超声波探伤原理

超声波探伤比X射线探伤具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等优点；缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性；超声波探 伤适合于厚度较大的零件检验

（1）超声波在介质中传播时，在不同质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过缺陷而不能反射；

（2）波声的方向性好，频率越高，方向性越好，以很窄的波束向介质中辐射，易于确定缺陷的位置.

（3）超声波的传播能量大，如频率为1MHZ（1兆赫兹）的超声波所传播的能量，相当于振幅相同而频率为1000HZ（赫兹）的声波的100万倍.

据美国国家宇航局调研分析，认为无损检测方法可分为六大类约70余种。但在实际应用中比较常见的有以下几种：

常规无损检测方法有：

－超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT）

－射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）；

－磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT）；

－渗透检验 Penetrant Testing （缩写 PT）；

－涡流检测Eddy current Testing（缩写 ET）；

非常规无损检测技术有：

－声发射Acoustic Emission（缩写 AE）；

－泄漏检测Leak Testing（缩写LT）；

－光全息照相Optical Holography；

－红外热成象Infrared Thermography；

－微波检测 Microwave Testing

超声波探伤原理探伤仪种类

探伤仪种类繁多，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。

超声波探伤原理A扫描方式

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。

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。 具体技术指标见（表1）。

超声波探伤原理B扫描方式

在扫描图像以二维图像显示，如某探伤仪的参数如下：

超探仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（焊缝、裂纹、夹杂、折叠、气孔、砂眼等）的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。本仪器能够广泛地应用在制造业、钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域，也广泛应用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。它是无损检测行业的必备。

超声波探伤作用

无损检测的常规方法有直接用肉眼检查的宏观检验和用射线照相探伤、超声探伤仪、磁粉探伤仪、渗透探伤、涡流探伤等仪器检测。肉眼宏观检测可以不使用任何仪器和设备，但肉眼不能穿透工件来检查工件内部缺陷，而射线照相等方法则可以通过各种各样的仪器或设备来进行检测，既可以检查肉眼不能检查的工件内部缺陷，也可以大大提高检测的准确性和可靠性。至于用什么方法来进行无损检测，这需根据工件的情况和检测的目的来确定。

那么什么又叫超声波呢？声波频率超过人耳听觉，频率比20千赫兹高的声波叫超声波。用于探伤的超声波，频率为0.4-25兆赫兹，其中用得最多的是1-5兆赫兹。利用声音来检测物体的好坏，这种方法早已被人们所采用。例如，用手拍拍西瓜听听是否熟了；医生敲敲病人的胸部，检验内脏是否正常；用手敲敲瓷碗，看看瓷碗是否坏了等等。但这些依靠人的听觉来判断声响的检测法，比声响法要客观和准确，而且也比较容易作出定量的表示。由于超声波探伤具有探测距离大，探伤装置体积小，重量轻，便于携带到现场探伤，检测速度快，而且探伤中只消耗耦合剂和磨损探头，总的检测费用较低等特点，建筑业市场主要采用此种方法进行检测。

下面介绍一下超声波探伤在实际工作中的应用。

接到探伤任务后，首先要了解图纸对焊接质量的技术要求。钢结构的验收标准是依据GB50205-95《钢结构工程施工及验收规范》来执行的。标准规定：对于图纸要求焊缝焊接质量等级为一级时评定等级为Ⅱ级时规范规定要求做100%超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为二级时评定等级为Ⅲ级时规范规定要求做20%超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为三级时不做超声波内部缺陷检查。

在此值得注意的是超声波探伤用于全熔透焊缝，其探伤比例按每条焊缝长度的百分数计算，并且不小于200mm。对于局部探伤的焊缝如果发现有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加探伤长度，增加长度不应小于该焊缝长度的10%且不应小于200mm，当仍有不允许的缺陷时，应对该焊缝进行100%的探伤检查，其次应该清楚探伤时机，碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度后、低合金结构钢在焊接完成24小时以后方可进行焊缝探伤检验。另外还应该知道待测工件母材厚度、接头型式及坡口型式。至今为止我在实际工作中接触到的要求探伤的绝大多数焊缝都是中板对接焊缝的接头型式，所以我下面主要就对焊缝探伤的操作做针对性的总结。一般地母材厚度在8-16mm之间，坡口型式有I型、单V型、X型等几种形式。在弄清楚以上这此东西后才可以进行探伤前的准备工作。

