超聲檢測(cè)是指利用超聲波對(duì)金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查的一種無(wú)損探傷方法。用發(fā)射探頭向構(gòu)件表面通過(guò)耦合劑發(fā)射超聲波，超聲波在構(gòu)件內(nèi)部傳播時(shí)遇到不同界面將有不同的反射信號(hào)（回波）。利用不同反射信號(hào)傳遞到探頭的時(shí)間差，可以檢查到構(gòu)件內(nèi)部的缺陷。根據(jù)在熒光屏上顯示出的回波信號(hào)的高度、位置等可以判斷缺陷的大小，位置和大致性質(zhì)3超聲檢測(cè)對(duì)裂紋、未焊透及未熔合缺陷較敏感，對(duì)氣孔、夾渣不太敏感。超聲檢測(cè)直觀性較差，易漏檢。對(duì)近表面缺陷不敏感(稱為超聲波的盲區(qū)）。
介紹
使超聲波與材料相互作用并對(duì)反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，以對(duì)材料的宏觀缺陷、微觀組織、力學(xué)性能等進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)的技術(shù)。按原理可分穿透法、共振法和脈沖反射法三種，以后者最為常用。對(duì)于宏觀缺陷的檢測(cè)，常用振動(dòng)頻率為0.5～25MHz的短脈沖波以反射法進(jìn)行，此時(shí)，在試件中傳播的聲脈沖遇到聲特性阻抗（材料密度 與音速相乘積），有變化處部分入射聲能可被反射。根據(jù)反射信號(hào)的有無(wú)和幅度的高低，可對(duì)缺陷的有無(wú)和大小作出評(píng)估。通過(guò)測(cè)量單射波與反射波之間的時(shí)差，可確定反射面與試件表面上入射點(diǎn)的距離。
為適應(yīng)不同類型的試件，不同取向、位置和性質(zhì)的缺陷及質(zhì)量要求，可選用的波形有縱波、橫波、瑞利波、蘭姆波和爬波。采用特定的掃描顯示方式及相應(yīng)的電子線路，可獲得試件中缺陷分布及形態(tài)的圖像。材料特性的無(wú)損表征主要與超聲在試件中的傳播速度及在傳播過(guò)程中能量的衰減與材料的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，如果這種關(guān)系可從先前的冶金學(xué)研究得知，表征的內(nèi)容可包括：彈性方面的評(píng)價(jià)，微觀組織和形態(tài)變化的描 述，分散的聲不連續(xù)性和缺陷群的評(píng)定，力學(xué)性能變化和材質(zhì)下降的測(cè)量 等。此法優(yōu)點(diǎn)是：可用于金屬、非金屬、復(fù)合材料制件的無(wú)損評(píng)價(jià)；對(duì)確定內(nèi)部缺陷的諸參量較之其他無(wú)損檢測(cè)方法有綜合優(yōu)勢(shì)；靈敏度高，可檢出數(shù)十 μm級(jí)缺陷；僅需從一側(cè)接近試件；設(shè)備輕便可作現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。主要局限性是對(duì)材料及制件做精確的定性、定量表征，仍需進(jìn)一步深入研究。
原理
超聲波是頻率高于20千赫的機(jī)械波。在超聲探傷中常用的頻率為0.5-5兆赫。這種機(jī)械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測(cè)物件的底面等）就會(huì)產(chǎn)生反射。這種反射現(xiàn)象可被用來(lái)進(jìn)行超聲波探傷，最常用的是脈沖回波探傷法探傷時(shí)，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上（用壓電陶瓷或石英晶片制成的探測(cè)元件），探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過(guò)聲耦合介質(zhì)（如機(jī)油或水等）進(jìn)入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測(cè)定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，還有用另一探頭在工件另一側(cè)接受信號(hào)的穿透法。利用超聲法檢測(cè)材料的物理特性時(shí)，還經(jīng)常利用超聲波在工件中的音速、衰減和共振等特性。
