第一篇：超聲波探傷技術在鋼結構檢測中的應用

超聲波探傷技術在鋼結構檢測中的應用

摘 要：隨著當代建筑技術日新月異的發展，鋼結構在當代建筑中使用率越來越高。采用無損探傷的手段對焊縫進行質量檢驗是確保鋼結構工程質量的重要環節。本文從規范規定的焊縫等級、相應檢測的類別、評判標準及缺陷特性等方面對鋼結構超聲波無損探傷做了初步探討。

關鍵詞：鋼結構 檢測 焊縫 超聲波無損探傷 焊縫等級

隨著當代建筑技術日新月異的發展，建筑結構體系的種類不斷的朝輕質、高強的方向發展，鋼管混凝土結構、鋼結構在當代建筑中使用率越來越高。尤其是在廠房建設及設備安裝中更是大量使用鋼結構。而焊接作為鋼結構的主要連接方式之一，直接影響鋼結構的施工質量，采用無損探傷的手段對焊縫進行質量檢驗是確保鋼結構工程質量的重要環節。

鋼結構無損探傷包括超聲檢測（UT）、射線檢測（RT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）和渦流檢測（ET）等五種檢測方法。超聲檢測是目前應用最廣泛的探傷方法之一。超聲波的波長很短、穿透力強，傳播過程中遇不同介質的分界面會產生反射、折射、繞射和波形轉換。超聲波像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發射，猶如一束手電筒燈光可以在黑暗中尋找目標一樣，能在被檢材料中發現缺陷。超聲波探傷能探測到的最小缺陷尺寸約為波長的一半。超聲波探傷又可分為反射法和穿透法。穿透法的靈敏度不如反射法，因而在實際探傷中一般采用反射法來進行鋼材缺陷探傷和焊縫探傷，即根據缺陷反射回波聲壓的高低來評價缺陷的大小。

從焊縫本身來說決定焊縫質量的因素主要有3方面，分別是焊縫內部缺陷、焊縫外觀表面缺陷以及焊縫尺寸。因此，焊縫質量等級就存在著兩重含義，其一是針對焊縫內部缺陷檢驗，其二是針對焊縫外觀表面缺陷檢驗。但目前絕大部分情況是設計者只進行籠統的規定，如“該焊縫質量等級為二級”，此時正確的理解是“焊縫內部缺陷按二級檢驗，外觀缺陷也按二級檢驗。”對于需要進行疲勞驗算的構件如吊車梁，其中某些部位的角焊縫，雖然不進行內部缺陷的超聲波探傷（三級焊縫），但其外觀表面質量等級應為二級，所以籠統地說“角焊縫都是三級焊縫”就有失全面。下面就超聲波無損探傷在鋼結構鑒定檢測中的應用，結合相關規范作以下初步探討：

一、檢測資料及檢測報告的種類

在房屋具備相關資料的情況下，我們進行鑒定檢測就應結合相關資料及檢測數據對其進行綜合評價。委托單位提供的相關資料往往包括施工單位自檢、見證檢測及第三方檢測三種。針對以上三種資料，其相應的要求通常可歸納為表一所列：

如果以下檢測資料審查不合格或現場抽樣檢查不達標的情況下，就應結合可靠性鑒定標準、鋼結構工程施工質量驗收規范等國家相關規范，對該項目進行進一步的檢測。

二、焊縫無損檢測的檢驗等級：

根據《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》GB11345-89規定，超聲波檢驗等級分為A、B、C三個級別： A級檢驗采用一種角度的探頭在焊縫的單面單側進行檢驗，只對允許掃查到的焊縫截面進行探測。一般不要求作橫向缺陷的檢驗。母材厚度〉50mm時，不得采用A級檢驗。

B級檢驗原則上采用一種角度探頭在焊縫的單面雙側進行檢驗，對整個焊縫截面進行探測。母材厚度〉100mm時，采用雙面雙側檢驗。受幾何條件的限制可在焊縫的雙面單側采用兩種角度探頭進行探傷。條件允許時應作橫向缺陷的檢驗。

C級檢驗至少要采用兩種角度探頭在焊縫的單面雙側進行檢驗。同時要做兩個掃查方向和兩種探頭角度的橫向缺陷檢驗。母材厚度〉100mm時，采用雙面雙側檢驗。其他附加要求是：1．對接焊縫余高要磨平，以便探頭在焊縫上作平行掃查；2．焊縫兩側斜探頭掃查經過的母材部分要用直探頭作檢查；3．焊縫母材厚度≥100mm，窄間隙焊縫母材厚度≥40mm時，一般要增加串列式掃查。

三、建筑結構焊縫無損探傷檢驗具體要求：

1．設計要求全焊透的焊縫，其內部缺陷的檢驗應符合下列要求：

1)一級焊縫應進行100%的檢驗，其合格等級應為《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》GB11345-89中B級檢驗的Ⅱ級及Ⅱ級以上；

2)二級焊縫應進行抽檢，抽檢比例20%，其合格等級應為《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》GB11345-89中B級檢驗的Ⅲ級及Ⅲ級以上；

3)全焊透的三級焊縫可不進行無損檢測。

2．焊接球節點網架焊縫的超聲探傷及缺陷分級應符合《焊接球節點鋼網架焊縫超聲波探傷及質量分級法》JG/T3034.1-1996的規定。

3．螺栓球節點網架焊縫的超聲探傷及缺陷分級應符合《螺栓球節點鋼網架焊縫超聲波探傷及質量分級法》JG/T3034.2-1996的規定。

4．圓管T、K、Y節點焊縫的超聲波探傷方法及缺陷分級應符合《建筑鋼結構焊接技術規程》JGJ81-2002的規定。

四、焊縫缺陷的評定等級

缺陷的大小確定以后，要根據缺陷的性質和指示長度結合有關標準的規定評定焊縫的質量級別。

超聲波檢驗焊縫內部缺陷的評定等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，其中Ⅰ級質量最高，Ⅳ級質量最低。

