工业超声波无损检测

利用声学特性的无损检测技术___超声波检测技术无损检测导论（2005年元月电子修订版）夏纪真 编著 第二章无损检测技术及其应用 无损检测技术的基础是物质的各种物理性质或它们的组合以及与物质相互作用的物理现象。迄今为止，包括在工业领域已获得实际应用的和已在实验室阶段获得成功的无损检测方法已达五、六十种甚至更多，随着工业生产与科学技术的发展，还将会出现更多的无损检测方法与种类。本书仅能就几个主要方面作简单扼要的介绍。除了对于工业上已经广泛应用的五大常规无损检测技术（超声波检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测和射线照相检测）给予一定的工艺介绍外，对其他方法仅作概念性介绍。若需对其中某项方法作深入了解时，应查阅相应方法的专业技术介绍资料。§2.1 利用声学特性的无损检测技术§2.1.1 超声波检测技术什么是超声波？超声波有什么特性？声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz~2KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于2KHz则称为超声波。一般把频率在2KHz到25MHz范围的声波叫做超声波。它是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质（实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体），它能透入物体内部并可以在物体中传播。利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等，因此是应用最广泛的一种重要的无损检测技术--超声检测技术。例如用于医疗上的超声诊断（如B超）、海洋学中的声纳、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定……等等。超声波具有如下特性：1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2）超声波可传递很强的能量。3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基于“空化现象”）--从而引出了“功率超声应用“技术--例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。5）利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。工业无损检测技术中应用的超声波检测（UltrasonicTesting，简称UT）是无损检测技术中发展最快、应用最广泛的无损检测技术，占有非常重要的地位。在超声波检测技术中用以产生和接收超声波的方法最主要利用的是某些晶体的压电效应，即压电晶体（例如石英晶体、钛酸钡及锆钛酸铅等压电陶瓷）在外力作用下发生变形时，将有电极化现象产生，即其电荷分布将发生变化（正压电效应），反之，当向压电晶体施加电荷时，压电晶体将会发生应变，亦即弹性变形（逆压电效应）。因此，利用压电晶体制成超声波换能器（探头），对其输入高频电脉冲，则探头将以相同频率产生超声波发射到被检物体中去，在接收超声波时，探头则产生相同频率的高频电信号用于检测显示。除了利用压电效应以外，在某些情况下也利用磁致伸缩效应（强磁材料在磁化时会发生变形的现象，可用作振源或用于应变测量），也有利用电动力学方法（例如本章后面叙述的电磁-声或涡流-声方法）。（3）耦合方法的确定-超声探头与被检工件之间存在空气时，超声波将被反射而无法进入被检工件，因此在它们之间需要使用耦合介质（耦合剂），视耦合方式的不同，可以分为：接触法-超声探头与工件检测面直接接触，其间以机油、变压器油、润滑脂、甘油、水玻璃（硅酸钠Na2SiO3）或者工业胶水、化学浆糊等作为耦合剂，或者是商品化的超声检测专用耦合剂。水浸法-超声探头与工件检测面之间有一定厚度的水层，水层厚度视工件厚度、材料声速以及检测要求而异，但是水质必须清洁、无气泡和杂质，对工件有润湿能力，其温度应与被检工件相同，否则会对超声检测造成较大干扰。接触法和水浸法是超声检测中最主要应用的两种耦合方式，此外还有水间隙法、喷水柱法、溢水法、地毯法、滚轮法等多种特殊的耦合方式。（4）检测条件的准备-选择适当的超声探伤仪、超声探头、参考标准试块（或者采用计算法时的计算程序或距离-波幅曲线、AVG或DGS曲线等），以及在检测前对仪器的校准（时基线校正、起始灵敏度设定等）。[/si

GB/T 12604.1—2005/ISO 5577:2000《无损检测 术语 超声检测》 1　范围 本标准界定了用于超声无损检测方法的术语，作为标准和一般使用的共同基础。 2　一般术语 2.1　声吸收 acoustical absorption 2.2　声各向异性 acoustical anisotropy 2.3　声阻抗 acoustical impedance 2.4　声影 acoustic shadow 阴影区 shadow zone 2.5　衰减 attenuation 声衰减 sound attenuation 2.6　声衰减系数 attenuation coefficient 2.7　声束轴线 beam axis 2.8　声束边缘 beam edge 2.9　声束轮廓 beam profile 2.10　声束扩散 beam spread 2.11　分贝 decibel dB 2.12　不连续 discontinuity 2.13　边缘效应 edge effect 2.14　远场 far field 2.15　缺陷 flaw defect 2.16　界面 interface 2.17　背反射损失 loss of back reflection 底波损失 