超声波探伤
超声波探伤仪的使用和性能测试
一、实验目的
1、了解A型超声波探伤仪的简单工作原理。 2、掌握A型超声波探伤仪的使用方法。
3、掌握水平线性、垂直线性和动态范围等主要性能的测试方法。
4、掌握盲区、分辨力和灵敏度余量等综合性能的测试方法。
二、超声波探伤仪的工作原理
目前在实际探伤中，广泛应用的是A型脉冲反射式超声波探伤仪。这种仪器荧光屏横坐标表示超声波在工件中传播时间(或传播距离)，纵坐标表示反射回波波高。根据荧光屏上缺陷波的位置和高度可以判定缺陷的位置和大小。
A型脉冲超声波探伤仪的型号规格较多，线路各异，但它们的基本电路大体相同。
下面以CTS-22型探伤仪为例说明A型脉冲超声波探伤仪的基本电路。
CTS-22型超声探伤仪主要由同步电路、发射电路、接收放大电路、时基电路(又称扫描电路)、显示电路和电源电路组成，如图1.1所示。
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各电路的主要功能如下：
(1)同步电路：产生一系列同步脉冲信号，用以控制整台仪器各电路按统一步调进行工作
(2)发射电路：在同步脉冲信号触发下，产生高频电脉冲，用以激励探头发射超声波。
(3)接收放大电路：将探头接收到的信号放大检波后加于示波管垂直偏转板上。
(4)时基电路：在同步脉冲信号触发下，产生锯齿波加于示波管水平偏转板上形成时基线。
(5)显示电路：显示时基线与探伤波形。 (6)电源电路：供给仪器各部分所需要的电压。
在实际探伤过程中，各电路按统一步调协调工作。当电路接通以后，同步电路产生同步脉冲信号，同时触发发射电路和时基电路。发射电路被触发以后产生高频电脉冲作用于探头，通过探头中压电晶片的逆
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压电效应将电信号转换为声信号发射超声波。超声波在传播过程中遇到异质界面(缺陷或底面)反射回来被探头接收，通过探头的正压电效压将声信号转换为电信号送至放大电路被放大检波，然后加到示波管垂直偏转板上，形成重迭的缺陷波F和底波B。时基电路被触发以后产生锯齿波，加到示波管水平偏转板上，形成一条时基扫描亮线，并将缺陷波F和底波B按时间展开，从而获得波形。
三、仪器的主要性能
仪器性能仅与仪器有关。仪器主要性能有水平线性、垂直线性和动态范围。 1、水平线性
仪器荧光屏上时基线水平刻度值与实际声程成正比的程度，称为仪器的水平线性或时基线性。水平线性主要取决于扫描锯齿波的线性。仪器水平线性的好坏直接影响测距精度，进而影响缺陷定位。 2、垂直线性
仪器荧光屏上的波高与输入信号幅度成正比的程度称为垂直线性或放大线性。垂直线性主要取决于放大器的性能。垂直线性的好坏影响应用面板曲线对缺陷定量的精度。 3、动态范围
仪器的动态范围是指反射信号从垂直极限衰减到消失时所需的衰减量，也就是仪器荧光屏容纳信号的能力。
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四、仪器与探头的主要综合性能
仪器与探头的综合性能不仅与仪器有关，而且与探头有关。主爱综合性能有盲区、分辨力、灵敏度余量等。 1、盲区
从探测面到能发现缺陷的最小距离，称为盲区。盲区内缺陷一概不能发现。盲区与放大器的阻塞时间和始脉冲宽度有关，阻塞时间长，始脉冲宽，盲区大。 2、分辨力
在荧光屏上区分距离不同的相邻两缺陷的能力称为分辫力。能区分的两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。分辨力与脉冲宽度有关，脉冲宽度小，分辨力高。 3、灵敏度余量
灵敏度余量是指仪器与探头组合后，在一定的探测范围内发现微小缺陷的能力。具体指从一个规定测距孔径的人工试块上获得规定波高时仪器所保留的dB数高，说明灵敏度余量高。
五、实验用品
1、仪器CTS-22、CTS-26等。 2、探头：2.5P20Z或2.5P14z。
3、试块：IIW、CSK—IA、200/φ1平底孔试块等。 4、耦合剂：机油。 5、其他：压块、坐标纸等。
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六、实验内容与步骤 1、水平线性的测试
(1)调有关旋钮使时基线清晰明亮，并与水平刻度线重合。 (2)将探头通过耦合剂置于CSK—IA或IIW试块上，如图1.2A处。
(3)调[微调]、[水平]或[脉冲移位]等旋钮，使荧光屏上出现五次底波B1～B5，且使B1、B5前沿分别对准水平刻度值2.0和10.0，如图1.3。
(4)观察记录B2、B3、B4与水平刻度值4.0、6.0、8.0的偏差值
a2、a3、a4。
(5)计算水平线性误差：amax0.8b100% (1.1)
式中 amax——a2、a3、a4中最大者；
b——荧光屏水平满刻度值。
ZBY230—84标准规定仪器的水平线性误差≤2%。
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2、垂直线性的测试
(1)[抑制]至“0”，[衰减器]保留30dB衰减余量。 (2)探头通过耦合剂置于CSK—IA或IIW试块上，如图1.2B处，并用压块恒定压力。
(3)调(增益]使底波达荧光屏满幅度100%，但不饱和，作为0dB。
(4)固定[增益]，调[衰减器]，每次衰减2dB，并记下相应回波高度Hi填入表1.1中，直至消失。
表1.1 衰减量ΔidB 回绝对波高Hi 波 实测 相对波高% 高 度 理想相对波高% 偏差% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 实测相对波高％＝表中：
衰减ΔidB后的波高Hi (1.2)
衰减0dB时波高H0iHiHi20理想相对波高%10100%20lgi (1.3) HH00(5)计算垂直线性误差：
D(d1d2)% (1.4)
式中 d1——实测值与理想值的最大正偏差； d2——实测值与理想值的最大负偏差； ZBY230—84标准规定仪器的垂直线性误差≤8%。
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3、动态范围的测试
(1)[抑制]至“O”，[衰减器]保留30dB。
(2)探头置于图1.2A处，调[增益]使底波B。达满幅度100%。 (3)固定[增益]，记录这时衰减余量N1，调[衰减器]使底波B1降至1mm，记录这时的衰减余量N2。 (4)计算动态范围： △=N2一N1 (dB)
ZBY230—84标准规定仪器的动态范围≥26dB。 4、盲区的测试
盲区的精确测定是在盲区试块上进行的，由于盲区试块加工困难．因此通常利用CSK～IA或IIW试块来估计盲区的范围。 (1)[抑制]至“O”，其他旋钮位置适当。 (2)将直探头置于图1.4所示的I、Ⅱ处。
(3)调[增益]、[水平]等旋钮，观察始波后有无独立的回波。 (4)盲区范围估计：
探头置位I处有独立回波，盲区小于5mm。
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探头置于I处无独立回波，于I处有独立回波，盲区在5～10mm之间。
探头置于I处无独立回波，盲区大于10mm。 一般规定盲区不大于7mm。 5、分辨力的测定(直探头)
(1)[抑制]至“0”，其他旋钮位置适当。
(2)探头置于图1．4所示的CSK—IA或IIW块块上m处，前后左右移动探头，使荧光屏上出现声程为85、9l、100的三个反射波A、B、C。
(3)当A、B、C不能分开时，如图1.5(a)，则分辨力F1为：
F19185a6amm (1.5) abab(4)当A、B、C能分开时，如图1.5(b)则分辨力F2为：
c6cF29185mm (1.6)
aa
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一般规定分辨力不大于6mm。 6、灵敏度余量的测试
(1)[抑制]至“O”，[增益]最大，[发射强度]至强。
(2)连接探头，调节[衰减器]使仪器噪声电平为满幅度的10％，记录这时[衰减器]的读数N1。
(3)探头置于图1.6所示的灵敏度余量试块上(200／φ1平底孔试块)，调[衰减器]使φl平底孔回波达满幅度的80％。这时[衰减器]读数为N2。
(4)计算：灵敏度余量△N=N2—N1。 七、实验报告要求
1、写出实验名称、目的和用品。
2、简要说明仪器性能、仪器与探头综合性能的测试方法及测试结果。 1 序言
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1.1 超声波检测技术的发展简史
尽管自古就对声学开展了研究，但是直到十九世纪中后期人类才知道存在自己听不到的高频声音（即超声波） 。有趣的是，超声波的具体应用与 1912 年泰坦尼克号邮轮的沉没这一著名海难直接相关，当时所提出的及时发现水下冰山和障碍物的要求刺激了超声波的应用，其中英国科学家提出的利用超声波的束射性可以发现远距离水下目标的思想虽然未能付诸实施，但是直接推动了超声检测的研究和应用。一次世界大战后期，为了探测另一类更为危险的水下障碍物――潜水艇，超声波技术的实际应用再一次得到了有力推动，当时所发展的压电超声发生装置和石英晶体换能器等一直是超声检测的技术基础。
超声波应用于材料的无损检测领域起源于二十世纪二十年代末三十年代初，苏联和德国的科学家几乎同时报导了超声波在材料检测方面的应用，从此开创了一个全新的领域。二十世纪四十年代的整个十年都是在二次世界大战中度过的，战争对于技术发展的迫切要求再次成为超声检测技术进步的推动力。探测潜艇的超声波声纳得以广泛应用，但是其回波检测的思想对于短距离材料检测而言实在是超越了当时的电子技术水平，因此只能采用连续波透射法，这种探伤方法有很大的局限性，仅限于一些专业学院作研究用途或装置在少数几个冶金研究室内。 战争以后，随着对超声波探伤原理和特性的不断深入了解，特别是脉冲反射法的应用、纵波、横波、板波和表面波相继发现并成功应用，超声波在无损检测方面优点也得以充分体现，因此在二十世纪四十年代末超声波探伤开始被用于解决一些严格的质量问题，并在冶金制造业得到了越来越广的应用。二十世纪六七十年代，随着半导体技术和计算机信息技术的进步，超声波探伤仪器和装备不断小型化，并出现了由电池供电的便携式超声波探伤仪器，同时新材料技术的发展也使新型的性能更为优越的压电材料得以广泛应用，相关的探伤方法、探伤标准和基准等也趋于成熟，因此超声波探伤在对产品质量有严格要求的航空航天、原子能工业、石油化工业、锅炉和压力容器行业、冶金制造业以及建筑业等得到了全面应用，成为最为重要和广泛应用的无损检测方法。
1.2 超声波检测在厚板制造领域的应用
厚板超声波探伤是厚板质量检查的重要手段，五矿营钢宽厚板厂在剪切线入
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口、特厚板区域均设有超声波探伤工序。 尤其是剪切线入口处从德国NDT公司引进的在线自动超声波探伤设备，代表了现代中厚板超声波探伤的先进技术水平。
厚板的超声波探伤一般采用纵波脉冲反射法，其中厚度为 5~50mm 的中厚板通常采用双晶直探头和水膜耦合法探伤，以减少表面盲区并提高检测灵敏度，而厚度在 50mm 以上的厚板则采用单晶直探头和直接接触耦合法。对于表面状况不佳的特厚板甚至需要采用透射法来进行有效检测。
另外对于一些要求非常高的钢板，有时也需要利用斜探头横波检测钢板的表面裂缝类缺陷。同时超声波还可用于钢板厚度的精确测量，利用手提式超声波测厚仪可以对修磨后的钢板剩余厚度进行快速准确测量。 对于更薄的钢板，通常采用板波检测的方法。
2 超声波探伤的基本原理
用超声波对金属进行探伤时，必须首先对超声波用于金属探伤的原理有所了解，也就是说，从金属探伤这一角度出发，应对金属中超声波的产生、超声波在金属中的传布以及超声波在金属中与缺陷的相互作用有所了解。
2.1 超声波的基本概念
