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焊缝超声波探伤 （一）超声波探伤基本原理 焊接结构件的超声检测技术是利用超声波在材料中的传播特性非破坏性地 检测焊缝内部的各种缺陷的方法。 1、超声波及其波形 超声波是在弹性介质中传播的机械波，频率超过人耳能听到的物体振动的声 音的频率范围，即大于 20000Hz。超声波检验常用的频率范围是 0.5～10MHz。 超声波检验常用的超声波波形（声振动质点振动的模型）有纵波（压缩波）、 横波（剪切波）、表面波（瑞利波）和板波（兰姆波）。 （1） 纵波（L） 当弹性介质受到交替变化的拉应力或压应力作用时,就会产生交替变化的伸 长或压缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，并在介质中传播，质点的振动方 向与波的传播方向相同，如图 4-1 所示，这种波称为纵波，又称压缩波。固体、 液体、气体能在拉深或压缩时均能发生变形，所以都能传播纵波。 （2） 横波（S） 固体介质既具有体积弹性，又具有剪切弹性。当固体介质受到交变剪切应力 作用时，将发生相应的剪切形变，介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动，这 时质点的振动方向与波的传播方向相互垂直，如图 4-1 所示，这种波称为横波， 又称为剪切波。由于液体和气体（统称流体）中只具有体积弹性，而不具有剪切 弹性，所以，在流体中不能传播横波。 图 4-1 纵波、横波 （3） 表面波（R） 当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点在介质表面的平衡位 置附近作椭圆轨迹的振动，这种振动又作用与相邻的质点而在介质表面传播，这 种波称为表面波，又称为瑞利波，如图 4-2 所示。表面波可以看作是一种特殊的 “横波”，仅限于材料的表面传播，表面波的能量随传播深度的增加而迅速减弱， 当传播深度超过两个波长的深度时，表面波的能量已经很小了，故表面波只能发 现距工作表面 2 倍波长深度的缺陷。 图 4-2 表面波 （4） 板波 板波是在薄板状固体（含细棒材等）中传播的超声波，声波的波动情况较为 复杂，它包含有纵波和横波的分量。在板波的传播中，按板中振动波节的形式分 为对称型（S 型）和非对称型（A 型）两种。板波广泛的应用于薄板超声探伤。 2、超声波的产生和接收 产生超声波的方法有很多种，分为机械法、热学方法、电动方法、磁滞伸缩 法、压电法等。压电方法简单，所用功率小，而且能发生很高频率的超声波，仪 器结构灵巧、工作方便、工作频率可调，是目前常用的一种方法。图 4-3 所示为 直探头基本结构，图 4-4 所示为斜探头基本结构。超声波是由超声波探伤仪产生 电振荡并施加于探头，利用其晶片的压电效应而获得。探头主要有保护膜、压电 晶片和吸收块等组成。当高频电压加于晶片两面电极上时，由于逆压电效应，晶 片会在厚度方向上产生伸缩变形的机械振动。若晶片与工件表面有良好耦合时， 机械振动就以超声波形式传播进去，这就是发射。反之，当晶片受到超声波作用 （遇到异质界面反射回来）而发射伸缩变形时，正压电效应又会使晶片两表面产 生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，这就是接收。利用压电效应使探头 （压电晶片）发射或是接受超声波，就使发现缺陷成为可能。因此，探头（压电 晶片）是较为理想的电声能交换能器。 图 4-3 直探头基本结构 图 4-4 斜探头基本结构 1—插座；2—阻尼块；3—外壳； 1—插座；2—外壳；3—阻尼块； 4—压电晶片；5—保护膜 4—压电晶片；5—斜楔块 3、超声波的性质 探伤中所用超声波具有良好的指向性，所谓超声波有良好的指向性，包括直 线性和束射性两个含义。直线性指超声波的波长很短（毫米数量级），因此它在 弹性介质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固体介 质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求其传播距离，从而为探伤中缺陷定位 提供了依据。束射性指声源发出的超声波能集中在一定区域（称为超声场）定向 辐射（见图 4-5，以圆形压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场 为例）。 图 4-5 圆盘源超声场 超声波的能量主要集中在 2θ 以内的锥形区域，如图 4-5（a）所示。θ 越小， 波束指向性越好，超声波能量越集中，探伤灵敏度高，分辨能力高且定位精确。 θ = arcsin1.22 λ D 式中 θ —半扩散角，（°）； λ—波长，mm； D—压电晶片直径，mm。 从上式中可以看出，声波频率越高，波长越短，压电晶片尺寸越大，半扩散 角越小，声场指向性越好。 近场区中由于波的干涉声压起伏很大，如图 4-5（b）所示，这会使处于声 压极值处的较小缺陷回波较高，而处于声压较小值处的较大缺陷却回波较小，易 引起误判。因此，超声波检测中总是尽量避免在近场区定量。 N ≈ D 2 4λ 式中 N—近场区长度，mm。 （二）探测条件的选择 1、探测面的修整 工件表面状况好坏，直接影响探伤结果。因此，应