常用无损检测技术分析

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1、第三篇 常用无损检测技术第15章射线照相检测技术15.1 射线照相检测技术概述（R级人员仅要求本节内容）射线是具有可穿透不透明物体能力的辐射，包括电磁辐射（X射线和丫射线）和粒子辐射。在射线穿过物体的过程中，射线将与物质相互作用，部分射线被吸收，部分射线发生散射。不同物质 对射线的吸收和散射不同，导致透射射线强度的降低也不同。检测透射射线强度的分布情况，可实 现对工件中存在缺陷的检验。这就是射线检测技术的基本原理。射线照相检测技术，利用射线对胶 片可以产生感光作用的原理，采用胶片记录透射射线强度，在底片上形成不同黑度的图像，完成检 验。图15-1显示了射线照相检测技术的基本原理。射线照相检测的

2、基本过程为准备、透照、暗室处理、评片，从底片上给出的图像，判断缺陷性 质、分布、尺寸，完成对工件的检验。图15-1射线照相检测技术基本原理图15-2光电效应示意图射线照相检验技术可应用于各种材料（金属材料、非金属材料和复合材料）、各种产品缺陷的检验。检验技术对被检工件的表面和结构没有特殊要求。检验原理决定了，这种技术最适宜检验体积 性缺陷，对延伸方向垂直于射线束透照方向（或成较大角度）的薄面状缺陷难于发现。射线照相检 验技术特别适合于铸造缺陷和熔化焊缺陷的检验，不适合锻造、轧制等工艺缺陷检验。现在它广泛 应用于航空、航天、船舶、电子、兵器、核能等工业领域。射线照相检测技术直接获得检测图像，给出

3、缺陷形貌和分布直观显示，容易判定缺陷性质和尺 寸。检测图像还可同时评定检测技术质量，自我监控工作质量。这些为评定检测结果可靠性提供了 客观依据。射线照相检测技术应用中必须考虑的一个特殊问题是辐射安全防护问题。必须按照国家、地方、行业的有关法规、条例作好辐射安全防护工作，防止发生辐射事故。15.2 射线照相检测技术基础15.2.1 射线与物质的相互作用射线按其特点分为二类：电磁辐射和粒子辐射，以下仅讨论X射线与丫射线（电磁辐射）射射线、丫射线与物质的相互作用是光量子和物质的相互作用。包括光量子与原子、原子核、 原子的电子及自由电子的相互作用。主要的作用是：光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散

4、 射。图152、图153、图154是光电效应、康普顿效应、电子对效应作用示意图。在光电效应中，入射光量子与原子的轨道电子相互作用，把全部能量传递给这个轨道电子，获 得能量的电子克服原子核的束缚成为自由电子。光电效应是一个吸收过程，将伴随发射特征X射线 的荧光辐射。图15-3康普顿效应示意图图15-4电子对效应示意图图15-5射线穿透物体时的衰减在康普顿效应（康普顿散射）中，入射光量子与原子外层轨道电子发生的相互作用，光子的一 部分能量传递给电子，使电子从轨道飞出，这种电子称为反冲电子，同时，入射光量子的能量减少， 成为散射光量子，并偏离了入射光量子的传播方向。康普顿效应是一个既有吸收又有散射的

5、过程。从能量守恒定律，电子对效应只能发生在入射光量子的能量不小于1.02 MeV时。光量子与原子核发生相互作用，转化为一对正、负电子在不同方向飞出。电子对效应中，入射光量子消失，它 是一一个吸收过程。简单说，瑞利散射是入射光量子与原子的弹性碰撞散射过程。在这个过程中，入射光量子的能 量不改变，但传播方向发生改变。15.2.2 射线衰减规律1）衰减概念在射线与物质的上面相互作用中，入射光量子的能量一部分转移到能量或方向改变了的光量子 那里，一部分通过电子损失在物体之中。前面的过程称为散射，后面的过程称为吸收。因此，入射 到物体的射线，一部分能量被吸收、一部分能量被散射。这导致从物体透射的射线强度

6、低于入射射 线强度，这称为射线强度发生了衰减。2）单色窄束射线衰减规律单色射线是指波长（能量）单一的射线。如果到达胶片的射线只有从射线源沿直线穿过物体透射 的射线（一次射线），称为窄束射线。如果到达胶片的射线还包括散射线等，则称为宽束射线。简单 地说，宽束射线和窄束射线就是是否考虑散射线。对单色窄束射线，实验表明，在厚度非常小的均匀媒质中，强度的衰减量正比于入射射线强度和穿透物体的厚度。按照图 155所示的符号，这种关系可以写为I = Ioe-gT（15 1）式中：I0一入射射线强度；I一为透射射线强度；T一为吸收体厚度；厂射线的线衰减系数。这就是单色窄束射线的衰减规律，也称为射线衰减的基本规

7、律。这个公式指出，射线穿过物 体时的衰减程度与射线本身的能量、所穿透的物体厚度相关。理论上有由!-= P m（15 2）即KZ3%（153）即称为质量衰减系数，p是吸收体的密度，是射线的波长，Z是吸收体物质的元素的原子序数，k为一常系数。它们具体说明了线衰减系数与射线能量、吸收体性质的关系。在实际应用中，常引入半值层（厚度）描述吸收体对一定能量射线的衰减。半值层是指使射线的强度减弱为入射射线强度值的1/2的物体厚度，常记为 T 1/2。容易得到T 1/2 =0.693/ 科（154）利用半值层概念，上面的射线衰减规律可以写成概念清晰的关系式T/T1/2I I0 1（15-5）2利用此式可从概念