2.1.1 什么是超声波
（1）超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中传播而形成的波动，通常以其波动频率 f 和人的可闻频率加以区分超声波与其它声波种类：
次 声 波 f<20Hz 人耳不可闻 声 波 20Hz≤f≤20KHz 人耳可闻 超 声 波 20KHz≤f≤10MHz 人耳不可闻 特超声波 f>103MHz 人耳不可闻
超声波探伤用的频率为 0.25MHz~15MHz，金属材料超声波探伤常用频率为0.5MHz~10MHz，其波长约10mm~0.5mm。
由于超声波频率比可闻声波高得多，因此其波长短，加上它在固体中传播时传递能量较大，这样使得超声波传播时具有某些与光波类似的特性，为此也常常
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借用光学原理来研究和解释超声波的物理现象。
（2）超声波具有以下几个特性。 (1) 束射特性
超声波波长短，声束指向性好，可以使超声能量向一定方向集中辐射。 (2) 反射特性
超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面会产生反射、透射或折射，而反射特性正是脉冲反射法的探伤基础。
(3) 传播特性
超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，因此其声压声强均比可闻声波大，传播距离远，可检测范围大。
(4) 波型转换特性
超声波在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换，从而为各种波型（纵波、横波、板波、表面波）探伤提供了方便。
人们正是利用了超声波的这些特性，发展了超声波探伤技术。 2.1.2 超声波的波型 (1) 纵波 L
当弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，受力质点间距就会相应产生交替的疏密变形，此时质点振动方向与波动传播方向相同，这种波型称为纵波，也可叫做“压缩波”或“疏密波” ，用符号L表示。图6-1 就是纵波波型示意图。
凡是能发生拉伸或压缩变形的介质都能够传播纵波。固体能够产生拉伸和压缩变形，所以纵波能够在固体中传播。液体和气体在压力作用下能产生相应的体积变化，因此纵波也能在液体和气体中传播。
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(2) 横波 S
当固体弹性介质受到交变的剪切应力作用时，介质质点就会产生相应的横向振动，介质发生剪切变形；此时质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波，也可叫做剪切波，用符号S表示。图6-2 为横波波型示意图。
在横波传播过程中，介质的层与层之间发生相应的位移，即剪切变形；因此能传播横波的介质应是能产生剪切弹性变形的介质。自然界中，只有固体弹性介质具有剪切弹性力，而液体和气体介质各相邻层间可以自由滑动，不具有剪切弹性力（即剪切弹性模量G=0） ，所以横波只能在固体中传播，气体和液体中不能传播横波和具有横向振动分量的其他波型。
(3) 表面波
当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点作相应的纵横向复合振动；此时质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。表面波是横波的一个特例。
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(4) 板波
板波又称兰姆波，它是板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。在板波传播过程中，质点的振动遍及整个板厚，板波沿着板的两个表面和中部传播，按板中振动波节的型式可分为对称型（S 型）和非对称型（A 型）两种。实际探伤中，板波主要用于探测薄板如薄壁管内的分层、裂纹等缺陷，以及检测复合材料的结合状况等。 2.1.3 波速与波长
在超声波探伤中，声速是缺陷定位的基础。
波动在单位时间内的传播距离就是波动传播的速度，声学中又可将波速叫做声速。从波动的定义可知：相位相同的相邻振动质点之间的距离称为波长，用字母 λ 表示；质点在其平衡位置附近来回振动一次，超声波就向前传播了f·λ 的距离（f表示频率） ，该距离就是每秒钟传播的距离，也就是波速（声速） ，用符号C表示。
上述定义表明，声速：
C =λf 或 λ= C/f （6-1）
影响超声波声速的主要因素是波型、传播介质的弹性性能、工件的尺寸和温度等，而与频率无关。但是对于兰姆波的波速并非常数，是传布模式的函数；且与频率有关。
2.1.4 声压及分贝的概念 (1)、声压
声压是声波传播过程中介质质点交变振动的某一瞬时所受的附加压强，用符号 P 表示。声压的单位是帕斯卡（Pa） 。其表达式为：
P =ρc v （6-2） 式中： ρ－介质密度 v－介质振速 c－介质声速
声压与A型脉冲反射式探伤仪示波屏上的回波高度存在线性关系。 (2)、声强级和分贝
声强级即声强的等级，用来衡量声强的大小等级，如噪声声强级，声响度级，
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超声声强级等。一般来说，人耳可闻的最弱声强为 I0=10-16W/cm2、，称为标准声强，而人耳可忍受的最大声强可达10-4W/cm2，两者相差1012倍，因此常用对数来表示声强级：
声强级的单位为贝尔（Bel） ，因此贝尔的单位比较大，工程上应用时将其缩小10 倍后以分贝为单位，用符号dB表示。 如果采用声压级表示，则声压级Lp为：
如果超声波探伤仪具有较好的线性，则两个回波的声压级为：
2.2 超声波的产生
2.2.1 超声波的获得
超声波的获得是利用某些物质特定的物理效应来实现的。自然界中，在一定条件下，可以把一种形式的能量转换成另一种形式的能量。因此，原则上凡是能将其他形式能量转换成超声振动方式的能量都可以用来发生超声波，例如利用机械冲击和摩擦产生超声波的机械方法；利用物体表面突然受热时，由于热膨胀产生机械应力而发生超声波的热效应法；利用铁磁材料在交变磁场中产生交变机械变形而产生超声波的磁致伸缩法；利用通有交变电流的线圈靠近导体，用电磁力作用于工件表面而产生超声波的电磁超声法等。在超声探伤中应用最多的是利用某些单晶体或多晶陶瓷声电、电声转换效应――压电效应来获得超声波。
大家知道，某些电介晶体（如石英，锆钛酸铅，铌酸锂等） ，通过纯粹的机械作用，使材料在某一方向（如厚度）伸长（或缩短） ，这时晶体表面产生电荷效应而带正或负电荷，这种效应现象称为正压电效应。当在这种晶体的电极
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上施加高频交变电压时，晶体就会按电压的交变频率和大小，在厚度方向伸长或缩短，产生机械振动而辐射出高频声波――超声波，晶体的这种效应称为负压电效应。具有正、负压电效应的晶体称为压电体。
从上述可见，压电效应是可逆效应，正是晶体的这种可逆性，我们就可以用压电晶体来制作超声波换能器，实现超声波和电脉冲之间的相互转换，使发射超声波和接收到的超声波以电信号的形式在仪器上显示出来，从而达到超声波探伤的目的。 2.2.2 超声场
充满超声波的空间叫做超声场，在实际探伤中超声场是一个复杂的分布，有以下几个重要概念需要了解：
一是近场长度 N，在近场内超声波的分布规律非常复杂，一般探伤时不采用近场区，近场长度与晶片尺寸和超声频率有关，晶片尺寸越大，频率越高，近场长度越大，在探伤时可能的近场盲区就越大；
一是声束扩散角 θ，扩散角也与超声波的频率和晶片尺寸有关，频率越高、晶片尺寸越大，扩散角越小，超声声束的指向性越好，因此近场长度与扩散角是相互矛盾的。
2.3 超声波垂直入射时的反射和透射规律
厚板的超声波探伤通常采用直探头纵波探伤法，因此了解超声波垂直入射时的反射和透射规律对于深入了解厚板超声波探伤非常关键。由于斜探头横波探伤法在厚板中应用较少，因此斜入射时的反射、折射等规律不再介绍。 2.3.1 单一平面界面的垂直入射
当超声波垂直入射于平面界面时，主要考虑超声波能量经界面反射和透射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要决定于两边介质的声阻抗Z1和Z2。
（3）1. Z1》Z2
超声波从固体入射至空气中，声压反射系数接近于1，声压透射率接近0。这一情况对于探头晶片也是如此，因此超声探头若与工件硬性接触而无液体耦合剂，而工件表面粗糙，则相当于将晶片置于空气中，声压将产生全反射而不会透
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射入工件，这也就是超声波探伤为何需要耦合剂的原因。 2. Z1≈Z2
在声阻抗接近的界面上反射声压非常小，基本可以忽略，而声压透射率和声能透射率均接近于1，声能几乎全部透射至第二介质。 2.3.2 各种规则反射体的反射规律
规则反射体的反射规律是研究超声波探伤的物理基础，对于板材探伤而言，设备灵敏度的校准和考核验收等都需要用到各种规则反射体，因此这里作简要介绍。
规则反射体可以分为大平底、平底孔、方形平面、圆柱面和球形面，这里只介绍大平底和平底孔两种。 2.3.2.1 大平底的反射
大平底是常见的反射面，如厚板的轧制面等，一般用 B 来表示。大平底的反射声压与其距声源的距离XB成反比，也就是说距离每增加一倍，反射声压将减少1/2，或者说将降低6dB。 2.3.2.2 平底孔的反射
平底孔也是常见的反射体，平底孔的反射规律为其反射声压与其距声源距离的平方成反比，与平底孔的面积成正比。换句话说，距离每增加一倍，反射声压将减少 1/4，也就是降低 12dB；而平底孔直径每增加一倍，反射声压将上升4 倍，也就是上升12dB。 利用以上规律，可以制作超声波探伤常用的DGS曲线。
2.4 超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其声能逐渐减弱的现象叫做超声波的衰减，产生衰减的原因主要有以下几种： (1)、由声束扩散引起的衰减
由于超声波声束存在扩散角，随着传播距离的增大，声束截面也将增大，单位面积上的声压及声能都将下降。这种衰减是造成不同声程相同反射体回波高度不等的主要原因，也可以通过理论找出其规律。 (2)、由散射引起的衰减
当金属中存在粗晶、杂质时，超声波将会产生散乱反射，引起衰减。这种衰
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减与材质有关，对于晶粒较粗的铸件或奥氏体钢，频率较高的超声波引起散射衰减将十分明显。 (3)、由吸收引起的衰减
这种衰减是由于介质内部的摩擦力而造成的，在探伤中不占主要地位。
3 超声波探伤仪及探头
3.1 超声波探伤仪
常用的超声波探伤仪以A型显示脉冲反射式为主，在中厚板探伤中大都采用这种探伤仪，作为仪器操作人员也应了解这方面的基本知识，这里简单介绍其结构和原理。
（4）3.1.1 工作原理和基本组成
图 6-3 是 A 型脉冲反射式探伤仪的基本电路方框图，由图可知，它主要是由同步电路、时基电路（扫描电路） 、发射电路、接收放大电路四个部分和示波管、电源、探头等组成。
四个电路的主要作用如下： (1)、同步电路
同步电路是超声波探伤仪的指挥中心，它产生周期性的脉冲，控制发射电路、接收放大电路、时基电路协调一致地工作。同步电路每秒钟的工作次数就是探伤仪的重复频率。 (2)、发射电路
发射电路在同步电路产生的正触发脉冲作用下，在极短的时间内产生上升时
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间短，脉冲窄、能量高的高频电脉冲，送往探头晶片经电声转换后产生超声波。 (3)、时基电路