根據在標準試塊上繪制的距離波幅曲線，對比焊縫中缺陷最高回波的位置、和缺陷性質判斷焊縫等級。對于最大反射波幅不超過距離波幅曲線中評定線的缺陷，均評定為Ⅰ級；最大反射波幅超過評定線的缺陷檢驗者判定為裂紋等危害性缺陷時，無論其波幅和尺寸如何，均評定為Ⅳ級；反射波幅位于Ⅰ區的非裂紋性缺陷，均評定為Ⅰ級；反射波幅位于Ⅲ區的缺陷，無論其指示長度如何，均評定為Ⅳ級。最大反射波幅位于Ⅱ區的缺陷，跟具缺陷指示長度，具體分類見表二：

五、焊縫檢測記數規則及合格評定

1．焊縫內部缺陷無損檢測記數規則 一級焊縫探傷比例100%，即全數探傷；二級焊縫探傷比例20%，對于工廠制作焊縫，應按每條焊縫長度計算比例，且探傷長度≥200mm，當焊縫長度≤200mm時，應對整條焊縫進行探傷；對于現場安裝焊縫，應按同一類型、同一施焊條件的焊縫條數計算比例，探傷長度應≥200mm，并應不少于1條焊縫；三級焊縫不要求進行內部缺陷的無損探傷。

2．焊縫處數的記數方法 工廠制作焊縫長度≤1000mm時，每條焊縫為1處，長度>1000mm時，將其劃分為每300mm為1處，現場安裝焊縫每條焊縫為1處。

3．抽樣檢驗的合格判定 抽樣檢查的焊縫數如不合格率<2%時，該批驗收應定為合格；不合格率>5%時，應加倍抽檢，且必須在原不合格部位兩側的焊縫延長線各增加1處，如在所有抽檢焊縫中不合格率≤3%時，該批驗收應定為合格，>3%時,該批驗收應定為不合格。當批量驗收不合格時，應對該批余下焊縫的全數進行檢查。

六、焊縫中常見缺陷的類型及其在超聲探傷中的識別

焊縫中常見的缺陷主要有氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等幾種，他們各自的回波均有其特性。

1．氣孔

氣孔是在焊接過程中焊接熔池高溫時吸收了過量的氣體或冶金反應產生的氣體，在冷卻凝固之前來不及逸出而殘留在焊縫金屬內所形成的空穴，多呈球形或橢球形。氣孔可分為單個氣孔和密集氣孔。單個氣孔回波高度低，波形較穩定。從各個方向探測，反射波高大致相同，但稍一移動探頭就消失。密集氣孔為一簇反射波，其波高隨氣孔的大小而不同，當探頭作定點轉動時，會出現此起彼落的現象。

2．夾渣

夾渣是指焊后殘留在焊縫金屬內的熔渣或非金屬夾雜物，夾渣表面不規則。夾渣分點狀夾渣和條狀夾渣。點狀夾渣的回波信號與點狀氣孔相似。條狀夾渣回波信號多呈鋸齒狀。它的反射率低，一般波幅不高，波形常呈樹枝狀，主峰邊上有小峰。探頭平移時，波幅有變動，從各個方向探測，反射波幅不相同。

3．未焊透

未焊透是指焊接接頭部分金屬未完全熔透的現象。一般位于焊縫中心線上，有一定的長度。探傷中探頭平移時，未焊透波形較穩定，焊縫兩側探傷時，均能得到大致相同的反射波幅。

4．未熔合

未熔合主要是指填充金屬與母材之間沒有熔合在一起或填充金屬層之間沒有熔合在一起。未熔合反射波的特征是：探頭平移時，波形較穩定。兩側探測時，反射波幅不同，有時只能從一側探到。

5．裂紋

裂紋是指在焊接過程中或焊后，在焊縫或母材的熱影響區局部破裂的縫隙。一般來說，裂紋的回波高度較大，波幅寬，會出現多峰。探頭平移時，反射波連續出現，波幅有變動；探頭轉動時，波峰有上、下錯動現象。

以上是個人在超聲波無損檢測中結合相關規范總結的一些看法，寫出來與大家共同探討，不當之處還望各位同行不吝賜教。參考文獻

［1］北京鋼鐵設計研究院.GB50017-2003 鋼結構設計規范 中國計劃出版社.2003.［2］中冶集團建筑研究總院.GB11345-89鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級中國標準出版社.1990 ［3］全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.JB/T4730.1～4730.6-2005 承壓設備無損檢測新華出版社.2005 ［4］中冶集團建筑研究總院 GB50205-2001 鋼結構工程施工質量驗收規范中國計劃出版社

第二篇：超聲波探傷技術工作總結

小徑管超聲波探傷技術

開封空分集團有限公司--姜海

小徑管指管徑較小（DN100以內），管壁較薄（一般為3.5mm～8mm）的小徑管。過去對這些小徑管焊縫多采用射線檢測，但射線探傷方法有其自身的局限性；如裂紋、未熔合等,特別是當其與射線束方向夾角較大時，不易發現，容易漏檢。而超聲波探傷由于不受場地、環境限制，并且對那些面狀缺陷檢出率高、且價格低廉并可與其他工種進行交叉作業，可以大大提高效率而在管道探傷中得到了較好的應用，下面我結合自己的工作實踐，主要對小徑管探傷存在問題、探傷方法、要點及缺陷波識別等，談談自己的一些認識：

