第四章 超声波探伤方法和通用探伤技术

第四章 超声波探伤方法和通用探伤技术

By adan

第四章 超声波探伤方法和通用探伤技术

超声波探伤方法虽然很多，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同题，掌握这些通用技术对于发现缺陷并正确评价是很重要的。

第一节 超声波探伤方法概述

一、按原理分类

超声波探伤方法按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。 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4.l是缺陷回波探伤法的基本原理；当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，探伤图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图4.1(a)所示。

若试件中存中缺陷，在探伤图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F如图4.1(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4.2所示。

这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法，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探伤方法，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。

(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4.3所示。这种依据底面回波次数。而判断试件有无缺陷的方法，即为多次底波法。

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探伤，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情况的一种方法，如 图4.4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4。4(a)为无缺陷时的波形，图4.4(b)为有缺 陷时的波形。

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3.共振法

若声波(频率可凋的连续波)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。

式中 f0——工件的固有频率； fn、fn-1——相邻两共振频率； C——被检试件的声速； λ——波长； σ——试件厚度。

（4.1）

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。 二、按波形分类

根据探伤采用的波形，可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。 1.纵波法

使用直探头发射纵波，进行探伤的方法，称为纵波法。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4.5所示。

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、轧材及其制品的探伤，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探伤。

由于垂直法探伤时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比较方便。 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探伤的方法，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4.6所示。

此方法主要用于管材、焊缝的探伤。其它试件探伤时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现垂直探伤法不易发现的缺陷。 3.表面波法

使用表面波进行探伤的方法，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

使用板波进行探伤的方法，称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件探伤，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。 三、按探头数目分类 l.单探头法

使用一个探头兼作发射和接收超声波的探伤方法称为单探头法。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。

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单探头法探伤，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，能够受到部分回波或者因反射波束金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)进行探伤的方法称为双探头法。主要用于发现单探头法难以检缝的缺陷。 双探头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，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，如图4.7(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，适用与薄试件、近表面缺陷的探伤。

(2)交叉式：两个探头轴线交叉，交叉点为要探测的部位，如图4.7(b)所示。此种探伤方法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，如图4.7(c)所示。此种探伤方法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，如图4.7(d)所示。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，如图4 .7(e)所示。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)。两个探头在一个表面上移动，操作比较方便，是一种常用的探测方法。 3.多探头法

使用两个以上的探头成对地组合在～起进行探伤的方法，称为多探头法。多探头法的应用，主要是通过增加声束来提高探伤速度或发现各种取向的缺陷。通常与多通道仪器和自动扫描装置配合，如图4.8所示。

四、按探头接触方式分类

依据探伤时探头与试件的接触方式，可以分为接触法与液浸法。 1.直接接触法

探头与试件探测面之间，涂有很薄的耦合剂层，因此可以看作为两者直接接触，这种探伤方法称为直接接触法。

此方法操作方便，探伤图形较简单，判断容易，检出缺陷灵敏度高，是实际探伤中用得最多的方法。但是，直接接触法探伤的试件，要求探测面光洁度较高。 2.液浸法

将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法，称为液浸法。耦合剂可以是水，也可以是油。当以水为耦合剂时，称为水浸法。 液浸法探伤，探头不直接接触试件，所以此方法适用于表面粗糙的试件，探头也不易磨损，耦合稳定，探测结果重复性好，便于实现自动化探伤。

液浸法按探伤方式不同又分为全浸没式和局部浸没式。

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(1)全浸没式：被检试件全部浸没于液体之中，适用于体积不大，形状复杂的试件探伤，如图4.9(a)所示。

(2)局部浸没式：把被检试件的一部分浸没在水中或被检试件与探头之间保持一定的水层而进行探伤的方法，使用于大体积试件的探伤。局部浸没法又分为喷液式、通水式和满溢式。