时基电路在同步脉冲的控制下产生锯齿波电信号，送往示波管的水平偏转线圈，产生从左至右的匀速水平扫描线，也称为时基线。 (4)、接收放大电路
接收放大电路包括高频放大器、衰减器、检波器、视频放大器和深度补偿等。接收放大的主要作用是将微弱的从探头晶片处送来的电信号经数级放大后加至示波管的垂直偏转线圈上，使回波信号能以一定幅度显示。 3.1.2 超声波探伤仪的主要调节旋钮及其作用 (1)、辉度、聚焦和辅助聚焦旋钮
辉度旋钮用以调节扫描线及图像亮度， 聚焦和辅助聚焦旋钮相互配合调节扫描线及图像清晰度。 (2)、水平和探测范围调节旋钮
水平调节也叫零位调节，使整个时间轴左右移动。与探测范围旋钮配合，可以使入射点与时间轴原点相重合，给缺陷定位带来方便。
探测范围旋钮控制扫描线时间轴比例，对于不同厚度的工件采用不同的探测范围设定可以使显示清晰、准确。 (3)、发射强度和增益调节旋钮
发射强度可调节发射脉冲的输出功率，强发射可以提高灵敏度，但也会使脉冲变宽，分辨率变差。
增益调节有粗调、细调和微调三种调节量，它由衰减器（或增益器）和增益微调旋钮来完成。用于控制放大电路的放大量，其调整单位为dB。
有关便携式超声波探伤仪的面板、主要旋钮以及对应功能将在厚板手动超声波探伤一节详细描述。
3.2 超声波探头
超声波探伤是用超声波探头实现电声转换的，因此超声波探头又称为超声波换能器，其电声转换是可逆的。在第一节中已经讲过，产生超声波的方法很多，但用得最为普遍的还是压电材料制成的超声波探头。
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超声波检测探头的种类很多，根据波形不同分为纵波探头（直探头）、横波探头（斜探头）、表面波、板波探头等。根据耦合方式分为接触式探头和液浸探头。根据声速分为聚焦探头和非聚焦探头。根据晶片数不同分为单晶探头、双晶探头等。
（5）3.2.1 压电超声探头的基本组成
压电探头一般由晶片、阻尼块、保护膜（对于水浸探头和斜探头则是有机玻璃）组成。其主要结构如图6-4所示。
接头 保护膜
(1)、晶片
晶片是超声波探头的核心，晶片的材料就是压电材料，常用的晶片材料用压电单晶和压电陶瓷两种，单晶压电材料常用的有石英，而压电陶瓷常用的有钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸铅等。
晶片本身大多不导电，因此通常在其两面均镀上导电材料作为电极，并在电极上引出接线。
晶片的振动频率取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的声速。 (2)、直探头保护膜
保护膜的作用是保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜有硬性和软性两类。硬性保护膜适用于工件表面光洁度高、且平整的情况，用于粗糙表面时声能损失较大；软性保护膜用于表面光洁度不好或有一定曲率的表面时，可改善耦合条件。
(3)、背衬吸收块（阻尼块）
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为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。因此在晶片背面填充吸收这类噪声能量的吸收材料，可使干扰声能迅速耗散，降低探头本身杂乱的信号。 阻尼块的阻尼作用越大，脉冲的宽度越窄，盲区越小，分辨率提高，但灵敏度会相应减小。 (4)、透声楔（斜楔）
双晶直探头和斜探头常用有机玻璃或环氧树脂作为透声楔，一是形成一定的声波入射角，一是延迟声束的入射距离，避开探头近场区，减少探伤盲区。 3.2.2 分割式双晶探头
在中厚板超声波探伤中，对于板厚60mm以下的钢板常用分割式双晶直探头（又称为TR探头）进行探伤，其特点是可以使声能聚焦，提高检测灵敏度，尤其是近表面的检测灵敏度。其结构如图6-5 所示：
双晶探头的距离幅度曲线（DAC曲线）与普通直探头不同，原因是其声束存在一个聚焦点，在焦点处的声能最为集中，检测灵敏度最高。过了焦点以后检测灵敏度将显著下降。焦点位置与两个晶片的夹角有关。
3.3 超声波探伤用试块
超声波探伤以各种标准试块和对比试块作为比较的依据，试块上具有特定尺寸的规则反射体提供了一个固定的声学参照，在实际探伤过程中，将以此作为比较的基准。
（6）试块的作用有：（1）确定检测灵敏度；（2）测定仪器和探头的性能；（3）调整扫描速度；（4）评判缺陷的当量大小。
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超声波探伤用试块可以分为标准试块、对比试块两种。标准试块是由国际、国家有关组织部门推荐、确定和通过使用的。国际上通用的标准试块有 ASTM 系列试块、IIW 试块（又称荷兰试块，见图6-6）等，我国的标准试块有CS-1、CS-2 系列等。对比试块则是使用者根据需要自行设计和制造的试块，其用途比较单一。
中厚板探伤使用的试块可以参见第五节中的图6-28， 主要使用平底孔和大平底作为规则反射体。也可以使用 CS-1 和 STB-G 系列标准试块校准设备。标准试块的用途以及如何使用这些标准试块等内容也将在以后的章节中进行有针对性地叙述。
4 探伤方法的应用
4.1 超声波探伤方法分类
超声波探伤的实质是：首先将工件被检部位处于一个超声场中，工件若无不连续分布，则超声场在连续介质中的分布是正常的。若工件中存在不连续分布，则超声波将在异质界面产生反射、折射和透射，使超声场的正常分布受到影响。使用一种方法测出这种异常分布相对于正常分布的变化，并找出它们之间变化的规律就是超声波探伤的任务。 4.1.1 脉冲反射法和穿透法
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超声波在传播过程中遇到缺陷会产生反射、透射及缺陷后侧声影，照此不同检测原理分类可分为脉冲反射法和穿透法（又称阴影法） 。前者以缺陷的反射声压（或声能）大小（内部或底面反射回波的情况）来确定缺陷量值，而后者以测定缺陷对超声波的正常传播的遮挡所造成的声影大小来确定缺陷的量值。在板材探伤中这两种方法都得到了使用，但通常使用的还是脉冲反射法，穿透法主要用于200mm以上特厚钢板的探伤。
与穿透法相比脉冲反射法具有以下特点： 1. 灵敏度高
对于穿透法，只有当超声声压变化大于 20%以上时才有可能检测，它相当于声压只降低 2dB。由于探头晶片尺寸有一定大小及缺陷本身的声衍射现象，要获得 20%声压变化，缺陷对声传播遮挡面积已相当大了。 而对于脉冲反射法， 缺陷反射声压仅是入射声压的1%时， 探伤仪就已经能够检出，此时与缺陷反射声压相应的反射面积是很小的。 2. 缺陷定位精度高
脉冲反射法可利用缺陷反射波的传播时间，通过扫描速度调节，对缺陷进行正确的厚度方向定位。而穿透法只能确定缺陷面积，无法确定缺陷在厚度方向的位置。
3. 不需要专门的扫查装置，现场手工操作方便
穿透法中为保持收发两个探头的相对位置，往往需要专用扫查装置，而脉冲反射法单探头工作时不需要任何扫查装置，为各种场合的现场作业带来了方便。
穿透法的优点在于：一是穿透法几乎不存在表面盲区，而脉冲反射法直接接触探伤时不能发现表面缺陷；二是穿透法声程较脉冲反射法短，适于检测衰减系数较大的材料或尺寸较大的工件，比如对于特厚板的超声波探伤，在很多场合可以采用穿透法；三是对于取向不良的缺陷（反射面不与声束垂直） ，脉冲反射法将可能得不到反射信号，而穿透法只要缺陷能遮挡声场就能检测出缺陷。 （7）4.1.2 脉冲反射法的种类
板材的探伤大多采用脉冲反射法，就这种方法本身来说还可细分为许多种类： (1)、直接接触纵波脉冲反射法
这是板材探伤中较为常用的一种方法，特别是在自动中厚板探伤中用得非常
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广泛。又可分为一次脉冲反射法、多次脉冲反射法和组合双晶探头脉冲反射法。 1. 一次脉冲反射法
当工件中无缺陷时，荧光屏上只有始波 T 和一次底面回波 B。当工件中有小缺陷时，始终与底波之间出现缺陷波 F，缺陷波高与其反射面积有关，此时底波幅度会有下降。当工件中缺陷大于声束直径时，底波消失，荧光屏上只有始波和缺陷波。
2. 多次脉冲反射法（底波高度法）
这是以底面回波为依据进行探伤的一种方法，超声波在工件的两个平行表面间传播，会出现多次底面回波，如果试件内存在缺陷，底面反射回波高度会下降甚至消失，观察多次底波的衰减速度的快慢就可以发现工件的异常情况。主要适用于检测面与底面相平行的较厚工件。 3. 组合双晶探头脉冲反射法
组合双晶探头由一发一收两个晶片和延迟块组成，可以减少表面盲区，提高表面缺陷检测灵敏度。在薄板和中板（板厚<20mm）的超声波探伤中大都使用这种方法。由于探头研制技术的发展，近来这种探头可以检测的最大板厚已经可以达到 60mm。我厂在线自动超声波探伤设备采用的就是这种组合双晶直探头。 (2)、液浸法探伤
直接接触法虽然具有方便灵活、耦合层薄、声能损失少等优点，但实际探伤时由于探头上所施压力大小、耦合层厚度变化、接触面积大小、工件表面粗糙度变化等均难以控制，因此其综合影响难以估算；再则直接接触法探头易磨损、检测速度慢。因此在批量探伤或自动探伤中常用液浸法探伤。
液浸法就是探头与探测面之间有一层液体传声层，通常用水作耦合介质，所以也常叫水浸法。根据工件和探头的浸没形式，一般可分为全没液浸法、局部液浸法和间隙法三种。
全没液浸法和局部液浸法只是工件浸没程度的不同，其波形显示是一致的。当工件中没有缺陷时，在始波T和底波B之间还有一个界面波S。
间隙法也是采用液层耦合，不过水层很薄，厚度为0.3~0.8mm，因此探伤波形中没有界面波S，而与直接接触法的波形相同，其特点是耦合层可调节，且不易磨损探头。在我厂的厚板在线自动超声波探伤设备中就是用到了这种间隙法。
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4.2 超声波探伤的基本方法
4.2.1 超声波探伤的缺陷定位原理
脉冲反射法超声波探伤中对缺陷位置的确定，通常以探头所在探测面作为测量基准，观察示波屏上波形的相应的声程距离就能指示缺陷的位置。
钢板探伤大多采用直探头纵波探伤方法，可以利用钢板两个平行的表面对时间轴进行调整，然后利用校准后的声程比例关系计算缺陷在厚度方向的位置。而在新型的数字化超声波探伤仪中，缺陷位置可以由探伤仪自动计算给出。
也可用计算的方法，一般钢中纵波传播速度约为6000m/s，如果一缺陷波F与界面波S或始波T的时间轴上的差值为t，则缺陷在厚度方向的深度位置为
x = 6000×t/2
4.2.2 超声波探伤缺陷定量方法
超声波探伤定量方法（即对缺陷的评价方法）对于钢板探伤是一个非常重要的技术，大致可以分为以下几种： (1)、当量法
当量法常用于小于声束直径缺陷的定量，用缺陷的当量直径或当量面积来表示缺陷的大小。所谓当量法是指在一定的探测条件下，用某种规则的人工缺陷反射体尺寸来表征工件中实际缺陷相对尺寸的一种定量方法。它认为在相同的探测条件下（包括灵敏度、耦合损失、材质衰减等） ，工件中某一声程上的缺陷返回声压与同声程的试块上规则人工反射体的返回声压相等（回波幅度一样高）时，则该试块人工缺陷的直径或面积就是该缺陷的当量直径或当量面积。 1. 试块人工反射体比较法
这是比较原始的方法，这是利用大量不同测距、不同人工缺陷孔径的试块，用以与工件中实际的缺陷相比较。当缺陷声程与某一试块人工孔缺陷声程相同，且相同探测条件下二者回波也相等时，则认为人工缺陷的孔径就是该缺陷的当量直径。由于实际探伤工作中工件种类繁多，因此需要大量标准试块，逐一比较十分困难，携带也十分不便，因此这种方法已用得较少。 2. DGS法
以有限尺寸晶片辐射的活塞波声压方程为基础，利用反射体标准化声程 D、相对缺陷尺寸 S 和其回波高度（或dB值）G之间具有的规律性变化而建立起来