超聲波是頻率大于 20 kHz 的一種機(jī)械波（相對(duì)于頻率范圍在 20 Hz?- 20 kHz 的聲波而言）。超聲檢測(cè)用的超聲波，其頻率范圍一般在 0.25 MHz -15 MHz 之間。用于金屬材料超聲檢測(cè)的超聲波，其頻率范圍通常在 0.5 MHz?- 10 MHz 之間；而用于普通鋼鐵材料超聲檢測(cè)的超聲波，其頻率范圍通常為 1 MHz?- 5 MHz。
超聲波具有眾多與眾不同的特性，如：聲束指向性好（能量集中）；聲壓聲強(qiáng)大（能量高），傳播距離遠(yuǎn)；穿透能力強(qiáng)；在界面處會(huì)產(chǎn)生反射、透射（或折射）和波型轉(zhuǎn)換，以及產(chǎn)生衍射等。
應(yīng)用
脈沖回波探傷法通常用于鍛件、焊縫及鑄件等的檢測(cè)。可發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺陷。被探測(cè)物要求形狀較簡(jiǎn)單，并有一定的表面光潔度。為了成批地快速檢查管材、棒材、鋼板等型材，可采用配備有機(jī)械傳送、自動(dòng)報(bào)警、標(biāo)記和分選裝置的超聲探傷系統(tǒng)。除探傷外，超聲波還可用于測(cè)定材料的厚度，使用較廣泛的是數(shù)字式超聲測(cè)厚儀，其原理與脈沖回波探傷法相同，可用來(lái)測(cè)定化工管道、船體鋼板等易腐蝕物件的厚度。利用測(cè)定超聲波在材料中的音速、衰減或共振頻率可測(cè)定金屬材料的晶粒度、彈性模量(見(jiàn)拉伸試驗(yàn))、硬度、內(nèi)應(yīng)力、鋼的硬層深度、球墨鑄鐵的球化程度等。此外，穿透式超聲法在檢驗(yàn)纖維增強(qiáng)塑料和蜂窩結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用也已日益廣泛。超聲全息成象技術(shù)也在某些方面得到應(yīng)用。
主要方法
波形判斷法（經(jīng)驗(yàn)法）
應(yīng)用最廣泛的是A掃描顯示型超聲脈沖反射式檢測(cè)儀。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的超聲檢測(cè)實(shí)踐，許多超聲檢測(cè)人員對(duì)其大量接觸的材料、產(chǎn)品及制造工藝有充分的了解，并通過(guò)大量的解剖分析驗(yàn)證，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在檢測(cè)時(shí)能通過(guò)A掃描顯示型超聲脈沖反射式探傷儀，根據(jù)示波屏上出現(xiàn)缺陷回波時(shí)的波形形狀，例如視頻顯示或射頻顯示，起波速度，回波前沿的陡峭程度及回波后沿下降的速度（下降斜率），波尖形狀，回波占寬以及移動(dòng)探頭時(shí)缺陷回波的變化情況（波幅、位置、數(shù)量、形狀、動(dòng)態(tài)包絡(luò)等），還可以根據(jù)觀察多次底波的次數(shù)，底波高度損失情況，再根據(jù)缺陷在被檢件中的位置，分布情況，缺陷的當(dāng)量大小（與反射率有關(guān)），延伸情況，結(jié)合具體產(chǎn)品、材料的特點(diǎn)和制造工藝作出綜合判斷，評(píng)估出缺陷的種類和性質(zhì)。有時(shí)還可以通過(guò)改變發(fā)射超聲波脈沖的頻率、改變聲束直徑大小（采取聚焦或采用不同直徑的探頭等）來(lái)觀察缺陷的回波變化特征，從而識(shí)別是材料中的冶金缺陷還是組織反射。
在這方面已經(jīng)有不少經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和資料報(bào)道，例如判斷鋼鍛件中的白點(diǎn)、夾雜物、殘余縮孔、粗晶、中心疏松、方框形偏析，以及焊縫中的氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋等等。