1喷液式：超声波通过以一定压力喷射至探测表面的液流进入试件，称为喷液式如图4.9(b)所示。

2通水式：借助于一个专用的有进水、出水口的液罩，以使罩内经常保持一定容量的液体。这种方法称为通水式，如图4.9(c)。 3满溢式：满溢罩结构与同水式相似，但只有进水口，多余液体在罩的上部溢出，这种方法称为满溢式，如图4.9(d)所示。 根据探头与事件探测面之间液层的厚度，液浸法又可分为高液层法和低液层法。

第二节 仪器与探头的选择

探测条件的选择首先是指仪器和探头的选择。正确选择仪器和探头对于有效地发现缺陷，并对缺陷定位、定量和定性是至关重要的；实际探伤中要根据工件结构形状、加工工艺和技术要求来选择仪器与探头。 一、探伤仪的选择

超声波探伤仪是超声波探伤的主要设备。目前国内外探伤仪种类繁多，性能各异，探伤前应根据探测要求和现场条件来选择探伤仪。一般根据以下情况来选择仪器：

(l)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)对于弋型零件的探伤，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，抗干扰能力强的携带式仪器。 此外要求选择性能稳定、重复性好和可靠性好的仪器。 二、探头的选择

超声波探伤中，超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探头的种类很多，结构型式也不一样。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。探头的选择包括探头型式、频率、晶片尺寸和斜探头K值的选择等。 1.探头型式的选择

常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头表面波探头、双晶探头、聚焦探头等。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。

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。

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。

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

超声波探伤频率在O.5～10MHz之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因索。 (1)由于波的绕射，使超声波探伤灵敏度约为

，因此提高频率，有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。 (3)

可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。

(4)(5)

可知，频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。

可知，频率增加，衰减急剧增加。

由以上分析可知，频率的离低对探伤有较大的影响。频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对探伤有利。但频率高，近场区长度大，衰减大，又对探伤不利。实际探伤中要全面分析考虑各方面的因索，合理选择频率。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。 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，长用2.5～5.0MHz。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。如果频率过高，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。

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3.探头晶片尺寸的选择

探头圆晶片尺寸一般为υ10～υ30mm，晶片大小对探伤也有一定的影响，选择晶片尺寸时要考虑以下因素。 (l)

可知，晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。

(2)由N=等可知，晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。

(3)晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。

以上分析说明晶片大小对声柬指向性，近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响。实际探伤中，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。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。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。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.横渡斜探头K值的选择

在横波探伤中，探头的K值对探伤灵敏度、声束轴线的方向，一次波的声程(入射点至底面反射点的距离)有较大的影响。由图l.39可知，对于用有机玻璃斜探头探伤钢制工传，βs=40°(K=O.84)左右时，声压往复透射率最高，即探伤灵敏度最高。由K=tgβs可知，K值大，βs大，一次波的声程大。因此在实际探伤中，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，避免近场区探伤。当工件厚度较丈时，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。在焊缝探伤中，还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。对于单面焊根部未焊透，还要考虑端角反射问题，应使K=O.7～l.5，因为Kl.5，端角反射率很低，容易引起漏检。

第三节 耦合与补偿

一、耦合剂

超升耦合是指超声波在探测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合好。

为了提高偶合效果，在探头与工件表面之间施加的一层透声介质称为耦合剂。耦合剂的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，达到探伤的目的。此外耦合剂还有减少摩擦的作用。一般耦合剂应满足以下要求： (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。

超声波探伤中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。它们的声阻抗Z如下： 耦合剂 机油 水 水玻璃 甘油 Z310kg/m2s 1.28 1.5 2.17 2.46

由此可见，甘油声阻抗高，耦合性能好，常用于一重要工件的精确探伤，但价格较贵，对工件有腐蚀作用。水玻璃的声阻抗高，耦合性能好，常用于表面粗糙的工件探伤，但清洗不太方便，且对工件有腐蚀作用。水的来源广，价格低，常用于水浸探伤，但使工件生锈。机油和变压器油粘度、流动性、附着力适当，对工件无腐蚀、价格也不贵，因此是目前应用最广的耦合剂。 二、影响声耦合的主要因素

