，先用一次波找到缺陷最高回波，前后移动探头，确定缺陷回波下降10dB时探头的位置A、B。最后根据A、B位置的声程x1、x2和K（β）求得h：

h?x2cos?2?x1cos?1 (6.26)

式中 β1、β2——声束轴线声压下降10dB时的折射

角，可用试块上的人工缺陷测定。

相对灵敏度法也可采用6dB、20dB法测定，测试方法同10dB法。目前国内处用得较多的是10dB。

6.7.7 衍射波法 图6.39 相对灵敏度10dB

如图6.40所示，将两个K（β）值相同的斜探头置于缺陷两侧，作一发一收。发射探头发出的波在缺陷端部产生衍射。被接收探头接收，平行对称移动探头找到最高回波。这是缺陷深度h为：

图6.40 衍射波法

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h?aa? （6.27） 2tg?2K这种方法适用于检测高度≥3mm的表面开口缺陷。测试误差约±1～2mm。 6.7.8 6dB法

如图6.41所示，当横波斜探头主声束轴线打到缺陷端部时，产生一个较高的回波F。，当F。降为半波高度（6dB法）时，探头前沿至缺陷的距离a和探头的K（β）值可得缺陷深度h为：

a?l0a?l0h?? （6.28）

tg?K式中： l0——探头前沿长度。

图6.41 横波端部回波峰值法

利用、6dB法还可测定表面未开口缺陷的高度，如图6.42所示。当声波主声束轴线入射到缺陷中部时，由于缺陷表面凹凸不平，示波屏上将产生回波F。，探头前后移动波束轴线打到缺陷上、下端点，产生较强的回波F1、F2，当F1、F2降为半波高度（6dB法）时，探头位于1、2处，据1、2处的声程x1、x2和探头的K（β）值可求得缺陷自身高度h：

h1?x1cos?,h2?x2cos?

h?h2?h1?(x2?x1)cos? (6.29)

利用探头1、2处的间距a也可求得h：

aah?? （6.30）

tg?K

图6.42 端部回波峰值法测未开口缺陷

6.8 影响缺陷定位、定量的主要因素

目前A型脉冲反射式超声波检测仪是根据荧光屏上缺陷波的位置和高度来评价被检工件中缺陷的位置和大小，然而影响缺陷波位置和高度的因素很多。了解这些影响因素，对于

31

提高定位、定量精度是十分有益的。 6.8.1 影响缺陷定位的主要因素

1．仪器的影响 （1）仪器水平线性:仪器水平线性的好坏对缺陷定位有一定的影响。当仪器水平线性不佳时,缺陷定位误差大。

（2）仪器水平刻度精度：仪器时基线比例是根据未波屏上水平刻度值来调节的，当仪器水平刻度不准时，缺陷定位误差增大。

2．探头的影响

（1）声束偏离：无论是垂直入射还是倾斜入射检测，都假定波束轴线与探头晶片几何中心重合。当实际上这两者往往难以重合。当实际声束轴线偏离探头几何中心轴线较大时，缺陷定位精度定会下降。

（2）探头双峰：一般探头发射的声场只有一个主声束，远场区轴线上声压最高。但有些探头性能不佳，存在两个主声束。发现缺陷时，不能判定是哪个主声束发现的，因此也就难以确定缺陷的实际位置。

（3）斜楔磨损：横波探头在检测过程中，斜楔将会磨损。当操作者用力不均时，探头斜楔前后磨损不同。当斜楔后面磨损较大时，折射角增大，探头K值增大。当斜楔前面磨损较大时，折射角减小，K值也减小。此外，探头磨损还会使探头入射点发生变化，影响缺陷定位。

（4）探头指向性：探头半扩散角小，指向性好，缺陷定位误差小，反之定位误差大。 3．工件和影响

（1）工件表面粗糙度：工件表面粗糙，不仅耦合不良，而且由于表面凹凸不平，使声波进入工件的时间产生差异。当凹槽深度为λ/2时，则进入工件的声波相位正好相反，这样就犹如一个正负交替变化的次声源作用在工件上，使进入工件的声波互相干涉形成分叉，如图6.43所示，从而使缺陷定位困难。

