超声波检测缺陷高度的方法讨论.docx

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1、超声波检测缺陷高度的方法讨论摘要：由断裂力学可知，在评估零件是否会因某处缺陷而失效时，缺陷的自身 高度与其距工件表面的距离都是非常重要的关键因素。本文主要对确定缺陷的 自身高度的几种方法进行讨论。常用的检测方法有6dB法，端点衍射法，端点反射法。此外还有当量法与 表面波法等。6dB曲法是超声测量缺陷长度的传统方法，也能够用来检测高 度。其易于掌握，但适用范围有局限且误差较大。端点反射法是通过测量声波 入射到裂纹顶端所产生的回波声程差来测定裂纹高度的，精度比较高。端点衍 射法是本文着重探究的方法，选择三处不同尺寸的垂直于表面的开口缺陷，并 在开口同侧面与异侧面分别进行测量，并用6dB法对同一缺陷

2、进行验证。端点 衍射法的难度较高，测量缺陷深度的基本原理是波的衍射，当超声波能量传播 到缺陷端部时，其中所产生的衍射波会和其端点反射波一同被探头接收，在显 示屏上衍射波可以通过反射波来确定，即位于端点反射波旁的第一个小波为衍 射波。确定缺陷两端点所产生的衍射波后，通过测量它们之间的延迟时间差 值，可计算得出缺陷自身高度。但若衍射波与反射波在显示屏上过于接近不利 于分辨，则难以准确测算。因为随着缺陷自身高度的减小，衍射现象会越弱。 可以通过使用高频率的探头，来降低检测的误差。2.2.2测高方法对于开口缺陷：(1)检测面与缺陷开口异面时，检测原理如图2.5所示。(a)反射波高80%(b)衍射波图2

3、.5检测面与缺陷开口异面时记录缺陷反射回波高度调为荧光屏80%时的AC(如图2.5a)后，再将灵敏度提 高15dB25dB,沿缺陷伸展方向移动探头进行扫查，观察声束轴线，当其完 全离开缺陷端点后找到第一个峰值回波即端点衍射波。记录端点距探测面距离ADw,如图 2.5b)。(3)按(2.4)式即可求出缺陷自身高度AH =AC-ADw(2.4)检测面与缺陷开口同面时，如图2.6。如(2.5)式计算缺陷自身高度：AH =ADw(2.5)白缺陷面回波(AC)图2.6检测面与缺陷开口同面时1对于零件内部缺陷(a)单斜探头对零件内部垂直缺陷测高将探头置于任一探测面，前后缓慢移动探头扫查缺陷。当找出缺陷的上

4、下端点 反射波后再微动探头，找到缺陷上端点前与下端点后紧邻出现的上下端点衍射 回波入，并记录其位置，按(2. 6)式计算缺陷自身高度。AH =ADw 下ADw 上(2.6)(b)单斜探头对零件内部倾斜缺陷测高缓慢移动探头在探测A、B端点扫查缺陷，确定A点和B点衍射回波后，再 精确测量探头移动距离Li,然后将探头移到对应侧，用同样的方法测得L2o 见图2.7.图2.7单斜探头对焊接接头内部倾斜缺陷测高方法因其为倾斜缺陷，所以当Li和L2的数值是不等的。若其数值相等，那么可判 定该缺陷为垂直缺陷。按照式(2.7)可计算出缺陷的倾角9：8=tan X (L-AH- tanP)/AH(2.7)则倾斜缺

5、陷长度AB由三角形定理可得：AB= (L-AH-tanP)2+AH2 1/2(2.8)式中：AB缺陷倾斜长度，mm； AH缺陷倾斜高度，mm； tanp斜探头折射角正切值；Li、L2探头从B点移动至A点的距离，mm。(c)双斜探头“V”形串接法测高。当缺陷埋深较深，或是端点部的散射波淹没衍射波致使衍射信号无法识别时， 则采用双斜探头“V”型串接法进行测高(见图2.8)。图2.8双斜探头“V”型串接法进行测高按如下步骤操作：(1) 一般选择两只相同型号且K值相同的球晶片聚焦斜探头，但常规探头亦 可。10(2)先用单斜探头测定缺陷的上下端点距探测面的深度。端点衍射波的识别 可参考图2.6o(3)把

