超聲探傷技術(shù)的基本原理、分類(lèi)及在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

引 言

無(wú)損檢測(cè)( No ndest ruct ive test ，NDT ) 是指不破壞和損傷受檢物體，對(duì)其性能、質(zhì)量、有無(wú)內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)的一種技術(shù)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步不可缺少的手段，特別隨著新材料、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各種結(jié)構(gòu)零件向高參量、大容量方向發(fā)展，不僅要提高缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確率和可靠性，而且要把傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的數(shù)字化、圖像化、實(shí)時(shí)化、智能化。

工業(yè)上常用的無(wú)損檢測(cè)方法有五種：超聲檢測(cè)( UT ) 、射線(xiàn)探傷( RT) 、滲透探查( PT) 、磁粉檢測(cè)( MT )和渦流檢測(cè)( ET ) 。其中超聲檢測(cè)是利用超聲波的透射和反射進(jìn)行檢測(cè)的。超聲波可以穿透無(wú)線(xiàn)電波、光波無(wú)法穿過(guò)的物體，同時(shí)又能在兩種特性阻抗不同的物質(zhì)交界面上反射，當(dāng)物體內(nèi)部存在不均勻性時(shí)，會(huì)使超聲波衰減改變，從而可區(qū)分物體內(nèi)部的缺陷。因此，在超聲檢測(cè)中，發(fā)射器發(fā)射超聲波的目的是超聲波在物體遇到缺陷時(shí)，一部分聲波會(huì)產(chǎn)生反射，發(fā)射和接收器可對(duì)反射波進(jìn)行分析，精確地測(cè)出缺陷來(lái)，并顯示出內(nèi)部缺陷的位置和大小，測(cè)定材料厚度等。

超聲檢測(cè)作為一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅具有穿透能力強(qiáng)、設(shè)備簡(jiǎn)單、使用條件和安全性好、檢測(cè)范圍廣等根本性的優(yōu)點(diǎn)外，而且其輸出信號(hào)是以波形的方式體現(xiàn)。使得當(dāng)前飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)信號(hào)處理、模式識(shí)別和人工智能等高新技術(shù)能被方便地應(yīng)用于檢測(cè)過(guò)程，從而提高檢測(cè)的精確度和可靠性。

超聲波無(wú)損探傷( NDI) 是超聲無(wú)損檢測(cè)的一種發(fā)展與應(yīng)用，其設(shè)備有：超聲探傷儀、探頭、藕合劑及標(biāo)準(zhǔn)試塊等。其用途是檢測(cè)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(cè)定。

超聲無(wú)損檢測(cè)在最近幾十年中得到了較大的進(jìn)展,它已成為材料或結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)中常用的手段。由于超聲檢測(cè)可以在線(xiàn)進(jìn)行、超聲波對(duì)人體無(wú)害又不改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，因此，在材料或結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 超聲探傷原理

超聲探傷是無(wú)損檢測(cè)的主要方法之一。它能非破壞性地探測(cè)材料性質(zhì)及內(nèi)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(qiáng)、檢測(cè)速度快和設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等一系列特點(diǎn)。

1. 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(fā)射器通過(guò)探頭將超聲波短脈沖送入試件，當(dāng)回波從試件的缺陷或邊界返回時(shí)，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)，在示波器上加以顯示，并將其幅度和傳播時(shí)間顯示出來(lái)。如果已知試件中的聲速，則根據(jù)示波器上的讀數(shù)所獲得的脈沖間的傳輸時(shí)間即可獲得缺陷的深度。

圖1 脈沖回波探傷儀原理圖。

1. 2 探傷分類(lèi)

超聲探傷方法很多，可以按不同的方式進(jìn)行分類(lèi)。

現(xiàn)將幾種常用的分類(lèi)方法介紹如下。

( 1) 按原理分類(lèi)

按探傷原理分類(lèi)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(fā)射脈沖到被檢測(cè)試塊內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來(lái)檢測(cè)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(lèi)

按耦合方式分類(lèi)如圖2 所示。

圖2 按耦合方式探傷分類(lèi)圖。

( 3) 按探傷顯示方法分類(lèi)