8、上进行简单计算。3）宽束连续谱射线衰减规律实际射线探伤中，一般都是宽束连续谱射线情况。这时，当射线穿过物体时，连续谱的不同波 长部分，衰减情况不同，这导致了连续谱射线的“硬化”现象一一随穿过物体厚度增加，连续谱保 留更多的是波长短的部分。另外，到达胶片总会含有散射线。因此，必须采用宽束连续谱射线衰减 规律时，处理实际问题。15.2.3 工业射线胶片的感光特性1）底片黑度概念胶片经过曝光和暗室处理后称为底片，底片的黑度定义为入射光亮度Lo与透射光亮度L之比的常用对数之值，即D=lg （Lo/L）（156）2）工业射线胶片的感光特性与特性曲线胶片的主要感光特性是：感光度、梯度、灰雾度和宽容度等。胶

9、片感光特性曲线给出了底片黑 度与曝光量常用对数关系的曲线，集中显示了胶片的主要感光特性。典型的工业射线胶片的感光特 性曲线如图156所示。感光度表示胶片对射线（光）的敏感程度，也称为感光速度，表示胶片感光的快慢。得到同样黑度所需曝光量少的胶片感光度高，或说感光速度快。梯度是胶片特性曲线上任一点的切线的斜率，图15-7影像质量基本因素显然，特性曲线上不同点的梯度不同。灰雾度表示胶片不经曝光在显影后得到的黑度。宽容度定义 为特性曲线上直线部分对应的曝光量对数之差，在这个范围内，黑度与曝光量对数近似成正比关系。VV图15-6工业射线胶片的感光特性曲线 对正常曝光部分，胶片感光特性曲线的函数关系D=G

10、lg H + K(157)式中：D一底片黑度;G 特性曲线的斜率（梯度）；H 一曝光量（射线强度与曝光时间之积）；k为一个常数。影响胶片感光特性的一个重要方面是胶片的粒度，即感光乳剂中卤化银颗粒的尺寸。不同类别胶片的基本区别是粒度不同。粒度大的胶片感光度快、梯度小、灰雾度高。3）工业射线胶片分类按工业射线胶片感光特性，我国现在将射线胶片分为四类，即微粒胶片（T1）、细颗粒胶片（T2）、中颗粒胶片（T3）、粗颗粒胶片（T4）。颗粒越细的胶片，其感光速度越慢、梯度越大、灰雾度越小， 可以得到更好的射线照相检测影像。15.2.4 影像质量的基本因素1）影像质量基本因素概念底片影像质量的三个基本因素是

11、，对比度、不清晰度、颗粒度。影像黑度最大值与背景黑度之差AD称为影像的对比度，？影像边界扩展的宽度值 U称为影像的不清晰度，影像黑度起伏的标准差称为影像的颗粒度。图 15-7给出了影像质量三个基本因素的几何意义。影像的对比度决定了在射线透照方向上可识别的细节尺寸，影像的不清晰度决定了在垂直于射 线透照方向上可识别的细节尺寸，影像的颗粒度决定了影像可显示的细节最小尺寸。对底片影像， 希望的是对比度高、不清晰度小、颗粒度低。2）射线照相对比度基本公式射线照相对比度基本公式给出的是，物体的一个小厚度差T对应的底片黑度差。利用射线衰减规律、胶片感光特性曲线的函数关系，可以得到射线照相对比度基本公式0.

12、434 G T1 n(158)从此式可以看到，某个细节（缺陷）影像的射线照相对比度相关的因素主要是，细节本身的性 质和尺寸、射线照相技术因素、被透照物体本身的性质和尺寸。为了得到较高的射线照相对比度主要应：选用质量优良的胶片（增大胶片梯度G）、选用可能的较低能量射线（增大线衰减系数科）、降低散射比等。3）射线照相不清晰度对通常的工业射线照相检验，不清晰度主要考虑几何不清晰度和胶片固有不清晰度，它们构成 的总的不清晰度记为 U。几何不清晰度是所成像的半影区，它产生于射线源必定有一定尺寸大小，计算式为dTF T式中:d 一射线源（焦点）尺寸;(159)F 一焦距，即射线源至胶片的距离；T 工件射线

13、源侧表面与胶片的距离，通常取为工件本身的厚度。胶片固有不清晰度产生于入射到胶片射线在乳剂层中激发出的电子的散射。因此胶片固有不 清晰度决定于射线的能量，随着射线能量增大胶片的固有不清晰度也增大。射线照相总的不清晰度与几何不清晰度和胶片固有不清晰度的关系如下222U 2 U g2U i2（ 15 10）15.3 射线照相检验基本技术15.3.1 射线照相检验技术的基本工艺过程完成射线照相检验的基本工艺过程是：准备、透照、暗室处理、评片、报告与文件归档。1 ）准备准备主要是按编制的射线照相检验工艺卡，清理透照现场、准备透照使用的设备与工装、准备胶片等。2）透照按照工艺卡规定的具体透照技术：透照方式

14、、透照方向、一次透照区和透照参数，完成工件的透照，也常称为曝光。3）暗室处理对已曝光的胶片在暗室进行显影、定影等处理，使胶片成为底片（射线照片） ，得到被透照工件的射线照相影像。4）评片在评片室观片灯上观察底片，识别、记录底片给出的信息，按照有关技术文件或验收标准对被检验的工件的质量级别进行评定。5）报告与文件归档依据评片结果签发检验结论报告，整理有关技术资料，完成文件归档工作。15.3.2 射线照相检验技术级别按照缺陷检验能力，射线照相检验技术一般分为二个级别：A级，B级。A级技术是一般灵敏度技术， B 级是高灵敏度技术，具有更高的缺陷检验能力。控制射线照相检验技术级别主要是对透照技术控制，