图6.43 粗糙表面引起的声束分叉

（2）工件材质：工件材质对缺陷定位的影响可从声速和内应力两方面来讨论。当工件与试块的声速不同时，就会使探头的K值发生变化。另外，工件内应力较大时，将使声波的传播速度和方向发生变化。当应力方向与波的传播方向一致时，若应力为压缩应力，则应力作用使试件弹性增加，这时声速加快。反之，若应力为拉伸应力，则声速减慢。当应力与波的传播方向不一致时，波动过程中质点振动轨迹受应力干扰，使波的传播方向产生偏离，影

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响缺陷定位。

（3）工件表面形状：探测曲面工件时，探头与工件接触有两种情况。一种是平面与曲面接触，这时为点或线接触，握持不当，探头折射角容易发生变化。另一种是将探头斜楔磨成曲面,探头与工件曲面接触，这时折射角和声束形状将发生变化，影响缺陷定位。

（4）工件边界：当缺陷靠近工件边界时，由于侧壁反射波与直接入射波在缺陷处产生干涉，使声场声压分布发生变化，声束轴线发生偏离、使缺陷定位误差增加。

（5）工件温度：探头的K值一般是在室温下测定的。当探测的工件温度发生变化时，工件中的声速发生变化，使探头的折射角随之发生变化，如图6.44所示。图中曲线表示β＞45°的探头折射角变化情况。当温度低于20°时，β<45°。当温度高于20°时，β＞45°。

图6.44 温度对折射角的影响

（6）工件中缺陷情况：工件内缺陷方向也会影响缺陷定位。缺陷倾斜时，扩散波未入射至缺陷时回波较高；而定位时误认为缺陷在轴线上，从而导致定位不准。

4．操作人员的影响

（1）仪器时基线比例：仪器时基线比例一般在试块上调节，当工件与试块的声速不同时，仪器的时基线比例发生变化，影响缺陷定位精度。另外，调节比例时，回波前沿没有对准相应水平刻度或读数不准。使缺陷定位误差增加。

（2）入射点、K值：横波探测时，当测定探头的入射点、K值误差较大时，也会影响缺陷定位。

（3）定位方法不当：横波周向探测圆筒形工件时，缺陷定位与平板不同，若仍按平板工件处理，那么定位误差将会增加。例如JB1152-81标准规定声程修正系数μ=1.1且工件内外半径之比γ/R小于某一规定值时（K=1.0，γ/R＜0.86；K=2.0，γ/R<0.96；K=2.5，γ/R＜0.975＝,要用曲面试块修正,否则定位误差大。 6.8.2 影响缺陷定量的因素

1．仪器及探头性能的影响

仪器和探头性能的优劣，对缺陷定量精度影响很大。仪器的垂直线性、衰减器精度、频率、探头形式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影响回波高度。因此，在检测时，除了要选择垂直线性好、衰减器精度高的仪器外，还要注意频率、探头形式、晶片尺寸和折射角的选择。

（1）频率的影响：由?Bf?20lg2?x2f?20lg2cx2f?D2fxB?fD2fxB可知，超声波频率f对于大平底

33

与平底孔回波高度的分贝差ΔBf有直接影响。f增加，ΔBf减少，f减少。ΔBf增加。因此在实际检测中，频率f偏差不仅影响利用底波调节灵敏度，而且影响用当量计算法对缺陷定量。

（2）衰减器精度和垂直线性的影响：A型脉冲反射式超声波检测仪是根据相对波高来对缺陷定量的。而相对波高常用衰减器来度量。因此衰减器精度直接影响缺陷定量，衰减器精度低定量误差大。

当采用面板曲线图对缺陷定量时，仪器的垂直线性好坏将会影响缺陷定量精度。垂直线性差，定量误差大。

（3）探头形式和晶片尺寸的影响：不同部位不同方向的缺陷，应采用不同形式的探头。如锻件、钢板中的缺陷大多平行于探测面，宜采用纵波直探头。焊缝中危险性大的缺陷大多垂直于探测面。宜采用横波探头。对于工件表面缺陷，宜采用表面波探头。对于近表面缺陷，宜采用分割式双晶探头。这样定量误差小。