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的当量测定法叫做DGS法。
我厂自动探伤设备采用的当量法为 DGS 法，并利用 DGS 曲线确定每个通道检测到的缺陷当量大小。 (2)、探头相对运动法
缺陷当量测定方法是以缺陷最高回波作为定量基准的，探头找到缺陷最高回波后就不再移动。而探头相对运动法是当探头相对工件运动时，以所发现的缺陷回波高度控制在某一高度范围内的探头运动距离来表示缺陷延伸度的一种方法。 此探头移动距离也可叫做缺陷指示延伸度 （或指示长度） ，它与缺陷的实际尺寸存在一定的误差。常用的有-6dB法。 (3)、波高表示法 1. 缺陷回波高度表示法
在确定的探测条件下，缺陷尺寸越大反射声压越强，对于垂直线性较好的仪器来说，缺陷回波高度与声压成正比，因此缺陷大小可用波高值来表示。
一般采用波高值占全屏满刻度高度的百分比来表示缺陷回波的大小。 2. 缺陷相对于底面回波高度表示法
采用缺陷回波相对于底面高度之比的表示法不能直观地显示缺陷量值概念，在有些情况下同样的波高比值大小，缺陷实际大小可能相差几十倍，因此只能作为一种缺陷严重程度的判定依据，通常来说，比值越大，缺陷越严重。 4.2.3 检测灵敏度的校准
检测灵敏度是指在确定的声程范围内发现规定大小缺陷的能力。
检测灵敏度的基本要求是发现工件中规定大小的缺陷，并对缺陷进行定量，也就是检出缺陷当量的最低要求。检测灵敏度太高或太低都对检测不利。灵敏度太高，显示屏上杂波多，判辨分析困难。灵敏度太低，容易造成漏检。
根据灵敏度的基本定义和要求，要完整的表示灵敏度必须具备三个基本要素，即基准反射体的几何尺寸、基准发射体的最大探测距离、基准反射体的基准反射波高（一般设定为显示屏满幅度20%-80%）。
检测灵敏度的校准是探伤工作中非常重要的一环，应当按照有关探伤标准的要求和技术规范的规定等，选择合适的试样、基准反射体和基准波高，然后再按标准和技术要求对设备进行校准调节。
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(1)、基准反射体
基准反射体可以是标准中明确规定的一定尺寸人工缺陷的试块，也可以是按照技术要求所选定的有人工缺陷的试块。也可直接利用工件完好部位的大平底面或试块大平底作为调节探测灵敏度的基准反射体。 (2)、基准高度
基准高度 H 是人为规定的相对比较基准，如示波屏垂直满幅度的 50%、80%等，与探测灵敏度相应的人工试块基准反射体回波高度应与所确定的基准高度相同，以检测灵敏度检出的缺陷超标dB数应是缺陷波高与此基准波高相比较后得到的dB差值。
(3)、检测灵敏度的调节
检测灵敏度的一般调节方法是：先将探头置于校准基准上，调节增益使基准反射体最高回波达基准高度，此时得到了调节基准。再根据计算所得的调节基准与检测灵敏度基准之间dB差，使用衰减器调整该dB数，就能达到所需的检测灵敏度。
4.2.4 探头在工件表面的扫查方式
探头在工件表面的扫查方式，以探头在工件探测面上的相对位置和运动轨迹来表示，探头的运动过程就是工件被检部位受到约束（主要是主声束）扫查的过程。扫查方式多种多样，没有一定的限制，其选择原则有两条：一是保证工件的整个被检区域有足够的声束覆盖，避免漏检；二是探头的移动应使其入射声束可能与工件中缺陷反射面垂直，以便获得最佳检测效果。（8）常见的扫查方式有： 1. 全面扫查
全面扫查就是探头在整个探测面上无一遗漏地循序移动，要求相邻扫查间距不大于探头直径，常用于要求较高的工件探伤。 2. 局部扫查
局部扫查就是探头在整个探测面上按规定要求有一定间距地规则移动、相邻扫查线的间距往往大于探头直径。这种扫查方式往往用于探伤要求不太高的工件，例如钢板探伤常采用这种方式。局部扫查方式又可分为：
a、 直线扫查 探头在平板类工件的探测面上以一定的间距作直线移动或斜直线移动，如图6-7 所示。
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b、 格子线扫查 探头按预先划好的格子线（格子线间距由有关标准规定）先循一个方向作直线移动，然后再转90°，沿与原方向垂直的方向作直线移动，如图6-8所示。
c、 点扫查 点扫查时探头不作移动，仅作跳跃式地与工件指定点接触，或不作定点只是根据需要在适当部位上抽检。
4.3 缺陷状况对缺陷波高的影响
使用脉冲反射法探伤时，通常是根据缺陷回波高度来确定其当量大小的，而当量大小与缺陷的实际尺寸往往不尽一致，甚至有很大差距。因此超声波探伤的误报或漏检情况在实践中不可避免。
为了减少误报或漏检，了解缺陷状况对于缺陷波高的影响十分必要。 (1)、缺陷形状的影响
工件的实际缺陷形状是多种多样的，具体形状与工件的制造工艺和运行情况有关，为了简化研究，通常将缺陷简化为圆片形、球形和圆柱形三种。比如轧制钢板中的缺陷一般可以简化为圆片形。
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一般来说，在缺陷直径和探测条件相同的情况下，缺陷波高为圆柱形最高，圆片形次之，球形最低。特别是对于尺寸小于超声波波长的点状缺陷，检测灵敏度将急剧下降，因此点状小缺陷非常容易漏检。 (2)、缺陷方位和指向性
缺陷所处的方位包含两个方面的意义，一是指缺陷反射面相对于入射声束轴线的位置；二是指缺陷本身与探头的相对位置。 1. 缺陷反射面与入射声束轴线的相对位置
实际缺陷反射面与入射声束轴线垂直的情况是少见的，而互相不垂直的情况是多数。这样对实际缺陷尺寸的测定往往就偏小。声束轴线与缺陷反射面垂直时缺陷波最高，当声束与缺陷反射面法线间夹角变大时，缺陷波高将急剧变小，当夹角增至12°时，波高降至原来的千分之一左右，已经很难检测出来。 2. 缺陷与探头的相对位置
缺陷的最大反射面与探头声束不在同一轴线上时，也将造成缺陷回波高度降低。
(3)、缺陷表面粗糙度的影响
缺陷表面光滑与否，是用它的粗糙度与波长的比值来衡量的，表面不平度达到波长的 1/3 时，可认为该表面是粗糙的，不是镜面。 对于表面粗糙的缺陷，入射声波被乱反射；同时各部分反射波由于相位差而产生相互干涉。当声束垂直入射时，缺陷波高随粗糙度的增大而下降，当声波斜入射时，缺陷波高随着粗糙度与波长比值的增大而上升。 (4)、缺陷性质的影响
缺陷波高还受缺陷性质的影响。入射声波在界面上的反射率取决于界面两边介质的声阻抗；声阻抗差异越大，反射率越高，缺陷回波也越高。
通常含气体的缺陷，如钢中的白点、气孔，钢板中的氢裂纹等，其声阻抗与钢声阻抗相差很大，可以近似地认为声波在这类缺陷表面产生全反射，故检测灵敏度较高；但是对于由于非金属夹杂物引起的缺陷，例如钢中夹灰、夹渣等，因其声阻抗与钢声阻抗相差较小，透射的声能不能忽略，缺陷回波相应也就较低。
4.4 中厚板的探伤方法
（9）4.4.1 板材中常见的缺陷
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钢板的质量与冶炼过程和轧制工艺过程有关，因冶炼和轧制不当常会产生一些缺陷。外部缺陷一般在轧制过程中产生，有重皮、折迭、裂缝、麻点等。内部缺陷则在冶炼过程中产生，主要有以下几种： (1)、分层
钢锭头部收缩产生的缩孔， 在成材过程中未切除干净， 留下的缩孔在轧制后形成夹层， 如图6-9a所示： (2)、层状非金属夹杂物
主要是铝、硅、锰之类的氧化物，当它集中在一起时，变成夹层，如图6-9b 所示。
(3)、白点（氢裂纹）
是轧制后发生的缺陷，由溶解在钢中的氢原子在非金属夹杂物某交界处作为氢分子析出而致。因为断裂面是白色，故称为白点，如图6-9c所示。一般在含Mn、Ni、Cr元素的合金钢板中存在。
上述三种缺陷的延伸方向均与轧制方向基本一致，因此在钢板探伤中，在轧制面上采用直探头检测最为有效。 4.4.2 板材探伤方法分类
板材探伤方法的选用主要以板的厚度来划分，一般可以分为： 薄板：板厚6mm以下（也有以10mm为分界线的） 中板：板厚6mm~60mm； 厚板：板厚60mm以上。
薄板采用板波探伤，中厚板则采用纵波垂直探伤。这里仅介绍中厚板的探伤方法。
4.4.3 板材常用的探伤方法
(1)、单探头直接接触多次反射法（见图6-10所示）
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此法的优点：比较简单方便，探伤灵敏度可用底波次数来定（如将B8波高调至80%） ，小缺陷也不易漏检。
缺点：钢板表面需加工平整，探伤时劳动强度大，探测速度慢，故适用于小面积或抽查探伤。
同时应注意：当缺陷较小时，缺陷回波从第一次开始，会出现第二次、第三次逐渐升高的现象，这是由于叠加效应而引起的。
一般来说，叠加效应只有在小缺陷，板厚小于 20mm 以下，底面回波次数多而衰减很小的情况下产生，这是因为当缺陷处于板厚中心时，声波的传播路径就会增多。所有板材探伤时，一般应以第一次缺陷回波作为评定缺陷的基准。当板厚较薄时，也可以采用第二次缺陷回波。 宽厚板培训教材－超声波探伤 (2)、单探头直接接触一次或二次反射法
此法的优缺点基本上与多次反射法相同，但小缺陷有时在探伤波形上显示不出。
(3)、双晶探头直接接触和双晶探头间隙法
由于双晶探头的角度不同（一般在0°与30°之间） ，有效探测区（又称聚焦区）也不同，探伤图形随之不同。双晶 0°探头的探伤图形与单直探头基本相同。有角度的双晶探头，其探伤图形根据板厚和角度的变化而变化，探伤时应注意分析。
双晶探头由于有延迟块，改善了近场声场分布，同时阻塞现象减少，晶片倾斜时可探测近表面缺陷，几乎没有盲区。缺点是，在有效探测区以外灵敏度显著下降，使用时应根据工件厚度选择相应的探头。
双晶探头间隙法的水层厚度为λ/2 的整数倍，一般取0.3~0.8mm。使用间
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隙法探伤不易磨损，接触稳定，探伤图形清晰，配上机械装置可减轻劳动强度，提高工作效率，适用于批量探伤。间隙法的探伤图形与直接接触法基本相同。 (4)、单探头水浸法
为减少水槽设备，一般均采用局部水浸法，其探伤图形如图 6-11 所示，水层高度l由所求的重合次数决定。
由于水中纵波声速约为钢中纵波声速的四分之一，因此当采用四次重合法时，水层高度 l≈板厚T。
优点：对钢板表面要求比直接接触法低，探伤速度快，劳动强度低，适用于大批量探伤。
缺点：精确定位，定量比较困难，一般在发现缺陷后用直接接触法精确测定。 (5)、多通道自动探伤
一般在钢板厂生产线上应用，可参见第四节中的内容。 4.4.4 板材探伤的检测条件 (1)、探头尺寸和频率
钢板探伤频率用得较高，主要考虑指向性，以获得良好的分辨率，一般选用的探测频率为2~5MHz。探头直径一般在10~30mm之间，使用大尺寸探头有利于
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加快探伤速度。探头频率和尺寸在标准中均有具体规定。 (2)、探测灵敏度和试块
探测灵敏度的调节有两种方法。一种方法是在人工对比试块上调节，例如在 GB2970-91 和 JIS G0801 标准中规定的试块及灵敏度，请参见图6-28 所示：
探伤灵敏度为试块上Ф5.0 平底孔的反射波在荧光屏上的第一次反射，要求达到满幅度的50%。或将最大板厚的底波高度调至50%，再提高10dB灵敏度作为检测灵敏度。 另一方法是以工件本身的底波反射高度（例如100%）作为探测灵敏度。
(3)、检验区域范围
根据板的用途要求，检验区域可分以下几种： 1. 全面扫查
在整个钢板表面上进行扫查，扫查时应有 10%的重复探测面，最好使用局部水浸法或全没水浸法，探头移动的方向应垂直于钢板压延方向。 2. 格子线扫查
在钢板的边缘周围50mm以内全面扫查， 其余部分划分为200×200mm2或 100×100mm2的方格子线，探头沿格子线扫查，当发现缺陷后，在缺陷附近扩大扫查范围，划出缺陷的分布面积。 3. 列线扫查