在每次探伤操作前都必须利用标准试块（CSK-IA、CSK-ⅢA）校准仪器的综合性能，校准面板曲线，以保证探伤结果的准确性。

1、探测面的修整：应清除焊接工作表面飞溅物、氧化皮、凹坑及锈蚀等，光洁度一般低于▽4。焊缝两侧探伤面的修整宽度一般为大于等于2KT 50mm，（K:探头K值，T：工件厚度）。一般的根据焊件母材选择K值为2.5探头。例如：待测工件母材厚度为10mm,那么就应在焊缝两侧各修磨100mm。

2、耦合剂的选择应考虑到粘度、流动性、附着力、对工件表面无腐蚀、易清洗，而且经济，综合以上因素选择浆糊作为耦合剂。

3、由于母材厚度较薄因此探测方向采用单面双侧进行。

4、由于板厚小于20mm所以采用水平定位法来调节仪器的扫描速度。

5、在探伤操作过程中采用粗探伤和精探伤。为了大概了解缺陷的有无和分布状态、定量、定位就是精探伤。使用锯齿形扫查、左右扫查、前后扫查、转角扫查、环绕扫查等几种扫查方式以便于发现各种不同的缺陷并且判断缺陷性质。

6、对探测结果进行记录，如发现内部缺陷对其进行评定分析。焊接对头内部缺陷分级应符合现行国家标准GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》的规定，来评判该焊否合格。如果发现有超标缺陷，向车间下达整改通知书，令其整改后进行复验直至合格。

一般的焊缝中常见的缺陷有：气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹，至今还没有一个成熟的方法对缺陷的性质进行准确的评判，只是根据荧光屏上得到的缺陷波的形状和反射波高度的变化结合缺陷的位置和焊接工艺对缺陷进行综合估判。

对于内部缺陷的性质的估判以及缺陷的产生的原因和防止措施大体总结了以下几点：

1、气孔：

单个气孔回波高度低，波形为单峰，较稳定。从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头就消失，密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。

产生这类缺陷的原因主要是焊材未按规定温度烘干，焊条药皮变质脱落、焊芯锈蚀，焊丝清理不干净，手工焊时电流过大，电弧过长；埋弧焊时电压过高或网络电压波动太大；气体保护焊时保护气体纯度低等。如果焊缝中存在着气孔，既破坏了焊缝金属的致密性，又使得焊缝有效截面积减少，降低了机械性能，特别是存链状气孔时，对弯曲和冲击韧性会有比较明显降低。防止

这类缺陷防止的措施有：不使用药皮开裂、剥落、变质及焊芯锈蚀的焊条，生锈的焊丝必须除锈后才能使用。所用焊接材料应按规定温度烘干，坡口及其两侧清理干净，并要选用合适的焊接电流、电弧电压和焊接速度等。

2、夹渣：

点状夹渣回波信号与点状气孔相似，条状夹渣回波信号多呈锯齿状波幅不高，波形多呈树枝状，主峰边上有小峰，探头平移波幅有变动，从各个方向探测时反射波幅不相同。

这类缺陷产生的原因有：焊接电流过小，速度过快，熔渣来不及浮起，被焊边缘和各层焊缝清理不干净，其本金属和焊接材料化学成分不当，含硫、磷较多等。

防止措施有：正确选用焊接电流，焊接件的坡口角度不要太小，焊前必须把坡口清理干净，多层焊时必须层层清除焊渣；并合理选择运条角度焊接速度等。

3、未焊透：

反射率高，波幅也较高，探头平移时，波形较稳定，在焊缝两侧探伤时均能得到大致相同的反射波幅。这类缺陷不仅降低了焊接接头的机械性能，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载后往往会引起裂纹，是一种危险性缺陷。