晶片尺寸影响近场区长度和波来指向性，因此对定量也有一定的影响。

（4）探头K值的影响：超声波倾斜入射时，声压往复透射率与入射角有关。对于横波K值斜探头而言，不同K值的探头的灵敏度不同。因此探头K值的偏差也会影响缺陷定量。特别是横波检测平板对接焊缝根部未焊透等缺陷时，不同K值探头探测同一根部缺陷，其回波高相差较大，当K=0.7～1.5（βs=35°～55°）时，回波较高，当K=1.5～2.0（βs=55°～63°）时，回波很低，容易引起漏检。

2．耦合与衰减的影响

（1）耦合的影响：超声波检测中，耦合剂的声阻抗和耦合层厚度对回波高度有较大的影响。

由（1.37）式可知,当耦合层厚度等于半波长的整数倍时,声强透射率与耦合剂性质无关。当耦合层厚度等于λ2/4的奇数倍，声阻抗为两侧介质声阻抗的几何平均值（Z2=√Z1Z3）时，超声波全透射。因此，实际检测中耦合剂的声阻抗，对探头施加的压力大小都会影响缺陷回波高度，进而影响缺陷定量。

此外，当探头与调灵敏度用的试块和被探工件表面耦合状态不同时，而又没有进行恰当的补偿，也会使定量误差增加，精度下降。

（2）衰减的影响：实际工件是存在介质衰减的，由介质衰减引起的分贝差Δ=2ax可知，当衰减系数?较大或距离x较大时，由此引起的衰减Δ也较大。这时如果仍不考虑介质衰减的影响，那么定量精度势必受到影响。因此在检测晶粒较粗大和大型工件时，应测定材质的衰减系数?，并在定量计算时考虑介质衰减的影响。以便减少定量误差。

3．试件几何形状和尺寸的影响

试件底面形状不同,回波高度不一样,凸曲面使反射波发散,回波降低:凹曲面使反射波聚，回波升高。对于圆柱体而言,外圆径向探测实心圆柱体时。入射点处的回波声压理论上同平底面试件。但实际上由于圆柱面耦合不及平面，因而其回波低于平底面。实际检测中应综合考虑以上因素对定量的影响，否则会使定量误差增加。

试件底面与探测面的平行度以及底面的光洁度、干净程度也对缺陷定量有较大的影响。当试件底面与探测面不平行、底面粗糙或沾有水迹、油污时将会使底波下降，这样利用底波调节的灵敏度将会偏高，缺陷定量误差增加。

当探测试件侧壁附近的缺陷时，由于侧壁干涉的结果而使定量不准，误差增加。侧壁附近的缺陷，靠近侧壁探测回波低，远离侧壁探测反而回波高。为了减少侧壁的影响，宜选用频率高、晶片直径大的指向性好的探头探测或横波探测。必要时还可采用试块比较法来定量，以便提高定量精度。

试件尺寸的大小对定量也有一定的影响。当试件尺寸较小，缺陷位于3N以内时，利用

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底波调灵敏度并定量，将会使定量误差增加。

4．缺陷的影响

（1）缺陷形状的影响：试件中实际缺陷的形状是多种多样的，缺陷的形状对其回波波高有很大影响。平面形缺陷波高与缺陷面积成正比。与波长的平方和距离的平方成反比；球形缺陷波高与缺陷直径成正比，与波长的一次方和距离的平方成反比；比圆柱形缺陷波高与缺陷直径的1/2次方成正比，与波长的一次方和距离的3/2次方成反比。

对于各种形状的点状缺陷，当尺寸很小时，缺陷形状对波高的影响就变得很小。当点状缺陷直径远小于波长时，缺陷波高正比于缺陷平均直径的三次方，即随缺陷大小的变化十分急剧。缺陷变小时，波高急剧下降，很容易下降到检测仪不能发现的程度。