在整个钢板的探测面上垂直钢板的压延方向划出 200mm 或 100mm 间隔的直线条，探头沿直线扫查，当发现缺陷后再扩大扫查。 4. 边缘扫查
仅在钢板边缘周围50mm的区域内全面扫查或在开孔需要焊接的边缘周围50mm内全面扫查。
（10）4.4.5 板材探伤缺陷的测定 (1)、缺陷判定标准规定
缺陷的判定，不同的标准规定不一，探伤时应务必注意各标准的具体规定。例如GB2970-91标准规定了以下三种情况，并应标记缺陷面积。 1. 缺陷的第一次缺陷回波大于或等于满刻度的50%；
2. 当第一次底面回波高度未达到满刻度，此时，缺陷第一次反射波波高与第一
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次底面回波高度之比大于或等于50%； 3. 当第一次底面回波消失或等于50%。 (2)、缺陷指示长度的测定
评定缺陷不仅要根据缺陷波的大小，还要考虑缺陷的范围，测定缺陷的长、宽。测定方法一般在标准中有明确规定。
由于钢板中的缺陷大多为较为平整的夹层缺陷，且大于声束截面，因此在GB2970-91标准中规定采用6dB法（又称半波高度法）测定，所得的结果与实际缺陷长度比较接近。
而在 JIS 标准中采用的方法与 6dB 法比较相似，它采用了三个基准电平，利用它们将缺陷分为小缺陷、中缺陷和大缺陷。
对于双晶探头，有X向扫查和Y向扫查。扫查方法由隔声面配置方向与主压延方向平行或垂直来决定。X 向扫查：其隔声面与压延方向平行，探头作垂直于压延方向扫查。Y 向扫查：其隔声面与主压延方向垂直，探头作平行于压延方向扫查。
不管是X向扫查还是Y向扫查，探头隔声面总是与扫查方向相垂直。 X向扫查和Y向扫查的检测灵敏度有明显不同，对于细长缺陷，一般X方向的探测灵敏度要比Y方向的探测灵敏度高4~6dB左右。
两个相邻的缺陷，如果它们间的距离≤小缺陷的尺寸时，应看作是一个缺陷，并将两个缺陷面积之和作为一个缺陷面积。当然标准不同，具体的算法也不相同。 (3)、探伤结果的记录和评定
缺陷检出后应在缺陷附近仔细探测，确定缺陷大小和范围，并作好探伤记录，记录缺陷的位置和大小等情况。
5 厚板在线自动超声波探伤装备及技术
5.1 概述
5.1.1 总述
厚板超声波探伤主要用于钢板内部质量的检查，而且由于厚板的轧制缺陷基本与轧制面平行，因此主要应用直探头纵波探伤方法。有时为了检测具有一定取向的缺陷或表面缺陷，也可采用斜探头横波探伤方法或板波探伤方法作为补充。 5.1.2 厚板超声波探伤工艺流程
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(1)、在线超声波探伤工艺流程
在线超声波探伤的工艺流程如图6-12 所示。板厚≤50mm钢板经2#冷床和检查修磨台架后进入剪切线，经过PSG测量钢板形状后进入在线超声波探伤设备对其内部质量进行检查。探伤检查合格的钢板经中间喷印机后进入切头剪，并按计划进行剪切。而探伤后存在可疑缺陷无法立即判定的钢板则下线由人工进行复探，并最终做出是否合格的判定。不合格的钢板根据生产指令进行处理（继续进行剪切还是更改合同或交货标准等） 。对于一些需要下线缓冷的管线钢板，在缓冷结束后可直接上线进行检查修磨和探伤。
(2)、热处理钢板超声波探伤工艺流程
热处理钢板的超声波探伤工艺流程如图6-13 所示，需要人工探伤的钢板下线进入探伤区域，由探伤人员按照探伤指令的规定进行探伤。探伤不合格的钢板按照生产指令进行处理。
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(3)、特厚钢板超声波探伤工艺流程
板厚大于 50mm 的特厚板由特厚板冷床下线，经地上翻板机检查修磨后，需要进行探伤的钢板由行车吊入探伤区域，由探伤人员根据探伤指令的规定进行探伤检查。如图6-14所示。
（11）5.1.3 在线自动超声波探伤设备概述
该设备从德国NDT公司引进， 能够全自动对厚度5~60mm的钢板进行100%全面覆盖扫查探伤，并能自动根据交货标准对母板中的各块子板进行质量评定。该设备的主要特点有：
采用在线母板100%覆盖探伤方式，因此对于各成品子板而言可以真正做到无盲区探伤；
采用组合式双晶直探头，DAC特性平滑，检测灵敏度高，可以检测出Φ3.0mmFBH的缺陷；
采用下表面耦合方式，耦合建立速度快，探头行程短，头尾探伤盲区小； 采用全纵向扫查方式，因此可以实现板材运送过程中的连续探伤，进而实现全部钢板的质量普查；
探伤速度快，最高探伤速度可达60m/min；
探头靴具有随动功能，可跟随板形紧贴钢板而不划伤钢板表面，保证耦合质量； 自动化程度高，可自动接受生产指令，并自动根据探伤数据作出最终的探伤结果评判，探伤结果送往剪切线L2 计算机，并参与剪切优化；
采用底面回波等效校准方式，校准过程简单高效。
这些探伤技术和特点均代表了当今国际厚板超声波探伤的先进水平，在国内更是
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首屈一指。
（12）5.2 设备的平面布置
在线超声波探伤设备（简称UST）位于剪切线的入口处，安装于PSG（板形测量仪）之后，切头剪前的喷印装置之前。UST主要由预湿及预冷装置、探伤设备本体（包括板体和板边探伤装置） 、压下辊装置、除水装置、喷标装置和公辅介质供应装置等组成。具体平面布置如图6-15 所示：
在线探伤设备本体由两个板体探伤小车和两个板边探伤小车组成，板体探伤小车分别安装于两组辊道之间，各安装有沿板宽方向布置的 49个探头，两个探伤小车总计 98个探头，加上 4 个板边探头，整套设备共计 102 个探头，每个探头的有效覆盖范围为 50mm，因此可覆盖 5100mm 宽度。所有探头均从下表面进行探伤。具体布置图见图6-16 所示。
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5.3 主要工艺技术参数
5.3.1 工艺参数 (1)、钢板参数
长度 5,000 mm ≤ L ≤ 56,000 mm 宽度 1,300 mm ≤ W ≤ 4,900 mm 厚度 5 mm ≤ T ≤ 60 mm 钢板温度 t ≤ 100°C
冷却后板温最高150 度，因此需要用水将钢板冷却到规定的范围，确保超声波探伤正常进行。对薄钢板（厚度小于8mm）探伤时，需要使用三个压下辊。 (2)、钢板条件
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板边情况 轧制状态或剪切状态钢板表面轧制状态，但表面上不应有疏松氧化铁皮，脏物，油污和油漆，未剪切钢板的边部纵向最大偏差，从中轴线算起为±150 mm (镰刀弯)。
钢板浪形及板边变形（若存在）
浪高 w < 50 mm 板浪半径 r > 4,000 mm 变形宽度 b < 5 mm 变形量 v < 2 mm 剪切毛刺 s < 1.5 mm
钢板端部的变形不会影响探伤。
钢板头部翘头 h < 50 mm 板尾翘曲 h’ < 50 mm
在钢板头尾，最大浪高与最大变形不应叠加，剪切毛刺只会出现在钢板下部。
（13）(3)、不可探区域
钢板头部，未剪切 辊道速度降至0.3m/s，最大100mm 最大速度1m/s时，大约为200 mm. 钢板尾部，未剪切 最大：70 mm
纵向边部，未剪切 20 mm 有两边跟随机械结构的可移动边部探头支架 纵向边部，剪切后 最大：15 mm 有两边跟随机械结构的可移动边部探头支架
钢板表面
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近表面(下表面) 1.5 mm 钢板表面光滑时的探头盲区（粗糙度不大于5um），若钢板表面粗糙，则将增加到1.8 至2.0 mm。
远表面(上表面) 1.2 mm 钢板表面光滑时的探头盲区（粗糙度不大于 5um），若钢板表面粗糙，则将增加到1.8 至2.0 mm。
超声波探伤设备可以对整个钢板体积内的内部缺陷进行100%覆盖扫查。 为保证探伤后没有未探伤的区域，应对未经剪切的轧制母板进行探伤。 （14）(4)、满足的标准
自动评估软件应能按照以下15 个探伤标准进行质量评估处理：
• • • • • • • • • • • • • • •
EN 10160 SEL-072/1977
EURONORM EU-160/1984 BS5996 JIS G801 JIS G901
ASTM A 578 Level I, II, III ASME SA 578 ASTM A 435 ASME SA 435 NF A04-305 GB/T 2970 JB 4730
ISO 12094 Standard Customized Standard
5.3.2 技术参数 (1)、工艺技术指标
探伤灵敏度 Φ3.0mmFBH （钢板内部区域可达Φ2.0mmFBH） 探伤速度 最大1m/s 脉冲密度 ≤1mm/pulse
系统有效性（Φ3.0mmFBH） ≥99% 缺陷评估精度 ≤±15% 测长精度 ≤±0.1%
信噪比（Φ3.0mmFBH） ≥6dB 8 小时灵敏度漂移 ≤1dB
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（15）(2)、设备技术参数
探头数 102
探头形式 厚板探伤专用T1/R3组合式探头 检测频率 5MHz
探头布置方式 钢板下表面探伤 有效声束宽度 50mm
最佳水层厚度 0.4mm±0.05mm 板体探伤小车 2 个，不锈钢制作 板边探伤小车 2 个，不锈钢制作 探伤前的校准 利用DGS曲线自动校准 探头支架跟随能力 纵向±5°，横向±2° 仪表系统 数字模块化低功耗智能仪表
5.4 工艺过程
在线探伤设备的检测对象主要是未经剪切的母板，钢板从检查修磨台架进入出口辊道，并由下料装置确保钢板靠一侧对齐（对于缓冷钢板等需要行车上料的钢板则由人工对齐钢板）。当UST 计算机接收到发自剪切线 L2 计算机的相关探伤指令数据后，将自动启动探伤过程，通过连锁控制要求辊道传送钢板。
钢板向前运送经过PSG和测温仪，由测温仪直接将板温信号送至UST。如果钢板温度超过150℃，则UST设备将发出报警信号，同时停止辊道运输，要求钢板下线冷却后再上线探伤；若板温低于150℃，钢板将继续向前运送进入预湿及预冷装置。
如果钢板超过90℃，UST设备将自动开启预冷装置，同时从上下两个表面向钢板喷水冷却，开启的喷嘴数量将根据从 L2 计算机处得到的板宽数据设定；如果钢板温度低于 90℃，UST 设备将开启预湿装置，仅在钢板下表面喷水，达到润湿钢板下表面、改善耦合效果的目的。
经过预冷处理的钢板上表面会残留有一部分水，由于探头位于钢板下表面，这样超声波到达底面（也就是钢板上表面）时会受到这些残留水的透射、折射和乱反射影响，出现干扰信号，并影响底面回波的高度，因此在探伤设备本体之前安装了上表面橡皮刮水器，去除上表面的残留水。
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钢板的最前端由安装在探伤本体之前的横向光栅识别检测，并以此作为长度测量、子板识别的参考零点。得到钢板来料信号后，探伤系统将进行一次自诊断，这样可以在探伤过程开始前就及时发现设备中存在的隐患或异常。
钢板的来料信号同时使测长装置的辊轮提升与钢板接触，系统将根据脉冲发生器的信号全程跟踪钢板的运动和位置，并以此确定缺陷的纵向位置。同时钢板将降速至 0.3m/s，进入第一个板体探伤小车，降速的目的是为了减少头部的不可探区域长度。每个板体探伤小车均安装了49个探头支架，每个支架内安装有一个探头，在每个探头支架前还安装有光栅金属检测器，只有当金属检测器检测到了钢板时，相应的探头支架才会上升，与钢板接触，并开启耦合水供应和探伤仪表系统。这样当钢板实际宽度与设定值不同时或者在检测过程中由于钢板走偏及镰刀弯而使探头不能始终与钢板接触时，系统就能根据钢板的实际位置控制探头支架的起落，确保探伤的覆盖率和探头支架不被钢板损坏。由于这些金属检测器将控制探头是否工作，如果有铁屑或杂物堆积在传感器上，将造成传感器无法正常检测到钢板而导致漏检，反之如果传感器有故障也有可能使探头一直升起导致探头支架被损坏。因此这些传感器将定期采用压缩空气吹扫和水束清洗。仪表系统开启后首先检测底面回波，以确定耦合状态是否正常。若耦合正常则仪表系统将立即开始收集探伤数据及相应的数据处理工作。
