第一篇：超声波探伤技术在钢结构检测中的应用
超声波探伤技术在钢结构检测中的应用
摘 要：随着当代建筑技术日新月异的发展，钢结构在当代建筑中使用率越来越高。采用无损探伤的手段对焊缝进行质量检验是确保钢结构工程质量的重要环节。本文从规范规定的焊缝等级、相应检测的类别、评判标准及缺陷特性等方面对钢结构超声波无损探伤做了初步探讨。
关键词：钢结构 检测 焊缝 超声波无损探伤 焊缝等级
随着当代建筑技术日新月异的发展，建筑结构体系的种类不断的朝轻质、高强的方向发展，钢管混凝土结构、钢结构在当代建筑中使用率越来越高。尤其是在厂房建设及设备安装中更是大量使用钢结构。而焊接作为钢结构的主要连接方式之一，直接影响钢结构的施工质量，采用无损探伤的手段对焊缝进行质量检验是确保钢结构工程质量的重要环节。
钢结构无损探伤包括超声检测（UT）、射线检测（RT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）和涡流检测（ET）等五种检测方法。超声检测是目前应用最广泛的探伤方法之一。超声波的波长很短、穿透力强，传播过程中遇不同介质的分界面会产生反射、折射、绕射和波形转换。超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中寻找目标一样，能在被检材料中发现缺陷。超声波探伤能探测到的最小缺陷尺寸约为波长的一半。超声波探伤又可分为反射法和穿透法。穿透法的灵敏度不如反射法，因而在实际探伤中一般采用反射法来进行钢材缺陷探伤和焊缝探伤，即根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。
从焊缝本身来说决定焊缝质量的因素主要有3方面，分别是焊缝内部缺陷、焊缝外观表面缺陷以及焊缝尺寸。因此，焊缝质量等级就存在着两重含义，其一是针对焊缝内部缺陷检验，其二是针对焊缝外观表面缺陷检验。但目前绝大部分情况是设计者只进行笼统的规定，如“该焊缝质量等级为二级”，此时正确的理解是“焊缝内部缺陷按二级检验，外观缺陷也按二级检验。”对于需要进行疲劳验算的构件如吊车梁，其中某些部位的角焊缝，虽然不进行内部缺陷的超声波探伤（三级焊缝），但其外观表面质量等级应为二级，所以笼统地说“角焊缝都是三级焊缝”就有失全面。下面就超声波无损探伤在钢结构鉴定检测中的应用，结合相关规范作以下初步探讨：
一、检测资料及检测报告的种类
在房屋具备相关资料的情况下，我们进行鉴定检测就应结合相关资料及检测数据对其进行综合评价。委托单位提供的相关资料往往包括施工单位自检、见证检测及第三方检测三种。针对以上三种资料，其相应的要求通常可归纳为表一所列：
如果以下检测资料审查不合格或现场抽样检查不达标的情况下，就应结合可靠性鉴定标准、钢结构工程施工质量验收规范等国家相关规范，对该项目进行进一步的检测。
二、焊缝无损检测的检验等级：
根据《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89规定，超声波检验等级分为A、B、C三个级别： A级检验采用一种角度的探头在焊缝的单面单侧进行检验，只对允许扫查到的焊缝截面进行探测。一般不要求作横向缺陷的检验。母材厚度〉50mm时，不得采用A级检验。
B级检验原则上采用一种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验，对整个焊缝截面进行探测。母材厚度〉100mm时，采用双面双侧检验。受几何条件的限制可在焊缝的双面单侧采用两种角度探头进行探伤。条件允许时应作横向缺陷的检验。
C级检验至少要采用两种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验。同时要做两个扫查方向和两种探头角度的横向缺陷检验。母材厚度〉100mm时，采用双面双侧检验。其他附加要求是：1．对接焊缝余高要磨平，以便探头在焊缝上作平行扫查；2．焊缝两侧斜探头扫查经过的母材部分要用直探头作检查；3．焊缝母材厚度≥100mm，窄间隙焊缝母材厚度≥40mm时，一般要增加串列式扫查。
三、建筑结构焊缝无损探伤检验具体要求：
1．设计要求全焊透的焊缝，其内部缺陷的检验应符合下列要求：
1)一级焊缝应进行100%的检验，其合格等级应为《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89中B级检验的Ⅱ级及Ⅱ级以上；
2)二级焊缝应进行抽检，抽检比例20%，其合格等级应为《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89中B级检验的Ⅲ级及Ⅲ级以上；
3)全焊透的三级焊缝可不进行无损检测。
2．焊接球节点网架焊缝的超声探伤及缺陷分级应符合《焊接球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法》JG/T3034.1-1996的规定。