15、控制方面主要是：胶片选用、透照布置、透照参数、底片图像质量。15.3.3 透照技术透照技术包括胶片选用、确定透照布置、设计透照参数、设计辅助技术。1 ）胶片选用胶片是保证透照技术结果的基础， 透照技术的其他方面是在胶片提供的基础上进行控制、 调整，获得期望的透照质量。选用胶片的基本处理方法是按技术级别选用。 A 级技术至少应选用中颗粒胶片，可以选用更好胶片。B 级技术至少应选用细颗粒胶片，可以选用更好胶片。2）透照布置透照布置应确定透照方式、透照方向、一次透照区。透照方式是确定射线源、工件、胶片的相对位置。透照方向是指中心射线束方向。一次透照区是指一次可有效透照的范围。射线照相检验的基本透照布

16、置如图15 8 所示。图中， L 是一次透照区。考虑透照方式的基本原则是，应使透照厚度尽可能小，? 以便能更有效地检验缺陷。为了使整个一次透照区的透照厚度变化较小，中心射线束一般应指向一次透照区的中心。一次透照区现在主要是采用射线穿过一次透照区边缘区的厚度与穿过一次透照区最小厚度（一般是中心区厚度）之比控制。1-射线源2-中心束3-工件4-胶片5-像质计翱 30 柚种 M M 9D 1时图15-8 ?射线照相的基本透照布置图15-9典型X射线曝光曲线3）透照参数射线照相检验的基本透照参数是：射线能量、焦距、曝光量。射线能量是透照时所采用的射线的能量，对于X射线是X射线管所施加的管电压，一般称它

17、为 透照电压。射线能量直接影响射线照相对比度，推荐的选取射线能量原则是，在保证射线具有一定 穿透能力条件下选用较低的能量。焦距，即射线源与胶片之间的距离，一般记为F。焦距直接影响射线照相几何不清晰度。选取焦距时必须考虑二点：必须满足射线照相对几何不清晰度的规定（它限定了可采用的最小焦距值），必须能给出设计的一次透照区。实际使用的焦距一般都大于允许的最小焦距。曝光量是透照时的射线照射量，一般记为E。对X射线，采用曝光使用的管电流与曝光时间的积，对丫射线，采用曝光使用的源活度与曝光时间的积。简单地说，采用较低能量的射线、较大的焦距、较大的曝光量可以得到更好质量的射线照相影 像。4）辅助技术透照技术

18、的辅助技术主要是增感技术和散射线控制技术。在常规工业射线照相技术中，通过采 用铅箔增感屏，利用铅箔在射线照射时激发出的电子，增加感光作用，减少曝光时间。为减少射线 照相时的散射比，必须控制透照时到达胶片的散射线。主要的措施是，在胶片暗袋后面贴放适当厚 度铅板，吸收工件周围物体产生的散射线；在工件周围边缘放置适当厚度铅板，减少散射线对工件 边缘影像的干扰；采用适当厚度铅箔增感屏，吸收工件内产生的散射线。5）曝光曲线实际射线照相检验中，一般采用曝光曲线确定透照参数。曝光曲线给出了透照参数与透照厚度的关系。图159是一 X射线曝光曲线样式，它以透照电压为参数，画出曝光量与透照厚度关系。这个关系是对固

19、定的 X射线机、胶片、底片黑度和设定技术条件。应用时，常需结合点射线源射线强 度变化的平方反比定律。简单情况时，是依据透照厚度、必须的曝光量，从曝光曲线直接查出需要 的透照电压。例如，采用1m焦距，对透照厚度为 30mm的钢，如果工艺规程规定在焦距为1m时的曝光量为20mA.min,按图159曝光曲线确定的透照电压约为220kV。15.3.4 暗室处理技术暗室处理是射线照相检验中重要的基本技术，射线照片的质量不仅与透照过程有关，也与暗室 处理过程有着密切的关系。暗室处理的基本过程包括：显影、停显、定影、水洗和干燥五个基本过 程，经过这些过程，胶片上潜影成为可见的影像在底片上固定下来。显影过程使

20、用显影液完成。一般显影液中含有五种主要组分：即显影剂、保护剂、促进剂、抑 制剂及溶剂。显影过程的作用是，使已感光的感光乳剂中的银还原出来，使不可见的潜影变成由银 粒所组成的可见影像。显影过程本质上是一个氧化还原过程。为了保证显影质量，必须控制显影条 件和显影操作。必须使用适合胶片特性的显影液配方，严格控制显影温度、时间等，仔细完成显影 操作。定影过程使用定影液完成。定影液的主要组分有：定影剂、保护剂、坚膜剂、酸性剂和溶剂。 在定影过程中，定影剂与未感光的澳化银作用，形成能溶于水的银的络合物溶解到溶液中去，已被 还原出的银不与定影剂作用被保留下来，从而使影像固定在底片上。为了保证定影质量，必须控

21、制 定影温度、时间等，仔细完成定影操作。15.3.5 射线照相检验底片影像质量控制射线照相底片影像质量控制的指标主要是底片黑度和射线照相灵敏度。射线照相灵敏度用于综 合评定射线照片影像质量的三个基本因素。不同射线照相技术级别，规定了底片的黑度范围，规定 了透照厚度应达到的射线照相灵敏度值。测定射线照相灵敏度采用像质计。最广泛使用的像质计主要是三种：线型像质计、阶梯孔型像图15-10线型像质计样式15 10 所不图15-11钢铸造支架结构表15-1线型像质计的金属丝的编号与直径编号W1W2W3W4W5W6W7W8W9W10直径，mm3.22.52.01.601.251.000.800.630.5