探头上升时将对钢板施加较大的提升力，较薄的钢板可能会被顶起而影响耦合效果，因此探伤设备本体的上方设有三组压下辊，对于10mm以下的薄钢板由压下辊保证钢板不被顶起。
随后钢板以相同的方式低速进入第二个探伤小车，此时位于板体探伤小车之后的板边探伤小车已经根据PSG的实际板宽测量信号和板体探伤小车所得到的钢板位置信号进行了预定位，钢板以低速进入板边探伤区域，在得到钢板进入识别信号后，板边探伤小车将迅速向板边移动靠拢直至与板边接触，随后在整个探伤过程中板边探伤小车将在板边位置传感器和伺服电机的共同作用下跟随板边形状的变化，保持与钢板边缘距离的恒定。
钢板头部通过板边探伤小车后将升速至正常探伤速度（即 1m/s） ，该速度 将一直保持到整张钢板检测结束，也就是说在钢板尾部不需要降速。
整个探伤周期图如图6-18 所示。
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钢板的探伤信号将在 VMUS 仪表系统和数据处理计算机（DEU）内实时处理和分析，并以 C-扫描图和A-扫描图的形式实时显示， 所有超过极限灵敏度的信号都将作为缺陷在实时C-扫描图中用醒目的颜色标示出来。这些探伤数据将在计算机中保存并发送到质量评估计算机（AES） 。
探伤过程结束后，质量评估计算机（AES）将根据L2 发送过来的子板剪切计划，利用收集到的数据对母板中的每块子板进行质量评估。该计算机将相邻探头的缺陷面积进行组合后与交货标准中规定的要求进行比较，最终得出每张子板是否合格的判定结果。
UST 的判定结果可以作为剪切优化的参考，但必须注意的是，一旦根据探伤结果对剪切计划进行了优化或更改，一般来讲必须要求在线UST根据更改后的剪切计划对母板内的各子板重新进行评估。不过为保证整个剪切线料流的顺畅，这种返回判定的过程只进行一次。之后如果钢板仍然不能按计划剪切出全部合格的子板，则可能需要将整块母块下线等待降级或重新分配合同。
当然在线UST还具有离线评估能力，下线后的母板可按照成材率最大的原则更改剪切计划，而UST则利用其内部保存的原始探伤数据离线进行评估。
对于探伤后判定结果为有疑问需要人工复探确认的钢板，可以在切头剪前将母板下线至剪切线旁的人工复探区域，也可以将有疑问的子板经剪切后再进行人工复探。复探后的结果由L3终端输入。
每张子板的缺陷列表（包括缺陷位置和缺陷面积等信息） 、判定结果等都
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可以用探伤报告的形式加以记录，同时也可以将这些记录上传至L2和L3 计算机作为质量记录长期保存。
探伤完的钢板将由探伤后除水装置去除下表面的残留水，防止这些水份造成钢板生锈以及对后续工序可能产生的影响。
探伤设备设有缺陷喷标装置，在钢板边部标记出缺陷在长度方向的位置，方便人工复探时缺陷的定位工作。
5.5 设备构成
总体来说，整个在线自动超声波探伤设备可以划分为探伤设备本体和辅助装置两大部分，其中设备本体可分为机械、电气和仪表三个部分，而辅助装置则包括供水系统、供气系统、预湿及预冷装置、除水装置和压下辊装置等。 5.5.1 探伤设备本体 (1)、机械部分 a.板体探伤小车
图6-19 板体探伤小车示意图
探伤设备共有 2辆板体探伤小车，小车装在辊道之间，位于辊道面之下。 板体探伤小车由电机驱动，可以沿着专用的轨道移动进入维护工位，或由维护工位移入探伤工位。小车上安装有49个由气缸驱动的探伤支架、现场仪表柜和电缆、供水、供气管线等，其示意图如图 6-19所示。
小车由限位开关和机械销自动精确定位，而且 2辆小车上的探头支架交叉布置，实现钢板板面的100%覆盖扫查。见图6-20 所示。
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探头支架前安装有栅格型的安全框架，可以防止钢板头部下垂而撞击并损坏探头。 b.板边探伤小车
板边探伤小车共有两台，每台上安装一个探头支架，每个探头支架内安装两个与板体探伤相同的超声波探头，因此可以覆盖两个板边各100mm的宽度。板边探伤小车由同步伺服电机驱动，可以在板宽方向精确定位。板边探伤小车也可以移出探伤工位，移向剪切线传动侧进入维护工位进行离线检修。
板边探伤小车具有随动功能， 采用板边位置传感器和伺服电机使小车能快速精确地沿板边随动。 c.探头
超声波探头是探伤设备的核心元件。本设备采用德国NDT公司专门为厚板探伤而研制的超声波探头，该探头为双晶组合式探头，每个探头包括1 个发射晶片和3 个接收晶片（即T1/R3式探头） 。
与普通的探头相比具有检测灵敏度高、近场盲区小、DGS 曲线特性平坦、检测范围大等优点。 探头主要技术参数如下： • 公称频率 5 MHz
• 灵敏度/缺陷检测灵敏度 3 mm FBH
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• 距离上表面5mm深度至底面前3mm处的灵敏度2 mm FBH • 有效探伤宽度 50 mm (3 × 16.7 mm) • 最佳水层间隙 0.4 ± 0.05 mm
探头的外形示意图及其特性曲线如图6-21 所示。 d.测长装置
在探伤设备本体前后各安装了一个测长装置，动态跟踪钢板速度和位置。测长装置也安装在辊面以下，采用气缸驱动升降。为了减少测长辊轮与钢板间的滑动摩擦，测长装置采用了磁性辊轮。 e.喷标装置
在探伤设备的最后安装了喷标装置，对于有缺陷的部位，由喷标装置实时在钢板基准侧边部喷上白色条状标记。 (2)、电气部分
在线探伤设备采用Siemens S7 PLC，用于对探伤设备本体进行自动顺序控制、位置控制和速度控制等，同时通过与辊道PLC的通讯，实现与辊道的连锁控制。可参见探伤设备的系统图（图6-6） 。
NDT Systems & Services AGSE3 18.3/10 5AArt.-Nr. 5372Serien-Nr. 12345
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图6-21探头的外形示意图及其特性曲线
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(3)、仪表及计算机部分
探伤设备的系统结构框图如图6-22所示： a.仪表系统
德国 NDT 公司的超声波探伤设备采用厚板探伤专用的 VMUS 模块化微型仪表，包括可扩展的发射单元、16 个接收放大单元、A/D 模数转换单元、FPGA 可编程数字处理和控制单元以及相应的接口。VMUS 仪表系统具有产生探头激励脉冲、接收放大从探头返回的模拟信号、A/D 转换、初步的数字信号处理四大功能。 整个仪表系统分为现场仪表和室内仪表两大部分，其间的通讯采用光纤数字信号传送，这种方式可以最大限度地缩短模拟弱信号在现场的传输距离，减少信号衰减、畸变和电磁干扰。
VMUS仪表系统的结构方框图如图6-23 所示： b.计算机系统
计算机系统主要由DEU和AES两台工业PC计算机以及一台通讯用网关计算机组成。
DEU 为数据处理计算机，也是整个超声波探伤设备的主计算机，负责与 L2、L1 进行通讯、对探伤仪表系统进行设定和控制、对从仪表系统收集到的数据进一步评判、用C-扫描图和A-扫描图显示探伤结果、保存设备校准结果、保存设备设定参数、生成探伤报告等功能。
AES为自动质量评判计算机，它根据从DEU处获得的探伤结果数据、母板中子板的划分计划、子板探伤标准规定等自动完成整张母板的质量评估功能，同时它还具有探伤标准数据管理、探伤结果数据保存等功能。 Gateway计算机主要负责协调DEU与AES两台主计算机间的数据通讯、 协调L2计算机的通讯、完成通讯协议和数据格式的转换以及相关探伤指令文件、探伤结果文件等数据的保存。 所有计算机的操作系统采用Windows 2000。
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（16）5.5.2 辅助装置 (1)、供水系统
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稳定的耦合水是超声波探伤是否可靠的关键环节。由于在线探伤氧化铁屑较多，为此设备采用开放式供水系统，以保证耦合水的洁净度、水温等均符合探伤的需要。系统原理图如图6-24所示：
耦合水系统采用工业用水直接供应，经变频控制的增压装置后，使整个供水压力稳定在6Bar左右，再经过滤装置后供给各探伤小车。使用以后的废水由收集装置集中后排入全厂的大循环中，作为浊循环的补充水。
同时耦合水系统还具有对探头前的光栅进行定期水清洗的功能，保证光栅功能正常，防止探头不上升而造成的漏检。 供水系统还将负责为预湿及预冷系统供水。 (2)、供气系统
超声波探伤设备的平均耗气量并不大，但是由于探头支架以及压下辊的气缸同时动作，因此峰值耗量还是非常可观的。为了保证瞬间的供气稳定，同时保证探伤过程中探头与板面接触压力的稳定，在探伤小车上安装了具有一定容积的压缩空气缓冲器，并且在设备旁将安装超声波探伤设备专用的空压机，在工厂供气不稳定时能够保证UST局部区域供气和工作正常。UST的供气系统原理图如图6-25 所示。
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同时供气系统还对探伤区域的光栅进行定期的吹扫，去除表面的氧化铁皮，保证光栅工作正常。 (3)、预湿及预冷装置
安装于探伤设备本体之前，由上下两排喷嘴组成。板温较低不需要冷却时只开启下面一排喷嘴对钢板下表面预湿处理，需要冷却时同时开启上下两排喷嘴，防止上下板面温度不均而造成钢板变形。
预湿预冷装置在整个宽度上分为多组控制，可根据不同板宽自动开启不同数量的喷嘴。经过预湿处理的钢板表面可以明显改善其耦合条件。
由于在对带温钢板的预湿预冷过程中会产生大量水蒸汽，对于各探头支架前用于检测钢板是否到达的光栅传感器会产生一定的干扰，而正如前面所讲的，这些传感器对于保证探伤的有效性和设备工作的安全性有重要的影响，因此在预冷预湿装置上方安装了蒸汽抽吸装置。 (4)、除水装置
共有两套除水装置，一套安装于探伤设备之前，用于去除钢板上表面的残留水，去除其对探伤的干扰；另一套安装于探伤设备之后，用于去除钢板下表面的残留水，防止这些水份造成钢板生锈或影响下工序。
除水装置采用橡皮刮水器的方式，其位置可根据板厚自动调整。不用时橡皮
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刮水器处于水平位置，使用时采用气缸驱动翻转90°与钢板接触。由于板温可能较高，刮水器将采用耐高温和耐磨材料制作。 (5)、压下辊装置
探头向上运动与钢板接触时将产生较大的提升力，较薄的钢板将因此而被抬起，影响探头跟随和耦合稳定。因此对于8mm以下的薄钢板需采用压下辊从上部对钢板施压，确保探伤过程中钢板不产生跳动和变形。
5.6 设备操作过程
设备具有自动、半自动和手动三种操作方式：
在自动方式下， 探伤指令、 钢板数据以及探伤结果等通过探伤设备与L2计算机的通讯自动完成，设备的顺序控制、位置控制、速度控制和连锁控制等也由PLC自动控制完成，一般不需要操作工干预；
在半自动方式下，探伤指令、钢板数据和探伤结果数据仍由L2计算机自动收发，但是需要操作人员加以确认后才会启动一个自动探伤周期；
在手动方式下，设备的顺序控制、速度控制等完全由操作人员控制。 在正常生产情况下，不需要操作人员过多干涉设备的运行。主要的操作步骤有生产准备、设备灵敏度校准和探伤结果的判断等。
