超声波无损检测概述

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1、江拯大爭JI A N G S U U N IV E R S I T Y超声波无损检测概述学院名称：材料科学与工程 专业班级：金属1302学生姓名：钱振2016 年 10 月超声波无损检测概述钱振 3130702063，金属1302，材料科学与工程学院 摘要：超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声 波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能 和结构变化的技术称为超声检测。超声波检测应用主要包括在工业上对各种材料 的检测和在医疗上对人体的检测诊断，通过它人们可以探测出金属等工业材料中 有没有气泡、伤痕、裂缝等缺陷，可以检测出人们身体的软组织、血

2、流等是否正 常。运用超声检测的方法来检测的仪器称之为超声波探伤仪。超声检测方法通常 有穿透法、脉冲反射法、串列法等。超声无损检测是物体无损检测的一种重要方 法，几乎应用到所有工业部门。本文回顾了超声无损检测技术的发展历史，阐述 了超声无损检测技术应用现状，并展望超声无损检测技术未来发展趋势 。 关键词：超声波检测，无损检测，超声波检测的原理，应用1. 引言超声检测是无损检测技术中研究和应用最活跃的方法之一。通过研究超声波 在被检材料中传播时的变化情况来探测材料性能和结构变化。超声波用于无损检 测主要具备以下优点1：（1）检测范围广，能够进行金属、非金属和复合材料检测。（2）波长短、方向性好、穿

3、透能力强、缺陷定位准确、检测深度大。（3）对人体和周围环境不构成危害。（4）施加给工件的超声作用应力远低于弹性极限，对工件不会造成损害。2. 超声波无损检测的国内外研究情况和发展趋势2.1 国外研究情况国外对于超声波检测技术的研究始于上世纪二三十年代。1929 年苏联科学 家 Sokolov 利用连续超声波的穿透法研制成功了世界上第一台超声波检测装 置。二战期间超声检测装置有了进一步发展，英国和美国分别于 1944 年和 1946 年成功制造出A型脉冲发射式超声波探伤仪。20世纪50年代，A型脉冲反 式超声波探伤仪已被广泛用于发达国家的机械、钢铁制造以及造船等工业2。20 世纪 60 年代以后

4、，随着电子技术和电子元器件的进步，超声波检测装置也有了 较大的改进。1964 年德国 Krautkramer 公司研制成功的小型超声检测设备成为 了近代超声探伤技术的标志3。20 世纪 80 年代，计算机技术和大规模集成电路得 到了快速发展，各公司开始了数字式超声检测装置的研制，特别是Krautkramer公 司生产的便携式数字化超声波探伤仪 USDI 型，代表着超声检测装置向数字化 的发展趋势4。目前国外的许多知名公司（如美国的 METEC 公司、德国的 KK 公司、西班牙的 TECHATOM 公司等）生产的超声检测系统在信号采集、分析和 成像处理方面处于世界领先水平1。2.2 国内研究情况

5、20 世纪 50 年代，我国开始从国外引进模拟超声检测设备并应用于工业生 产中。上世纪 80 年代初，我国研制生产的超声波探伤设备在测量精度、放大器 线性、动态范围等主要技术指标方面已有很大程度的提高3。80 年代末期，随大 规模集成电路的发展，我国开始了数字化超声检测装置的研制。近年来，我国的 数字化超声检测装置发展迅速，已有多家专业从事超声检测仪器研究、生产的机 构和企业（如中科院武汉物理研究所、汕头超声研究所、南通精密仪器有限公司、 鞍山美斯检测技术有限公司等）1。目前，国内的超声超声检测装置正在向数字 化、智能化的方向发展并且取得了一定的成绩。另外，国内许多领域（如航空航 天、石油化工

6、、核电站、铁道部等）的大型企业通过引进国外先进的成套设备和 检测技术（如相控阵超声检测设备与技术和 TOFD 检测设备与技术），既完善了 国内的超声检测设备，又促进了超声无损检测技术的发展5。2.3 超声波无损检测技术发展趋势超声检测技术的应用依赖于具体检测工件的检测工艺和方法，同时，超声检 测还存在检测的可靠性，缺陷的定量、定性、定位以及缺陷检出概率、漏检率、 检测结果重复率等问题，这些对超声检测仪器的研制提出了更高要求。为克服传统接触式超声检测的不足，人们开始探索非接触式超声检测技术， 提出了激光超声、电磁超声、空气耦合超声等。为提高检测效率，发展了相控阵 超声检测。随着机械扫描超声成像技

7、术的成熟，超声成像检测也得到飞速发展。 目前，超声检测仪器已明显向检测自动化、超声信号处理数字化、诊断智能化、 多种成像技术的方向发展5-7。3. 超声波检测的基本原理3.1 超声波无损检测基本介绍超声检测（UT）是超声波在均匀连续弹性介质中传播时，将产生极少能量损失；但当材料中存在着晶界、缺陷等不连续阻隔时，将产生反射、折射、散射、 绕射和衰减等现象，从而损失比较多的能量，使我们由接收换能器上接收的超声 波信号的声时、振幅、波形或频率发生了相应的变化，测定这些变化就可以判定 建筑材料的某些方面的性质和结构内部构造的情况达到测试的目的10。当超声遇 到缺陷面时，反射回波幅度会异常增大，根据反射