按探傷顯示方法分類(lèi)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(nèi)部缺陷的橫斷面形狀，此時(shí)示波器橫坐標(biāo)代表探頭在工件面上的位置，縱坐標(biāo)代表缺陷的深度。探頭沿工件移動(dòng)與示波管掃描線(xiàn)的水平移動(dòng)是同步的，為使圖象保留在熒光屏上，應(yīng)選用長(zhǎng)余輝示波管，且探頭移動(dòng)速度不能太快： C 型顯示探傷儀,可以顯示工件內(nèi)部缺陷的平面圖形。

( 4) 按智能方式分類(lèi)

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(dòng)，在它的移動(dòng)中利用超聲波自動(dòng)地檢測(cè)缺陷并予以顯示或指示( 噴色) 的方式，稱(chēng)為超聲自動(dòng)探傷。自動(dòng)探傷要有探傷儀( 帶閘門(mén)裝置) ，顯示裝置，探頭及其夾持機(jī)構(gòu)。根據(jù)探頭設(shè)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(chǎng)合，如軌道、無(wú)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(xì)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(jié)層) 或管類(lèi)的精密探傷，當(dāng)水槽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以進(jìn)行自動(dòng)探傷的情況下，除去工件的裝卸以外，探傷可以全部自動(dòng)化，如果工件加工精度高，而且水槽內(nèi)架設(shè)的探頭夾持機(jī)構(gòu)、移動(dòng)架的精度也高，則探傷的精度也高 。

2 超聲探傷技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

2. 1 機(jī)車(chē)檢測(cè)方面的應(yīng)用

2. 1. 1 在高速鋼軌檢測(cè)中的應(yīng)用

我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路近七萬(wàn)公里，而且鐵路正在向高速、重載的方向發(fā)展。超期服役的鋼軌數(shù)量很大，線(xiàn)路上的鋼軌在承擔(dān)繁重的運(yùn)輸任務(wù)過(guò)程中，不免要產(chǎn)生各種肉眼能看見(jiàn)及看不見(jiàn)的損傷如側(cè)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(dāng)被檢鋼軌內(nèi)部有一個(gè)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(chēng)作探傷面、檢測(cè)面) ，探頭向被檢鋼軌發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波穿過(guò)界面進(jìn)入被檢鋼軌內(nèi)部，在遇到缺陷和兩介質(zhì)的界面時(shí)都會(huì)有反射，反射信號(hào)被探頭接收后，通過(guò)探傷儀內(nèi)部的電路轉(zhuǎn)換，就可以把缺陷信號(hào)和底波信號(hào)形象地顯示出來(lái)，如圖4 所示。根據(jù)超聲波的聲程推算，就可以輕易地將缺陷信號(hào)和底波信號(hào)區(qū)分開(kāi)，然后通過(guò)超聲波試塊進(jìn)行定標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌缺陷的定位和定量。

圖3 超聲探傷示意圖。

2. 1. 2 在車(chē)輪缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

輪對(duì)是車(chē)輛走行部中最重要的部件之一，對(duì)軌道車(chē)輛輪對(duì)的檢測(cè)并準(zhǔn)確地判斷其缺陷位置一直是鐵道運(yùn)輸部門(mén)非常重視的問(wèn)題。該系統(tǒng)采用電磁超聲探傷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)踏面的缺陷檢測(cè)，包括：踏面剝離及剝離前期檢測(cè)： 踏面表面及近表面裂紋檢測(cè)。

圖4 超聲波探傷儀顯示缺陷示意圖。

電磁超聲探傷系統(tǒng)利用超聲表面波的脈沖反射原理進(jìn)行缺陷檢測(cè)。當(dāng)輪對(duì)沿鋼軌運(yùn)行到探頭位置，輪對(duì)踏面接觸探頭的瞬間，EMAT ( 電磁超聲探傷技術(shù)) 在車(chē)輪踏面表面及近表面激發(fā)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(shí)針和逆時(shí)針) ，沿車(chē)輪表面及近表面?zhèn)鞑? 周后回到探頭位置，EMAT 探頭檢測(cè)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(xù)沿踏面?zhèn)鞑ィ来涡纬傻? 次、第3 次周期回波，,直到能量衰減到設(shè)備無(wú)法檢測(cè)為止。

圖5 探頭在踏面激發(fā)的超聲表面波。

當(dāng)車(chē)輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷存在時(shí)，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(cè)到，形成缺陷回波( 圖6 中E波) ： 另一部分能量繞過(guò)缺陷端面繼續(xù)傳播，形成周期性回波( 圖6 中RT 波) 。通過(guò)正常的周期回波( RT) 與缺陷回波( E) 的對(duì)比分析，可以定性分析當(dāng)前輪對(duì)的踏面缺陷狀況。

