《超声波探伤基础》课件

超声波探伤基础工业检测技术的关键工具确保结构安全的重要方法课程概述基础理论声波特性与传播原理设备使用探伤仪操作与探头选择检测技术多种探伤方法与应用场景结果分析第一章超声波探伤概述发展历程应用范围从二战后开始应用于工业领域航空、核电、石化、机械制造等检测目的无损检测的定义和意义

1.1定义在不破坏被检材料或构件功能的情况下进行的检测经济意义降低生产成本，避免废品损失安全意义预防事故，保障人身和财产安全质量意义提高产品可靠性，延长使用寿命常见的无损检测方法

1.2射线检测磁粉检测利用X射线或γ射线穿透能力渗透检测适用于铁磁性材料表面和近表面缺陷检测表面开口缺陷超声波检测涡流检测利用声波反射识别内部缺适用于导电材料表面缺陷陷检测超声波探伤的优势和应用领域

1.3优势应用领域•检测深度大•焊缝检测•灵敏度高•铸锻件检验•便携性好•复合材料评估•无辐射危害•壁厚测量•实时成像可能•航空航天构件•核电站关键部件第二章声波基础知识机械波振动特性传播速度需要介质传播，无法在具有振幅、频率、波长与介质的弹性和密度相真空中传播和相位特征关能量传递通过粒子振动而非粒子位移传递声波的定义和特性

2.1定义1介质中的机械振动波，传递能量而非物质传播方式2粒子振动形成疏密变化频率范围3超声波频率20kHz，人耳不可听工业应用4探伤频率通常为

0.5-25MHz声波的种类

2.2按传播介质固体、液体、气体中的声波1按频率范围2次声波、可听声波、超声波按振动方向3纵波、横波、表面波、板波纵波

2.3定义粒子振动方向与波传播方向平行的声波传播介质可在固体、液体和气体中传播传播速度同一介质中速度最快的波探伤应用直探头检测常用纵波横波

2.4振动特性传播介质探伤应用粒子振动方向与波传播方向垂直只能在固体中传播，液体和气体无法支持斜探头检测常用横波表面波和板波

2.5表面波（瑞利波）板波（兰姆波）•沿材料表面传播•在薄板材料中传播•粒子做椭圆运动•分对称和反对称模式•检测表面缺陷•检测大面积结构•传播距离长•存在色散现象声速、波长和频率的关系

2.6基本关系c=λ×f波长意义决定可探测的最小缺陷尺寸声速因素仅与材料性质有关，与频率无关频率选择高频分辨率高，穿透能力弱第三章超声波的产生与接收电能脉冲电信号压电换能压电材料形变超声波机械振动波压电效应原理

3.1正压电效应逆压电效应机械压力电极化电场作用机械形变→→用于接收超声波用于产生超声波1880年居里兄弟发现Gabriel Lippmann预测常见压电材料

3.2材料类型特点应用场景石英晶体稳定性高高精度测量PZT陶瓷压电系数大常规探伤PVDF聚合物柔性好特殊形状表面铌酸锂高温稳定高温环境超声波换能器的结构

3.3压电晶片将电能转换为机械振动匹配层改善声能从晶片到被检材料的传递背衬材料吸收向后的声能，提高分辨率保护层防止晶片磨损和腐蚀直探头和斜探头

3.4直探头声束垂直入射，主要产生纵波斜探头声束倾斜入射，主要利用横波楔块改变入射角度，产生模式转换双晶探头的特点和应用

3.5结构特点近场特性发射和接收晶片分离检测近表面缺陷能力强典型应用聚焦效应腐蚀测厚和近表面检测自然聚焦提高灵敏度第四章超声波在介质中的传播343m/s空气中声速20℃条件下1480m/s水中声速20℃条件下5900m/s钢中纵波声速常温条件下3200m/s钢中横波声速约为纵波的