（2）缺陷方位的影响：前面谈到的情况都是假定超声波入射方向与缺陷表面是垂直的，但实际缺陷表面相对于超声波入射方向往往不垂直。因此对缺陷尺寸估计偏小的可能性很大。

声波垂直缺陷表面时缺陷波最高。当有倾角时，缺陷波高随入射角的增大而急剧下降。图6.45给出一光滑面的回波波高随声波入射角变化的情况。声波垂直入射时，回波波高为1，当声波入射角为2.5°时，波幅下降到1/10，倾斜12°时，下降至1/1000，此时仪器已不能检出缺陷。

图6.45 光滑面波高与入射角的关系

（3）缺陷波的指向性：缺陷波高与缺陷波的指向性有关，缺陷波的指向性与缺陷大小有关，而且差别较大。

垂直入射于圆平面形缺陷时，当缺陷直径为波长的2～3倍以上时，具有较好的指向性，缺陷回波较高。当缺陷直径低于上述值时，缺陷波指向性变坏，缺陷回波降低。

当缺陷直径大于波长的3倍时，不论是垂直入射还是倾斜入射，都可把缺陷对声波的反射看成是镜面反射。当缺陷直径小于波长的3倍时，缺陷反射不能看成镜面反射，这时缺陷波能量呈球形分布。垂直入射和倾斜入射都有大致相同的反射指向性。表面光滑与否，对反射波指向性已无影响。因此，检测时倾斜入射也可能发现这种缺陷。

（4）缺陷表面粗糙度的影响：缺陷表面光滑与否，用波长衡量。如果表面凹凸不平的高度差小于1/3波长，就可认为该表面是平滑的，这样的表面反射声束类似镜子反射光束。否则就是粗糙表面。

对于表面粗糙的缺陷，当声波垂直入射时，声波被乱反射，同时各部分反射波由于人相位差而产生干涉，使缺陷回波波高随粗糙度的增大而下降。当声波倾斜入射时，缺陷回波波高随着凹凸程度与波长的比值增大而增高。当凹凸程度接近波长时，即使入射角较大，也能接到到回波。

（5）缺陷性质的影响：缺陷回波波高受缺陷性质的影响。声波在界面的反射率是由界面两边介质的声阻抗决定的。当两边声阻抗差异较大时，近似地可认为是全反射，反射声波强。当差异较小时，就有一部分声波透射，反射声波变弱。所以，试件中缺陷性能不同，大

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小相同的缺陷波波高不同。

通常含气体的缺陷，如钢中的白点、气孔等，其声阻抗与钢声阻抗相差很大，可以近似地认为声波在缺陷表面是全反射。但是，对于非金属夹杂物等缺陷，缺陷与材料之间的声阻抗差异较小，透射的声波已不能忽略，缺陷波高相应降低。

另外，金属中非金属夹杂的反射与夹杂层厚度有关，一般地说，层厚小于1/4波长时，随层厚的增加反射相应增加。层厚超过1/4波长时，缺陷回波波高保持在一定水平上。

（6）缺陷位置的影响：缺陷波高还与缺陷位置有关。缺陷位于近场区时，同样大小的缺陷随位置起伏变化，定量误差大。所以，实际检测中总是尽量壁免在近场区检测定量。

6.9 缺陷性质分析

超声波检测除了确定工件中缺陷的位置和大小外，还应尽可能判定缺陷的性质。不同性质的缺陷危害程度不同，例如裂纹就比气孔、夹渣危害大得多。因此，缺陷定性十分重要。

缺陷定性是一个很复杂的问题，目前的A型超声波检测仪只能提供缺陷回波的时间和幅度两方面的信息。检测人员根据这两方面的信息来判定缺陷的性质是有困难的。实际检测中常常是根据经验结合工件的加工工艺、缺陷特征、缺陷波形和底波情况来分析估计缺陷的性质。

6.9.1 根据加工艺分析缺陷性质

工件内所形成的各种缺陷与加工工艺密切相关。例如焊接过程中可能产生气孔、夹渣、未熔合、未焊透和裂纹等缺陷。铸造过程中可能产生气孔、缩孔、疏松和裂纹等缺陷。锻造过程中可能产生夹层、折叠、白点和裂纹等缺陷。在检测前应查阅有关工件的图纸和资料，了解工件的材料、结构特点、几何尺寸和加工工艺，这对于正确判定估计缺陷的性质是十分有益的。