3．螺栓球节点网架焊缝的超声探伤及缺陷分级应符合《螺栓球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法》JG/T3034.2-1996的规定。
4．圆管T、K、Y节点焊缝的超声波探伤方法及缺陷分级应符合《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002的规定。
四、焊缝缺陷的评定等级
缺陷的大小确定以后，要根据缺陷的性质和指示长度结合有关标准的规定评定焊缝的质量级别。
超声波检验焊缝内部缺陷的评定等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，其中Ⅰ级质量最高，Ⅳ级质量最低。
根据在标准试块上绘制的距离波幅曲线，对比焊缝中缺陷最高回波的位置、和缺陷性质判断焊缝等级。对于最大反射波幅不超过距离波幅曲线中评定线的缺陷，均评定为Ⅰ级；最大反射波幅超过评定线的缺陷检验者判定为裂纹等危害性缺陷时，无论其波幅和尺寸如何，均评定为Ⅳ级；反射波幅位于Ⅰ区的非裂纹性缺陷，均评定为Ⅰ级；反射波幅位于Ⅲ区的缺陷，无论其指示长度如何，均评定为Ⅳ级。最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，跟具缺陷指示长度，具体分类见表二：
五、焊缝检测记数规则及合格评定
1．焊缝内部缺陷无损检测记数规则 一级焊缝探伤比例100%，即全数探伤；二级焊缝探伤比例20%，对于工厂制作焊缝，应按每条焊缝长度计算比例，且探伤长度≥200mm，当焊缝长度≤200mm时，应对整条焊缝进行探伤；对于现场安装焊缝，应按同一类型、同一施焊条件的焊缝条数计算比例，探伤长度应≥200mm，并应不少于1条焊缝；三级焊缝不要求进行内部缺陷的无损探伤。
2．焊缝处数的记数方法 工厂制作焊缝长度≤1000mm时，每条焊缝为1处，长度>1000mm时，将其划分为每300mm为1处，现场安装焊缝每条焊缝为1处。
3．抽样检验的合格判定 抽样检查的焊缝数如不合格率<2%时，该批验收应定为合格；不合格率>5%时，应加倍抽检，且必须在原不合格部位两侧的焊缝延长线各增加1处，如在所有抽检焊缝中不合格率≤3%时，该批验收应定为合格，>3%时,该批验收应定为不合格。当批量验收不合格时，应对该批余下焊缝的全数进行检查。
六、焊缝中常见缺陷的类型及其在超声探伤中的识别
焊缝中常见的缺陷主要有气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等几种，他们各自的回波均有其特性。
1．气孔
气孔是在焊接过程中焊接熔池高温时吸收了过量的气体或冶金反应产生的气体，在冷却凝固之前来不及逸出而残留在焊缝金属内所形成的空穴，多呈球形或椭球形。气孔可分为单个气孔和密集气孔。单个气孔回波高度低，波形较稳定。从各个方向探测，反射波高大致相同，但稍一移动探头就消失。密集气孔为一簇反射波，其波高随气孔的大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。
2．夹渣
夹渣是指焊后残留在焊缝金属内的熔渣或非金属夹杂物，夹渣表面不规则。夹渣分点状夹渣和条状夹渣。点状夹渣的回波信号与点状气孔相似。条状夹渣回波信号多呈锯齿状。它的反射率低，一般波幅不高，波形常呈树枝状，主峰边上有小峰。探头平移时，波幅有变动，从各个方向探测，反射波幅不相同。
3．未焊透
未焊透是指焊接接头部分金属未完全熔透的现象。一般位于焊缝中心线上，有一定的长度。探伤中探头平移时，未焊透波形较稳定，焊缝两侧探伤时，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属与母材之间没有熔合在一起或填充金属层之间没有熔合在一起。未熔合反射波的特征是：探头平移时，波形较稳定。两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。
5．裂纹
裂纹是指在焊接过程中或焊后，在焊缝或母材的热影响区局部破裂的缝隙。一般来说，裂纹的回波高度较大，波幅宽，会出现多峰。探头平移时，反射波连续出现，波幅有变动；探头转动时，波峰有上、下错动现象。
以上是个人在超声波无损检测中结合相关规范总结的一些看法，写出来与大家共同探讨，不当之处还望各位同行不吝赐教。参考文献
［1］北京钢铁设计研究院.GB50017-2003 钢结构设计规范 中国计划出版社.2003.［2］中冶集团建筑研究总院.GB11345-89钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级中国标准出版社.1990 ［3］全国锅炉压力容器标准化技术委员会.JB/T4730.1～4730.6-2005 承压设备无损检测新华出版社.2005 ［4］中冶集团建筑研究总院 GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范中国计划出版社
第二篇：超声波探伤技术工作总结