8、幅度、延迟和相位等就可以判 断缺陷的位置、面积和形状 13-15。 如图 1 所示产生用于 检测的超 声信号与介质（包 括介质中缺 陷）相互作超声信号 的接收、处 理和显示检出介质 特性和缺 陷发射传播接受判别图1超声检测过程的基本原理按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法超声检测；按显示缺陷方式不同分为：A型、B型、C型、3D型超声检测； 按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测； 3.2超声波的产生（发射）与接收（1）超声波的物理本质：它是频率大于 2 万赫兹的机械振动在弹性介质中的转 播行为。 即超声频率的机械波。一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏

9、度也越高。超声检测常用频率在0.510 MHZ。(2) 超声波的产生机理利用了压电材料的压电效应。压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部产 生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后， 它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时， 电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质 也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应， 或称为电致伸缩现象。(3) 超声波的发射与接收 发射一在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电 压，由于逆压电效应，晶片中就会产

10、生超声频率的机械振动产生超声波；若 此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件这就是超声波 的发射。 接收一若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电 信 号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接 收。可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥 重要的作用。下面简单介绍三种较常用的检测方法。脉冲反射法工作原理：脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射 的原理进行检测。采用同一换能器兼作发射和接收，接收信号显示在荧光屏上。 基本原理和

11、波形如图 2 所示。当工件中无缺陷时，接收波形如图2-a)所示，荧光屏上只有始波T和底波B； 当有小于声束截面的缺陷时，有缺陷波F出现，F波在时基轴上的位置取决于缺 陷声程Lf，可由此确定缺陷在试件中的位置。缺陷回波的高度，取决于缺陷的反 射面积和方向角的大小，借此可评价缺陷的当量大小。由于缺陷使部分声能反射， 从而使底波高度下降，如图2-b)所示；当有大于声束截面的大缺陷时，全部声能 将被缺陷反射，届时将仅有始波和大的缺陷波出现在荧光屏上。图 2无缺陷试样和由缺陷试样中的超声回波a) 完好试样b) 缺陷试样脉冲反射法的特点：与透射法相比，脉冲反射法有以下优点：1) 灵敏度高，当反射声压达到晶

12、片起始声压的 1%时即能检侧，因此，可发现 较小的缺陷；2) 缺陷定位精度高。它是利用缺陷波的传播时间，通过调节扫描速度，即调节 时基轴与声程的比例来对缺陷定位的。因此只要仪器水平线性好，缺陷定位 就准确；3) 适应范围广，改变耦合、探头和波型可实现不同方法的检测；4) 操作方便，脉冲反射波一般不需要专门的扫查装置，这就为各种场合下的检 测作业带来了极大的方便和灵活性。但脉冲反射法也有一定的不足之处：1) 存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不太适用；2) 对于声束轴线不垂直的缺陷反射面，由于折射的结果，使探头往往收不到缺 陷回波信号，容易造成漏检；3) 因声波往返传播，对于高衰减材料的检测不

13、适用。脉冲透射法工作原理：脉冲透射法是将发射、接收探头分别置于被检试件的两侧，并使两个 探头的声轴处在同一条直线上，同时保证探头与试件之间有良好的声耦合，这样 就可以根据超声波穿透试件后的能量变化情况来判断试件内部质量。当试件中无 缺陷时，荧光屏上显示始波T和具有一定幅度的回波脉冲B；当有小缺陷时，声 波被缺陷遮挡，接收到的回波信号幅度减小；而当试件中缺陷面积造成的声影大于声束截面时，荧光屏上只显示起始脉冲T, 无回波信号，如图3所示。图 3 超声穿透法示意图a) 无缺陷试样b) 有缺陷试样脉冲透射法的主要优点：1) 工件中不存在盲区，适宜探测薄壁工件；2) 与缺陷取向无关，不管缺陷取向如何，

14、只要它遮挡声束传播路径，接收探头 就能发现；3) 在透射法中，声波是单声程传播，故适合检测高衰减的材料。 脉冲透射法的缺点：1) 探测灵敏度低，仅当入射声压变化大于 20以上时，才能被接收探头检出2) 不能确定缺陷的深度位置，仅能判断缺陷的有无和大小；3) 对发射和接收探头的相对位置要求严格，需专门的探头支撑装置，因而操作 不方便。共振法工作原理：依据试样的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化的方法称为共 振法。若声波(频率可调的连续波)在被检工件内传播，当试样的厚度为超声波 的半波长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，将引起共振，一起显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差，由以下公

15、式算出试件厚度：式中 f0工件的固有频率C 被检试样的声速 入一波长5试件厚度n 共振次数当试样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。当测得共振频率f和共振次数n后，即可求出厚度。由于共振法设备简单，测量精确， 常用于壁厚测量。此外，若工件中存在较大缺陷或当工件厚度改变时，将导致共 振现象消失或共振点偏移，可利用此现象检测复合材料的胶合质量、板材点焊质 量、均匀腐蚀量和板材内部夹层等缺陷。4. 超声波检测的优点和缺点 （主要与射线检测比较）16（1）传统能力比较：从工件厚度来说，超声波可检测厚度范围比射线大。例如 在钢中的有效探测深度达一米以上。X射线穿透能力和管电压有关，管电压越高， 穿透能力越大，以300kV管电压为例，X射线只能检测厚度在50mm以下的钢工 件。超声波的穿透能力则相对强的多，检测200mm的钢板，不需要太多的要求。（2）从检测缺陷的类型来说对平面缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度高，并可 测定缺陷的深度和大小。但是不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定 的光洁度，并需要有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的间隙，以保证充分的 声耦合。（3）从设备要求来说超声波检测的设备轻便，操作安全，易于实现自