超声波探伤在无损检测焊接质量中的作用

其产生原因一般是：坡口纯边间隙太小，焊接电流太小或运条速度过快，坡口角度小，运条角度不对以及电弧偏吹等。

防止措施有：合理选用坡口型式、装配间隙和采用正确的焊接工艺等。

4、未熔合：

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。

其产生的原因：坡口不干净，焊速太快，电流过小或过大，焊条角度不对，电弧偏吹等。

防止措施：正确选用坡口和电流，坡口清理干净，正确操作防止焊偏等。

5、裂纹：

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，探头转时，波峰有上下错动现象。裂纹是一种危险性最大的缺陷，它除降低焊接接头的强度外，还因裂纹的末端呈尖销的缺口，焊件承载后，引起应力集中，成为结构断裂的起源。裂纹分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹三种。

热裂纹产生的原因是：焊接时熔池的冷却速度很快，造成偏析；焊缝受热不均匀产生拉应力。

防止措施：限制母材和焊接材料中易偏析元素和有害杂质的含量，主要限制硫含量，提高锰含量；提高焊条或焊剂的碱度，以降低杂质含量，改善偏析程度；改进焊接结构形式，采用合理的焊接顺序，提高焊缝收缩时的自由度。

冷裂纹产生的原因：被焊材料淬透性较大在冷却过程中受到人的焊接拉力作用时易裂开；焊接时冷却速度很快氢来不及逸出而残留在焊缝中，氢原子结合成氢分子，以气体状态进到金属的细微孔隙中，并造成很大的压力，使局部金属产生很大的压力而形成冷裂纹；焊接应力拉应力并与氢的析集中和淬火脆化同时发生时易形成冷裂纹。

防止措施：焊前预热，焊后缓慢冷却，使热影响区的奥氏体分解能在足够的温度区间内进行，避免淬硬组织的产生，同时有减少焊接应力的作用；焊接后及时进行低温退火，去氢处理，消除焊接时产生的应力，并使氢及时扩散到外界去；选用低氢型焊条和碱性焊剂或奥氏体不锈钢焊条焊丝等，焊材按规定烘干，并严格清理坡口；加强焊接时的保护和被焊处表面的清理，避免氢的侵入；选用合理的焊接规范，采用合理的装焊顺序，以改善焊件的应力状态。

1．核心课程

高等数学、城市轨道交通工程测量、地铁建筑结构、地铁轨道线路、土力学及地基基础、城市轨道交通施工作业技术、轨道无缝线路、地铁道岔轨道线路检修、超声波探伤原理与仪器使用等。