小径管超声波探伤技术
开封空分集团有限公司--姜海
小径管指管径较小（DN100以内），管壁较薄（一般为3.5mm～8mm）的小径管。过去对这些小径管焊缝多采用射线检测，但射线探伤方法有其自身的局限性；如裂纹、未熔合等,特别是当其与射线束方向夹角较大时，不易发现，容易漏检。而超声波探伤由于不受场地、环境限制，并且对那些面状缺陷检出率高、且价格低廉并可与其他工种进行交叉作业，可以大大提高效率而在管道探伤中得到了较好的应用，下面我结合自己的工作实践，主要对小径管探伤存在问题、探伤方法、要点及缺陷波识别等，谈谈自己的一些认识：
一 小径管对接焊缝超声波探伤存在以下问题： 1）小径管壁薄，壁厚较薄时超声波声束在管壁中产生的声程较短，易受声压不规则的近场区干扰，给缺陷定性，定量带来困难。2）管壁曲率较大，管内外表面声能损失较大，声束传输路径更复杂，经过多次发散，聚集声压反射异于常规，使声能有一定量损失，降低了探伤灵敏度。3）焊缝焊波高度、焊瘤尺寸与管壁厚度为同一数量级，在较高灵敏度探伤时杂波多，这给缺陷的识别增加了难度。4）同一截面管子在壁厚上有时存在较大的公差，因而给缺陷定位带来了一定的困难。
二
小径管对接焊缝超声波探伤方法及要点： 小径管对接焊缝进行超声波探伤时，探头应使用高阻尼、短前沿、大K值的单晶横波探头；晶片尺寸一般不大于6mm×6mm，前沿距离≤5mm，偏差＜0.5mm，工作频率为5 MHZ。探伤中要注意如下几点：（1）探头耦合问题：
为保证探头与工件表面充分耦合，探头耦合面应修磨成圆弧，使其曲率半径与小径管外表面尽量一致，不同管径的小径管焊缝探伤，应配备专用的探头，避免混用。如果探伤前不认真修磨探头耦合面，而是不同外径的管子混用一个探头，其结果不但使探伤工作受到油面波、变形表面波的干扰，更重要的是随着探头的磨损，使超声场特性发生较大变化，使探伤结果变的不可信；另外，打磨准备工作也是保证探伤顺利进行的重要环节，如飞溅物消除不彻底，会使探头与管壁耦合不好，在检查过程中出现“不起波”或“起杂波‘，必须认真去打磨探头移动区，消除飞溅物、锈斑、油垢等，以便于探头扫查。（2）关于探头参数的测定及复核
准确测定探头的重要参数，是超声波探伤的重要基础，如果探头参数测量不准，就会造成缺陷定位、定性的困难，甚至造成误判或漏判，在小径管探伤检验中，由于工件尺寸小，对缺陷定位更要求准确，对探头主要参数的 测定，准确性尤为重要，在探伤前，探伤人员必须认真测定探头参数，在探伤过程中，对探头主要参数和探伤灵敏度必须复核。（3）关于探伤灵敏度
在超声波探伤中，确定探伤灵敏度是一个关键的步骤，它将直接影响到探伤结果，在小径管焊缝探伤中同样显的极为重要。小径管探头由于晶 片尺寸较小，发射功率较低加上探头前沿尺寸小，加工困难相应增大，因而，探头在探伤灵敏度下杂波很多，但有时在探伤时为了便于观察，往往不适当地降低了探伤灵敏度其结果必然造成漏检，因此，做对比试块时，须选用外径、壁厚以及内外粗糙度与被探管子相同或基本相近的材料。（4）小径管焊缝探伤由于探头晶片尺寸较小，容易产生漏检，所以一定要在焊缝两侧探伤。三
缺陷波的识别与判定： 1 缺陷反射波的识别
当采用一次波探伤时主要观察仪器荧光屏上一次波标记点前面出现的反射波，因为波束扫过焊缝下半部，如果有反射波一般为缺陷反射（除盲区杂波外）。其次是位于一次波最大深度标记点上（焊缝根部）的反射波，当焊缝不存在错口时，要确定反射波对应的反射点的位置，如果反射点位于焊缝中心点或探头侧则判为缺陷。当发现焊缝根部出现一定高度的反射波时、应对该处焊缝两侧的壁厚进行准确测定，仪器的扫描速度要准确调整，以准确定位，并根据探头所在的位置对反射波进行认真分析，缺陷位置出现在一次波最大深度标记点处或以前，对应的反射体位于焊缝中心或探头侧。
当采用二次波探伤时，在一次波标记点和二次波标记点之间出现的反射波，可能为缺陷波，也可能是杂波，在这个区域之前或之后出现的反射波则为非缺陷波。缺陷波可用下述方法来判断：
（1）如果二次波声束在内壁上的转折点位于焊缝区外，反射点位于焊缝中，则该反射波可判为缺陷波。（2）二次波声束在内壁上的转折点在焊缝区内则该反射波不能作为判伤的依据应根据位置、波形等其它情况综合判断。
当从焊缝两侧探伤发现反射波，若反射波出现在焊缝的同一位置，反射波高相同或不同则反射波判为缺陷波。2． 杂波的识别
小径管对接焊缝超声波探伤时，除了缺陷反射波外，还会有一些杂波信号，这些信号干扰了缺陷的判定，易产生误判，因此要认真分析。（1）缝根部成形影响：
当焊缝根部成形较好时，一般在在一次波标记点附近无反射波或反射波强度很弱，当焊缝根部成形不良如存在焊瘤、表面不规则时，从焊缝两侧探伤一般均有反射信号，其位置与根部缺陷很相似，其强度随根部成形所构成的反射条件而异，稍不注意易判为缺陷，可 用下述方法区分： a.准确地调整扫描速度以便从声程差上比较，焊瘤反射波深度略大于一次波标记点，有必要再次强调精确测量管子壁厚。
b.用水平定位法识别:如焊瘤反射波在偏离焊缝中心线远离探头的一侧，而根部缺陷水平位置则应在焊缝中心线上或偏离焊缝中心线靠近探头一侧。