22、00.40编号W11W12W13W14W15W16W17W18W19W20直径，mm0.320.250.200.160.1250.1000.0800.0630.0500.040线型像质计的基本设计是，7根金属丝按照直径大小的顺序、以规定的间距平行排列、封装在对射线吸收系数很低的透明材料中，并配备一定的标志符号、说明字母和数字。金属丝的直径采用公比为近似为1.25的等比数列。金属丝的编号与对应的直径见表151。金属丝的材料应与被透照工件材料相同或相近。使用时，以可识别的直径最细丝的编号表示像质值。例如，底片上可识别出的金属丝影像有编号为 10、11、12、13的金属丝，则该底片的像质值为W13应

23、达到的射线照相灵敏度用像质值规定。15.4 典型工件的射线照相检验技术1）铸造支架射线照相检验技术例.某钢铸造支架如图 1511所示，支架的立面厚度为16mm底面厚度为20mm高度为120mm 宽度为70mm要求采用射线照相检验铸造缺陷。给出其射线照相检验技术的主要处理。解:需要检验的是铸造缺陷。一般说，铸造缺陷基本是体积性缺陷，分布无特定方向。工件基本结构为二个平板区垂直组合成整体，从铸造工艺，应注意交汇区容易出现缩孔缺陷。射线照相检验技术主要处理：采用A级技术应可以满足缺陷检验要求。工件应进行2次透照，一次为支架立面部位，一次为支架底面部位。从工件厚度考虑，透照底面部位时，应使中心射线束向

24、交汇区做小角度倾斜。2）大直径环焊缝射线照相检验技术例.直径为120cn壁厚为16mm的二个碳钢制筒形工件，采用电弧熔化焊用对接接头连接成一体，对形成的环焊缝进行 X射线照相检验。简要分析可采用的透照方式。解:工件可认为是一大直径环焊缝射线照相检验技术问题。所要检验的是碳钢电弧熔化焊缺陷。由于碳钢具有良好的可焊性，对未熔合缺陷、裂纹缺陷可不作特殊考虑。仅需注意未焊透缺陷 是具有特定位置和延伸方向的缺陷。一般地，对大直径环焊缝，可采用的透照方式为四种，特点比 较如表152。表152不同透照方式主要特点比较主要比较项目周向透照源在内单壁源在外单壁源在外双壁一次区透照厚度小，不变化小，变化小，变化大

25、，变化射线与焊缝方向垂直入射垂直入射垂直入射倾斜小角入射需要的透照次数可1次约3次约12次约6次（焦距）(600 mm)(900 mm)(900 mm)(900 mm)本问题，实现周向透照方式不存在困难。故应首先选用周向透照方式。3）小直径管对接焊缝射线照相检验技术例.对某直径为96mm壁厚为6mm管对接接头，特别要求注意检验根部未焊透缺陷，给出射线照相检验透照技术。解:射线照相检验技术标准中定义管外径不大于100 mm的管为小直径管。对小直径管对接焊缝，可采用二种透照方式，其透照技术的主要规定见表153。表15-3小直径管透照技术主要规定透照方式椭圆成像透照垂直透照透照方式条件壁厚0 8mm

26、焊缝宽直直径/4不满足椭圆条件，有利缺陷检验透照次数T/De 横波声速 表面波声速2）声压（P）声波在介质中所传播的区域称为声场，声压是描述声场的主要物理量之一。声波传播时，介质质点将发生振动。或者说，介质质点（小体积元）在声波产生的附加压强作用下发生运动。声压定义为，在声波传播的介质中，某一点在某一时刻所具有的压强与没有声波存 在时该点的静压强之差。也就是，声压是声场中介质质点在某一瞬间所承受的附加压强。声波传播时，介质中不同点的声压不同，每一点的声压将随时间而变化。也就是，声场的声压是空间位置和时间的函数。可以证明，对于无衰减的平面波声压P与介质质点振动速度 u、介质密度仍声速C的关系为P

27、=pCu（161）2）声强（I）声强是描述声场的另一主要物理量。当声波传播到介质的某点时，该点的介质质点将发生振动，具有动能。同时，质点振动使介质变形，产生位能。也即，在声波传播过程，能量将在介质中传播。定义在垂直于声波传播方向上的单位面积、单位时间通过的声能称为声强度，简称为声强。记为I,对简谐波可以证明I= P2/2pC（162）可见，声强与声压的平方成正比。3）声特性阻抗（Z）从给出的声压关系式可以看到，对于某种介质，当声压一定时，介质密度与声速的积越大，介 质质点振动速度u越小。与电学中的电阻类比，定义介质的声压与介质质点振动速度之比为介质的 声特性阻抗，记为Z ,则其为Z= P/u

28、= pC（163）介质的声特性阻抗直接表示了介质的声学性质，反映了介质对质点振动的阻碍特性。部分介质的声 特性阻抗见表161。表16-1部分介质的纵波声特性阻抗介质空气水有机玻璃铝铁纵波声特性阻抗，104g/cm2s0.0039814.8321694504）声强与声压的分贝值声强的变化范围很大，比较二个声强时采用声强之比的常用对数比较方便，这样得到的值用贝尔（B）表示。实用中常用贝尔值的1/10作为单位，称为分贝，记为dB,这样两个声强的比的分贝值为（声强比）分贝数=101g （I1/I2）由于，声压与声强间的平方关系，所以两个声压比的分贝值（dB）应为（声压比）分贝数=20 1g （P1/P