6、仪器工作状态转换成一发一收，并置探头1于缺陷上端点的位置，探头 2则放在缺陷的另一侧与之对称的位置，调节增益使得反射波幅至荧光屏的 80% o(4)移动探头2,当其端点反射波幅度至荧光屏的80%时，固定探头20再移 动探头1扫查端点反射波。当其前方出现新的最高反射波信号或者该波波幅达 到最高时，将探头1固定，再次移动探头2,扫寻上端点衍射回波，如此轮流 移动两探头，便可最终确认缺陷端点衍射波。测定缺陷端点衍射波的时间延迟 差值，即可求出缺陷上端点至距探测面的深度ADw上。(5)按照上述步骤依此轮流移动两探头，以确定缺陷下端点衍射波，并获得缺 陷下端点距探测面的深度ADw下。按式(2.9)计算缺

7、陷高度：AH=ADw F-ADw t(2.9)2.3 端部最大回波法2.3.1 检测原理当超声波声束入射到裂纹的端点时，依据惠更斯原理，在裂纹尖端横波会 形成次生源而产生衍射，即为端部衍射回波。另一部分沿着原路被反射的声 波，称为端点反射回波。反射回波与衍射回波的强度，与入射角有关。假如端 部的反射面与入射波方向垂直，则衍射波很弱甚至消失，而反射波的强度会很 大。端点最大回波法便是通过测量声波入射到裂纹两端所得的回波声程差来 测定裂纹高度的，精度比较高。使用端部最大回波法测量缺陷高度时，一般情 况下使用直射波法，在直射波实在难以分辨时也允许采用一次回波法。2.3.2 测高方法尽量从多个方向用探

8、头沿着缺陷的延伸方向扫查，或用不同K值的探头 进行反复操作，确保缺陷端点不被漏检。当检测面积型或体积型缺陷时，必须 沿长度方向在几个位置作测定，同样是为了保证却缺陷端点不被漏检。在测定11缺陷高度时，应在垂直于缺陷延伸长度的方向，进行前后扫查，这样才能获得 最大反射回波。扫查时应适时转动探头，以便可以在缺陷端部的形状不同时也 能清晰地测出端部回波。若探测到多个杂乱波峰，则以能找出的缺陷最大自身 高度的回波为缺陷端部回波，如图2.9所示。缺陷两端的峰值回波A和Ai, 定为测定时的基点。一般情况下，选取端部回波波高占荧光屏满刻度50%时 的回波前沿值的位置为基点(见图2.10)。图2.9用端部最大

9、波幅法测缺陷自身高度B100%始波声程图2.10端部回波声程读数若为内部缺陷：如图2.11(a)所示，探头前后扫查，按式(2.10)求出缺陷高度, 或深度1:1调整时基线，可以直接测定。12AH =(W2-Wi) XcosO(2.10)式中：Wi和W2分别为缺陷上、下端部峰值回波处距入射点的声程,e为折射 角。图2.11缺陷高度的测定方法若为表面开口缺陷：如图2.11b所示，探测出缺陷端部的最大回波，记录声 程并代入式(2.11)和式(2.12)式则可求出缺陷高度AH o缺陷开口处与探伤面在同一侧时见图2.11 b右半图AH =Wcos9(2.11)式中W(mm)缺陷端部峰值回波处距探头入射点