c.通过转动探头观察波形变化也可鉴别，移动探头找到最大反射波后慢慢左右转动探头，观察波形变化，缺陷波涨落大，瞬间消失，焊瘤波升降较缓慢、平稳，同时焊瘤处除产生反射波外，多数还会产生变形纵波或变形横波，并传到焊缝加强面产生回波信号，水平位置在一，二次波标记点中间或二次波标记点附近，可用沾油的手指拍打加强面来识别。(1)焊缝错边反射波：
当焊缝有错边出现时，声束和错边方位将产生反射波，其水平定位在焊缝中心，但从另一侧探伤时因无反射条件则无反射信号。(2)扩散声束引起的加强面反射波的识别：
由于小径管壁薄，当一次波主声束后面的扩散声束经底面反射到焊缝加强面时，在加强面处产生反射波，正好出现在一，二次波标记点之间，有时易误判为焊缝中上部缺陷，可根据探头位置和水平定位或用沾油的手指拍打加强面识别，必要时，用其它检测手段做辅助检查，(1)变形波：
当声束扫查到焊缝根部时，在一定条件下将产生变形波，可根据探头位置和水平定位进行区别，一般情况下变形波水平定位点在焊缝之外。四． 试验验证及结论
通过对不同管径，不同壁厚管子经超声波探伤和射线探伤比较，二者结果是基本吻合的，现场实际应用也证明，小径管对接超声波探伤不仅切实可行，而且也具有较强的可靠性。小径管对接超声波探伤可以克服射线探伤的缺点，但在探伤过程中一定要从焊缝两侧探伤，认真分析波形，对探头参数、仪器一定要调准。
第三篇：超声波检测技术及应用
超声波检测技术及应用
刘赣
（青岛滨海学院，山东省青岛市经济开发区266000）
摘 要：无损检测(nondestructive test)简称 NDT。无损检测就是不破坏和不损伤受检物体，对它的性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。本文主要讲的是超声波检测（UT）的工作原理以及在现在工业中的应用和发展。
关键词：超声波检测；纵波；工业应用；无损检测
1.超声波检测介绍 1.1超声波的发展史
声学作为物理学的一个分支, 是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。在1940 年以前只有单晶压电材料, 使得超声波未能得到广泛应用。20 世纪70 年代, 人们又研制出了PLZT 透明压电陶瓷, 压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。声波的全部频率为10-4Hz～1014Hz, 通常把频率为2×104Hz～2×109Hz 的声波称为超声波。超声波作为声波的一部分, 遵循声波传播的基本定律, 1.2超声波的性质
1）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。
2）超声波具有良好的指向性
3）超声波只能在弹性介质中传播，不能再真空中传播。一般检测中通常把空气介质作为真空处理，所以认为超声波也不能通过空气进行传播。4）超声波可以在异质界面透射、反射、折射和波型转化。5）超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性。
6）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”。1.2超声波的产生与接收
超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来说实现的。由超声波探伤仪产生的电振荡，以高频电压形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面有良好的耦合时，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。反之，当压电晶体片收到超声波作用而发生伸缩变形时，正压电效应的结果会使压电晶体片两面产生不同极性的电荷，形成超声频率的高频电压，以回波电信号的形势经探伤仪显示，这就是超声波的接收。1.3超声波无损检测的原理
超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。1.4超声波无损检测的优缺点 优点：
1）探伤速度快，效率高
2）设备简单轻巧，机动性强，野外及高空作业方便，实用
3）探测结果不受焊接接头形式的影响，除对焊接缝外，还能检查T形接头及所有角焊缝。
4）对焊缝内危险性缺陷（包括裂缝、未焊透、未熔合）检测灵敏度高 5）易耗品极少，检查成本低 缺点：
1）若工件表面粗糙，需磨平，人工多
2）探测结果判定困难，操作人员需经专门培训并经考核几个 3）缺陷定型及定量困难
4）探测结果的正确评定收人为思想束缚的影响较大 5）探测结果不能直接记录存档
6）对于形状复杂、表面粗糙、内部存在粗晶组织与奥氏体焊缝，探伤困难
2.超声波检测的应用 2.1陶瓷的无损检测 2.1.1陶瓷气孔率的检测