具体的设备操作方法需等到德国NDT公司的设备操作说明书、 设备功能说明等资料交付后才能综合到本教材中。 5.6.1 生产准备
生产准备是指对设备状态的诊断和确认、以及针对来料钢板所必需的机械调整和仪电参数调整等工作，由于本套设备具有相当高的自动化程度，大部分工作都能在L1 和L2系统的控制下自动完成，因此主要的工作就是对设备自动完成情况的确认和在异常情况下的手动处理，包括及时发现并更换有问题的探头，调整耦合间隙、更换耐磨材料块等。 5.6.2 设备灵敏度校准
本套设备从德国引进，其灵敏度校准方式也沿用了德国长久以来研究应用的钢板底面回波直接调整设备灵敏度的方法，即利用底面回波与规定人工缺陷回波高度间灵敏度差（这一差值可以通过DGS曲线族计算得出） ，针对每张钢板自动将设备调整至所需的检测灵敏度，这种方法简便、高效，不需要其它操作过程。
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但是应定期用标准试块对整个探伤系统的探头与仪表综合灵敏度进行校验，确保足够的检测灵敏度余量，提高检测的可靠性。 5.6.3 探伤结果确认
近几年板材自动探伤的精度已有了较大的提高， 特别是100%覆盖扫查的自动化探伤设备已经能够较为准确地对钢板探伤结果进行自动评判，但是在一定情况下仍需要操作人员的经验协助对缺陷状况和钢板质量做出判断。探伤设备提供了多种探伤结果输出功能，包括A-扫描图、B-扫描图、C-扫描图和缺陷列表等，同时也为每块子板做出合格与否的判定。操作人员可以根据这些信息，结合探伤设备自动做出的评判结果对钢板质量进行确认，是合格钢板、不合格钢板还是需要人工复探的可疑材。 5.6.4 人工复探确认
对于那些自动探伤设备很难判断是否合格的钢板，主要是那些缺陷的大小和分布处于合格与不合格判定的临界线附近的钢板，需要下线进行人工复探。
人工复探与后节所述的人工探伤略有不同，一般不需要对钢板进行划线全面探伤，只需针对有缺陷的部位周围进行全面扫查，精确测定缺陷的形状和大小，并据此对钢板是否合格进行判定。
人工复探通常采用单通道便携式超声波探伤仪和手持式直探头，可采用水、机油、甘油等作耦合剂或专用耦合剂，但一般不采用探伤小车。在母板上复探时应首先标出其中各子板的位置。
若复探的钢板后道没有抛丸、热处理工序，则必须将钢板表面的耦合剂去除。 5.6.5 在线自动超声波探伤代码
自动超声波探伤设备主要采用两个代码，一是探伤指令代码，见表 6-1 所示，用以指定所用的探伤标准和验收等级，指令代码在钢板探伤之前由L2 发给超声波探伤设备；二是探伤结果代码，见表6-2，用于表明各子板的探伤结果，主要包括合格、要求人工复探和不合格三种判定。 (1)、探伤指令代码
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另外，这些代码中还没有中国探伤标准的内容，有待进一步完善。 (2)、探伤结果代码
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6 手动超声波探伤
我厂特厚板（≥50mm）都将采用人工手动超声波探伤的方法，同时在线自动探伤的可疑材也将用人工复探的方法最终确认其质量，因此人工手动超声波探伤也是非常重要的工序。
与自动探伤相比，人工手动探伤的设备要简单得多，但是对于操作人员的技能、经验和责任心等的要求反而却高得多，需要操作人员全面掌握超声波探伤的理论、并具有准确判断钢板质量的经验和能力。这些不是短期的培训所能学会，而是要在长期的工作实践中领会和摸索的。
下面简要地介绍一下手动超声波探伤的设备和方法。
6.1 手动超声波探伤设备
板材手动超声波探伤经常使用推车式探伤设备，在推车上包括了探头组件、供水装置、供电装置和探伤仪表等所有探伤所需的装备，以提高探伤速度和效率，减轻劳动强度。
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超声波探伤设备必须经计量检定合格，并在设备使用的有效期内方可使用。 6.1.1 超声波探伤仪 (1)、便携式超声波探伤仪
厚板的手动探伤一般采用便携式超声波探伤仪，一般采用A-扫描图显示方式，采用充电电池供电。探伤仪的内部电路结构可参见图6-3，典型面板布置如图6-26 所示。
图 6-26 所示的一个典型的单通道便携式探伤仪，虽然是比较陈旧的型号 USL－38 型，但是面板上的各种旋钮很全，布置也很有代表性。由于是进口仪器，各旋钮上标注的是英文，看起有些困难，因此以下对这些旋钮的名称和功能进行简要介绍。当然现在的探伤仪器为了保证其易用性，采用了图示的方法来表示各旋钮的功能和名称。 （这些图形标识如有可能再增加描述）。
1. CRT显示屏 用于显示检测波形和闸门设置等
2. 工作模式选择 选择单探头收/发工作还是一发一收双端子工作 3. 发射器端子 在单探头工作方式下用于连接探头，在一发一收工作方
式下连接发射探头或双晶探头的发射晶片
4. 接收器端子 仅用于在一发一收方式下连接接收探头或双晶探头的接
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收晶片
5. 滤波频率选择 根据探头的检测频率选择适当的滤波频率 6. 7.
8. 阻尼控制 与探头的阻尼匹配，得到最佳的信号 9. 抑制控制 控制抑制电平，消除草状噪声的显示 10. 增益粗调 粗调增益，一般为20dB一档。 11. 细调增益 增益细调，一般为0.5~1dB一档。 12. 没有
13. 扫描范围选择 选择显示屏显示比例，调整单位长度表示的检测深度 14. 扫描范围微调 用于精确调整显示屏的显示比例 15. 延迟调整 调整扫描的起始位置，特别适用于水浸法 16. 聚焦控制 调整显示屏上的光点聚焦情况
17. 报警方式控制 选择超闸门报警还是低于闸门报警，或是关闭报警 18. 报警灯指示 LED，用于指示有报警情况发生 19. 报警峰鸣器控制 开/关报警蜂鸣器 20. 报警闸门高度调整 调整报警闸门的高度 21. 闸门宽度调整 调整报警闸门的宽度 22. 闸门位置调整 调整报警闸门的位置 23. DAC开关 控制是否开启DAC功能 24. DAC增益调整 调整DAC控制点的增益 25. DAC起点位置调整 调整DAC的起点位置 26. DAC终点位置调整 调整DAC的终点位置
27. 测厚功能控制 开启/关闭测厚功能，选择测厚主要参数
便携式超声波探伤仪也可分为单通道和多通道两种，一般情况下单通道仪器就足以满足手动探伤的要求，但是对于板材探伤，采用多通道（一般可为 4~8 通道）分频式探伤仪可以使在一辆探伤小车上连接多个探头成为可能，从而大大提高探伤的效率。目前国内使用的大多还是单通道探伤小车，而国外多通道小车的应用已经十分成熟，因此我厂计划从国外引进少量这种先进的手动探伤设备。
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与单通道探伤仪相比，多通道探伤仪的前操作面板没有明显的区别，只是多了探伤通道和工作模式的选择功能，并且多了若干探头连接端子。但从性能参数上说其重复频率较一般手动探伤仪高，这样分频后仍可满足手动探伤扫查速度的需要。所有通道共用一套放大、评判和显示装置，并带有缺陷自动声光报警功能。
另外，便携式超声波探伤仪也已逐渐实现了数字化，并采用液晶显示屏取代了原先的CRT阴极射线管，使探伤仪的重量和耗电量均大大减小，使用探伤仪内置的充电电池，可以连续工作 7 个小时以上，也就是说一个班次内不需要更换电池。数字式探伤仪将采用微电脑控制，探伤参数将不再采用传统的机械旋钮或开关，而是通过屏幕功能菜单的方式进行设定或调节，因此仪器面板非常简洁。一些先进的数字式探伤仪还具有探伤数据记录功能，不需要操作人员边探伤边作记录。限于篇幅，这里不再展开。
（今后如果使用了数字式探伤仪，再按照其使用说明书着重讲述） (2)、超声波探伤仪的一般调整方法
由于目前使用的还是以传统的模拟超声波探伤仪为主，因此这里讲的调整方法主要针对传统便携式超声波探伤仪，其主要调整步骤一般可分为：前期准备、聚焦调整、扫描范围调整、扫描延迟调整、扫描范围精确调整、报警闸门调整、检测灵敏度调整（包括DAC）和动态测试等。下面分别讲述这些步骤： a. 前期准备
前期准备包括确认探伤仪是否经过计量检定并在有效期内，确认电池的充电情况、确认连接信号电缆是否与探头匹配等。 b. 聚焦调整
打开探伤仪电源，约10多秒后，会在屏幕上出现扫描线，通过调整聚焦旋钮将扫描线调至最细即可。有些探伤仪还是亮度调整旋钮，当没有扫描线出现或过亮时可以用它进行调节。 c. 扫描范围调整
根据钢板的厚度粗调探伤仪的扫描范围，通常该旋钮分为几档调节。一般的探伤仪以“毫米”为单位，表示的是纵波在钢板内的往复传播距离，这与我们的探伤方法相适用，因此可根据钢板的厚度进行相应的设定，使扫描粗调范围大于钢板厚度即可。但是有些探伤仪采用“us”为单位，此时就要进行一些计算后再
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进行设定，计算公式为：
以上的调整方法仅适用于显示一次底面回波，当需要显示多次底面回波时，还需相应成倍增加扫描范围。 d. 扫描延迟调整
从这一步骤开始，就需要使用对比试块或在被检钢板上进行操作，选择规定的探头、耦合和探伤方法，将探头放置在被检工件上，向前调整扫描延迟直至屏幕出现仪器的初始脉冲，该脉冲是所有显示中最前面的一个脉冲，同时高度和幅度都很大，很容易找到。
如果使用水柱耦合法、水膜耦合法或使用带有延迟块的探头，还需向后调整扫描延迟，找到界面波。
将初始脉冲或界面波调整到屏幕最左侧的0 点位置。 e. 扫描范围精确调整
将探头放置在被检工件上，调整扫描范围精确调整旋钮，直至出现 1 次底面回波，并使其定位在第8 格上（在8 格以内的水平线性相对较好） 。有些标准要求至少显示2 次底面回波，也可照此相应调整。
有些仪器在对扫描范围微调时会同时影响到扫描延迟，即初始脉冲位置会发生变化，此时可反复调整扫描延迟和扫描范围微调，直至达到要求。 f. 报警闸门调整
开启报警功能，在显示屏上会出现一个代表报警闸门的小凸起，分别调整报警闸门的起始置和宽度旋钮，将报警闸门设定在初始脉冲（界面波）和 1 次底面回波之间，并与这两个波尽可能靠近，以减少探伤盲区。 g. 检测灵敏度调整
各种探伤规范都会对检测灵敏度做出规定，在操作时要注意采用正确的对比试块和调整方法。此间需要注意的是这里的回波高度是指最大回波高度，也就是在对比试块上要对着人工反射体反复扫查，直至找到最大高度。对比反射体的回波高度一般调整至 50%或 80%屏幕高度，对此有些探伤标准做出了明确的规定，若没有规定，可以将其调至80%较好。
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之后再调整报警闸门的门限旋钮，使探伤仪刚好报警，此时探伤仪的调整已基本结束，但是这样的灵敏度只能满足标准的要求，真正要探伤，还要考虑耦合不佳、表面状况差等情况造成的信号损失，因此在上述步骤完成后，还要额外提高6dB左右灵敏度，以保证不漏检。
有些探伤仪具有DAC功能，这对于较厚的钢板尤为有用。DAC曲线是由钢板的材质所决定的，对于我厂生产大纲中的钢板品种，绝大部分可以用一种DAC曲线，因此只需对探伤仪器设定一次，以后不必再作调整。
顺便提一下，一些重要的旋钮，如增益、扫描延迟、扫描范围细调、报警闸门设定等都有锁定功能，在完成所有调整工作后，应当将其锁定，以防在生产过程中无意中碰到，造成不必要的漏检或误报。 6.1.2 探头
可以采用各种超声波探头，单直探头、双晶直探头或者斜探头。作为厚板探伤应以直探头为主。
探头的选用与被探钢板的厚度、缺陷性质和钢板表面状况等均有关系，一般来说 50mm 以下的中厚板可采用双晶探头以提高检测灵敏度，探头晶片的有效直径一般为 20mm 左右，频率采用2.25~5MHz为宜；200mm以下的厚板应采用有效直径更大的单直探头，并应根据实际情况选用频率较低的探头，200mm以上的特厚板应采用2MHz甚至更低的检测频率和较大尺寸的单直探头，同时应适当提高仪器发射器的功率。