影响声耦合的主要因素有：耦合层的厚度，耦合剂的声阻抗，工件表面粗糙度和工件表面形状。 1.耦合层厚度的影响

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如图4.10所示，耦合层厚度对耦合有较大的影响。当耦合层厚度为为

的整数倍或很薄时，透声效果好，反射回波高

的奇数倍时，透声效果差，耦合不好，反射回波低。当耦合层厚度

2.表面粗糙度的影响

由图4.11可知，工件表面粗糙度对声耦合有明显的影响。对于同一耦合剂，表面粗糙度高，耦合效果差，反射回波低。声阻抗低的耦合剂，随粗糙度的变差，耦合效果降低得更快。但粗糙度也不必太低，因为粗糙度太低，耦合效果无明显增加。而且使探头因吸附力大而移动困难。

一般要求工件表面粗糙度Ra不高于6.3μm。 3.耦合剂声阻抗的影响

由图4.11还可以看出，耦合剂的声阻抗对耦合效果也有较大的影响。对于同一探测面，耦合剂声阻抗大，耦合效果好，反射回波高，例如表面粗糙度Rz=100 μm时，Z=2.4的甘油耦合回波比Z=l.5的水耦合回波高6～7dB。 4.工件表面形状的影响

工件表面形状不同，耦合效果不一样．其中平面耦合效果最好，凸曲面次之，凹曲面最差。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。

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(4.36)

这种方法适用于检测高≥3mm的表面开口缺陷。测试误差约±l～2mm。

第八节 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探伤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，对于提高定位、定量精度是十分有益的。 一、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示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探伤，都假定波束轴线与探头晶片几何中心重合，而实际上运两者往往难以重合。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：横渡探头在探伤过程中，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。当斜楔前面磨损较大时，折射角增大，探头K值增大。当斜楔后面磨损较大时．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.工件的影响

(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4.44所示，从而使缺陷定位困难。

(2)工件材质：工作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，遮时声速加快。反之，着应力为控傅应力，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戏曲面。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，由于侧壁反射波与匿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4.45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°。

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(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，扩散波束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：横波周向探测圆柱筒形工件时，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r/R小予某一规定值时(K=1.O，r/R<0.86；K=2.0，r/R

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，在探伤时，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 量。

可知，超声波频率f对于大平底与平底孔回波高度的分贝差△Bf，有直接影响。

f增加，△Bf减少．f减少。△Bf增加。因此在实际探伤中，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(2)衰减器精度和垂直线性的影响：A型脉冲反射式超声波探伤仪是根据相对波高来对缺陷定量的。而相对波高常常用衰减器来度量。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束指向性，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：超声波探伤中，耦合剂的声阻抗和耦合层厚嚏对回波高有较大的影响。 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，实际探伤中耦合剂的声阻抗．对探头施加的压力大小部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△1=2αχ可知，当衰减系数a较大或距离χ较大时，由此引起的衰减△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。因此在探伤晶粒较粗大和大型工件时，直测定材质的衰减系数a，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；凹曲面使反射波聚焦，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，因而其回波低千平底面。实际探伤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2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，远离测壁探测反而回波高。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；长圆柱形缺陷波高与缺陷直径的l/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，很容易下降到探伤仪不能发现的程度。

(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4.46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l，当声波入射角为2.5°时，波幅下降到1/lO，倾斜12°时，下降至l/1000，此时仪器已不能检出缺陷。

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(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倍以上是，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，探伤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l/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有相位差而产生干涉，使缺陷回波波高隧粗髓度的增大而下降。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，也能接触到回波。

(5)缺陷性质的影响：缺陷回波波高受缺陷性质的影响。声波在界而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，透射的声波己不能忽略，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l/4波长时，随层厚的增加反射相应增加。层厚超过l/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，实际探伤中总是尽量避免在近场区探伤定量。