陶瓷的强度、弹性模量、密度等直接和气孔率有关, 有些构件的气孔率决定了它能否使用。陶瓷中超声波的传递速度v和气孔率（或密度）之间也存在某种关系, 可以通过实测得到v, 再利用式（1）、式（2）求出陶瓷的气孔率: vv0(1p)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（1）v0E0(1v)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（2）
0(1v)(12v)式中:
v0——陶瓷的气孔率为零时的理论声速;p——陶瓷的气孔率;E0——陶瓷的弹性模量;0 ——陶瓷的密度。
将气孔简化为随机取向的椭球, 均匀分布在各向同性的基体中, 用复合微观力学模型计算声速并和实测值进行比较, 由式（1）计算得到气孔率。
当陶瓷材料的理论密度已知时, 气孔率可由体密度计算而来。体密度的测量方法很多, 常用的有阿基米德法。陶瓷的内部缺陷也可以采用水浸探伤法来检测, 以水浸纵波垂直探伤法检测缺陷时, 波束路程可以直接读出。要检出微小缺陷时, 可以改用较低频率的探头。2.1.2陶瓷表面缺陷检测
对于陶瓷而言, 同一形状和尺寸的表面缺陷比内部缺陷更容易引起破坏, 因此表面缺陷的检测特别重要。通常用水浸表面波法检测陶瓷的表面缺陷, 其原理见图1。将超声波(纵波)倾斜入射到浸入水中的被检物表面, 当入射角c大于第二临界角n时, 折射声波全部沿着工件表面传播, 形成表面波, 表示为: carcsin(Cl1/Cr2)n⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（3）式中:
Cl1——水中的纵波声速;Cr2——工件水浸表面波声速。
图1 水浸表面波法原理
表面波波长比横波波长短, 衰减也大于横波。同时, 它仅沿表面传播, 遇到尖锐转角或棱角时将有强烈反射回波, 曲率越大反射越强。水浸表面波在试块表面传播时, 能量可泄漏到水中, 故仅仅传播数毫米后, 水浸表面波的反射波高度就显著降低。鉴于反射波传递距离较小的振幅特性, 应尽可能使探头靠近缺陷处。
2.2钻孔灌注桩的无损检测 2.2.1检测原理
采用超声脉冲检测混凝土缺陷的基本依据是，利用脉冲波在技术条件相同（指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致）的混凝土中传播的时间（或速度）、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化来判定混凝土的缺陷。
超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密实度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，声速高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。另外，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中传播时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或频率谱中高频成分明显减少。再者经过缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。
根据上述原理，可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析，判别其缺陷的位置和范围，或估算缺陷的尺寸。2.2.2适用范围
基桩超声波检测法是一种检测混凝土灌注桩完整性的有效手段，它是利用声波的透射原理对桩身混凝土介质状况进行检测，因此仅适用于在灌注成型过程中已经埋了两根或两根以上声测管的基桩。
在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，可以测出被测混凝土介质的声学参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会产生绕射、反射和折射，因而到达接收换能器的声时、波幅及主频发生改变。超声波法就是利用这些声波特征参数来判别桩身的完整性。
对跨孔透射法，当桩径较小时，声测管间距也较小，其测试误差相对较大，同时预埋声测管可能引起附加的灌注桩施工质量问题。因此，超声波检测方法适用于检测直径不小于 800mm 的混凝土灌注桩的完整性。
3.超声波检测的发展前景
无损检测与评价技术在我国日常产品质量检验和大量在用工业和民用设备的检验中发挥了十分重要的作用。从统计结果看，我国拥有近17万无损检测人员和2000多家无损检测机构，2007年无损检测仪器的销售额达10亿元人民币左右，大专院校每年培养近千名无损检测专业的大专、本科和研究生。我国不仅对常规无损检测设备、器材和服务有着巨大的需求，而且对先进的无损检测仪器、技术和服务也有大量的需求。我国已成为一个无损检测仪器、技术和服务的巨大市场。我国的无损检测工作者已经在许多技术和领域进行了大量的研究、开发和成功的应用。