斜探头只在用户有特殊要求，检测表面缺陷或与表面呈较大角度的缺陷时有用。
使用前应检查探头的完好性，观察探头有无严重划伤、气泡等影响使用和性能的缺陷。超声波探头是影响探伤效果的关键部件，也是易损的消耗件，而且价格昂贵，因此需要专门加以管理。每个探头都必须编号，并建立档案。报废的探头应当登记并隔离。 6.1.3 推车
为了减轻劳动强度，厚板探伤通常采用手推车式探伤设备，图 6-27 所示为德国 Agfa 公司制造的BRM-3 型多通道厚板专用推车式探伤设备。在推车上安装有多通道便携式超声波探伤仪，水箱、配水装置和探头设定装置等。
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对于多通道探伤小车，探头的设定可以有多种方式，可以设置为无间隙 100%覆盖式、可以是50mm、100mm间隔等多种列线扫查方式。
探伤方式主要采用间隙耦合法，也可根据需要采用多次重合法。 6.1.4 对比试块
中厚板探伤用的对比试块主要有阶梯形试块和平底孔试块。见图6-28所示。对比试块的表面光洁度要求很高，因此每次使用完以后应当去除表面的耦合剂，防止腐蚀生锈，长期不用时应涂上防锈油。
6.2 手动探伤方法
手动探伤应至少包括以下工作步骤： 6.2.1 生产准备
检查手动探伤设备的完好性、准备好相应的电池、探头、对比试块和耦合剂等；在被检钢板表面用水预淋有助于提高探伤面的耦合性能，同时对于板温较高的钢板也可以起到一定的降温作用。
一般采用水作为人工探伤耦合剂，但是如果被检钢板具有防锈要求，那么应加入适当的防锈剂。对于漆过底漆的钢板不必使用防锈剂。
在探伤以前应对钢板表面温度进行确认，一般要求板温＜50℃才能进行探伤。测定方法一般是用手直接触摸钢板表面，不烫手的即可进行探伤。
对母板进行探伤时，应用钢印标记出母板的切割零点，同时用粉笔标记出母板的预定切割线。
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6.2.2 灵敏度校准
不同的探伤标准采用的灵敏度校准方法有着较大的不同，总体而言可分为两种，采用对比试块和采用被检钢板本身校准设备。
对于JIS标准和GB标准，采用双晶探头时将使用阶梯形试块，而采用单晶探头时则使用平底孔试块；对于ASTM和EN标准，则采用被检钢板本身的底面回波校准设备。
超声波探伤设备的灵敏度校准是一个非常重要的步骤，每个探伤标准对此都有着细致的规定，操作人员应当严格按照这些规定选用对比试块和调整设备。在校准灵敏度的同时，还应对探伤仪的时间基线比例进行精确调整，以便迅速准确地测算出缺陷的埋藏深度。
（17）探伤设备在校准过程中如果发现其性能不佳或无法工作，应及时填写设备异常报告单，并进行适当的处理。 在以下情况下应重新对设备的灵敏度进行校准设定：
探伤开始、结束时 探伤人员更换时
更换探伤仪、探头、探头靴时，注意对于带有探伤保护膜和探头靴的探伤设备进行灵敏度校准时，应在保护膜和探头靴全部安装完成后才能进行。
钢板材质和交货标准等发生变化时
设备工作中每隔4~8 小时应重新校准灵敏度
在用户的要求和其它探伤要求中对灵敏度调整的频度有规定时作为原则，探伤灵敏度应在探伤标准的基础上，再提高一倍，即增加6dB增益。 6.2.3 扫查方法
钢板探伤的扫查方法主要采用直线扫查、格子线扫查和全面扫查三种，对于扫查方式和扫查线间隔不同的标准有着不同的规定，操作人员应按探伤标准的规定和用户的要求执行。
探伤以前，应当根据规定的探伤扫查间隙在钢板边部作好相应的标记。对于母板探伤，应先划出今后的取板位置再进行探伤。当要求全面探伤时，应以100mm为间隔进行划线。
当发现缺陷回波超标时，应当在其附近区域进行100%覆盖扫查，以便用合
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适的方法确定缺陷的边界，并估算出缺陷的指示长度和指示面积。
对于扫查速度，一般要求不得大于 200mm/s，但是如果采用带有缺陷报警装置的探伤仪，扫查速度可以适当增加。
另外板边50~100mm区域内通常要求进行全面扫查，在工作中应当特别注意。 6.2.4 缺陷判定
对于超过一定报警电平的信号或底面回波一定程度的下降即作为缺陷信号处理，在有缺陷信号的区域周围应补充进行全面探伤，采用 6dB 法或其它方法确定单个缺陷的边界和面积，同时记录缺陷的位置、指示面积、指示长度、回波高度和深度等内容。
对密集分布的多个缺陷，即任意两个埋藏深度相同的缺陷，若其最小间距小于其中较小缺陷的指示长度时，应首先进行组合，将其面积或长度累加后作为单个缺陷处理。 不同的探伤标准对于缺陷的指示面积、指示长度的估算有着不同的规定，主要区别在于：
对由于表面粗糙而造成的缺陷判定困难，操作人员暂时无法做出明确判定时，可以请相关的探伤技术主管部门进行处置。
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6.2.5 钢板质量判定
在板材探伤标准中，钢板质量通常分为若干个等级，各等级对于单个缺陷的最大允许面积、最大允许长度、最小缺陷面积、最小缺陷长度和允许缺陷数量等有着具体的规定，在附录 1 中对此进行了一些汇总，在整张钢板探伤结束后应按照这些规定对钢板质量进行判定。
板边区域的质量等级规定和质量判定有许多特殊之处，而且比板体区域的要求更为严格。 6.2.6 出具探伤报告
探伤报告有固定的格式，其中包括钢板情况、探伤条件、探伤结果、检验日期、探伤人员姓名、证书等级和签名等内容，操作人员应如实填写。
必要时可以采用辅助记录纸画出缺陷在钢板内的分布情况， 此时应注意分清钢板的头部和尾部，通常在以纸张的左侧作为钢板的头部。 6.2.7 探伤后的处理
探伤完成后，如果该钢板的后工序中没有热处理、抛丸工序，那么应当去除钢板表面的水分再进入后道工序。 探伤合格板、不合格板以及需要再探伤验证的可疑板必须分开放置，并在钢板边部用明显的颜色标记。有些探伤标准（主要是ASTM标准和ASME标准）和用户要求对探伤合格的钢板喷上专门的标记或打刻专门的钢印，操作人员应当按照这些要求手工打印。 如ASTM A435 标准要求在紧邻钢板其它标印内容的附近用钢印标上“UT 435”字样，而ASTM A578 标准由要求在钢板的一角冲印“UT A 578-A” 、 “UT A 578-B”或“UT A 578-C”字样。适用于横波探伤的ASTM A577标准则要求在炉号附近150mm以内打印“UT A 577”字样。
7 中厚板超声波探伤标准
探伤标准是超声波探伤不可或缺的内容，板材探伤是超声波应用最早的探伤领域，因此对于中厚板的超声波探伤国际和国内都有一系列完整的探伤标准。对于操作人员，了解探伤标准中有关设备调整、扫查方式、缺陷判定和探伤报告等方面的有关具体规定有着非常重要的意义。
7.1 国内中厚板超声波探伤标准
国内厚板探伤标准主要有专业标准JB4730.3-2005“压力容器用钢板超声波
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探伤标准”和国家推荐标准GB/T 2970-91 两种，目前国内的大部分钢板产品标准都引用了GB/T 2970 标准，相关的行业标准和专业标准也之相比差别也不大，因此这里以该标准为范例作简要介绍，具体的规定和数据可以查阅相关标准。 (1)、一般规定
a.从事钢板超声波检验的人员须经过培训，并取得由国家各部委颁发的超声检验人员资格证书。签发报告者，必须持有II级或II级以上超声波检验资格证书；
b.可采用手工的接触法、液浸法（或压电和电磁超声探头的自动检验法） ； c.可采用的波型有纵波、横波和板波；以直探头为主，斜探头为辅，可用水、机油等作为耦合剂； (2)、对比试块
a.对比试块和试板应与被检钢板声学性能相同或相似；
b.对比试块如图6-28 所示，双晶直探头采用阶梯形试块，而单直探头采用平底孔试块；
c.自动探伤方法还应采用动态试块对设备灵敏度进行校验。 (3)、检验条件
a.原则上在钢板加工完毕后进行，也可以轧制后进行；
b.检验面应平整，并没有影响检验的氧化铁皮、锈蚀和油污等。 (4)、灵敏度调整
a.板厚不大于 20mm 时，若利用双晶探头检验，可用阶梯形试块在同厚度试块上将第一次底波高度调整到 50%，再提高灵敏度 10dB 作为检验灵敏度；若使用单晶直探头，检验灵敏度用平底孔试块，将平底孔的第一次回波调至50%高度来校准灵敏度；
b.板厚大于20mm时，检验灵敏度采用平底孔试块，将平底孔第一次回波高度调至50%来校准。 (5)、扫查形式
a.探头沿垂直于钢板轧制方向，间距不大于100mm的平行线进行扫查。在钢板周边50mm内沿其周边进行扫查；
b.利用双晶探头时，探头隔声层应与轧制方向平行；
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c.根据合同或技术协议书或图纸要求，也可以作其他形式的扫查或100%扫查；
d.用直接接触法时检验速度不得大于 200mm/s，用液浸法且有自动报警装置时，速度不大于1000mm/s；自动探伤方法不受限制； (6)、缺陷的评定
a.在检验过程中，发现下列三种情况之一作为缺陷： 缺陷第一次反射波F1 高度大于或等于满刻度的50%；
第一次底面回波B1 波高未达到满刻度，此时缺陷的第一次反射波F1 波高与第一次底面回波B1 波高之比大于或等于50%；
第一次底面回波B1 消失或波高低于满刻度的50%。 b.利用半波高度法确定缺陷的波界或指示长度； c.缺陷指示长度的评定：
单个缺陷按其表观的最大长度作为其指示长度；
单个缺陷，若指示长度小于40mm时，其长度可不作记录； d.单个缺陷指示面积的评定：
单个缺陷按其表观的面积作为该缺陷的单个指示面积；
多个缺陷其相邻间距小于 100mm 或间距小于相邻小缺陷（以指示长度来比较）的指示长度（取其大值） ，其各块缺陷面积之和也作为单个缺陷指示面积。 (7)、钢板质量评定
根据钢板缺陷的指示长度、指示面积、缺陷数量、缺陷占积率等，对钢板质量进行分级。 (8)、检验报告
检验报告应具备下列内容： a.工件情况：钢板材质、钢板厚度等
b.检验条件：探伤仪型号、探头型式、检验频率、晶片尺寸、耦合剂和对比试块等
c.检验结果：包括缺陷位置、缺陷分布示意图、缺陷等级及其他； d.检验人员、报告签发人员的姓名及资格级别、检验日期等。
7.2 国际中厚板超声波探伤标准
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国际钢板探伤标准主要包括ASTM A435、ASTM A578、JIS G0801、JIS G0901、DIN SEL-072、EN 10160、ISO 12094等，这些标准各具特点，对于探伤方法、对比试块、灵敏度校准、扫查方式、缺陷评定和质量判定等方面都有着各自相同的规定。要全面了解这些探伤标准需要较长的时间，为了使大家迅速对这些标准有初步的印象，特别将这些标准中的重要规定和数据整理成汇总表，可以参见附录1： “世界中厚板超声波探伤标准汇总表” 。 7.3 探伤人员资格鉴定通则
超声波探伤对于人员资格有着严格的要求，在GB/T 2970-91 标准中规定，从事钢板超声波检验的人员须经过培训，并取得由国家各部委颁发的超声检验人员资格证书。签发报告者，必须持有 II级或II级以上超声波检验资格证书。
一般来说，探伤人员的资格鉴定需要对报考人员的身体健康状况、工作实践经历、相关理论培训和考核成绩等进行多方面的综合考评。目前国内无损检测人员的培训及资格鉴定标准为 GB/T 9445-88，而国际上通用的标准有美国ASNT-TC-1A、欧盟EN 473和ISO 9712 等。其中超声、磁粉和渗透探伤I级和II级人员的培训要求如下表所示：
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