6.9.2 根据缺陷特征分析缺陷性质

缺陷特征是指缺陷的形状、大小和密集程度。

对于平面形缺陷，在不同的方向上探测，其缺陷回波高度显著不同。在垂直于缺陷方向探测，缺陷回波高；在平行于缺陷方向探测，缺陷回波低，甚至无缺陷回波。一般的裂纹、夹层、折叠等缺陷就属于平面形缺陷。

对于点状缺陷，在不同的方向探测，缺陷回波无明显变化。一般的气孔、夹渣等属于点状缺陷。

对于密集形缺陷，缺陷波密集互相彼连，在不同的方向上探测，缺陷回波情况类似。一般白点、疏松、密集气孔等属于密集形缺陷。 6.9.3 根据缺陷波形分析缺陷性质

缺陷波形分为静态波形和动态波形两大类。静态波形是指探头不动时缺陷波的高度、形状和密集程度。动态波形是指探头在探测面上的移动过程中，缺陷波的变化情况。 6.9.3.1．静态波形

缺陷内含物的声阻抗对缺陷回波高度有较大的影响，白点、气孔等内含气体，声阻抗很小反射回波高。非金属或金属夹渣声阻抗较大，反射回波低。另外，不同类型缺陷反射波的形状也有一定的差别。例如气孔与夹渣，气孔表面较平滑，界面反射率高，波形陡直尖锐。而夹渣表面粗糙，界面反射率低，同时还有部分声波透入夹渣层，形成多次反射，波形宽度大并带锯齿，如图6.46。以上特点对于区分气孔与夹渣是有参考价值的。

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图6.46 气孔和夹渣的静态波形

单个缺陷与密集缺陷的区分比较容易。一般单个缺陷回波是独立出现的，而密集缺陷则是杂乱出现，且互相彼连。 6.9.3.2．动态波形

超声波入射到不同性质的缺陷上，其动态波形是不同的。为了便于分析估计缺陷的性质，常绘出动态波形图。动态波形图横坐标为探头移动距离，纵坐标为波高。常见不同性质的缺陷的动态波形类型如下所示。

1. 波形模式Ⅰ

图6.47 表示点反射体产生的波形模式Ⅰ，即在荧光屏上显示出的一个尖锐回波。当探头前后、左右扫查时，其幅度平滑地由零上升到最大值，然后又平滑地下降到零，这是尺寸小于分辨力极限（即缺陷尺寸小于超声探头在缺陷位置处声束直径）缺陷的信号特征。

图6.47 点反射体的回波动态波形

2. 波型模式Ⅱ

探头在各个不同的位置检测缺陷时，荧光屏上均显示一个尖锐回波。探头前后和左右扫查时，一开始波幅平滑地由零上升到峰值，探头继续移动时，波幅基本不变，或只在±4dB的范围内变化，最后又平滑地下降到零。图6.48表示声束接近垂直入射时，由光滑的大平面反射体所产生的波型模式Ⅱ。

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图6.48 接近垂直入射时光滑大平面反射体的回波动态波形

3. 波型模式Ⅲ 3.1 波形模式Ⅲa

探头在各个不同的位置检测缺陷时，荧光屏上均呈一个参差不齐的回波。探头移动时，回波幅度显示很不规则的起伏态（±6dB）。图6.49表示声束接近垂直入射，由不规则的大反射体所产生的波形Ⅲa。

图6.49 接近垂直入射时不规则大反射体的回波动态波形

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3.2 波型模式Ⅲb

探头在各个不同的位置检测缺陷时，荧光屏上显示脉冲包络呈钟形的一系列连续信号（有很多小波峰）。探头移动时，每个小波峰也在脉冲包络中移动，波幅由零逐渐升到最大值，然后波幅又下降到零，信号波幅起伏较大（±6dB）。图6.50表示声束倾斜入射时，由不规则大反射体所产生的动态波形Ⅲb。