10、的声程，9()折射 角。(2)缺陷在探测面的对面时见图2.11 b左半图AH =(t -W)-cos9(2.12)式中W(mm)缺陷端部峰值回波处距探头入射点的声程，6(。)为折射 角，t(mm)壁厚。2.4 波形转换法在现有仪器具有较高的精确度的情况下，还可采用波型转换法测高。在超 声波入射至裂纹型缺陷端部时，其中一部分被反射而沿原路返回被探头接收， 另一部分则发生波型转换成为表面波，并顺着裂纹缺陷平面传播。当其传到 裂纹根部时，一部分在裂纹根部尖端处产生绕射，顺着裂纹高度方向反向传 播，而一部分直接被反射后顺着裂纹高度方向反向继续传播。当两波到达裂纹13 顶端时会又一次发生波型转换，并最终

11、为探头所接收（R波）由于裂纹的宽度一 般很小，因此这两种表面波在裂纹延伸方向的传播时间是相同的。只要确定 S波与R波的间距，即可通过计算得出裂纹高度。2.5 当量法该方法原理比较简单，即扫查出自然缺陷回波并与试块上人工缺陷回波进 行比较，在两缺陷的回波等高且声程相同时，则可判定出该自然缺陷的当量大 小就是试块上人工缺陷的尺寸，通过进一步计算即可求得自然缺陷的实际大小 ,0o但该方法操作起来十分复杂，不仅需要制作大量试块还要考虑表面补偿等 因素，且仅在测定厚度较薄的工件的表面小裂纹适用，因此不作为常用方法。2.6 表面波法表面波具有只在固体介质表面进行传播的特性，在测量表面开口的裂纹时 可采用表

12、面波延时法来。用表面波测量裂纹自身高度有强度法和延时法两种， 但强度法只能用来测量长度小于两倍波长的缺陷】。因裂纹对表面波有延时作 用就可以此来计算裂纹的深度。即表面波通过裂纹时要经过一段时间,在探伤 仪显示屏上的反映是对应有一段水平距离，通过测量这段距离即可确定裂纹的 自身高度（深度）。但当缺陷内含油、水或其它等液体时，表面波有可能跨越缺陷 开口，使测试误差加大，测量值小于实际裂纹深度i。测量缺陷高度还有其它一些方法如声影法和爬波反射法、横波聚焦顶端回 波法和声影法测量裂纹深度和高度。经过验证这几种方法测量的精确度也很 高，解剖值和测量值的误差不大于12%。但论文选仅取端点衍射法进行实验,

13、同时还以传统的6dB法及端点反射法进行了同样的测量，并进行对比。14第3章实验3.1 实验准备3.1.1 CTS-1010数字超声探伤仪该仪器是由我国汕头超声仪器研究所生产的，采用了领先于国内业界的多 项技术。其采样频率最高可达640MHz,能够在保证速度的情况下对缺陷回波 信号进行显示和智能分析，不会漏掉弱小信号的变化，对细节也能及时响应。 这一点使回波信号的实时性和真实性得到了保证。使用了 FIR数字滤波技术，有较高的信噪比，在检测高衰减材料或厚工件 时变现好。阻尼电阻可依据情况设置为400。或80。能够调节激励脉冲为负 方波，发射电压在25V至250V连续可调，步进为25Vo宽度30ns

14、至1000ns 连续可调，步进为5ns。脉冲还可实现自动优化，在400Q/200V设置时，双沿 小于10ns,高频时自动优化为脉冲激励，使得在检测复合材料与薄工件时拥有 高分辨率。其检测范围可从0.0mm连续调整至10000mm （钢纵波），最小步进 值0.1mm。拥有正向、负向、全波、射频这四种检波方式。报警信号由硬件及 两路闸门实时驱动，进波报警、失波报警、DAC曲线报警，报警信号为声、 光报警。测量方式为峰值或前沿。主要详细参数如下。15CTS-1010数字超声探伤仪的详细参数工作方式单、双工作频率分宽带、窄带两档，宽带：。.515MHz,窄带：1.53MHz增益0.0UO.OdB,步进