2.18　近场 near field 菲涅耳区 Fresnel zone 2.19　近场长度 near field length 2.20　近场点 near field point 2.21　传播时间 propagation time time of flight 声时 2.22　反射系数 reflection coefficient 2.23　反射体 reflector 2.24　散射 scattering 2.25　声场 sound field 2.26　声速 sound velocity 传播速度 velocity of propagation 2.27　检测频率 test frequency 2.28　超声声束 ultrasonic beam 声束 sound beam 2.29　超声波 ultrasonic wave 3　与“波”相关的术语 3.1　纵波 longitudinal wave 压缩波 compressional wave 3.2　连续波 continuous wave 3.3　爬波 creeping wave 3.4　波型转换 mode conversion mode transfomation wave conversion 3.5　板波 plate wave 兰姆波 Lamb wave 3.6　横波 transverse wave 切变波 shear wave 3.7　球面波 spherical wave 3.8　表面波 surface wave 瑞利波 Rayleigh wave 3.9　波前 wavefront 波阵面 3.10　波长 wavelength 3.11　波列 wave train 4　与“角”相关的术语 4.1　入射角 angle of incidence 4.2　反射角 angle of reflection 4.3　折射角 angle of refraction 4.4　临界角 critical angle 4.5　扩散角 divergence angle 指向角 5　与“脉冲和回波”相关的术语 5.1　背面回波 back wall echo back surface echo 背反射 back reflection 底波 bottom echo B 5.2　延迟回波 delayed echo 5.3　回波 echo 反射 reflection 5.4　缺陷回波 flaw echo defect echo F 不连续回波 discontinuity echo D 5.5　幻影回波 ghost echo phantom echo wrap-around 5.6　草状回波 grass 组织回波 structural echoes 5.7　界面回波 interface echo 5.8　多次回波 multiple echo 多次反射 multiple reflection 5.9　脉冲 pulse 5.10　侧面回波 side wall echo W 5.11　干扰回波 spurious echo parasitic echo 5.12　界面波 surface echo S 表面回波 5.13　发射脉冲指示 transmission pulse indication T 始波 5.14　发射脉冲 transmitter pulse 6　与“探头”相关的术语 6.1　斜射探头 angle beam probe angle beam search unit 斜探头 angle probe 6.2　中心频率 centre frequency 6.3　会聚距离 convergence distance 6.4　会聚区 convergence zone 会聚点 convergence point 6.5　延迟声程 delay path 6.6　场深 depth of field 焦区长度 focal zone focal range 6.7　双换能器探头 double transducer probe 双晶探头 twin transducer probe 双探头 dual search unit 6.8　有效换能器尺寸 effective transducer size 6.9　电磁声换能器 electro-magnetic transducer 电动换能器 electrodynamic transducer 6.10　焦距 focal length 6.11　焦点 focal point focus 6.12　聚焦探头 focussing probe 6.13　液浸探头 immersion probe 6.14　探头标称角 nominal angle of probe 6.15　标称频率 nominal frequency 6.16　标称换能器尺寸 nominal transducer size 换能器尺寸 transducer size 元件尺寸 element size 6.17　直探头 normal probe 直射探头 straight beam probe straight beam search unit 6.18　峰值频率 peak frequency 6.19　峰数 peak number 6.20　相控阵探头 phased array probe 6.21　探头 probe search unit 6.22　探头阻尼因子 probe damping factor 6.23　探头入射点 probe index 6.24　探头靴 probe shoe 6.25　屋顶角 roof angle 半顶角 toe-in-semi-angle 6.26　偏向角 squint angle 6.27　偏向角 squint angle 6.28　表面波探头 surface wave probe 6.29　换能器 transducer 晶片 crystal 元件 element 6.30　换能器背衬 