0.54倍声阻抗的概念

4.1定义物理意义Z=ρ×c表征材料对声波传播的阻碍程度Z声阻抗单位kg/m²·s材料密度声阻抗差异大界面反射强ρc声速声阻抗差异小界面透射多反射和透射

4.2折射和模式转换

4.3斯涅尔定律1sinθ₁/c₁=sinθ₂/c₂模式转换2纵波斜入射产生纵波和横波第一临界角3纵波折射角达90°第二临界角4横波折射角达90°衰减和散射

4.4吸收衰减声能转化为热能散射衰减晶界和杂质散射声波几何扩散声束扩散造成能量密度降低声束的特性

4.5近场区远场区近远场分界点声场不稳定，强度波动声场稳定，强度逐渐衰N=D²/4λ减散射角sinα=

0.61λ/a第五章超声波探伤的基本原理超声脉冲发射发射电路激励探头产生声波声波在材料中传播耦合剂确保声能传入被检材料遇缺陷或背壁反射声阻抗差异导致反射接收反射回波探头接收回波并转换为电信号信号处理和显示放大、滤波并显示缺陷信息脉冲反射法

5.1发射和接收1同一探头既发射又接收回波分析2测量回波时间间隔和幅度缺陷评估3通过回波特征判断缺陷信息透射法

5.2工作原理适用情况•两个探头分别位于工件两侧•复合材料检测•一个发射，一个接收•层间剥离检测•缺陷会阻挡声波透射•难以获得回波的材料•接收信号减弱表示存在缺陷•大衰减材料扫描显示

5.3A发射脉冲探头激励信号缺陷回波内部缺陷产生的反射波底部回波背壁反射信号扫描和扫描

5.4B C缺陷定位原理

5.5深度计算s=c×t/2水平距离p=s×tanθ尺寸估计基于6dB或20dB波幅降低法声程修正考虑声波路径和折射效应第六章超声波探伤设备显示系统接收放大器显示波形和缺陷信息探头系统放大微弱回波信号发射和接收超声波脉冲发生器数据处理单元产生高压电脉冲激励探头信号处理和数据分析超声波探伤仪的组成

6.1硬件系统软件系统•脉冲发生器•操作界面•接收放大器•信号处理算法•数字转换器•数据存储模块•显示屏•报告生成功能辅助设备•电池和充电器•探头连接器•校准模块•数据传输接口发射电路和接收电路

6.2发射电路1产生高压短脉冲激励探头接收电路放大、滤波微弱回波信号发收切换控制探头在发射和接收状态间切换衰减控制调节接收灵敏度，防止饱和数字信号处理技术

6.3数字滤波信号平均频谱分析提高信噪比，去除干扰多次采样平均减少随机分析信号频率特性噪声包络检测提取回波幅度信息探头的选择和使用

6.4探头类型频率选择适用场景直探头

2.5MHz厚壁粗晶材料直探头5MHz一般厚度材料直探头10MHz薄材料，高分辨率斜探头45°管道环向焊缝斜探头60°板焊缝和T型接头斜探头70°薄板焊缝检测耦合剂的作用和选择

6.5水清洁无污染，低温环境不适用机油和甘油适中粘度，耦合效果好专用耦合膏粘附性好，适合垂直表面第七章超声波探伤技术2-25MHz工业探伤频率根据被检材料和缺陷大小选择