一 小徑管對接焊縫超聲波探傷存在以下問題： 1）小徑管壁薄，壁厚較薄時超聲波聲束在管壁中產生的聲程較短，易受聲壓不規則的近場區干擾，給缺陷定性，定量帶來困難。2）管壁曲率較大，管內外表面聲能損失較大，聲束傳輸路徑更復雜，經過多次發散，聚集聲壓反射異于常規，使聲能有一定量損失，降低了探傷靈敏度。3）焊縫焊波高度、焊瘤尺寸與管壁厚度為同一數量級，在較高靈敏度探傷時雜波多，這給缺陷的識別增加了難度。4）同一截面管子在壁厚上有時存在較大的公差，因而給缺陷定位帶來了一定的困難。

二

小徑管對接焊縫超聲波探傷方法及要點： 小徑管對接焊縫進行超聲波探傷時，探頭應使用高阻尼、短前沿、大K值的單晶橫波探頭；晶片尺寸一般不大于6mm×6mm，前沿距離≤5mm，偏差＜0.5mm，工作頻率為5 MHZ。探傷中要注意如下幾點：（1）探頭耦合問題：

為保證探頭與工件表面充分耦合，探頭耦合面應修磨成圓弧，使其曲率半徑與小徑管外表面盡量一致，不同管徑的小徑管焊縫探傷，應配備專用的探頭，避免混用。如果探傷前不認真修磨探頭耦合面，而是不同外徑的管子混用一個探頭，其結果不但使探傷工作受到油面波、變形表面波的干擾，更重要的是隨著探頭的磨損，使超聲場特性發生較大變化，使探傷結果變的不可信；另外，打磨準備工作也是保證探傷順利進行的重要環節，如飛濺物消除不徹底，會使探頭與管壁耦合不好，在檢查過程中出現“不起波”或“起雜波‘，必須認真去打磨探頭移動區，消除飛濺物、銹斑、油垢等，以便于探頭掃查。（2）關于探頭參數的測定及復核

準確測定探頭的重要參數，是超聲波探傷的重要基礎，如果探頭參數測量不準，就會造成缺陷定位、定性的困難，甚至造成誤判或漏判，在小徑管探傷檢驗中，由于工件尺寸小，對缺陷定位更要求準確，對探頭主要參數的 測定，準確性尤為重要，在探傷前，探傷人員必須認真測定探頭參數，在探傷過程中，對探頭主要參數和探傷靈敏度必須復核。（3）關于探傷靈敏度

在超聲波探傷中，確定探傷靈敏度是一個關鍵的步驟，它將直接影響到探傷結果，在小徑管焊縫探傷中同樣顯的極為重要。小徑管探頭由于晶 片尺寸較小，發射功率較低加上探頭前沿尺寸小，加工困難相應增大，因而，探頭在探傷靈敏度下雜波很多，但有時在探傷時為了便于觀察，往往不適當地降低了探傷靈敏度其結果必然造成漏檢，因此，做對比試塊時，須選用外徑、壁厚以及內外粗糙度與被探管子相同或基本相近的材料。（4）小徑管焊縫探傷由于探頭晶片尺寸較小，容易產生漏檢，所以一定要在焊縫兩側探傷。三

缺陷波的識別與判定： 1 缺陷反射波的識別

當采用一次波探傷時主要觀察儀器熒光屏上一次波標記點前面出現的反射波，因為波束掃過焊縫下半部，如果有反射波一般為缺陷反射（除盲區雜波外）。其次是位于一次波最大深度標記點上（焊縫根部）的反射波，當焊縫不存在錯口時，要確定反射波對應的反射點的位置，如果反射點位于焊縫中心點或探頭側則判為缺陷。當發現焊縫根部出現一定高度的反射波時、應對該處焊縫兩側的壁厚進行準確測定，儀器的掃描速度要準確調整，以準確定位，并根據探頭所在的位置對反射波進行認真分析，缺陷位置出現在一次波最大深度標記點處或以前，對應的反射體位于焊縫中心或探頭側。

當采用二次波探傷時，在一次波標記點和二次波標記點之間出現的反射波，可能為缺陷波，也可能是雜波，在這個區域之前或之后出現的反射波則為非缺陷波。缺陷波可用下述方法來判斷：

（1）如果二次波聲束在內壁上的轉折點位于焊縫區外，反射點位于焊縫中，則該反射波可判為缺陷波。（2）二次波聲束在內壁上的轉折點在焊縫區內則該反射波不能作為判傷的依據應根據位置、波形等其它情況綜合判斷。

當從焊縫兩側探傷發現反射波，若反射波出現在焊縫的同一位置，反射波高相同或不同則反射波判為缺陷波。2． 雜波的識別

小徑管對接焊縫超聲波探傷時，除了缺陷反射波外，還會有一些雜波信號，這些信號干擾了缺陷的判定，易產生誤判，因此要認真分析。（1）縫根部成形影響：

當焊縫根部成形較好時，一般在在一次波標記點附近無反射波或反射波強度很弱，當焊縫根部成形不良如存在焊瘤、表面不規則時，從焊縫兩側探傷一般均有反射信號，其位置與根部缺陷很相似，其強度隨根部成形所構成的反射條件而異，稍不注意易判為缺陷，可 用下述方法區分： a.準確地調整掃描速度以便從聲程差上比較，焊瘤反射波深度略大于一次波標記點，有必要再次強調精確測量管子壁厚。

b.用水平定位法識別:如焊瘤反射波在偏離焊縫中心線遠離探頭的一側，而根部缺陷水平位置則應在焊縫中心線上或偏離焊縫中心線靠近探頭一側。

c.通過轉動探頭觀察波形變化也可鑒別，移動探頭找到最大反射波后慢慢左右轉動探頭，觀察波形變化，缺陷波漲落大，瞬間消失，焊瘤波升降較緩慢、平穩，同時焊瘤處除產生反射波外，多數還會產生變形縱波或變形橫波，并傳到焊縫加強面產生回波信號，水平位置在一，二次波標記點中間或二次波標記點附近，可用沾油的手指拍打加強面來識別。(1)焊縫錯邊反射波：