第四篇：常州钛合金超声波探伤检测
常州钛合金超声波探伤检测 石敏1-7-7-1-5-8-2-8-7-0-7
超声检测是无损检测质量控制的一种重要手段。对于钛合金材料中可能存在的冶金缺陷（如夹杂）、工
艺缺陷（如过热、变形不足、裂纹等）和组织缺陷，生产厂和航空厂都用超声探伤检测进行质量控制，通过超声检测，可以及时淘汰不合格的原始坯料，防止不合格坯料进入加工工序，降低生产过程中的工
作量。同时，超声检测还可以对在役的钛合金工件进行检测，及时监控钛合金工件的状态，从而减少因
钛合金工件失效断裂导致的灾难性事故的发生。
JB/T4730-2005《承压设备无损检测》是由国家发展和改革委员会发布的行业推荐标准。用于指导承压设
备无损检测及验收方法。该标准分为6部分，其中第三部分超声检测规定了承压设备采用A型脉冲反射式
超声波探伤仪器检测工件缺陷的超声检测方法和质量分级要求。该部分适用于金属材料制承压设备用原
材料、零部件、和焊接接头的超声检测，也适用于金属材料制在用承压设备的超声检测。
第五篇：超声波传感器在铁路钢轨探伤中的应用
超声波传感器在铁路钢轨探伤中的应用
（上海动化学院测仪器 上海200072）
摘要： 无损检测(Nondestructive test，NDT)是指不破坏和损伤受检物体，对其性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。无损检测技术是提高产品质量，促进技术进步不可缺少的手段，特别随着新材料、新技术的广泛应用，各种结构零件向高参量、大容量方向发展，不仅要提高缺陷检测的准确率和可靠性，而且要把传统的无损检测技术和现代信息技术相结合，实现无损检测的数字化、图像化、实时化、智能化。
关键词：无损检测；超声波；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
工业上常用的无损检测方法有五种：超声检测(UT)、射线探伤(RT)、渗透探查(PT)、磁粉检测(MT)和涡流检测(ET)。其中超声检测是利用超声波的透射和反射进行检测的。超声波可以穿透无线电波、光波无法穿过的物体，同时又能在两种特性阻抗不同的物质交界面上反射，当物体内部存在不均匀性时，会使超声波衰减改变，从而可区分物体内部的缺陷。因此，在超声检测中，发射器发射超声波的目的是超声波在物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，精确地测出缺陷来，并显示出内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。
超声检测作为一种重要的无损检测技术不仅具有穿透能力强、设备简单、使用条件和安全性好、检测范围广等根本性的优点外，而且其输出信号是以波形的方式体现。使得当前飞速发展的计算机信号处理、模式识别和人工智能等高新技术能被方便地应用于检测过程，从而提高检测的精确度和可靠性。
超声波无损探伤(NDI)是超声无损检测的一种发展与应用，其设备有：超声探伤仪、探头、藕合剂及标准试块等。其用途是检测铸件缩孔、气泡、焊接裂纹、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度测定。
超声无损检测在最近几十年中得到了较大的进展,它已成为材料或结构的无损检测中常用的手段。由于超声检测可以在线进行、超声波对人体无害又不改变系统的运行状态，因此，在材料或结构的无损检测中得到了广泛的应用。2.超声探伤原理
超声探伤是无损检测的主要方法之一。它能非破坏性地探测材料性质及内部和表面缺陷(如裂纹、气泡、夹渣等)的大小、形成和分布情况，具有灵敏度高、穿透力强、检测速度快和设备简单、成本低等一系列特点。2.1 基本原理
超声波探伤具有反射和透射两种方法。其中反射方法精确度较高。图1 是脉冲回波探伤仪原理图。脉冲发射器通过探头将超声波短脉冲送入试件，当回波从试件的缺陷或边界返回时，通过信号处理系统，在示波器上加以显示，并将其幅度和传播时间显示出来。如果已知试件中的声速，则根据示波器上的读数所获得的脉冲间的传输时间即可获得缺陷的深度。
图1 脉冲回波探伤仪原理图
2.2 探伤分类
超声探伤方法很多，可以按不同的方式进行分类。
现将几种常用的分类方法介绍如下。
(1)按原理分类
按探伤原理分类可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。脉冲反射法是一种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等。
(2)按耦合方式分类
按耦合方式分类如图2 所示。
图2 按耦合方式探伤分类图
(3)按探伤显示方法分类
按探伤显示方法分类可分为A 型显示，B 型显示与C 型显示。其中A 型显示只显示缺陷的深度： B 型显示探伤仪，可显示工件内部缺陷的横断面形状，此时示波器横坐标代表探头在工件面上的位置，纵坐标代表缺陷的深度。探头沿工件移动与示波管扫描线的水平移动是同步的，为使图象保留在荧光屏上，应选用长余辉示波管，且探头移动速度不能太快： C 型显示探伤仪,可以显示工件内部缺陷的平面图形。