29、2）当超声检测仪的垂直线性良好时，仪器显示屏上的信号幅度与声压成正比。这样，从屏上的信号幅度分贝差（dB值差）可确定对应的声压比。16.2.2 圆盘声源的纵波声场特点圆盘声源是指一种圆形平面状的声源，它沿平面法线方向振动，面上各点振动的幅值和相位相同，产生活塞波（活塞波是一种介于球面波和平面波之间的波）。圆盘声源的声场具有下面介绍的特点。1）声束轴线上的声压理论上，声场中任一点的声压，等于声源上各点辐射的声压在该点的迭加。按此，可计算声束 轴线上的声压。如果声源辐射的波为连续简谐波，且不考虑衰减，则圆盘声源在声束轴线上的声压 分布表示式为, D22P 2P0sin - , S2 S（164）4

30、式中：P0声源起始声压；D 声源直径（压电晶片直径）；S 一点与声源的距离。图16-2是圆盘声源轴线上的声压与距离的关系（虚线是理想球面波声压分布）图16-3圆盘声源的指向性图16-2 圆盘声源声束轴线上的声压与距离的关系2）超声场的近场区从圆盘声源声场声束轴线上的声压分布可以看到,声束轴线上的声压存在极大值和极小值的反N,在N区以后声压单调降低。(165)复波动。最后一个声压极大值与声源的距离称为近场区长度，记为 可求得近场区长度的计算式为222D2D2N 一44在超声检测技术中，一般称 S 3N区为远场区。3）超声场的指向性如果将从圆盘声源声场任一平面的声压分布画出，则可得到图16-4的声

31、压分布。？从图中可以看到，它存在主声束和副瓣声束。超声能量主要集中在主声束中，这种声束集中向一个方向辐射的性质叫做声场的指向性。声场的指向性用指向角来表征。在远场区有一个声压正好为零的方向，这个方向与中心轴线之间的夹角称为指向角。指向角一般用符号60表示，它等于定向发射超声波的锥角之半，故也称为半扩散角。对于圆形晶片声源，指向角计算公式为(166)1.22sin 0D它给出，声源的直径越大、超声波波长越小超声场的指向性越好。4）未扩散区长度由声源发射的超声波，并不是从声源就开始扩散传播。实际上，最初是近似准直（不扩散）传播，在传播一段距离后，才以二倍指向角的立锥角向外扩散传播。图164显示了这

32、种情况。声源附近超声波近似准直传播的区域称为未扩散区，未扩散区的长度b近似为b 1.64N在未扩散区内，超声波不存在扩散衰减，各截面平均声压基本相同。图164圆盘声源未扩散区示意图图165圆盘声源实际声场和理想声场比较5）圆盘声源的实际声场图165中给出了圆盘声源的实际声压。从图中可以看到，在远场区，声压分布与理想情况基 本一致，在近场区二者明显不同。实际声场的近场区声压分布比较均匀，幅度变化小，极值点的数 量也明显减少。近场区二者产生这种差别的主要原因是，实际声场由脉冲电压激励，不是连续激励； 声源各点的激励强度并不相同。因此，产生的持续时间很短的脉冲波的干涉明显减弱，甚至不产生 干涉。16

33、.2.3 超声波的传播规律1）超声波在均匀介质中传播的衰减在单一、均匀的介质中，声波在介质中将沿直线传播，随着距离的增大声波能量将减弱。产生 这种衰减的原因是：声束的扩散、散射、吸收。声束扩散衰减是指，对于非平面波，随着传播距离的增大，声束不断扩大，通过单位面积的声 能将减少，扩散衰减与传播介质的性质无关。散射衰减是由于实际材料不可能绝对均匀，如晶粒取 向不同、存在杂质等，将使声波沿复杂路径传播，导致衰减。介质吸收衰减是在声波传播中，由于 介质的粘滞性造成质点内摩擦和介质的热传导等，使一部分声能转换为热而损失。即，介质吸收了 部分声波能量。当只考虑散射和吸收衰减时，声压衰减规律服从指数衰减规律

34、Ps P0e S（167）式中：P0声源的起始声压；Ps一介质中与声源距离为 S处的声压；a 一介质的衰减系数。介质的衰减系数由散射衰减系数和吸收衰减系数决定。简单说，散射衰减系数与介质的晶粒大 小相关、随声波频率增大增加；吸收衰减系数随声波频率增大增加。因此可简单地认为，对某介质， 衰减系数随声波频率增大增加，或说声波波长越短衰减越大。2）垂直入射到界面的反射与透射当声波垂直入射到声特性阻抗不同介质的界面时，入射波的一部分能量被界面反射回来，称为反射；入射波的一部分能量通过界面进入第二介质，称为透射。如果记，二介质的声特性阻抗分别 为Zi和Z2, P0, Pr, Pf分别为入射声压、反射声压

35、、透射声压，则有关系(168)PrZ2乙 r己Z2乙PtP2Z2Z2 Zi(169)r称为声压反射系数，t称为声压透射系数。可见，在界面处的反射、透射与二介质的声特性阻抗密 切相关。需要注意的是，当计算的反射系数为负值时，表示反射波位相与入射波位相相反。（a）钢-水界面（b）水-钢界面图16 6 声波在钢-水，水-钢界面的反射与透射图16-6是钢-水和水-钢界面的反射与透射图。使用具体数据，可计算出对从钢向水入射时：r 0.937; t 0.063对从水向钢入射时：r 0.937; t 1.9372）倾斜入射到界面的反射、折射与波型转换声波倾斜入射到不同介质的界面时，将发生反射、折射和波型转换