當焊縫有錯邊出現時，聲束和錯邊方位將產生反射波，其水平定位在焊縫中心，但從另一側探傷時因無反射條件則無反射信號。(2)擴散聲束引起的加強面反射波的識別：

由于小徑管壁薄，當一次波主聲束后面的擴散聲束經底面反射到焊縫加強面時，在加強面處產生反射波，正好出現在一，二次波標記點之間，有時易誤判為焊縫中上部缺陷，可根據探頭位置和水平定位或用沾油的手指拍打加強面識別，必要時，用其它檢測手段做輔助檢查，(1)變形波：

當聲束掃查到焊縫根部時，在一定條件下將產生變形波，可根據探頭位置和水平定位進行區別，一般情況下變形波水平定位點在焊縫之外。四． 試驗驗證及結論

通過對不同管徑，不同壁厚管子經超聲波探傷和射線探傷比較，二者結果是基本吻合的，現場實際應用也證明，小徑管對接超聲波探傷不僅切實可行，而且也具有較強的可靠性。小徑管對接超聲波探傷可以克服射線探傷的缺點，但在探傷過程中一定要從焊縫兩側探傷，認真分析波形，對探頭參數、儀器一定要調準。

第三篇：超聲波檢測技術及應用

超聲波檢測技術及應用

劉贛

（青島濱海學院，山東省青島市經濟開發區266000）

摘 要：無損檢測(nondestructive test)簡稱 NDT。無損檢測就是不破壞和不損傷受檢物體，對它的性能、質量、有無內部缺陷進行檢測的一種技術。本文主要講的是超聲波檢測（UT）的工作原理以及在現在工業中的應用和發展。

關鍵詞：超聲波檢測；縱波；工業應用；無損檢測

1.超聲波檢測介紹 1.1超聲波的發展史

聲學作為物理學的一個分支, 是研究聲波的發生、傳播、接收和效應的一門科學。在1940 年以前只有單晶壓電材料, 使得超聲波未能得到廣泛應用。20 世紀70 年代, 人們又研制出了PLZT 透明壓電陶瓷, 壓電材料的發展大大地促進了超聲波領域的發展。聲波的全部頻率為10-4Hz～1014Hz, 通常把頻率為2×104Hz～2×109Hz 的聲波稱為超聲波。超聲波作為聲波的一部分, 遵循聲波傳播的基本定律, 1.2超聲波的性質

1）超聲波在液體介質中傳播時，達到一定程度的聲功率就可在液體中的物體界面上產生強烈的沖擊（基于“空化現象”）。從而引出了“功率超聲應用技術“例如“超聲波清洗”、“超聲波鉆孔”、“超聲波去毛刺”（統稱“超聲波加工”）等。

2）超聲波具有良好的指向性

3）超聲波只能在彈性介質中傳播，不能再真空中傳播。一般檢測中通常把空氣介質作為真空處理，所以認為超聲波也不能通過空氣進行傳播。4）超聲波可以在異質界面透射、反射、折射和波型轉化。5）超聲波具有可穿透物質和在物質中衰減的特性。

6）利用強功率超聲波的振動作用，還可用于例如塑料等材料的“超聲波焊接”。1.2超聲波的產生與接收

超聲波的產生和接收是利用超聲波探頭中壓電晶體片的壓電效應來說實現的。由超聲波探傷儀產生的電振蕩，以高頻電壓形式加載于探頭中壓電晶體片的兩面電極上時，由于逆壓電效應的結果，壓電晶體片會在厚度方向上產生持續的伸縮變形，形成了機械振動。弱壓電晶體片與焊件表面有良好的耦合時，機械振動就以超聲波形式傳播進入被檢工件，這就是超聲波的產生。反之，當壓電晶體片收到超聲波作用而發生伸縮變形時，正壓電效應的結果會使壓電晶體片兩面產生不同極性的電荷，形成超聲頻率的高頻電壓，以回波電信號的形勢經探傷儀顯示，這就是超聲波的接收。1.3超聲波無損檢測的原理

超聲波探傷儀的種類繁多，但在實際的探傷過程，脈沖反射式超聲波探傷儀應用的最為廣泛。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續，這種不連續往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質的交界面上將會發生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據這個原理設計的。

目前便攜式的脈沖反射式超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標是超聲波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離，縱坐標是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個鋼工件中存在一個缺陷，由于這個缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個不同介質之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當發射的超聲波遇到這個界面之后，就會發生反射，反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。這個反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質。1.4超聲波無損檢測的優缺點 優點：

1）探傷速度快，效率高

2）設備簡單輕巧，機動性強，野外及高空作業方便，實用

3）探測結果不受焊接接頭形式的影響，除對焊接縫外，還能檢查T形接頭及所有角焊縫。

4）對焊縫內危險性缺陷（包括裂縫、未焊透、未熔合）檢測靈敏度高 5）易耗品極少，檢查成本低 缺點：

1）若工件表面粗糙，需磨平，人工多

2）探測結果判定困難，操作人員需經專門培訓并經考核幾個 3）缺陷定型及定量困難

4）探測結果的正確評定收人為思想束縛的影響較大 5）探測結果不能直接記錄存檔

6）對于形狀復雜、表面粗糙、內部存在粗晶組織與奧氏體焊縫，探傷困難

2.超聲波檢測的應用 2.1陶瓷的無損檢測 2.1.1陶瓷氣孔率的檢測

陶瓷的強度、彈性模量、密度等直接和氣孔率有關, 有些構件的氣孔率決定了它能否使用。陶瓷中超聲波的傳遞速度v和氣孔率（或密度）之間也存在某種關系, 可以通過實測得到v, 再利用式（1）、式（2）求出陶瓷的氣孔率: v?v0(1?p?)???????????（1）v0?E0(1?v)????????（2）