图6.50 倾斜入射时不规则大反射体的回波动态波形

4. 波形模式Ⅳ

探头在各个不同的位置检测缺陷时，荧光屏上显示一群密集信号（在荧光屏时基线上有时可分辨，有时无法分辨），探头移动时，信号时起时伏。如能分辨，则可发现每个单独信号均显示波形Ⅰ的特征。图6.51表示由密集形缺陷所产生的反射动态波形Ⅳ。

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当探头在AB边上移动时，反射波的位置不变，其声程恒等于直角三角形61°角所对的直角边长BC。

实际检测中，当探头置于图6.56所示的IIW试块上或类似结构的工件上A处时，同样会产生61°反射。

这时61°反射的声程为

xA?d1?Rcos61??cL(d2?Rsin61?)cS （6.32）

?d1?1.82d2?2R当探头向左平行移动到B、C处时，还会出现两种反射回波。

B处是纵波反射角与入射角均等于45°，其声程为

xB?d1?Rcos45??d2?Rsin45??d1?d2?2Rsin45??d1?d2?1.414R （6.33）

C处是纵波垂直入射并反射，其声程为

xC?d1?R

对于IIW块，d1?70,d2?35,R?25，探头于A、B、C三处的回波声程分别为 xA?70?1.82?35?2?25?83.7(mm)xB?70?35?1.414?25?69.6(mm)xC?70?25?45(mm)

对于结构比较复杂的工件，如焊接结构的汽轮机大轴，为了有效的探测焊缝根部缺陷，特加工61°的斜面，利用61°反射来探测，从而获得较高的检测灵敏度，如图6.57所示。

图6.56 IIW试块上的61°反射 图6.57 61°反射的应用

6.10.3 三角反射

如图6.58所示，纵波直探头径向探测实心圆柱时，由于探头平面与柱面接触面积小，使波束扩散角增加，这样扩散波束就会在圆柱面上形成三角反射路径，从而在示波屏上出现三角发射波，人们把这种反射称为三角反射。

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图6.58 三角反射波

如图6.58（a）所示，纵波扩散波束在圆柱面上不发生波型转换，形成等边三角形反射，其回波声程为：

3x1?dcos30??1.3d （6.34）

2式中 d——圆柱体直径。

如图6.58（b）所示，纵波扩散波束在圆柱面上发生波型转换，即L→S→L，形成等腰三角形反射，其声程为：

1CLx2?dcosaL?dcos?S

2CS由?S?90??2?L和反射定律得：

sin?Lsin?LC??L sin?Scos2?SCS对于钢可求得?L?35.6?,?S?18.8?

15900?x2?dcos35.6???dcos18.8??1.67d （6.35）

23230由以上计算可知，两次三角反射波总是位于第一次底波B1之后，而且位置特定，分别为1.3d和1.67d，而缺陷波一般位于B1之前，因此三角反射波也不会干扰缺陷波的判别，如图6.58（c）所示。 6.10.4 其他非缺陷回波

实际检测中，还可能产生其他一些非缺陷回波。如探头杂波、工件轮廓回波、耦合剂反射波以及其他一些波等。

1．探头杂波

当探头吸收块吸收不良时，会在始波后出现一些杂波。当斜探头有机玻璃斜楔设计不合理时，声波在有机玻璃内的反射回到晶片，也会引起一些杂波。还有双晶直探头探测厚壁工件时，由于入射角比较小，声波在延迟块内的多次反射也可能产生一些非缺陷信号，干扰缺陷回波的判别。

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2．工件轮廓回波

当超声波射达工件的台价、螺纹等轮廓时在示波屏上将引起一些轮廓回波。如图6.59所示。

图6.59 轮廓回波

3．耦合剂反射波 表面波检测时，工件表面的耦合剂，如油滴或水滴都会引起回波，影响对缺陷波的判别。 4．幻象波

手动检测中，提高重复频率可提高单位时间内扫描次数，增强示波屏显示的亮度。但当重复频率过高时，第一个同步脉冲回波未来得及出现第二个同步脉冲又重新扫描。这样在示波屏上产生幻象波，影响缺陷波的判别。降低重复频率，幻象波消失。目前生产的新型超声波检测仪，[重复频率]与[深度范围]同轴调节，设计时考虑了重复频率与工件厚度的关系，一般不会产生幻象波。