2. 1. 3 在輪輞缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)鐵路行車(chē)速度的提高，尤其是動(dòng)車(chē)組的開(kāi)行給行車(chē)安全提出新的考驗(yàn)，轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件如輪輞、車(chē)軸、軸承等局部位置承受更大的應(yīng)力，要求檢測(cè)過(guò)程速度加快、檢測(cè)時(shí)間間隔變小、檢測(cè)范圍擴(kuò)大，給鐵路無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域提出更高的技術(shù)要求。

根據(jù)輪輞缺陷裂紋的走向特點(diǎn)，將輪輞缺陷分為三類(lèi)。

圖6 表面波傳播原理

( 1) 周向缺陷：沿車(chē)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(chē)輪直徑方向平行：( 3) 軸向缺陷：輪輞內(nèi)部與車(chē)軸方向平行。

在探傷實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)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(shí)際缺陷，平底孔的直徑或刻槽的寬度與實(shí)際裂紋尺寸成當(dāng)量關(guān)系，相控陣探頭分別置于踏面( I) 和輪緣內(nèi)側(cè)( II) 進(jìn)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(cè)面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷? 為距踏面10 mm 垂直輪輞側(cè)面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷% 為距踏面50 mm 垂直輪輞側(cè)面 3 mm 深90 mm 的平底孔： 缺陷&為輪輞與輪輻交接區(qū)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?zhèn)? mm 深周向刻槽，槽寬小于等于2 mm。

根據(jù)超聲檢測(cè)脈沖回波反射的特點(diǎn)，周向缺陷采用縱波相控陣直探頭從踏面進(jìn)行掃查： 徑向缺陷采用縱波相控陣直探頭在輪緣內(nèi)側(cè)面進(jìn)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。

2. 2 建筑和土木方面的應(yīng)用

2. 2. 1 超聲在測(cè)定混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及厚度的應(yīng)用

( 1) 強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)是利用混凝土的抗壓強(qiáng)度與超聲波在混凝土中的傳播參數(shù)( 聲速) 之間的相關(guān)性來(lái)檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的?；炷恋膹椥阅Ａ吭酱?，強(qiáng)度越高，超聲波的傳播速度越快。經(jīng)試驗(yàn)，這種相關(guān)關(guān)系可以用非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型來(lái)擬合，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立混凝土強(qiáng)度和聲速的關(guān)系曲線(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)混凝土強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)該選擇澆筑混凝土的模板側(cè)面為測(cè)試面，一般以200 mm ( 200 mm 的面積為一測(cè)區(qū)。每一試件上相鄰測(cè)區(qū)間距不大于2 m。

測(cè)試面應(yīng)清潔平整，干燥無(wú)缺陷和無(wú)飾面層。每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)應(yīng)在相對(duì)測(cè)試面上對(duì)應(yīng)的輻射和接收換能器應(yīng)在同一軸線(xiàn)上，測(cè)試時(shí)必須保持換能器與被測(cè)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(jì)算或查表取得對(duì)應(yīng)測(cè)區(qū)的混凝土強(qiáng)度值。

( 2) 聲波反射法測(cè)量厚度

如圖8 所示，超聲波從一種固體介質(zhì)入射到另一種固體介質(zhì)時(shí)，在兩種不同固體的分界面上會(huì)產(chǎn)生波的反射和折射。聲阻抗率相差越大，則反射系數(shù)也越大，反射信號(hào)就越強(qiáng)。所以只要能從直達(dá)波和反射波混雜的接收波中識(shí)別出反射波的疊加起始點(diǎn)，并測(cè)出反射波到時(shí)，就可以由式( 1) 計(jì)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(shí)： L 為兩換能器間距。由( 1) 式知，要準(zhǔn)確得到厚度,關(guān)鍵是如何設(shè)法測(cè)得較準(zhǔn)確的混凝土聲速C 和混凝土結(jié)構(gòu)底面波反射聲時(shí)T。當(dāng)換能器固定時(shí)，L 是一個(gè)常數(shù) 。