?0(1?v)(1?2v)式中:

v0——陶瓷的氣孔率為零時的理論聲速;p?——陶瓷的氣孔率;E0——陶瓷的彈性模量;?0 ——陶瓷的密度。

將氣孔簡化為隨機取向的橢球, 均勻分布在各向同性的基體中, 用復合微觀力學模型計算聲速并和實測值進行比較, 由式（1）計算得到氣孔率。

當陶瓷材料的理論密度已知時, 氣孔率可由體密度計算而來。體密度的測量方法很多, 常用的有阿基米德法。陶瓷的內部缺陷也可以采用水浸探傷法來檢測, 以水浸縱波垂直探傷法檢測缺陷時, 波束路程可以直接讀出。要檢出微小缺陷時, 可以改用較低頻率的探頭。2.1.2陶瓷表面缺陷檢測

對于陶瓷而言, 同一形狀和尺寸的表面缺陷比內部缺陷更容易引起破壞, 因此表面缺陷的檢測特別重要。通常用水浸表面波法檢測陶瓷的表面缺陷, 其原理見圖1。將超聲波(縱波)傾斜入射到浸入水中的被檢物表面, 當入射角?c大于第二臨界角?n時, 折射聲波全部沿著工件表面傳播, 形成表面波, 表示為: ?c?arcsin(Cl1/Cr2)??n???????（3）式中:

Cl1——水中的縱波聲速;Cr2——工件水浸表面波聲速。

圖1 水浸表面波法原理

表面波波長比橫波波長短, 衰減也大于橫波。同時, 它僅沿表面傳播, 遇到尖銳轉角或棱角時將有強烈反射回波, 曲率越大反射越強。水浸表面波在試塊表面傳播時, 能量可泄漏到水中, 故僅僅傳播數毫米后, 水浸表面波的反射波高度就顯著降低。鑒于反射波傳遞距離較小的振幅特性, 應盡可能使探頭靠近缺陷處。

2.2鉆孔灌注樁的無損檢測 2.2.1檢測原理

采用超聲脈沖檢測混凝土缺陷的基本依據是，利用脈沖波在技術條件相同（指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致）的混凝土中傳播的時間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學參數的相對變化來判定混凝土的缺陷。

超聲脈沖波在混凝土中傳播速度的快慢，與混凝土的密實度有直接關系，對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說，聲速高則混凝土密實，相反則混凝土不密實。當有空洞或裂縫存在時，便破壞了混凝土的整體性，超聲脈沖波只能繞過空洞或裂縫傳播到接收換能器，因此傳播的路程增大，測得的聲時必然偏長或聲速降低。另外，由于空氣的聲阻抗率遠小于混凝土的聲阻抗率，脈沖波在混凝土中傳播時，遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷，便在缺陷界面發生反射和散射，聲能被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少。再者經過缺陷反射或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達波信號之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號的波形發生畸變。

根據上述原理，可以利用混凝土聲學參數測量值和相對變化綜合分析，判別其缺陷的位置和范圍，或估算缺陷的尺寸。2.2.2適用范圍

基樁超聲波檢測法是一種檢測混凝土灌注樁完整性的有效手段，它是利用聲波的透射原理對樁身混凝土介質狀況進行檢測，因此僅適用于在灌注成型過程中已經埋了兩根或兩根以上聲測管的基樁。

在樁身預埋一定數量的聲測管，通過水的耦合，超聲波從一根聲測管中發射，在另一根聲測管中接收，可以測出被測混凝土介質的聲學參數。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時會產生繞射、反射和折射，因而到達接收換能器的聲時、波幅及主頻發生改變。超聲波法就是利用這些聲波特征參數來判別樁身的完整性。

對跨孔透射法，當樁徑較小時，聲測管間距也較小，其測試誤差相對較大，同時預埋聲測管可能引起附加的灌注樁施工質量問題。因此，超聲波檢測方法適用于檢測直徑不小于 800mm 的混凝土灌注樁的完整性。

3.超聲波檢測的發展前景

無損檢測與評價技術在我國日常產品質量檢驗和大量在用工業和民用設備的檢驗中發揮了十分重要的作用。從統計結果看，我國擁有近17萬無損檢測人員和2000多家無損檢測機構，2007年無損檢測儀器的銷售額達10億元人民幣左右，大專院校每年培養近千名無損檢測專業的大專、本科和研究生。我國不僅對常規無損檢測設備、器材和服務有著巨大的需求，而且對先進的無損檢測儀器、技術和服務也有大量的需求。我國已成為一個無損檢測儀器、技術和服務的巨大市場。我國的無損檢測工作者已經在許多技術和領域進行了大量的研究、開發和成功的應用。

第四篇：常州鈦合金超聲波探傷檢測

常州鈦合金超聲波探傷檢測 石敏1-7-7-1-5-8-2-8-7-0-7

超聲檢測是無損檢測質量控制的一種重要手段。對于鈦合金材料中可能存在的冶金缺陷（如夾雜）、工

藝缺陷（如過熱、變形不足、裂紋等）和組織缺陷，生產廠和航空廠都用超聲探傷檢測進行質量控制，通過超聲檢測，可以及時淘汰不合格的原始坯料，防止不合格坯料進入加工工序，降低生產過程中的工