5．草状回波（林状回波） 超声波检测中，当选用较高的频率检测晶粒较粗大的工件时，声波在粗大晶粒之间的界面上产生散乱反射，在示波屏上形成草状回波（又叫林状回波），影响对缺陷波的判别。降低探头频率，草状回波降低，信噪比提高。

6．焊缝中的变型波

声束入射到探头对侧焊缝下表面，当焊缝下表面的形状使αs<αⅢ时，焊缝中既有反射横波S′，也有变型反射纵波L′，如图6.60所示。

图6.60 声束入射到探头对侧焊缝下表面 图6.61变型波的产生示意图

焊缝中产生变型反射纵波后，不一定能在显示屏上显示出来，只有当波型纵波垂直入射至焊缝上表面某些特殊位置（如打磨圆滑的熔合线处、自动焊余高两边曲率最大处或近焊缝

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母材上的焊疤处等）时，再垂直反射，沿原路径返回倾斜入射至下表面，再进行一次波型转换，产生反射纵波和变型反射横波，其中变型反射横波沿原路径返回探头，被探头接收，在显示屏上显示出来，这就是通常所说的变型波，如图图6.61所示。

7.“山”形波 如图8所示，当变型纵波L′垂直入射至焊缝上表面的某些部位，其回波被探头接收；同时，反射横波S′也垂直入射至焊缝上表面的某些部位，其回波也同时被探头接收；再加上一次底波B1显示屏上会同时显示三个波，其形状像“山”字，俗称山形波，如图6.62所示。

8.其他变型波

如图6.63（a）所示，横波检测时可能出现由于变型纵波引起的回波。如图6.63（b）所示，表

面波检测时可能出现变型横波引起的回波。 图6.62 “山”形波

图6.63 横波表面波检测时产生的变型波

总之在检测过程中可能出现各种各样的非缺陷回波，干扰对缺陷波的判别。检测人员应注意应用超声波反射、折射和波型转换理论，并计算相应回波的声程来分析判别示波屏上可能出现的各种非缺陷回波，从而达到正确检测的目的。此外还可以采用更换探头来鉴别探头杂波，用手指沾油触摸法来鉴别轮廓界面回波。

6.11 侧 壁 干 涉

6.11.1 侧壁干涉对检测的影响

如图6.64所示，纵波检测时，探头若靠近侧壁，则经侧壁反射的纵波或横波与直接传播的纵波相遇产生干涉，对检测带来不利影响。图中曲线表示探头至侧壁三种不同距离时缺陷回波波高与至侧壁距离的关系。由图可以看出，对于靠近侧壁的缺陷，探头靠近侧壁正对缺陷，检测，缺陷回波低，探头远离侧壁检测反而缺陷回波高。当缺陷的位置给定时，存在一个最佳的探头位置，使缺陷回波最高，这个最佳探头位置总是偏离缺陷。这说明由于侧壁干涉的影响，改变了探头的指向性，缺陷最高回波不在探头轴线上，这样不仅会影响缺陷定量，而且会影响缺陷定位。

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图6.64 侧壁干涉对声场的影响

6.11.2 避免侧壁干涉的条件

在脉冲反射法检测中，一般脉冲持续的时间所对应的声程不大于4λ。因此，只要侧壁反射波束与直接传播的波束声程差大于4λ就可以避免侧壁干涉。

1．探头轴线上缺陷反射

如图6.65(a)所示,对于侧壁附近探头轴线上的小缺陷,避免侧壁干涉的条件为:

2W-a>4λ

式中 W——入射点至侧壁反射点的距离；

a——缺陷至探测面的距离； λ——超声波波长。

图6.65 避免侧壁干涉的条件

由图6.65（a）和牛顿二项式得：

a2aW??d2??d2(d/a??1)42

22d2W?a??4?a∴ 避免侧壁干涉的最小距离dmin为

dmin?2a?(mm)

对于钢：dmin?2a??3.5式中 a——缺陷至探测面的距离（mm）；

λ——超声波波长（mm）； ?——超声波频率（MHz）。

af(mm) （6.36）

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