超声无损检测技术详细介绍

超声检测一般是指利用超声波与工件相互作用，对反射、透射和散射的回波进行分析，从而对工件进行宏观缺陷、几何特性、组织结构和力学性能的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

超声波是在弹性介质中传播的机械波，人们日常听到的声音，是由于声源的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，牵动听觉神经产生听觉，但并不是任何频率的机械振动都能引起听觉，只有频率在一定的范围内的振动才能引起听觉。人们把能引起听觉的机械波成为声波，频率在20~20000Hz之间。频率低于20Hz的机械波成为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。

对于宏观缺陷检测的超声波，其常用频率为0.5~25MHz，对钢等金属材料的检测，常用频率为0.5~10MHz。超声波频率很高，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测：

a) 超声波方向性好

b) 超声波能量高

c) 能在界面上产生反射、折射、衍射和波形转换

d) 超声波穿透能力强

其工作原理是：

超声检测按照原理分类，可分为脉冲反射法、衍射时差法、穿透法和共振法，此处主要介绍脉冲反射法和衍射时差法。

声源产生的脉冲波进入到工件中——超声波在工件中以一定方向和速度向前传播——遇到两侧声阻抗有差异的界面时部分声波被反射——检测设备接收和现实——分析声波幅度和位置等信息，评估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。两侧声阻抗有差异的界面可能是材料中某种缺陷(不连续)，如裂纹、气孔、夹渣等、也可能是工件的外表面。声波反射的程度取决于界面两侧声阻抗差异的大小、入射角以及界面的面积等。通过测量入射声波和接收声波之间声传播的时间，可以得知反射点距入射点的距离。

超声波探头发射脉冲波到被检工件内，通过观察来自内部缺陷或工件地面反射波的情况来对工件进行检测的方法，称为脉冲发射法。

脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。

根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，成为缺陷回波法。该方法以回波传播时间对缺陷定位，以回波幅度对缺陷定量，是脉冲反射法的基本方法。

图1所示为缺陷回波检测法的基本原理，当工件完好时，超声波可顺利传播到达底部，检测图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图1-a所示。

若工件中存在缺陷，则在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F。

当工件的材质和厚度不变时，底面回波高度应时基本不变的。如果工件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失。

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，但是要求被检工件的检测面与底面平行，耦合条件一致。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检测方法，而是经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的、小而密集的缺陷，对于锻件采用直探头纵波检测法时常使用，如由缺陷引起的底波降低量。

当透入工件的超声波能量较大，而工件厚度较小时，超声波可在检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……。如果工件存在缺陷，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3所示。这种依据多次底面回波的变化，判断工件有无缺陷的方法，称为多次底波法。

衍射时差法(Time of Flight Diffraction，简称TOFD)，是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式。缺陷处的衍射现象如图所示。

图 衍射现象

TOFD方法一般将探头对称分布于焊缝两侧。在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波形转换产生的横波，因为声速小于纵波，因为一般会迟于底面反射波达到接收探头。工件中超声波传播路径如图5所示，缺陷处A扫描信号。

TOFD检测显示包括A扫描信号和TOFD图像，其中A扫描信号使用射频波形式。而TOFD图像则是将每个A扫描信号显示成一维图像线条，位置对应声程，以灰度表示信号幅度，将扫查过程中采集到的连续的A扫描信号形成的图像线条沿探头的运动方向拼接成二维视图，一个轴代表探头移动距离，另一个轴代表扫查面至底面的深度，这样就形成TOFD图像。

与脉冲反射法超声检测相比，TOFD的主要优点在于：(1)缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关，缺陷检出率高；(2)超声波声束覆盖区域大；(3)缺陷高度测量精确；(4)实时成像，快速分析；(5)缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度；(6)快速、安全、方便。

但TOFD也存在其局限性，主要有：(1)由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围的缺陷波难以被发现，因此在扫查面和底面存在几毫米的表面盲区；(2)TOFD信号较弱，易受噪音影响；(3)倾向于“过分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等。