作量。同時，超聲檢測還可以對在役的鈦合金工件進行檢測，及時監控鈦合金工件的狀態，從而減少因

鈦合金工件失效斷裂導致的災難性事故的發生。

JB/T4730-2005《承壓設備無損檢測》是由國家發展和改革委員會發布的行業推薦標準。用于指導承壓設

備無損檢測及驗收方法。該標準分為6部分，其中第三部分超聲檢測規定了承壓設備采用A型脈沖反射式

超聲波探傷儀器檢測工件缺陷的超聲檢測方法和質量分級要求。該部分適用于金屬材料制承壓設備用原

材料、零部件、和焊接接頭的超聲檢測，也適用于金屬材料制在用承壓設備的超聲檢測。

第五篇：超聲波傳感器在鐵路鋼軌探傷中的應用

超聲波傳感器在鐵路鋼軌探傷中的應用

（上海動化學院測儀器 上海200072）

摘要： 無損檢測(Nondestructive test，NDT)是指不破壞和損傷受檢物體，對其性能、質量、有無內部缺陷進行檢測的一種技術。無損檢測技術是提高產品質量，促進技術進步不可缺少的手段，特別隨著新材料、新技術的廣泛應用，各種結構零件向高參量、大容量方向發展，不僅要提高缺陷檢測的準確率和可靠性，而且要把傳統的無損檢測技術和現代信息技術相結合，實現無損檢測的數字化、圖像化、實時化、智能化。

關鍵詞：無損檢測；超聲波；精度

The application of Ultrasonic sensors in the railway rail flaw

detection(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract:NDT(Nondestructive test)is a kind of detection technology which test detection without damaging component.Nondestructive testing technology improves the product quality and is the indispensable means to promote technological progress.Especially with the wide application of new materials and new technology, the parts of various structure develop in the direction of high parameter, large capacity.We shall not only improve the accuracy and reliability of defects detection, but also improve the traditional nondestructive testing technology with modern information technology, to realize the combination of digitalization, visualization, real-time, and intellectualization of nondestructive testing.Key words: Ultrasonic;flaw detection;accuracy

1.引言

工業上常用的無損檢測方法有五種：超聲檢測(UT)、射線探傷(RT)、滲透探查(PT)、磁粉檢測(MT)和渦流檢測(ET)。其中超聲檢測是利用超聲波的透射和反射進行檢測的。超聲波可以穿透無線電波、光波無法穿過的物體，同時又能在兩種特性阻抗不同的物質交界面上反射，當物體內部存在不均勻性時，會使超聲波衰減改變，從而可區分物體內部的缺陷。因此，在超聲檢測中，發射器發射超聲波的目的是超聲波在物體遇到缺陷時，一部分聲波會產生反射，發射和接收器可對反射波進行分析，精確地測出缺陷來，并顯示出內部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。

超聲檢測作為一種重要的無損檢測技術不僅具有穿透能力強、設備簡單、使用條件和安全性好、檢測范圍廣等根本性的優點外，而且其輸出信號是以波形的方式體現。使得當前飛速發展的計算機信號處理、模式識別和人工智能等高新技術能被方便地應用于檢測過程，從而提高檢測的精確度和可靠性。

超聲波無損探傷(NDI)是超聲無損檢測的一種發展與應用，其設備有：超聲探傷儀、探頭、藕合劑及標準試塊等。其用途是檢測鑄件縮孔、氣泡、焊接裂紋、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度測定。

超聲無損檢測在最近幾十年中得到了較大的進展,它已成為材料或結構的無損檢測中常用的手段。由于超聲檢測可以在線進行、超聲波對人體無害又不改變系統的運行狀態，因此，在材料或結構的無損檢測中得到了廣泛的應用。2.超聲探傷原理

超聲探傷是無損檢測的主要方法之一。它能非破壞性地探測材料性質及內部和表面缺陷(如裂紋、氣泡、夾渣等)的大小、形成和分布情況，具有靈敏度高、穿透力強、檢測速度快和設備簡單、成本低等一系列特點。2.1 基本原理

超聲波探傷具有反射和透射兩種方法。其中反射方法精確度較高。圖1 是脈沖回波探傷儀原理圖。脈沖發射器通過探頭將超聲波短脈沖送入試件，當回波從試件的缺陷或邊界返回時，通過信號處理系統，在示波器上加以顯示，并將其幅度和傳播時間顯示出來。如果已知試件中的聲速，則根據示波器上的讀數所獲得的脈沖間的傳輸時間即可獲得缺陷的深度。

圖1 脈沖回波探傷儀原理圖

2.2 探傷分類

超聲探傷方法很多，可以按不同的方式進行分類。

現將幾種常用的分類方法介紹如下。

(1)按原理分類

按探傷原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭發射脈沖到被檢測試塊內，根據反射波的情況來檢測試件缺陷的方法。脈沖反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等。

(2)按耦合方式分類

按耦合方式分類如圖2 所示。

圖2 按耦合方式探傷分類圖

(3)按探傷顯示方法分類

按探傷顯示方法分類可分為A 型顯示，B 型顯示與C 型顯示。其中A 型顯示只顯示缺陷的深度： B 型顯示探傷儀，可顯示工件內部缺陷的橫斷面形狀，此時示波器橫坐標代表探頭在工件面上的位置，縱坐標代表缺陷的深度。探頭沿工件移動與示波管掃描線的水平移動是同步的，為使圖象保留在熒光屏上，應選用長余輝示波管，且探頭移動速度不能太快： C 型顯示探傷儀,可以顯示工件內部缺陷的平面圖形。