0.5-15mm可检测缺陷尺寸取决于频率和技术40dB典型探测信噪比高质量探伤系统±

0.1mm厚度测量精度现代数字探伤仪直束法探伤

7.1原理操作步骤使用直探头，声束垂直于表面

1.设备校准

2.探头耦合利用纵波检测平行于表面的缺陷

3.观察回波适合检测层状缺陷和测量厚度

4.调整增益

5.记录数据斜束法探伤

7.2倾斜入射1使用斜探头，声束倾斜入射模式转换2产生横波在材料中传播多次反射3声波在上下表面反射形成声程缺陷定位4通过声程计算缺陷位置水浸法探伤

7.3工作原理被检件浸入水中，声波通过水传递优点耦合稳定，扫查均匀，适合自动化局限性设备复杂，工件需防水，速度较慢应用航空零件、精密铸件、复合材料聚焦探伤技术

7.4声学聚焦几何聚焦电子聚焦使用声学透镜改变声波传播方向使用弧形压电晶片自然聚焦通过相控阵元件延时控制实现相控阵超声探伤技术简介

7.5多元件阵列16-256个独立可控压电元件电子延时控制精确控制各元件发射和接收时序声束控制实现声束扫描、聚焦和偏转第八章超声波探伤标准试块标准试块的作用

8.1设备校准校准声速、灵敏度和分辨率人员培训熟悉不同缺陷的回波特征比对参考提供已知缺陷的参考回波性能验证验证探伤系统性能是否符合标准常用标准试块介绍

8.2试块类型标准规范主要用途IIW试块ISO2400斜探头校准V1试块EN12223直探头校准V2试块EN27963斜探头灵敏度CSK试块ASTM E428分辨率检查阶梯试块多种规范厚度和声速校准距离波幅试块ASTM E1158DAC曲线制作曲线的制作和应用

8.3DAC定义1距离-波幅校正曲线，反映相同大小缺陷在不同深度的回波幅度制作步骤2使用带有相同大小反射体的试块，记录不同深度回波幅度评定方法3实际缺陷回波与DAC曲线比较，超过评定线判为不合格标准要求4不同标准规定不同的DAC评定线，如50%或80%DAC曲线的原理和应用

8.4AVG原理优点•距离-增益-尺寸曲线•减少试块需求•基于超声理论计算•可评估不同类型缺陷•考虑声束扩散•定量评估更准确•可直接估算缺陷当量尺寸•适用范围广第九章超声波探伤的应用铸件检测焊接检测发现铸件内部缺陷2各类焊缝内部缺陷检测锻件检测评估锻造质量3复合材料管道检测层间剥离和夹杂物检测确保管道安全运行焊缝检测

9.1对接焊缝型接头角焊缝T使用斜探头从两侧检测采用多角度探头组合检测使用特殊角度和扫查路径铸件检测

9.2常见缺陷检测挑战•气孔和缩孔•晶粒大而粗•夹杂物•几何形状复杂•裂纹•表面粗糙•疏松•材质不均匀技术应对•低频探头

0.5-

2.5MHz•高能量脉冲•高增益设置•多角度检测锻件检测

9.3表面处理1确保平滑无氧化皮网格划分系统规划扫查区域全面扫查直探头和斜探头结合缺陷评定4根据标准判定接受性管道检测

9.4复合材料检测

9.5层间剥离孔隙率夹杂物主要缺陷类型，表现为衰减增加，背壁回波减产生异常回波和声阻抗明显回波弱变化皱折纤维排列异常导致声束偏转第十章超声波探伤结果分析信号识别区分缺陷回波与几何回波缺陷定位确定缺陷在工件中的位置缺陷分类根据回波特征判断缺陷类型缺陷尺寸测定估算缺陷大小和范围评定根据验收标准判定接受或拒收缺陷类型识别

10.1缺陷定量分析方法

10.2降幅法降幅法法6dB20dB DGS/AVG•探头移动至回波降低6dB•探头移动至回波降低20dB•基于理论曲线•测量两端位置差•测量距离后乘修正系数•考虑距离和增益•适合较大缺陷•适合小缺陷•直接估算当量尺寸•需波长相当于缺陷•波长大于缺陷•需特定校准探伤报告的编写

10.3基本信息检测参数•检测对象和日期•探头类型和频率•检测标准和规范•增益设置•设备型号和校准•扫查方法•检测人员资质•耦合剂类型结果记录结论与建议•缺陷位置和尺寸•总体评估结果•波幅和声程•存在问题分析•缺陷类型判断•修复或后续建议•验收状态•下次检测周期常见问题和解决方案

10.4噪声过大调整频率，使用滤波，改善耦合分辨率不足选择高频探头，使用双晶或聚焦探头穿透不足降低频率，增加发射能量，改善耦合表面状况差表面处理，使用更多耦合剂，考虑水浸法课程总结与展望基础知识掌握声波原理和传播特性设备应用熟练操作各类探伤设备技术方法3灵活运用不同探伤技术技术展望相控阵、TOFD和AI辅助分析。