15、值：0.1、1.0、2.0、6.0dB； O.ldB 档提供智能加速调节功能声速范围100015000m/s ,连续可调检测范围0.0 10000mm (钢纵波)，连续可调，最小步进值0.1mm脉冲移位-7.53000.探头零值0999.9|is脉冲重复频率25800Hz,自动调节方式垂直线性误差3%水平线性误差60dB （20002 平底孔）分辨率36dB（5P14）动态范围32dB抑制(090)%,不影响线性与增益电噪电平10% （钢纵波，250mm）3. 1. 2耦合剂探头与工件之间须填充耦合剂才能使超声波有效地传入工件，使探测面上 的声强透射率得到了保障，以达到检测的目的冏。耦合剂起到

16、了在工件与探头 接触面上排除空气的作用，能够充填微小凹坑和间隙并兼有防止探头磨损和润 滑的功能。本次实验选用机油作为耦合剂。3.1. 3探头探头是以超声换能器为主要原件可用于超声发射和接收的器件。原则上上 选用探头时，频率应考虑节能，声束也应尽可能窄口久 尤其是对于裂纹类缺 陷，应尽量实现声束垂直入射。本实验选用2.5P13X13K1横波斜探头,其频率 为2.5MHz。因为K1探头波束轴线基本可以打在缺陷中间，定位准确。且在16JB/T 4730.32005中有明确指出在测量缺陷高度时应选K 1, 2.5MHz5MHz 探头为宜。3.1. 4试块选用三块刻槽含碳钢试块，在其表面分别刻有1mm、

17、2mm、3mm开口槽 若干，由济宁模具厂生产的。3. 2实验步骤在进行试验前先将被检试块的参数输入探伤仪，并选取R50mm作为参考 反射面。如图3.1,将斜探头如图置于CSK-IA试块上，图3.1测定声速先顺着试块的方向前后移动探头，找到R100的最大回波并调节增益将波 高调至显示屏的60%80%的高度，后再左右移动探头，使得R50的回波与 R100的回波等高。固定探头并移动波门，使其框住R50回波，按下测定声速 的按钮即可测得声速。再按下测定延时的按钮便可得到延时。用钢尺测量出探 头前沿至试块前段的距离，记录为L。松开探头，再次扫查找到R100回波的 波峰，再次用钢尺测量L的数值，记录后再重

18、复上述步骤，再次测量L的数 值。将CSK-IA翻转倒置，照图3.2放置探头，前后移动探头，待R50回波最 大时固定探头，按下择定K值的按键，得到K值的确切数值。至此定标完 毕。测得K为1.03,前沿长度为14.5,延时7.26恪17目录第1章绪论1.1 测量缺陷深度的重要性11.2 发展与现状1第2章实验原理.2. 16dB 法42. 1. 1检测原理42. 1. 2检测方法52.2端点衍射法：62. 2. 1衍射原理：62. 2. 2测高方法82.3端部最大回波法112. 3. 1检测原理112. 3.2测高方法112. 4波形转换法132. 5当量法142. 6表面波法14第3章实验3.

19、1实验准备153. 1. 1CTS-1010数字超声探伤仪153. 1. 2耦合剂163. 1. 3探头163. 1.4试块173.2实验步骤17第4章总结4.1 分析错误!未定义书签。4.2 结论错误!未定义书签。参考文献25图3.2测量K值分别在刻有1mm、2mm、3mm深的槽的背面进行探测。探头与刻槽的延伸方 向垂直如图3.3所示，在背面相应位置扫查。图3.3扫查依照前述步骤，找到最高一次反射回波并通过将其高度调整为显示屏的80%, 在刻有1mm与2mm及3mm槽上的波形分别如图3.4、图3.5、图3.6所示。再将增益提高，找到缺陷衍射波。如图3.7、图3.8、图3.9所示。图3.4检测