(4)按智能方式分類

上述探傷方法如由人工操作，則為人工探傷。如使試樣或探頭移動，在它的移動中利用超聲波自動地檢測缺陷并予以顯示或指示(噴色)的方式，稱為超聲自動探傷。自動探傷要有探傷儀(帶閘門裝置)，顯示裝置，探頭及其夾持機構。根據探頭設置方式的不同還可大致分為如下幾種探傷方式：直接接觸方式，此方式只用在探傷速度不高且表面光滑的場合，如軌道、無縫鋼管和軸等： 局部水浸方式是超聲探傷中最適用的方式，還可細分為其他方式，但原理是同樣的： 全水浸方式用于工件的某部分(如粘結層)或管類的精密探傷，當水槽機構設計成可以進行自動探傷的情況下，除去工件的裝卸以外，探傷可以全部自動化，如果工件加工精度高，而且水槽內架設的探頭夾持機構、移動架的精度也高，則探傷的精度也高。

3.超聲探傷技術在無損檢測中的應用

3.1機車檢測方面的應用

3.1.1在高速鋼軌檢測中的應用

我國鐵路運營線路近七萬公里，而且鐵路正在向高速、重載的方向發展。超期服役的鋼軌數量很大，線路上的鋼軌在承擔繁重的運輸任務過程中，不免要產生各種肉眼能看見及看不見的損傷如側磨、軌頭壓潰、剝離掉塊、銹蝕、核傷、水平裂紋、垂直裂紋、周邊裂紋等。

如圖3 所示，當被檢鋼軌內部有一個裂紋缺陷(或其他缺陷)，將超聲波探頭放在被檢鋼軌的某一表面部位(該面稱作探傷面、檢測面)，探頭向被檢鋼軌發射超聲波信號，超聲波穿過界面進入被檢鋼軌內部，在遇到缺陷和兩介質的界面時都會有反射，反射信號被探頭接收后，通過探傷儀內部的電路轉換，就可以把缺陷信號和底波信號形象地顯示出來，如圖4 所示。根據超聲波的聲程推算，就可以輕易地將缺陷信號和底波信號區分開，然后通過超聲波試塊進行定標，就可以實現對鋼軌缺陷的定位和定量。

圖3 超聲探傷示意圖

3.1.2在車輪缺陷檢測中的應用

輪對是車輛走行部中最重要的部件之一，對軌道車輛輪對的檢測并準確地判斷其缺陷位置一直是鐵道運輸部門非常重視的問題。該系統采用電磁超聲探傷技術，實現輪對踏面的缺陷檢測，包括：踏面剝離及剝離前期檢測： 踏面表面及近表面裂紋檢測。

圖4 超聲波探傷儀顯示缺陷示意圖

電磁超聲探傷系統利用超聲表面波的脈沖反射原理進行缺陷檢測。當輪對沿鋼軌運行到探頭位置，輪對踏面接觸探頭的瞬間，EMAT(電磁超聲探傷技術)在車輪踏面表面及近表面激發出電磁超聲表面波脈沖，超聲表面波將沿踏面表面及近表面圓周以很小的損耗傳播。如圖5 所示，超聲表面波在踏面雙向傳播(順時針和逆時針)，沿車輪表面及近表面傳播1 周后回到探頭位置，EMAT 探頭檢測到返回的超聲表面波后形成第1 次周期回波(圖5 中RT 波)： 未衰減的超聲波繼續沿踏面傳播，依次形成第2 次、第3 次周期回波，,直到能量衰減到設備無法檢測為止。

圖5 探頭在踏面激發的超聲表面波

當車輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷存在時，超聲波在缺陷端面處一部分能量被反射，沿原傳播路徑返回并被探頭檢測到，形成缺陷回波(圖6 中E波)： 另一部分能量繞過缺陷端面繼續傳播，形成周期性回波(圖6 中RT 波)。通過正常的周期回波(RT)與缺陷回波(E)的對比分析，可以定性分析當前輪對的踏面缺陷狀況。3.1.3在輪輞缺陷檢測中的應用

隨著我國鐵路行車速度的提高，尤其是動車組的開行給行車安全提出新的考驗，轉向架關鍵部件如輪輞、車軸、軸承等局部位置承受更大的應力，要求檢測過程速度加快、檢測時間間隔變小、檢測范圍擴大，給鐵路無損檢測領域提出更高的技術要求。

根據輪輞缺陷裂紋的走向特點，將輪輞缺陷分為三類。

圖6 表面波傳播原理

(1)周向缺陷：沿車輪踏面圓周方向并與踏面圓周方向平行：(2)徑向缺陷：方向垂直踏面，與車輪直徑方向平行：(3)軸向缺陷：輪輞內部與車軸方向平行。

在探傷實驗中，通過在樣板輪上打平底孔、刻槽的方式形成人工缺陷模擬輪輞的實際缺陷，平底孔的直徑或刻槽的寬度與實際裂紋尺寸成當量關系，相控陣探頭分別置于踏面(I)和輪緣內側(II)進行掃查，樣板輪工缺陷如圖7 所示，缺陷# 為距輪緣頂端40 mm且垂直輪輞側面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷? 為距踏面10 mm 垂直輪輞側面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷% 為距踏面50 mm 垂直輪輞側面 3 mm 深90 mm 的平底孔： 缺陷&為輪輞與輪輻交接區域，朝踏面方向3 mm、孔底距踏面40 mm 的平底孔： 缺陷為輪緣根部靠踏面側2 mm 深周向刻槽，槽寬小于等于2 mm。

根據超聲檢測脈沖回波反射的特點，周向缺陷采用縱波相控陣直探頭從踏面進行掃查： 徑向缺陷采用縱波相控陣直探頭在輪緣內側面進行掃查： 軸向缺陷采用縱波相控陣直探頭、橫波相控陣斜探頭均能掃查到。