(4)按智能方式分类
上述探伤方法如由人工操作，则为人工探伤。如使试样或探头移动，在它的移动中利用超声波自动地检测缺陷并予以显示或指示(喷色)的方式，称为超声自动探伤。自动探伤要有探伤仪(带闸门装置)，显示装置，探头及其夹持机构。根据探头设置方式的不同还可大致分为如下几种探伤方式：直接接触方式，此方式只用在探伤速度不高且表面光滑的场合，如轨道、无缝钢管和轴等： 局部水浸方式是超声探伤中最适用的方式，还可细分为其他方式，但原理是同样的： 全水浸方式用于工件的某部分(如粘结层)或管类的精密探伤，当水槽机构设计成可以进行自动探伤的情况下，除去工件的装卸以外，探伤可以全部自动化，如果工件加工精度高，而且水槽内架设的探头夹持机构、移动架的精度也高，则探伤的精度也高。
3.超声探伤技术在无损检测中的应用
3.1机车检测方面的应用
3.1.1在高速钢轨检测中的应用
我国铁路运营线路近七万公里，而且铁路正在向高速、重载的方向发展。超期服役的钢轨数量很大，线路上的钢轨在承担繁重的运输任务过程中，不免要产生各种肉眼能看见及看不见的损伤如侧磨、轨头压溃、剥离掉块、锈蚀、核伤、水平裂纹、垂直裂纹、周边裂纹等。
如图3 所示，当被检钢轨内部有一个裂纹缺陷(或其他缺陷)，将超声波探头放在被检钢轨的某一表面部位(该面称作探伤面、检测面)，探头向被检钢轨发射超声波信号，超声波穿过界面进入被检钢轨内部，在遇到缺陷和两介质的界面时都会有反射，反射信号被探头接收后，通过探伤仪内部的电路转换，就可以把缺陷信号和底波信号形象地显示出来，如图4 所示。根据超声波的声程推算，就可以轻易地将缺陷信号和底波信号区分开，然后通过超声波试块进行定标，就可以实现对钢轨缺陷的定位和定量。
图3 超声探伤示意图
3.1.2在车轮缺陷检测中的应用
轮对是车辆走行部中最重要的部件之一，对轨道车辆轮对的检测并准确地判断其缺陷位置一直是铁道运输部门非常重视的问题。该系统采用电磁超声探伤技术，实现轮对踏面的缺陷检测，包括：踏面剥离及剥离前期检测： 踏面表面及近表面裂纹检测。
图4 超声波探伤仪显示缺陷示意图
电磁超声探伤系统利用超声表面波的脉冲反射原理进行缺陷检测。当轮对沿钢轨运行到探头位置，轮对踏面接触探头的瞬间，EMAT(电磁超声探伤技术)在车轮踏面表面及近表面激发出电磁超声表面波脉冲，超声表面波将沿踏面表面及近表面圆周以很小的损耗传播。如图5 所示，超声表面波在踏面双向传播(顺时针和逆时针)，沿车轮表面及近表面传播1 周后回到探头位置，EMAT 探头检测到返回的超声表面波后形成第1 次周期回波(图5 中RT 波)： 未衰减的超声波继续沿踏面传播，依次形成第2 次、第3 次周期回波，,直到能量衰减到设备无法检测为止。
图5 探头在踏面激发的超声表面波
当车轮踏面表面及近表面有裂纹或剥离等缺陷存在时，超声波在缺陷端面处一部分能量被反射，沿原传播路径返回并被探头检测到，形成缺陷回波(图6 中E波)： 另一部分能量绕过缺陷端面继续传播，形成周期性回波(图6 中RT 波)。通过正常的周期回波(RT)与缺陷回波(E)的对比分析，可以定性分析当前轮对的踏面缺陷状况。3.1.3在轮辋缺陷检测中的应用
随着我国铁路行车速度的提高，尤其是动车组的开行给行车安全提出新的考验，转向架关键部件如轮辋、车轴、轴承等局部位置承受更大的应力，要求检测过程速度加快、检测时间间隔变小、检测范围扩大，给铁路无损检测领域提出更高的技术要求。
根据轮辋缺陷裂纹的走向特点，将轮辋缺陷分为三类。
图6 表面波传播原理
(1)周向缺陷：沿车轮踏面圆周方向并与踏面圆周方向平行：(2)径向缺陷：方向垂直踏面，与车轮直径方向平行：(3)轴向缺陷：轮辋内部与车轴方向平行。
在探伤实验中，通过在样板轮上打平底孔、刻槽的方式形成人工缺陷模拟轮辋的实际缺陷，平底孔的直径或刻槽的宽度与实际裂纹尺寸成当量关系，相控阵探头分别置于踏面(I)和轮缘内侧(II)进行扫查，样板轮工缺陷如图7 所示，缺陷# 为距轮缘顶端40 mm且垂直轮辋侧面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷? 为距踏面10 mm 垂直轮辋侧面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷% 为距踏面50 mm 垂直轮辋侧面 3 mm 深90 mm 的平底孔： 缺陷&为轮辋与轮辐交接区域，朝踏面方向3 mm、孔底距踏面40 mm 的平底孔： 缺陷为轮缘根部靠踏面侧2 mm 深周向刻槽，槽宽小于等于2 mm。
根据超声检测脉冲回波反射的特点，周向缺陷采用纵波相控阵直探头从踏面进行扫查： 径向缺陷采用纵波相控阵直探头在轮缘内侧面进行扫查： 轴向缺陷采用纵波相控阵直探头、横波相控阵斜探头均能扫查到。
图7 轮辋人工模拟缺陷探伤
3.2 建筑和土木方面的应用