20、1mm缺陷时调整反射回波高度为荧光屏80%全屏箜数HittV11 % 00 11 7.8 Iki图3.5 1mm的端点衍射回波AH =AC ADw=9.47.8=1.6mm6 i= (1-1.6)+1=-60%19dB 37.9图3.6检测2mm缺陷时调整反射回波高度为荧光屏80%2*14,0.、/、* * - _ * -T .、一1/41.1 r lu.o1 匚7.71X1*61%全屏参数通道4-21.2褊川崎皿皿二,6，:dB.53.9 jAcfe+6.4 )1 32.0 XM.4图3.7检测2mm的端点衍射回波AH =ACADw=9.37.7= 1.6mm82= (2-1.6) +2=2

21、0%20图3.9检测3mm缺陷时调整反射回波高度为荧光屏80%图3.10 2mm的端点衍射回波AH =AC ADw=9.3 6.7=2.6mm &= (3-2.6) 4-3=13.3%21再于开口面检测缺陷高度，结果如下。图3.11于开口侧扫查1mm缺陷 发现衍射波不明显，与反射波混淆难以分辨。*622图3.13于开口侧扫查3mm缺陷所得的衍射回波AH =ADw=4.1 mm 34=(3-4.1)：3= - 36.7%数据分析:在开口面检测时，测量3mm的缺陷的相对误差的绝对值最小为36.7%, 而测量1mm缺陷时的无法分辨缺陷的反射波与衍射波不能完成测量。在开口 背面检测时，测量3mm缺陷时

22、的相对误差最小，仅为13.3%,缺陷1mm时的 相对误差非常大，高达60%。总体上，在开口面检测的相对误差比在开口背面 检测大非常多，于开口背面检测缺陷高度的精度相对较高。通过观察发现，缺陷尺寸越大其衍射波与反射波的间距也越大。在开口侧 检测时，3mm缺陷的反射波与衍射波的间距最大，在开口背面检测时也是相 同情况。因为反射波与衍射波间距越大，则越好辨别衍射波，精度就会较高。23第4章总结通过观察，使用端点衍射法时，缺陷高度越小，其衍射波距离缺陷端点反 射波越近，不利于观察，因此检测的相对误差也较大。这是因为当缺陷的端点 衍射波信号与缺陷端部的散射波信号时间差接近甚至小于半个周期时，在显示 屏上

23、即显示为两信号距离较近甚至相互叠加，这会对分辨造成极大的干扰。而 当脉冲宽度减小时，两相邻回波信号的分辨力则较高。选择频率较高的探头，对检测有利。但金属组织结构在频率偏高时会产生 干扰信号,其信号甚至会大于端点衍射波信号口叫因此，必须确保在该高频下 不会出现金属组织结构噪声。总而言之，采用端点衍射法测量裂纹高度，以裂 纹棱端在入射波激励下所产生的衍射波的传输、渡越时间为依据，会比传统的 以回波波幅为依据的相对灵敏度法和端点回波峰值法测量精度有所提高，是非 常实用的检测方法。24参考文献1牛向东.超声端点反射法测量裂纹自身高度的数字处理方法J .无损检测,2001,23(7):298 -301.

24、 吴章勤，艾川，王闸.裂纹类缺陷自身高度的超声波测量J.云南电力技术,2004,32(4):41- 43.3夏建国，湛宏，韩君彳行射波法测定裂纹高度时的最小可测高度和高度测试精度J.锅炉 制造,2001,108(2):64-66.4 Maria V. Felice.Accurate depth measurement of small surface-breaking cracks using an ultrasonic array post-processing techniqueJ, NDT&E International,2014,68105-112.5庞天国，罗涛超声端点衍射法测量在役

25、管道木材疲劳裂纹高度J .无损检测,2012,34(6): 76-78.6姚力,环缝缺陷超声波定量检测方法的探讨J .无损探伤/998(2):11-16.7全国锅炉压力容器标准化技术委员会JB/T4730.1-4730.6-2005承压设备无损检测S.北京:中国标准出版社:130-1418林介东.超声波聚焦针探头端点回波法测定缺陷高度的研究J .无损检测992,14(11):30 1-303.9 Y.Ogura. Ameasurementon the Sizes of Internal Defects Using Mode Converted Surface at the Defect J.