36、。波型转换是指从纵波可转换出横波及从横波可转换出纵波等现象。图16-7以纵波入射为例，概括了这时发生的反射、折射和波型转换的情况。图 168画出了倾斜入射时反射的具体情况。图16-7倾斜入射的反射折射和波型转换图16-8倾斜入射的反射反射波的方向服从反射定律，折射波的方向服从折射定律。反射定律和折射定律给出了入射波、反射波、折射波的方向（角度）之间的关系，反射定律、折射定律的关系式如下反射定律:折射定律:sin石sinC1sin C sinC2(1610)(1611)式中，a为入射角,a ,为反射角，3为折射角；C1为入射波在第1介质中的声速；C1,为反射波在第1介质中的声速；C2为折射波在第

37、2介质中的声速。关于波型转换，应该注意的是，由于在液体、气体中不能传播横波，因此，当介质为液体或气体时，不能转换出横波。16.2.4 远场区规则反射体的反射声压超声传播过程中，遇到障碍物（缺陷）时，将发生反射、折射，衍射等现象。障碍物（缺陷）产生的反射声压与声波参数、声源、障碍物（缺陷）参数相关，对于处在声源远场区的规则反射体、 在超声垂直入射情况，可给出简单的关系式。对前面给出的圆盘声源在声束轴线上声压的一般表示式，见式（164）（不考虑衰减），在远场区（S 3N ）,进行近似处理，得到D2,、P Po（1612）4 S它近似为球面波，声压与距离成反比，用它讨论远场区规则反射体的反射声压。对

38、大平底（大平板工件底面）和平底孔的反射声压，如下处理。认为与声源一定距离处的大平底对入射声压产生镜面反射（见图169）,认为与声源一定距离处的圆形平底孔为次级声源（见图1610）,则容易给出它们产生的反射声压。表162给出了反射声压具体关系式，可见，大平底的回波声压主要与声源尺寸、波长、距离相关。平底孔的回波声压主要与声源尺寸、波长、平底孔尺 寸、距离相关。类似地，还可给出球孔、圆柱孔等的反射声压公式。图16-9大平底反射声压表16-2大平底和平底孔的反射声压规则反射体与声源距离入射声压表示式反射声压表示式大平底（大平板工件底面）SBD2PPo-r4 SbDP D D2PBP028 Sb圆形平

39、底孔，直径SP PWP P0-4 SD22PPo4 S 4 S利用这些反射声压表示式，可以确定不同反射体的回波声压分贝差，也即在超声探伤仪上的回波幅度（高度H）分贝差。表163列出了部分比较对象情况。这些关系，可用来调整探伤灵敏度,制作AVG曲线。需注意的是，上面的公式讨论的都是尺寸较大情况的结果。表16-3部分比较对象的回波声压分贝差计算式比较对象回波声压分贝差计算式说明同声程平底孔与大平底P2201g 201g PB2 S可从超声检测仪器屏幕 上对应波形幅度（高度）的 分贝差确定。波形幅度（高度）的分贝 差，可用超声检测仪器的衰 减器确定。同声程不同直径平底孔P，20lg1 40lg1P

40、22不同声程不同直径平底孔201g40lgP 2&216.3 超声检测基本技术16.3.1 超声检测技术的基本工艺过程超声检测通过选择适当的入射方式、向工件施加超声波、用适当方式获取反射波或透射波（或衍射波）等完成检测，检测的基本工艺可概括为下面六个步骤。1 ）确定检测方法与检测条件应根据被检工件特点（材质、制造工艺、结构、尺寸、可能产生缺陷的部位及方向）和技术条件要求，从保证缺陷可有效检验确定应采用检验方法。对于某种检测方法，检测条件主要是确定检测面、选取探头和耦合剂。按照检验方法，从声束可覆盖全部可能出现缺陷考虑，确定必须的检测面。应注意的一个问题是，对应每个检测面存在的盲区。依据工件的材

41、质、结构与尺寸、 验收条件要求等， 选取探头的频率和其他参数（如尺寸、 角度、聚焦探头的焦距等） 。简单说，频率高时有利于检验更小缺陷。为了排除探头与工件检测面间的空气层，使超声波有效进入工件，必须采用耦合剂。对耦合剂的主要要求是，其声特性阻抗应与被件工件材料匹配，具有良好的润湿性等。2）表面准备依据检验方法特点与要求，进行工件表面准备。例如，去除松动的氧化皮、毛刺、油污、切削或磨削颗粒，作出适当标记等。3 ）时基线调节 （定位调整）时基线调节或说定位调整，一般按被检工件的厚度调整超声波探伤仪的测定范围，并进行零点调节和缺陷位置测量调整。调整应使时基线显示的范围包含所需检测的最大深度范围，使时

42、基线刻度与在材料中声波传播的距离成一定比例。零点调节是使探头入射点（即声束开始进入工件的点）成为计算声程的起始点，调整好后，可根据波形出现的位置测定缺陷在工件中的位置。定位调整可以在工件上或用试块进行。用试块调整时试块的材质要与工件相同或相近。调整本质上是扫描速度调节。4）灵敏度调整灵敏度调整可简称为定量调整。调整是调节超声波探伤仪的发射强度、增益、衰减等，使得在设定声程范围规则反射体给出确定的声压信号。 调整好后， 可根据波形的幅度测定缺陷的当量大小。灵敏度调整常用 AVG 曲线法、当量计算法、试块对比法。 AVG 曲线法、当量计算法适用于远场区。 试块比较法按同声程标准反射体确定缺陷当量，