transducer backing 6.31　可变角探头 variable angle probe 6.32　耐磨片 wear plate diaphragm 6.33　斜楔 wedge 折射棱镜 refracting prism 6.34　轮式探头 wheel probe wheel search unit 7　与“超声检测仪器”相关的术语 7.1　幅度线性 amplitude linearity 7.2　盲区 dead zone 7.3　延迟扫描 delayed time base sweep 零点校正 correction of zero point 7.4　动态范围 dynamic range 7.5　电子距离-幅度补偿 electronic distance-amplitude-compensation (EDAC) 7.6　时基线扩展 expanded time-base sweep scale expansion 7.7　缺陷检测灵敏度 flaw (defect) detection sensitivity 7.8　增益控制 gain control dB 控制 dB control 增益调节 gain adjustment 7.9　闸门 gate 时间闸门 time gate 7.10　闸门水平 gate level 闸门电平 监视电平 monitor level 监视水平 7.11　脉冲（回波）幅度 pulse (echo) amplitude 信号幅度 signal amplitude 7.12　脉冲能量 pulse energy 7.13　脉冲（回波）长度 pulse (echo) length 脉冲宽度 7.14　脉冲重复频率 pulse repetition frequency prf 脉冲重复率 pulse repetition rate 7.15　脉冲形状 pulse shape 7.16　抑制 rejection supression reject grass cutting 7.17　分辨力 resolution 7.18　时基线 time base 扫描线 sweep 7.19　时基线控制 time base control 扫描线控制 sweep control 7.20　时基线性 time base linearity 7.21　时基线范围 time base range 检测范围 test range 7.22　超声检测设备 ultrasonic test equipment 7.23　超声检测仪 ultrasonic test instrument

无损检测　　NDT （Non-destructive testing），指在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。　　 常用的无损检测方法：　　射线照相检验(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)和液体渗透检测(PT) 四种。其他无损检测方法：涡流检测(ET)、声发射检测（ET）、热像/红外（TIR）、泄漏试验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检验（MFL)、远场测试检测方法（RFT)等。　　 无损检测的应用特点　　a.无损检测的最大特点就是能在不损坏试件材质、结构的前提下进行检测，所以实施无损检测后，产品的检查率可以达到100%。但是，并不是所有需要测试的项目和指标都能进行无损检测，无损检测技术也有自身的局限性。某些试验只能采用破坏性试验，因此，在目前无损检测还不能代替破坏性检测。也就是说，对一个工件、材料、机器设备的评价，必须把无损检测的结果与破坏性试验的结果互相对比和配合，才能作出准确的评定。　　b.正确选用实施无损检测的时机：在无损检测时，必须根据无损检测的目的，正确选择无损检测实施的时机。　　c.正确选用最适当的无损检测方法：由于各种检测方法都具有一定的特点，为提高检测结果可靠性，应根据设备材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式，预计可能产生的缺陷种类、形状、部位和取向，选择合适的无损检测方法。　　d.综合应用各种无损检测方法：任何一种无损检测方法都不是万能的，每种方法都有自己的优点和缺点。应尽可能多用几种检测方法，互相取长补短，以保障承压设备安全运行。此外在无损检测的应用中，还应充分认识到，检测的目的不是片面追求过高要求的“高质量”，而是应在充分保证安全性和合适风险率的前提下，着重考虑其经济性。只有这样，无损检测在承压设备的应用才能达到预期目的。　　 一、射线照相法（RT）：　　是指用X射线或g射线穿透试件，以胶片作为记录信息的器材的无损检测方法，该方法是最基本的，应用最广泛的一种非破坏性检验方法。　　1、射线照相检验法的原理：射线能穿透肉眼无法穿透的物质使胶片感光，当X射线或r射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜影，由于不同密度的物质对射线的吸收系数不同，照射到胶片各处的射线能量也就会产生差异，便可根据暗室处理后的底片各处黑度差来判别缺陷。　　2、射线照相法的特点：射线照相法的优点和局限性总结如下：a.可以获得缺陷的直观图像，定性准确，对长度、宽度尺寸的定量也比较准确；b.检测结果有直接记录，可长期保存；c. 对体积型缺陷（气孔、夹渣、夹钨、烧穿、咬边、焊瘤、凹坑等）检出率很高，对面积型缺陷（未焊透、未熔合、裂纹等），如果照相角度不适当，容易漏检。d.适宜检验厚度较薄的工件而不宜较厚的工件，因为检验厚工件需要高能量的射线设备，而且随着厚度的增加，其检验灵敏度也会下降；e.适宜检验对接焊缝，不适宜检验角焊缝以及板材、棒材、锻件等；f.对缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的确定比较困难；g.检测成本高、速度慢；h.具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，损害生物组织，危及生物器官的正常功能。　　 二、超声波检测（UT）　　1、超声波检测的定义：通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。　　2、超声波工作的原理：主要是基于超声波在试件中的传播特性。a.声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；b.超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；c.改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；d.根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。　　3、超声波检测的优点：a.适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；b.穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；c.缺陷定位较准确；d.对面积型缺陷的检出率较高；e.灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；f.检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。 　　4、超声波检测的局限性a.对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；b.对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；c.缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；d.材质、晶粒度等对检测有较大影响；e.以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。　　5、超声检测的适用范围a.从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；b.从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；c.从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；d.从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；e.从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。　　 三、磁粉检测（MT）　　1. 磁粉检测的原理：铁磁性材料和工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合适光照下目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、形状和大小。　　2. 磁粉检测的适用性和局限性：a.磁粉探伤适用于检测铁磁性材料表面和近表面尺寸很小、间隙极窄（如可检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹），目视难以看出的不连续性。b.磁粉检测可对原材料、半成品、成品工件和在役的零部件检测，还可对板材、型材、管材、棒材、焊接件、铸钢件及锻钢件进行检测。c.可发现裂纹、夹杂、发纹、白点、折叠、冷隔和疏松等缺陷。d.磁粉检测不能检测奥氏体不锈钢材料和用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝，也不能检测铜、铝、镁、钛等非磁性材料。对于表面浅的划伤、埋藏较深的孔洞和与工件表面夹角小于20°的分层和折叠难以发现。　　 四、液体渗透检测（PT）　　1.液体渗透检测的基本原理：零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透剂后，在毛细管作用下，经过一段时间，渗透液可以渗透进表面开口缺陷中；经去除零件表面多余的渗透液后，再在零件表面施涂显像剂，同样，在毛细管的作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液回渗到显像剂中，在一定的光源下（紫外线光或白光），缺陷处的渗透液痕迹被现实，（黄绿色荧光或鲜艳红色），从而探测出缺陷的形貌及分布状态。 　　2.渗透检测的优点：a.可检测各种材料；金属、非金属材料；磁性、非磁性材料；焊接、锻造、轧制等加工方式；b.具有较高的灵敏度（可发现0.1μm宽缺陷）c.显示直观、操作方便、检测费用低。　　3.渗透检测的缺点及局限性：a.它只能检出表面开口的缺陷；b.不适于检查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件；c.渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的实际深度，因而很难对缺陷做出定量评价。检出结果受操作者的影响也较大。 无损检测X光机　　用于工业部门的工业检测X光机[1]，通常为工业无损检测X光机（无损耗检测），此类便携式X光机可以检测各类工业元器件、电子元件、电路内部。例如插座插头橡胶内部线路连接，二极管内部焊接等的检测。BJI-XZ、BJI-UC等工业检测X光机是可连接电脑进行图像处理的X光机，此类工业检测便携式X光机为工厂家电维修领域提供了出色的解决方案。