26、Journal of JSNDI, 1995, 28(3): 182- 190.10 R.W.尼柯尔斯编，陈树宁译.压力容容技术进展M.北京:机械工业出版社,1994.108-11411 Ogilvy J A. Diffraction of Elastic Waves by Cracks: Application to Time-of-flight In spectio- nJ.Ultrasonics, 2001, 21(11):259- 264.12董欣，韩晓华,孟令华,透射波半高度法测量裂纹高度的研究J.中国测试,2012,38(6):9-12.13 Rhoderick G C, Yen

27、J H. Development of a NIST standard reference material containing t- hirty volatile organic compounds at 5 nmol/mol in nitrogen J. Analytical Chemistry,2006,7 8(9):3125-3132.14柯常波，陈铁群.基于BP神经网络的超声无损测定表面开口裂纹高度J.兵器材料学与 工程,2007,30(1): 17-2015冯云国，刘广兴，张丙法.端点衍射法测量焊接接头内部缺陷高度J.无损检测.2012,34(7): 42-45.2516 T.B

28、alasubramanian, R.J.Pardikar. UltrasonicSizing of Embedded Vertical Cracks in Ferritic Steel Welds J. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2003,40: 145- 151.26超声波检测缺陷的方法讨论第1章绪论1.1 测量缺陷深度的重要性对于缺陷的深度进行准确的测量相当重要，在一些高精尖的行业领域，如 航空航天、石化、电力与核等领域内特为尤甚。当零件中的裂纹超过临界裂纹 尺寸时，该零件就会失效。当零部件的生产尤其是在役过程中，若未能发现并

29、及时更换或维修失效零件，往往会造成灾难性的破坏。上个世纪五十年代，投 入航线的9架“彗星”号客机，竟有3架在不到一年的时间里空中解体，而裂 纹缺陷就是罪魁祸首。且在飞机解体前，裂纹导致机舱内气压突然下降，使人 体肺部气体急骤膨胀而破裂，就已造成乘客死亡。在此事故之前人们对于裂纹 的认识不足，正是这个惨痛的教训，才使得对疲劳裂纹的研究广泛开展。2011 年北京某处电梯发生了导致人员伤亡的严重事故。经据分析，该事故起因于电 梯驱动主机与前座板的一根联接螺栓的疲劳断裂，导致主机支座移位，上行扶 梯下滑。但若零部件一旦检出裂纹便将其判为废品，无疑是种极大的浪费。利 用断裂力学的理论则可以确定已有的微小

30、裂纹是否有可能扩展至使零件失效的 程度。但在确定断裂力学参量如应力强度因子时，需要用到裂纹的确切位置和 大小等信息。因此我们必须要准确测量出裂纹的深度，这样才能有效地评估其 对系统产生的影响是否危害到整体的稳定性等。对于较为微小的裂纹，测量其 尺寸尤为有意义，因其危害性相对不大，加以维修常常不至于影响工件的正常 使用。而超声检测作为无损检测领域内最为常用的方法，常用于对缺陷定量检 测。断裂力学证明受压部件中平面缺陷（如裂纹）穿过壁厚的径向长度（自身 高度），缺陷距表面及与其它的距离等都是评估其有效与否的关键因素，且平 行于部件表面的裂纹危险性要小得多山。且在RSEM、ASME标准及国标 JB/