43、 因此需一套有不同尺寸、 不同深度标准反射体的试块，试块的材质也应与被检验工件相同或相近。5）扫查超声探伤的检验操作过程称为扫查，它是按设定的扫查方式（扫查路径、扫查速度、扫查间距、扫查摆动）移动探头，测定存在的缺陷，给出缺陷的位置、当量、尺寸等的过程。在设计扫查方式时，应使探头声束有效覆盖需要检验区域。扫查时一般都适当提高设定的灵敏度（基准灵敏度） 。6）记录与报告记录检验到缺陷的类型、当量、尺寸、分布等，按验收条件对质量级别作出评定，签发报告。16.3.2 超声检测技术的常用方法超声检测基本技术是超声反射检测技术、超声透射检测技术、超声衍射检测技术等。在工业应用中，形成了多种不同的具体技术

44、，常用的主要方法是纵波直探头接触法、横波斜探头接触法、液 浸法、穿透法等。1）纵波直探头接触法纵波直探头接触法技术是采用直探头从工件检测面入射纵波的检测技术。该技术，依据缺陷波 的位置确定缺陷深度，依据缺陷波的幅度判定缺陷当量，按规定方法测定缺陷延伸长度。特殊的是, 应考虑底波损失和出现的杂波情况。图 1611给出的是纵波直探头接触法技术的基本方法。图16-11纵波直探头接触法图16-12横波斜探头接触法定位调整按被检工件的厚度调整时基线，使波形位置按比例直接对应工件的厚度。调整时，考虑工件厚度，一般使屏幕时基线显示出一次底波或二次底波。灵敏度一般采用一定尺寸的平底孔控制，调整时一般将规定尺寸

45、的平底孔在确定的声程处的反射波幅度（高度）调整到满幅度的50-80%。缺陷长度测定按执行标准规定进行，对较大缺陷常用6dB法。应用时应注意的一个问题是阻塞和盲区。它们使得靠近发射脉冲出现的缺陷回波，常常不能发现（探伤的盲区）。实际中是，靠近扫查入射面的一个小厚度范围，不能有效完成缺陷检验。2）横波斜探头接触法横波斜探头接触法超声探伤技术，是采用斜探头发射的纵波，经探头楔块入射到检测面，在工件中折射形成横波的检测技术。图16 12是横波斜探头接触法技术的基本方法。这种技术也是根据 缺陷波出现的位置确定缺陷在工件中的位置，根据缺陷回波幅度确定缺陷当量。运用这种技术时，必须测定横波探头入射点、前沿和

46、折射角。探头声束轴线与探测面的交点为 入射点，探头入射点与探头楔块前端表面的距离为前沿。探头声束轴线与探测面法线的夹角为探头（在该检验材料中）的折射角。这些数据可用 IIW 试块测定，图1613是IIW试块基本样式。我 国将探头在钢中（必须注意仅是对钢）折射角的正切值称为“K值”。图16-13 IIW 试块基本样式图16-14横波探伤技术的水平定位参数定位调整可采用水平定位、垂直定位或声程定位，经常采用的是水平定位调整。水平定位调整是使缺陷波形位置按比例与与缺陷与探头入射点的距离（l ）对应。因此，可直接确定缺陷的水平距16 14显不了具体关系。离。从水平距离、折射角等，可确定缺陷的深度。图灵

47、敏度调整常采用横孔（圆柱形孔）作为标准反射体。3）水浸法水浸法将被检验工件放置在水中，超声探头发射的超声波经一定深度的水层后进入工件，实现 超声检测。图1615是水浸法的基本方法。水浸法的超声探头与工件不接触，可减少表面粗糙度影 响，发射与接收比较稳定，容易从不同方向实现检测。但超声在水与工件界面的往返透射将产生较 大损失。在水浸法中，需选择适当的水层厚度。水层厚度应大于声源的近场区长度，并应考虑工件的底 面回波、界面回波的声程，使探伤波形容易识别。4）穿透法穿透法采用二个超声探头，发射探头向工件发射超声，接收探头接收从工件透射超声，完成检 测。工件中存在的缺陷，将对超声反射、折射、吸收、散射

48、，使透射超声束发生改变。从透射超声 信号的变化实现缺陷检验。图 1616是穿透法的示意图。16.3.3 AVG 曲线1） AVG曲线概述在调整灵敏度和测定缺陷当量时，常使用AVG曲线（也称为DGS曲线）。AVG曲线是描述规则反射体的声源距离（A）、回波高度（V）、反射体尺寸（G）三者之间关系的曲线。常简单称它为距离波幅关 系曲线。制作曲线的基础是规则反射体反射声压公式。图16-17纵波实用AVG曲线样式图16-18 AVG曲线确定缺陷当量方法AVG曲线分为通用AVG曲线和实用AVG曲线。实用AVG曲线是对使用的某一探头和检验工件材料制作的曲线。它的横坐标为声程（mm）,纵坐标为反射波相对波高，

49、曲线参数为工件大平底和不同平底孔的直径（mm）。因此，它只适用于特定的声源晶片尺寸、检测频率和被检材料。图1617是一个具体的纵波实用 AVG曲线。2）使用实用AVG曲线调整灵敏度方法使用实用AVG曲线调整灵敏度的具体步骤如下。确定基准灵敏度平底孔直径，从工件厚度确定调整灵敏度的声程。在AVG曲线中，在确定的声程处，确定基准平底孔与大平底的回波幅度差（ dB）。探头置于工件上，预置适当衰减量（ dB值），调节增益，使大平底的回波幅度达到设定的高 度（如满屏的 50% 60% 80%）。 从衰减量中去掉基准平底孔与大平底回波幅度差（dB）,即完成灵敏度调整。3）使用实用AVG曲线确定缺陷当量方法