必須指出，這種判斷方法在很大程度上依賴超聲檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平和對(duì)特定產(chǎn)品、材料及制造工藝的充分了解，其局限性是很大的，難以推廣成為通用的評(píng)定方法。此外，作為A掃描顯示的缺陷回波所顯示的缺陷信息也極其有限，主要顯示的是波幅大小、位置和回波包絡(luò)形狀，而缺陷對(duì)超聲響應(yīng)的相位、頻譜等重要信息則無(wú)法顯示出來(lái)，但是后兩者與缺陷性質(zhì)和種類有著密切關(guān)系，這也正是廣大超聲檢測(cè)人員致力研究探索的問(wèn)題。
波形判斷法常見(jiàn)缺陷的回波特征：
（1）鋼鍛件中的粗晶與疏松，多以雜波、叢狀波形式或底波高度損失增大、底波反射次數(shù)減少等形式出現(xiàn)。
（2）棒材的中心裂紋，在沿圓周面作360°徑向縱波掃查時(shí)，由于裂紋的輻射方向性，其反射波幅有高低變化并有不同程度的游動(dòng)，在沿軸向掃查時(shí)，反射波幅度和位置變化不大并顯示有一定的延伸長(zhǎng)度。
（3）鍛件中的裂紋，由于裂紋型缺陷內(nèi)含物多有氣體存在，與基體材料聲阻抗差異較大，超聲反射率高，缺陷有一定延伸長(zhǎng)度，起波速度快，回波前沿陡峭，波峰尖銳，回波后沿斜率很大，當(dāng)探頭越過(guò)裂紋延伸方向移動(dòng)時(shí)，起波迅速，消失也迅速。
（4）鋼鍛件中的白點(diǎn)，波峰尖銳清晰，常為多頭狀，反射強(qiáng)烈，起波速度快，回波前沿陡峭，回波后沿斜率很大，在移動(dòng)探頭時(shí)回波位置變化迅速，此起彼伏，多處于被檢件例如鋼棒材的中心到1/2半徑范圍內(nèi)，或者鋼鍛件厚度最大的截面的1/4~3/4中層位置，有成批出現(xiàn)的特點(diǎn)（與爐批號(hào)和熱加工批有關(guān)）。當(dāng)白點(diǎn)數(shù)量多、面積大或密集分布時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致底波高度顯著降低甚至消失。
（5）鍛件中的非金屬夾雜物，多為單個(gè)反射信號(hào)，起波較慢，回波前沿不太陡峭，波峰較圓鈍，回波后沿斜率不太大并且回波占寬較大。
（6）鈦合金鍛件中的高密度夾雜物（例如鎢、），多為單個(gè)反射信號(hào)，回波占寬不太大，但較裂紋類要大些，回波前沿較陡峭，后沿斜率較大，當(dāng)改變探測(cè)頻率和聲束直徑時(shí)，其反射當(dāng)量大小變化不大（如為大晶粒或其他組織反射在這種情況下回波高度將有顯著變化）。
（7）鑄件或焊縫中的氣孔，起波快但波幅較低，有點(diǎn)狀缺陷的特征。
（8）焊縫中的未焊透，多為根部未焊透（如V型坡口單面焊時(shí)鈍邊未熔合）或中間未焊透（如X型坡口雙面焊時(shí)鈍邊未熔合），一般延伸狀況較直，回波規(guī)則單一，反射強(qiáng)，從焊縫兩側(cè)探傷都容易發(fā)現(xiàn)。
（9）鑄件或焊縫中的夾渣，反射波較紊亂，位置無(wú)規(guī)律，移動(dòng)探頭時(shí)回波有變化，但波形變化相對(duì)較遲緩，反射率較低，起波速度較慢且后沿斜率不太大，回波占寬較大。
2.超聲全息1.超聲C掃描和B掃描
這是將直通回波以線型方式顯示缺陷的平面投影形狀（C掃描）或缺陷在深度截面上反射面的平直、彎曲，即反射界面的形狀（B掃描），從而幫助判斷缺陷的種類和性質(zhì)。借助全息原理，將缺陷反射的大量信息數(shù)據(jù)處理成三維空間立體圖像顯示以輔助判斷。
3.利用電子計(jì)算機(jī)處理缺陷回波信號(hào)
國(guó)內(nèi)外均在研究并試制出電腦化超聲波探傷儀。但是常用的是與頻譜分析結(jié)合使用或作為超聲探測(cè)程序控制來(lái)使用，不過(guò)相信很快將有突破性發(fā)展。
技術(shù)不同
按波源不同可分為：連續(xù)波、脈沖波；
按波型不同可分為：縱波、橫波、表面波、板波、爬波；
按接收方式不同可分為：回波（反射）、穿透；
按耦合方式不同可分為：接觸式、液浸式；
按探頭數(shù)不同可分為：?jiǎn)翁筋^、雙探頭、多探頭。