31、T4730-2005中，均明确指出在役设备若在实际检测中发现缺陷回波，对位 于定量线与定量线以上的缺陷及已经判定为危害性的缺陷，都应进行埋藏深 度、缺陷取向、自身高度和缺陷位置等参数的测定。1.2 发展与现状早期，超声波检测仪仅采用模拟信号分析，除少数先进设备外仅有A扫 描形式，对无损检测人员的的经验要求非常高，需要依靠人工记录波形、分析 计算才能得出裂纹的深度。八十年代后期，单片机技术的不断发展使得超声波 信号的数字化采集分析成为可能，国内外相继研发了数字式超声检测仪，提高 了检测尤其是定性测量的效率，结合断裂力学，可进一步对构件的强度和剩余 寿命做出评估。近十几年来，许多另外神经网络技术在

32、超声检测中的运用也越 来越广泛，其主要是实现缺陷类型的识别，如何利用神经网络与超声技术结合 测量缺陷大小的研究较少。较为显著的研究有L.N.Konmsky等，其团队实现 了利用工人神经网络对缺陷大小的定量识别，将时域反射透射幅度比选为特征 量，取得了令人满意的准确度。目前，将成像技术、信号分析与处理技术、自 动化控制技术人和工智能技术应用在超声检测中已经成为发展趋势。逐步实现 通过图像来直观展现内部缺陷，利用现代数字信号处理技术来替代人工主观判 断计算来进行缺陷的定性定量分析和无损评价。近年来我国利用数字波形相位延时技术，并研发成功多通道相控阵超声检 测实验系统，其发射延时分辨率也屈指可数。另

33、外中国石油天然气管道科学院 与各单位联合，采用电子方法及对超声波的相位控制，实现了超声波声束偏转 和聚焦。相比国外同类产品，增添了三维动态缺陷显示功能，还能实现横向裂 纹的扫描检测。我国利用数字化多通道超声检测技术加以结合自动化控制技 术，在对曲面类构件、中小型管道类的无损检测更方面有所突破。在国外，美国的Panametrics公司、PAC公司、GE公司、德国的 Krautkraemer 公司、英国的 Sonatest 公 司、UltrasonicSciences 公司、法国的 SOFRATEST公司所生产的超声探伤仪在国际上均处于领先地位。由美国 Panametrics公司所生产的EPOCH

34、4PLUS数字式手持便携式的超声探伤仪，操 作简便且扫描范围广达1 10000mm,频率范也围大，模拟带宽可达25MHz, 测量精度极高，对裂纹的深度测量误差小。德国KrautKraemer公司研发的 USN60型智能超声探伤仪，自带曲率矫正的三角缺陷先定位计算功能，声程 范围从1mm至27940mm,覆盖从薄壁到大声程工件，且支持智能观察。但这 些进口设备，购价高昂，普及程度远远不如国内同类产品。但总体上超声检测法在缺陷的定量分析中智能程度不高，依然对检测人员 有较高的要求，因其不可得到直观的数据，需要进行进一步计算才能确定缺陷 深度，一些形状不规则的工件甚至需辅以其它检测方法进行综合分析才

35、可得出 最终结果。扫查过程常受到检测人员经验及技术的影响，测量结果的准确性得 不到保证。这些问题尚亟待解决。目前最广泛使用的是脉冲反射法，当采用此 法测量裂纹缺陷时，纵使仪器的各项性能均非常优异，检测人员操作也十分规 范，但在缺陷的定量上仍不尽如人意。例如探头平移或转动时，反射波虽会连 续出现，而波幅却会改变，对检测人员的判断造成干扰，且对缺陷自身高度的 测定精度有待提高，尤其是对于高度小的裂纹（2mm），检出率很低。美国 Marshall研究组通过调查统计大量厚钢板焊缝的超声无损探伤情况（如表1）, 发现用超声检测法确定缺陷高度的精确度不容乐观。统计表明，当缺陷高度为 6.35mm时，缺陷检