2．实习实训

在校内进行工程测量、地铁施工技术、工程材料试验检测、线路维修等实训。在城市轨道交通建设企业、城市轨道交通运营公司进行实习。

项目一 钢轨探伤的必要性及其发展历程

子项目一 回顾钢轨折断引发的铁路安全事故

子项目二 钢轨探伤发展历程

项目二 手工检查技术检测钢轨

子项目一 手工检查技术检测普通钢轨

子项目二 手工检查技术检测道岔钢轨

项目三 常规技术检测工件

子项目一 磁粉探伤技术检测工件

子项目二 渗透探伤技术检测工件

子项目三 超声波探伤技术检测工件

项目四 超声波探伤原理及其验证

子项目一 超声波的定义和产生及探头延时、前沿和K值的标定

子项目二 超声波分类及不同种类波型探伤

子项目三 超声波基础参数及横波和纵波声速测定

子项目四 超声波特征参数及6 dB法进行核伤定量

子项目五 超声场结构及主声轴偏斜角测试

子项目六 超声波传播特性及散射和绕射测试

子项目七 超声波垂直入射异质界面及探头保护靴施加耦合剂方法

子项目八 超声波斜入射至异质界面及临界角内不同波形识别

子项目九 超声波声压公式及焊缝DAC曲线制作

子项目十 常见异常波形分析及演示

项目五 通用探伤仪检测焊缝

子项目一 铝热焊焊接工艺学习及伤损识别

子项目二 闪光焊焊接工艺学习及伤损识别

子项目三 气压焊焊接工艺学习及伤损识别

子项目四 认识通用探伤仪器

子项目五 利用单／双探头检测轨头焊缝

子项目六 利用单／双探头检测轨腰焊缝

子项目七 利用单／双探头检测轨底焊缝

项目六 阵列式探伤仪检测焊缝

子项目一 认识阵列式探伤仪器

子项目二 阵列式扫查轨腰焊缝

子项目三 阵列式扫查轨头和轨底焊缝

项目七 相控阵设备检测焊缝

子项目一 超声相控阵技术

子项目二 认识超声相控阵仪器

子项目三 超声相控阵仪器参数设置与标定

子项目四 相控阵仪器检测焊缝作业

项目八 涡流设备检测焊缝

子项目一 涡流探伤技术

子项目二 认识涡流探伤仪器

子项目三 涡流探伤设备参数设置与演练

子项目四 涡流设备检测焊缝作业

项目九 钢轨探伤仪检测钢轨

子项目一 认识钢轨探伤仪

子项目二 钢轨探伤仪参数调整与演练

子项目三 钢轨探伤正常波形及图像识读与演练

子项目四 轨头核伤波形及图像识读与演练

子项目五 螺孔裂纹波形及图像识读与演练

子项目六 轨底横向裂纹波形及图像识读与演练

子项目七 水平裂纹和斜裂纹波形及图像识读与演练

子项目八 纵向裂纹波形及图像识读与演练

项目十 大型钢轨探伤车检测钢轨

子项目一 认识大型钢轨探伤车

子项目二 大型钢轨探伤车调试与演练

子项目三 大型钢轨探伤车轮探头维修与演练

子项目四 大型钢轨探伤车检测数据分析与演练

项目十一 双轨探伤仪检测钢轨

子项目一 认识双轨探伤小车硬件结构

子项目二 认识双轨探伤小车探伤界面

子项目三 标定各通道的探头

子项目四 双轨探伤小车典型伤损图谱识读与演练

子项目五 排除常见故障

子项目六 双轨小车的日常维护与演练

项目十二 利用回放软件发现伤损

子项目一 GT-2 型探伤仪数据回放软件使用

子项目二 GCT-8C型探伤仪数据回放软件使用

子项目三 JGT-10型探伤仪数据回放软件使用

子项目四 双轨小车数据回放软件使用

子项目五 大型钢轨探伤车数据回放软件使用

项目十三 钢轨探伤管理及标准化作业

子项目一 分析钢轨探伤漏检因素

子项目二 钢轨探伤管理模式

子项目三 焊缝探伤标准化作业

子项目四 钢轨探伤仪标准化作业

子项目五 道岔钢轨探伤标准化作业

子项目六 数据回放标准化作业

子项目七 钢轨探伤安全管理

子项目八 双轨探伤仪标准化作业

子项目九 大型钢轨探伤车标准化作业

附录一 钢轨探伤中级工技能鉴定理论考核试卷

附录二 钢轨探伤高级工技能鉴定理论考核试卷

附录三 钢轨探伤工技师技能鉴定理论考核试卷

附录四 技能鉴定钢轨探伤工高级技师理论考核试卷

附录五 钢轨母材探伤技能鉴定实操考核

附录六 技能鉴定钢轨核伤校对实操考核

附录七 技能鉴定焊缝单探头探伤实操考核

参考文献2100433B

第一章 焊接生产的质量管理

第一节 焊接生产质量管理的现状及意义

第二节 焊接生产质量管理体系

第三节 焊接生产过程的质量控制

第二章 焊接外观检验及相关标准

第一节 焊接外观尺寸检验

第二节 焊接外表缺陷检验

第三章 无损检测

第一节 射线探伤方法及相关标准

第二节 超声波探伤原理及实施

第三节 磁粉探伤原理及实施

第四节 渗透探伤方法及操作

第四章 致密性检验

第一节 容器的各种检漏试验

第二节 水压试验与气压试验

第五章 焊接接头的破坏性检验

第一节 焊接接头的力学性能及试验

第二节 焊接接头的化学性能及腐蚀 2100433B