3.2.1超声在测定混凝土结构强度及厚度的应用(1)强度检测技术
超声波检测是利用混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数(声速)之间的相关性来检测混凝土强度的。混凝土的弹性模量越大，强度越高，超声波的传播速度越快。经试验，这种相关关系可以用非线性数学模型来拟合，即通过实验建立混凝土强度和声速的关系曲线。现场检测混凝土强度时，应该选择浇筑混凝土的模板侧面为测试面，一般以200 mm(200 mm 的面积为一测区。每一试件上相邻测区间距不大于2 m。
测试面应清洁平整，干燥无缺陷和无饰面层。每个测区内应在相对测试面上对应的辐射和接收换能器应在同一轴线上，测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合，并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。按拟定的回归方程计算或查表取得对应测区的混凝土强度值。
(2)声波反射法测量厚度
如图8 所示，超声波从一种固体介质入射到另一种固体介质时，在两种不同固体的分界面上会产生波的反射和折射。声阻抗率相差越大，则反射系数也越大，反射信号就越强。所以只要能从直达波和反射波混杂的接收波中识别出反射波的叠加起始点，并测出反射波到时，就可以由式(1)计算混凝土的厚度:
式中：H 为混凝土厚度： C 为混凝土中声速： T 为反射波走时： L 为两换能器间距。由(1)式知，要准确得到厚度,关键是如何设法测得较准确的混凝土声速C 和混凝土结构底面波反射声时T。当换能器固定时，L 是一个常数。
图8 反射法测量厚度原理图
3.2.2超声在桥梁混泥土裂缝检测中的应用
桥梁结构的使用性能及耐久年限，主要由设计、施工和所用材料的质量等诸多因素共同决定。由于设计、施工和材料可能存在某些缺陷，这些缺陷会使桥梁结构先天存在着某些薄弱之处： 此外，桥梁在营运使用中又会受到不可避免的人为损伤及各种大自然侵蚀，带来后天病害。
如图9 所示，先在与裂缝相邻的无缺陷混凝土利用*测法计算出超声波在测距为2a 的混凝土中的声时t0 ：再将超声换能器置于裂缝两侧各为a 的距离，计算出跨缝测试超声波的声时tc，计算裂缝深度dc 公式为 :
图9 桥梁检测示意图
3.3 焊接方面的应用
采用超声相控阵技术及B 扫描实时成像技术，通过足够数量的探头排列和触发时间控制，并选用不同频率范围，可以实现嵌入式电阻丝电熔连接接头的检测。
通过对比超声图像与接头实剖图，发现该方法能可靠地检出物体中的缺陷，并能较精确地确定缺陷位置和大小。在聚乙烯管道安装工程中的检测进一步验证了该技术的可靠性。
检测示意图如图10 所示。超声相控阵检测结合B扫描技术可以判断检测截面上电阻丝的位置，从而可以判断由于管材和套筒配合过紧造成的电阻丝垂直方向的错位情况，从实剖图上得到验证如图11 所示，比较超声成像图和实剖图可以看出，相控阵超声方法对金属丝有较好的分辨效果，连很微小的位移也能分辨出来，定位精度达0.5 mm。
图10 焊接检测示意图
图11 电阻丝错位图
超声相控阵技术及B 扫描实时成像方法对聚乙烯管电熔接头各类缺陷有较好的检出能力。对大量含缺陷电熔接头进行检测和试验研究，对比超声成像图和实剖图，发现该方法对于聚乙烯电熔接头的各类缺陷均有较高的检测灵敏度和检出精度。通过城镇聚乙烯燃气管道安装工程检测实践，验证该技术能实现嵌入式电阻丝电熔连接接头的检测。
4.结语
现代意义的无损检测技术是随着各种科学技术的发展而发展起来的。超声检测作为无损检测的一种重要方法和热点研究，主要集中在研制适应性强、灵敏度高的探头： 为判断缺陷性质而对各种缺陷数学模型的建立： 缺陷的检出和信号分析技术： 无损*价的量化研究以及拓展超声检测在其他领域的应用。它的优点是对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果，易于携带，多数超声探伤仪不必外接电源，穿透力强。局限性是藕合传感器要求被检表面光滑，难于探出细小裂缝，要有参考标准，为解释信号要求检验人员素质高。
超声检测技术未来将会向着以下几个方面发展:
(1)向高精度、高分辨率方向发展。
(2)高温条件下的测量明显增多，在线检测、动态检测增多。
(3)在若干领域向超声无损*价发展，使得超声检测内容有了新的内涵。如超声检测技术与断裂力学相结合，对重要构件进行剩余寿命*价： 超声检测技术与材料科学相结合，对材料进行物理*价。
(4)在无损检测方面向定量化、图像化方向发展,超声检测系统将进一步数字化、图像化、自动化、智能化。
(5)现代信息处理技术如数值分析法、神经网络技术、模糊技术、遗传算法、虚拟仪器技术将广泛应用于超声检测技术领域。
随着各种科学技术在超声检测及探伤中的不断深入应用，相信超声检测作为许多领域产品质量保证的重要手段之一必将得到更多的关注与提高。
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