圖7 輪輞人工模擬缺陷探傷

3.2 建筑和土木方面的應用

3.2.1超聲在測定混凝土結構強度及厚度的應用(1)強度檢測技術

超聲波檢測是利用混凝土的抗壓強度與超聲波在混凝土中的傳播參數(聲速)之間的相關性來檢測混凝土強度的。混凝土的彈性模量越大，強度越高，超聲波的傳播速度越快。經試驗，這種相關關系可以用非線性數學模型來擬合，即通過實驗建立混凝土強度和聲速的關系曲線。現場檢測混凝土強度時，應該選擇澆筑混凝土的模板側面為測試面，一般以200 mm(200 mm 的面積為一測區。每一試件上相鄰測區間距不大于2 m。

測試面應清潔平整，干燥無缺陷和無飾面層。每個測區內應在相對測試面上對應的輻射和接收換能器應在同一軸線上，測試時必須保持換能器與被測混凝土表面有良好的耦合，并利用黃油或凡士林等耦合劑，以減少聲能的反射損失。按擬定的回歸方程計算或查表取得對應測區的混凝土強度值。

(2)聲波反射法測量厚度

如圖8 所示，超聲波從一種固體介質入射到另一種固體介質時，在兩種不同固體的分界面上會產生波的反射和折射。聲阻抗率相差越大，則反射系數也越大，反射信號就越強。所以只要能從直達波和反射波混雜的接收波中識別出反射波的疊加起始點，并測出反射波到時，就可以由式(1)計算混凝土的厚度:

式中：H 為混凝土厚度： C 為混凝土中聲速： T 為反射波走時： L 為兩換能器間距。由(1)式知，要準確得到厚度,關鍵是如何設法測得較準確的混凝土聲速C 和混凝土結構底面波反射聲時T。當換能器固定時，L 是一個常數。

圖8 反射法測量厚度原理圖

3.2.2超聲在橋梁混泥土裂縫檢測中的應用

橋梁結構的使用性能及耐久年限，主要由設計、施工和所用材料的質量等諸多因素共同決定。由于設計、施工和材料可能存在某些缺陷，這些缺陷會使橋梁結構先天存在著某些薄弱之處： 此外，橋梁在營運使用中又會受到不可避免的人為損傷及各種大自然侵蝕，帶來后天病害。

如圖9 所示，先在與裂縫相鄰的無缺陷混凝土利用*測法計算出超聲波在測距為2a 的混凝土中的聲時t0 ：再將超聲換能器置于裂縫兩側各為a 的距離，計算出跨縫測試超聲波的聲時tc，計算裂縫深度dc 公式為 :

圖9 橋梁檢測示意圖

3.3 焊接方面的應用

采用超聲相控陣技術及B 掃描實時成像技術，通過足夠數量的探頭排列和觸發時間控制，并選用不同頻率范圍，可以實現嵌入式電阻絲電熔連接接頭的檢測。

通過對比超聲圖像與接頭實剖圖，發現該方法能可靠地檢出物體中的缺陷，并能較精確地確定缺陷位置和大小。在聚乙烯管道安裝工程中的檢測進一步驗證了該技術的可靠性。

檢測示意圖如圖10 所示。超聲相控陣檢測結合B掃描技術可以判斷檢測截面上電阻絲的位置，從而可以判斷由于管材和套筒配合過緊造成的電阻絲垂直方向的錯位情況，從實剖圖上得到驗證如圖11 所示，比較超聲成像圖和實剖圖可以看出，相控陣超聲方法對金屬絲有較好的分辨效果，連很微小的位移也能分辨出來，定位精度達0.5 mm。

圖10 焊接檢測示意圖

圖11 電阻絲錯位圖

超聲相控陣技術及B 掃描實時成像方法對聚乙烯管電熔接頭各類缺陷有較好的檢出能力。對大量含缺陷電熔接頭進行檢測和試驗研究，對比超聲成像圖和實剖圖，發現該方法對于聚乙烯電熔接頭的各類缺陷均有較高的檢測靈敏度和檢出精度。通過城鎮聚乙烯燃氣管道安裝工程檢測實踐，驗證該技術能實現嵌入式電阻絲電熔連接接頭的檢測。

4.結語

現代意義的無損檢測技術是隨著各種科學技術的發展而發展起來的。超聲檢測作為無損檢測的一種重要方法和熱點研究，主要集中在研制適應性強、靈敏度高的探頭： 為判斷缺陷性質而對各種缺陷數學模型的建立： 缺陷的檢出和信號分析技術： 無損*價的量化研究以及拓展超聲檢測在其他領域的應用。它的優點是對平面型缺陷十分敏感，一經探傷便知結果，易于攜帶，多數超聲探傷儀不必外接電源，穿透力強。局限性是藕合傳感器要求被檢表面光滑，難于探出細小裂縫，要有參考標準，為解釋信號要求檢驗人員素質高。

超聲檢測技術未來將會向著以下幾個方面發展:

(1)向高精度、高分辨率方向發展。

(2)高溫條件下的測量明顯增多，在線檢測、動態檢測增多。

(3)在若干領域向超聲無損*價發展，使得超聲檢測內容有了新的內涵。如超聲檢測技術與斷裂力學相結合，對重要構件進行剩余壽命*價： 超聲檢測技術與材料科學相結合，對材料進行物理*價。

(4)在無損檢測方面向定量化、圖像化方向發展,超聲檢測系統將進一步數字化、圖像化、自動化、智能化。

(5)現代信息處理技術如數值分析法、神經網絡技術、模糊技術、遺傳算法、虛擬儀器技術將廣泛應用于超聲檢測技術領域。

隨著各種科學技術在超聲檢測及探傷中的不斷深入應用，相信超聲檢測作為許多領域產品質量保證的重要手段之一必將得到更多的關注與提高。

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