脈沖回波（脈沖反射）技術(shù)是超聲檢測(cè)中最常用的一種技術(shù)，其所用的超聲波是一種脈沖波，即波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（通常是微秒數(shù)量級(jí)）、僅在很短一段時(shí)間內(nèi)有振幅（間歇發(fā)射）的一種機(jī)械波動(dòng)。
通常，脈沖回波超聲檢測(cè)的過(guò)程是：由超聲檢測(cè)儀（亦稱超聲波探傷儀）產(chǎn)生脈沖電信號(hào)，輸入到換能器（或探頭）上，激勵(lì)換能器的壓電晶片發(fā)射脈沖超聲波；超聲波透射（或折射）進(jìn)入被檢材料或工件中，經(jīng)過(guò)反射或衍射等傳播變化，最終又被換能器的壓電晶片所接收，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸送回超聲檢測(cè)儀顯示出來(lái)；最后，通過(guò)對(duì)顯示屏進(jìn)行觀察，來(lái)分析和評(píng)價(jià)被檢材料或工件的內(nèi)部或表面質(zhì)量。
優(yōu)缺點(diǎn)
超聲檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是：穿透能力較大，例如在鋼中的有效探測(cè)深度可達(dá)1米以上；對(duì)平面型缺陷如裂紋、夾層等，探傷靈敏度較高，并可測(cè)定缺陷的深度和相對(duì)大小；設(shè)備輕便，操作安全，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢驗(yàn)。缺點(diǎn)是：不易檢查形狀復(fù)雜的工件，要求被檢查表面有一定的光潔度，并需有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面之間的空隙，以保證充分的聲耦合。對(duì)于有些粗晶粒的鑄件和焊縫，因易產(chǎn)生雜亂反射波而較難應(yīng)用。此外，超聲檢測(cè)還要求有一定經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員來(lái)進(jìn)行操作和判斷檢測(cè)結(jié)果。
檢測(cè)方法
根據(jù)耦合方式，超聲檢測(cè)分為直接接觸法和液浸法。
采用直接接觸法進(jìn)行超聲檢測(cè)，需要在探頭和工件待檢測(cè)面之間涂以很薄的耦合劑，以改善探頭與檢測(cè)面之間聲波的傳導(dǎo)。液浸法是將探頭和工件全部或部分浸于液體中，以液體作為耦合劑，聲波通過(guò)液體進(jìn)入工件進(jìn)行檢測(cè)的方法。
直接接觸法主要采用A型顯示脈沖反射法工作原理，操作方便、檢測(cè)圖形簡(jiǎn)單、判斷容易和靈敏度高，在實(shí)際生產(chǎn)中得到最廣泛的應(yīng)用。
直接接觸法超聲檢測(cè)方法有直射聲束法和斜射聲束法。
（1）直射聲束法
直射聲束法是采用直探頭將聲束垂直單射工件待檢測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)的方法，又稱縱波法。當(dāng)直探頭在待檢測(cè)面上移動(dòng)時(shí)，無(wú)缺陷處示波屏上只有始波T和底波B，若探頭移到有缺陷處且缺陷反射面比聲束小時(shí)，則顯示屏上出現(xiàn)始波T、缺陷波F、和底波B，當(dāng)探頭移到大缺陷處時(shí)，則示波屏上只出現(xiàn)始波T、缺陷波F，顯然，垂直法探傷能發(fā)現(xiàn)與探傷面平行或近于平行的缺陷。
（2）斜射聲束法
斜射聲束法是采用斜探頭將聲束傾斜入射工件待檢測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)的方法，又稱橫波法。如圖9-7所示，當(dāng)斜探頭在待檢測(cè)面上移動(dòng)時(shí)，無(wú)缺陷時(shí)示波屏上只有始波T，這是因?yàn)槁暿鴥A斜單射至底面產(chǎn)生反射后，在工件內(nèi)以“W”形路徑傳播，故沒(méi)有底波出現(xiàn)，當(dāng)工件存在缺陷而缺陷與聲束垂直或缺陷的傾斜角很小時(shí)，聲束會(huì)被反射回來(lái)，此時(shí)示波屏上將顯示出始波T和缺陷波F，當(dāng)斜探頭接近板端時(shí)，聲束將被端角反射回來(lái)，在示波屏上將出現(xiàn)始波T和端角波B。
參考資料 >