第九节 缺陷性质分析

超声波探伤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型超声波探伤仪只能提供缺陷回波的时间和幅

度两方面的信息。探伤人员根据这两方面的信息来判定缺陷的性质是有困难的。实际探伤中常常是根据经验结合工件的加工工艺、缺陷特征、缺陷波形和底波博况来分析估计缺陷的性质。 一、根据加工工艺分析缺陷性质

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、来熔合、未焊透和裂纹等缺陷。铸造过程中可能产生气孔、缩孔、疏检和裂纹等缺陷。锻造过程中可能产生夹层、折叠、白点和裂纹等缺陷。在探伤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。 二、根据缺陷特征分析缺陷性质

缺陷特性是指缺陷的形状、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、小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。 三、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渡的高度、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。 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、气孔等内食气体，声阻抗很小，反射回波高。菲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，界面反射率离，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，波形宽痊大并带锯齿，如图4.47。以上特点对于区分气孔与夹渣是有参考价值的。

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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，互相彼连。 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，长给出动态波形图。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如图4.48所示。

不同性质的密集缺陷的动态波形对探头移动的敏感程度不同。白点对探头移动很敏感，只要探头稍一移动，缺陷波立刻此起彼伏，十分活跃。但夹渣对探头移动不太敏感，探头移动时，缺陷波变化迟缓。 四、根据底波分析缺陷的性质

工件内部存在缺陷时、超声波被缺陷反射使射达底面的声能减少，底波高度降底．甚至消失。不同性质的缺陷，反射面不同，底波高度也不一样，因此在某些情况下可以利用底波情况来分析估计缺陷的性质。 当缺陷波很强，底波消失时，可认为是大面积缺陷，如夹层、裂纹等。

当缺陷波与底波共存时，可认为是点状缺陷(如气孔、夹渣)或面积较小的其他缺陷。

当缺陷波为互相彼连高低不同的缺陷波，底波明显下降时，可认为是密集缺陷，如白点、疏松、密集气孔和夹渣等。

当缺陷波和底波都很低，或者两者都消失时，可认为是大而倾斜的缺陷或是疏松。若出现“林状回波”，可认为是内部组织粗大。

第十节 非缺陷回波的判别

超声波探伤中，示波屏上常常除了始波71、底波B和缺陷波F外，还会出现一些其他的信号波，如迟到波，三角反射波，61°反射波以及其他原因引起的非缺陷回波，影响对缺陷波的正确判别，因此，分析了解常见非缺陷回波产生的原因和特点是十分必要的。 一、迟到波

如图4.49所示，当纵波直探头置于细长(或扁长)工件或试块上时，扩散纵波波束在侧壁产生波型转换，转换为横波，此横波在另一侧面又转换为纵波，最后经底面反射回到探头，被探头接收，从而在示波屏上出现一个回波。由于转换的横波声程长，波速小，传播时间较直接从底面反射的纵波长，因此，转换后的波总是出现在第一次底波B1之后，故称为迟到波。又由于变型横波可能在两侧壁产生多次反射，每反射一次就会出现一个迟到波，因此迟到波往往有多个，如图4.34中的H1、H2、H3??。

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迟到波之间的纵波声程差△χ(单程)是特定的。由图1.35可知，L斜入射到钢/空气界面，当αL=70°左右，αs==33°左右时，变型横波很强。由此可以算出△χ为：

(4.27)

式中 △w——迟到波H1与底波B1的波程差(双程)； d——试件的直径或厚度。

由于迟到波总是位于B1之后，并且位置特定，而缺陷波一般位于B1之前，因此，迟到波不会干扰缺陷波的判别。

实际探伤中，当直探头置于IIWCSK或一IA试块上并对准l00mm厚的地面时，在各次底波之间出现一系列的波就是这种迟到波。 二、61°反射

当探头置于图4.50所示的直角三角形试件上时，若纵波入射角a与横波反射角β的关系为：α+β=90°，则会在示波屏上出现位置特定的反射波。

由β=90°一a得：Sinβ=cοsα 由反射定律得：

对于钢：

所以这种反射称为61°反射。 61°反射的声程为：

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辐。 实际探伤中，当探头詈于图4.51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

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