50、图1618给出了一例。图中，工件厚度为 750mm调整灵敏度基准平底孔直径为 2mm大平底 回波与基准平底孔回波幅度差为 48dB。调整灵敏度时设定的大平底回波幅度高度为50dBo检测时，在500mm处出现缺陷回波 F。使用实用AVG曲线确定缺陷当量的过程如下。确定缺陷回波 F与设定的大平底回波幅度高度的波高差（18dB）;确定500mm处与750mm处基准平底孔（直径为 2mm的回波巾I度差（12dB）;确定500mm处缺陷回波F与基准平底孔（直径为 2mm的回波巾I度差H （6dB）；从500mm处基准平底孔（直径为 2mm点，向上移动H （6dB）。对应点的平底孔直径，即为缺陷的当量尺寸

51、。本图情况，近似为直径4mm平底孔。也可从缺陷回波 F与大平底回波幅度关系确定缺陷的当量尺寸。16.4 典型工件的超声检测技术1）粘接质量超声检测技术例.固体火箭发动机的基本结构为钢壳体、绝热层、包覆层、推进剂。钢壳体与绝热层的界面称 为第一界面。给出简要的第一界面粘接质量超声检测技术基本方案和缺陷判断技术说明。解:本问题中，粘接质量可能出现的缺陷主要是脱粘（无粘结剂）和虚粘（粘结剂仅与一侧 结合）；钢壳体的厚度较小（一板不超过5mm ；检测只能在钢壳体侧面进行。按问题的上述特点，采用多次反射法检测。即，采用直探头、直接接触扫查，从得到的第一界 面多次反射波形情况判断粘接质量。粘接好的区域，超

52、声可通过粘结剂入射到绝热层，超声能量将在绝热层中损失很多（还可进一步向内部传播）。在第一界面区形成的多次反射波数量少；在脱粘或虚粘区，在第一界面区大部分超声能量反射回来，形成的多次反射波数量多。这样，从第一界面的多次反射波形可判断粘接质量。图16 19 探头K值的选择2）平板对接接头超声检测技术图16 20 圆形截面出现的特殊波形例.厚度为8的钢平板对接接头，焊缝上表面宽度为2a,下表面宽度为2b。采用横波直接接触设计探头K值的主要依据是使一次波和二法单面双侧检验，探头前沿为10,设计探头K值。解:对平板对接接头采用横波直接接触法检验时, 次波能覆盖接头全部截面区。如图1619所示，由于探头的

53、扫查受余高的限制，采用单面双侧对焊接接头实施检测时, 一次波只能扫查到Hi以下的部分，二次波只能扫查到H2以上的部分。其中Hia lo ,H2为保证能扫查整个焊缝截面,必须满足H1+H2 ,从而得到a b Lo3）棒材制件超声检测技术例.某特殊螺栓采用直径15mm勺棒材制做，当采用纵波直探头直接接触法检测时，给出从波形判断缺陷时应注意的特殊问题。解:采用纵波直探头直接接触法检测时，显然只能是在棒材径向表面进行。考虑到盲区的影 响，对小直径棒材将使用直到二次底波区检测。这时，由于探头直接与棒材径向表面接触区变为一 很小的条状矩形区，直接影响是增大了声场的半扩散角，由此产生了必须注意的波型变换和特

54、殊传 播路径情况。如图1620所示（图中D为棒材直径），对于圆形截面，在一次底波与二次底波间将出现：由30扩散角传播路径形成的 L波；由材料决定的某特定角传播路径、经波型变换形成S波，它们必定出现在特定位置。在二次底波与三次底波间将出现更复杂的这类波形。这些波不是缺陷波，当棒材内部在它们传播路径上存在缺陷时（可不改变二次底波），将改变这些波的幅度或位置，因此它们可作为判断是否存在内部缺陷的波形。复习题1 .简述超声检测技术的基本物理原理。2 .简述超声检测技术的适用性、局限性和主要应用。3 .简述声波的基本类型和特点。4 .简述声压概念、声强概念。5 .说明声阻抗概念和影响声阻抗的基本因素。6

55、 .说明分贝概念及超声检测波形幅度与对应声压的分贝值关系。7 .简要说明圆盘声源声场的主要特点。8 .说明圆盘声源轴线声压分布的基本特点。9 .写出圆盘声源近场区长度计算公式，说明使用它计算时的注意事项。10 .说明在单一、均匀介质中超声衰减的主要影响因素。11 .说明在介质界面超声传播的反射、折射基本规律和波型变换基本规律。12 .简要说明超声检测技术工艺的基本过程。13 .简要说明确定超声检测技术的检测方法时应考虑的基本方面。14 .简要说明超声检测技术中探头频率对检测的主要影响。15 .简要说明使用横波斜探头时必须测定的探头主要数据。16 .简要说明纵波直探头接触法超声检测技术的主要方面。17 .简要说明横波斜探头接触法超声检测技术的主要方面。18 .简述AVG曲线概念和它的主要用途。19 简述影响超声检测技术缺陷检验能力的因素20 . 简述处理超声检测技术具体问题时的思路第17章磁粉检测技术17.1 磁粉检测技术概述（II级人员仅要求