36、出率仅为42%,且误差较大。如何提高裂纹高度测量的精 确度，是国内外无损检测领域共同关心的问题。本实验主要通过用不同种方法检测同一裂纹，比较其精度，综合分析得出 各种方法的优越性，旨在探究如何选择检测方法，使得超声检测对裂纹高度的 测量精确度有所提高。第2章实验原理2.1 6dB 法2.1.1检测原理6dB曲法是超声测量缺陷长度的传统方法，但也能够用来检测高度。根据 声学理论可知距离增加一倍，声压级减少6dB ,在示波器上即显示为，当增 益降低6dB时波高恰为原来的二分之一，因此6dB法又称半波高度法。当端 部回波明显易于分辨，以端部最大回波处作6dB法的起点；当缺陷回波只有单 峰且变化较明显

37、时（如图2.1）,便将最大回波处作为起点；当回波高度变化很 小（如图2.2）,则将回波迅速降落前的半波高处，作为6dB法测高的起点。移 动探头使之偏离缺陷边缘，直到回波高度降低6dBo此时，记录声程长度并标 记探头入射点的位置，结合声束角度等信息，即可利用三角形定理计算出裂纹 高度。213图2.1缺陷回波只有单峰且变化较明显测出反射体高度反射体探头移动方向图2.2缺陷回波高度变化很小2.1.2检测方法若裂纹为内部缺陷，则缺陷自身身度：AH =(W2-Wi)2-cos9(2.1)式中:Wi(mm)和W2(mm)分别为声波入射点至缺陷上、下边缘位置处的声 程，可直接从显示屏上读出，9(。)为折射角

38、，其正切值即为探头K值。若裂纹为表面开口缺陷：1)当缺陷开口处与检测面同侧时，缺陷自身高度：AH =Wcos9(2.2)式中:W(mm)为入射点至缺陷下边缘位置的声程，8(。)为折射角。2)当缺陷开口处与检测面异侧时，缺陷自身高度：AH =t -W-cos0(2.3)式中：t(mm)为壁厚；W (mm)为入射点至缺陷上边缘位置的声程；。(。)为折 射角。2.2端点衍射法:2.2.1 衍射原理：端点衍射法测量缺陷深度的基本原理是波的衍射，而声波的衍射是以散射 为基础的。当声波遇到与其波长相当的障碍物或小孔时，入射波便会朝各个方 向散射。由惠更斯一菲涅尔原理可知，此时障碍物或小孔附近的声场是由入射

39、 波与散射波叠加所形成，当入射波频率较低时，在障碍物附近的散射波很弱， 总声场的参数基本上取决于入射声波，便产生了入射声波绕过障碍物的边缘并 继续传播到其背面形成衍射波的现象。当障碍物尺寸小于波长或近似相等 时，则会出现声波的衍射。不仅如此，当障碍物尺寸较大时，障碍物边缘也会 出现衍射声波，并以端点为圆心呈现圆心展衍。但波长越长或障碍物尺寸越 小，这种衍射现象就越明显。如图2.3所示即为声波衍射现象。衍射波的强度由缺陷端部的形状与尺寸所决定的。对于裂纹及未焊透等线 状缺陷，当声束对准其端部时，会得到具有对称性的柱面的散射波，其入射波 和散射波叠加后所得的衍射波强度较大，比较容易识别。但如小气孔等呈圆 形的缺陷，得到的散射波为较弱的球面波，入射到缺陷端部的声束界面都有一 定的宽度而大部分柱孔直径都远小于声束截面积。其衍射回波强度也远小于平 面状缺陷。利用端点衍射发测量缺陷高度，当超声波能量传播到缺陷端部时，其中所 产生的衍射波会和其端点反射波一同被探头接收，在显示屏上可以通过反射波 来确定衍射波即位于端点反射波旁的第一个小波为衍射波。确定缺陷两端点所 产生的衍射波后，通过测量它们之间的延迟时间差值，计算得出缺陷自身高度 。如图2.4所示。图2.3衍射现象