圖8 反射法測(cè)量厚度原理圖。

2. 2. 2 超聲在橋梁混泥土裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能及耐久年限，主要由設(shè)計(jì)、施工和所用材料的質(zhì)量等諸多因素共同決定。由于設(shè)計(jì)、施工和材料可能存在某些缺陷，這些缺陷會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)先天存在著某些薄弱之處： 此外，橋梁在營(yíng)運(yùn)使用中又會(huì)受到不可避免的人為損傷及各種大自然侵蝕，帶來(lái)后天病害。

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

圖9 橋梁檢測(cè)示意圖。

2. 3 焊接方面的應(yīng)用

采用超聲相控陣技術(shù)及B 掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)，通過(guò)足夠數(shù)量的探頭排列和觸發(fā)時(shí)間控制，并選用不同頻率范圍，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式電阻絲電熔連接接頭的檢測(cè)。

通過(guò)對(duì)比超聲圖像與接頭實(shí)剖圖，發(fā)現(xiàn)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(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性。

檢測(cè)示意圖如圖10 所示。超聲相控陣檢測(cè)結(jié)合B掃描技術(shù)可以判斷檢測(cè)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(guò)緊造成的電阻絲垂直方向的錯(cuò)位情況，從實(shí)剖圖上得到驗(yàn)證如圖11 所示，比較超聲成像圖和實(shí)剖圖可以看出，相控陣超聲方法對(duì)金屬絲有較好的分辨效果，連很微小的位移也能分辨出來(lái)，定位精度達(dá)0. 5 mm。

圖10 焊接檢測(cè)示意圖。

圖11 電阻絲錯(cuò)位圖。

超聲相控陣技術(shù)及B 掃描實(shí)時(shí)成像方法對(duì)聚乙烯管電熔接頭各類(lèi)缺陷有較好的檢出能力。對(duì)大量含缺陷電熔接頭進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)研究，對(duì)比超聲成像圖和實(shí)剖圖，發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)于聚乙烯電熔接頭的各類(lèi)缺陷均有較高的檢測(cè)靈敏度和檢出精度。通過(guò)城鎮(zhèn)聚乙烯燃?xì)夤艿腊惭b工程檢測(cè)實(shí)踐，驗(yàn)證該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)嵌入式電阻絲電熔連接接頭的檢測(cè)。

3 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)代意義的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是隨著各種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。超聲檢測(cè)作為無(wú)損檢測(cè)的一種重要方法和熱點(diǎn)研究，主要集中在研制適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高的探頭： 為判斷缺陷性質(zhì)而對(duì)各種缺陷數(shù)學(xué)模型的建立： 缺陷的檢出和信號(hào)分析技術(shù)： 無(wú)損*價(jià)的量化研究以及拓展超聲檢測(cè)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)平面型缺陷十分敏感，一經(jīng)探傷便知結(jié)果，易于攜帶，多數(shù)超聲探傷儀不必外接電源，穿透力強(qiáng)。局限性是藕合傳感器要求被檢表面光滑，難于探出細(xì)小裂縫，要有參考標(biāo)準(zhǔn)，為解釋信號(hào)要求檢驗(yàn)人員素質(zhì)高。

超聲檢測(cè)技術(shù)未來(lái)將會(huì)向著以下幾個(gè)方面發(fā)展:

( 1) 向高精度、高分辨率方向發(fā)展。

( 2) 高溫條件下的測(cè)量明顯增多，在線(xiàn)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)增多。

( 3) 在若干領(lǐng)域向超聲無(wú)損*價(jià)發(fā)展，使得超聲檢測(cè)內(nèi)容有了新的內(nèi)涵。如超聲檢測(cè)技術(shù)與斷裂力學(xué)相結(jié)合，對(duì)重要構(gòu)件進(jìn)行剩余壽命*價(jià)： 超聲檢測(cè)技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合，對(duì)材料進(jìn)行物理*價(jià)。

( 4) 在無(wú)損檢測(cè)方面向定量化、圖像化方向發(fā)展,超聲檢測(cè)系統(tǒng)將進(jìn)一步數(shù)字化、圖像化、自動(dòng)化、智能化。

( 5) 現(xiàn)代信息處理技術(shù)如數(shù)值分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、遺傳算法、虛擬儀器技術(shù)將廣泛應(yīng)用于超聲檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

隨著各種科學(xué)技術(shù)在超聲檢測(cè)及探傷中的不斷深入應(yīng)用，相信超聲檢測(cè)作為許多領(lǐng)域產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段之一必將得到更多的關(guān)注與提高。