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任务 焊缝超声探伤

超声波检测（Ultrasonic Testing，简称UT）是应用最广泛的无损检测方法之一，超声波检测方法是利用进入被检的超声波对材料表面及内部缺陷进行检测。 在工业生产中，超声波检测主要表现为超声波探伤，主要用于检查金属材料和部分非金属材料的内部缺陷，如焊缝中的气孔、裂纹、夹渣等；在民用医学上，医院里应用“B超”检查内脏或器官病变等。
超声波探伤具有灵敏度高、设备轻巧、操作方便、检测速度快、成本低且对人无害等优点，但也存在缺陷定性与定量困难的缺点。

【学习目标】
知识目标：
1）了解超声探伤的原理及应用；
2）了解常用超声探伤设备和器材的性能特点；
3）掌握超声探伤的相关知识和条件。
技能目标：
1）会按超声探伤标准要求进行探伤过程基本操作；
2）能够正确识别出缺陷；
3）能够按照格式要求填写超声探伤检验报告。

【任务描述】
任务书 焊缝超声探伤
姓名

任务名称
焊缝超声探伤
指导教师

同组人

计划用时

实施地点

时间

备注

任务内容与目标

考核项目

任务准备
资料
工具
设备

【实践操作】
一、超声探伤过程
超声探伤的操作步骤较多，探伤时各步骤都应给予足够的重视，在探伤前应根据被检工件认真编写超声探伤工艺卡，并在探伤过程中严格按工艺卡的要求操作。
（一）超声探伤工艺卡
超声探伤工艺卡应包括被检工件的原始原始数据、超声探伤的方法、部位、标准、技术要求等，见表3-3。
表3—3 超声探伤工艺卡
工艺卡编号： 共 页第 页
产品名称

产品（制造）编号

工

件

部件名称

厚度（mm）

部件编号

规格（mm）

检测项目
【】板材【】管材【】锻件【】焊缝
材料牌号

检测部位编号

破口型式

检测时机
【】焊后【】返修后【】机加后【】轧制后【】热处理后
表面状态

焊接方法
【】手工焊【】自动焊
【】氩弧焊
器
材
及
参
数
仪器型号

检测方法
【】纵波检测
【】横波检测
探头型号

表面补偿

试块型号

检测面
【】单面单侧
【】双面单侧
【】双面双侧
【】轧制面
耦合剂
【】水【】机油【】甘油【】工业浆糊
扫查速度

技术
要求
检测标准

检测比例

合格级别

检测规程编号

渗透剂型号

去除剂型号

显像剂型号

扫描线调节及说明

灵敏度校准及设定

扫查方式及说明

缺陷的记录

不允许的缺陷

扫差方式或
扫查部位示意图

编制人（资格）：

年 月 日
编制人（资格）：

年 月 日

（二）超声探伤操作步骤
现以对接焊缝为例介绍探伤时的具体的操作步骤和方法，其它接头的探伤也可以借鉴。
1．确定检验区宽度和探头移动区
检验区宽度应是焊缝宽度加上焊缝两侧相当于母材厚度30％的一段区域，这个区域最小为5mm，最大为10mm，探伤时，探头必须在探伤面上做前后左右的移动扫查，且应有一定的移动区宽度，以保证声束能扫查到整个焊缝截面。移动区宽度因采用的探伤方法不同也有差别。如图3—1所示。
直射法探伤时，移动区宽度L﹥0.75P；一次反射法时，移动区宽度L﹥1.25P
式中 P—跨距（mm）。
去除余高的焊缝，应该将余高打磨到与邻近母材平齐，保留余高的焊缝，如果焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等也要进行的适当的修磨，并作圆滑的过渡以免影响检测结果的评定。

图3—1 检测和探头移动区
2．检测时机的确定
焊接接头区域的危害性缺陷，特别是延迟裂纹，是焊接件在焊后冷却到室温时所产生的裂纹，具有延迟现象，它并不是在焊接件焊后立即产生，通常是在焊后数小时或者更长时间产生。而检测必须在延迟裂纹产生后进行，因此，把握好焊后的检测时机，防止延迟裂纹的漏检是十分重要的。
对于一般材质的焊接接头，检测规定在焊后一定时间实施。但如果焊接接头很厚，刚度和焊接应力比较大及对有延迟倾向的材料，焊后实施检测的时间应该适当延长；
低合金高强钢焊接件，检测时机一般规定在焊接完成的24小时以后；
对于强度更高的低合金高强钢焊接件，或者刚度和焊接应力极大的焊接件，焊后实施检测的时间可以延长至5-7天以后。
上述规定也适合于焊缝返修以后的焊缝。
3．探头的扫查方法
为了发现缺陷和对缺陷进行准确定位，必须正确放置和移动探头。
图3—2 锯齿形扫查
（1）锯齿形扫查 如图3—2所示，为检测纵向缺陷，探头以锯齿形轨迹往复移动，同时探头还在垂直于焊缝中心线位置上做±10°～15°的左右转动，探头的每次扫查率应大于探头直径的15%，声束尽可能垂直于缺陷。该扫查方法常用于焊缝粗探伤。
（2）基本扫查 基本扫查方式用四种，如图3—3所示。其中，转角扫查的特点是探头做定点转动，用于确定缺陷方向并区分点、条状缺陷。同时，转角扫查的动态波形有助于对裂纹的判断；环绕扫查的特点是以缺陷为中心，变换探头位置，主要是用于估判缺陷形状，尤其是对点状缺陷的判断；左右扫查的特点是探头做平行于焊缝或缺陷方向做左右移动，主要是通过缺陷沿长度方向的变化情况来判断缺陷形状，尤其是区分点、条状缺陷，并用此法来确定缺陷长度；前后扫查的特点是探头垂直于焊缝前后移动，常用于估判缺陷形状及估计缺陷高度。
采用定量灵敏度针对全面扫查发现的缺陷或异常部位，通常采用这些方式，因此，也叫精确扫查方式。

图3—3 斜探头基本扫查方式
三、缺陷定位与缺陷性质估判
（一）缺陷位置的测定
测定缺陷在工作或焊接头中的位置称这为缺陷定位。缺陷定位实际上是确定缺陷与探头的相对位置。定位时是以探头入射点或前沿长度为基准，根据反射波在示波屏上的位置及扫描速度来确定缺陷距离基准点的水平距离L和距离探伤面的垂直距离Z（深度）。
1．垂直入射法时缺陷定位
用垂直入射法探伤时，缺陷就在直探头的下面，缺陷定位只需确定缺陷在工件中的深度即可。
当探伤仪按1：n调节纵波扫描速度时，则有
Z∫=nτ∫
式中 Z∫——缺陷在工件中的深度（mm）；
n ——探伤仪调节比例系数，即超声波声程与屏幕显示距离的比值。 图3—4 垂直入射法时缺陷定位
τ∫——示波屏上缺陷波前沿所对水平刻度值。
示例 探伤仪按1：2调节纵波扫描速度，探伤中示波屏上水平刻度“75”处出现一缺陷波，求此缺陷在工件中的深度Z∫。
解 Z∫=nτ∫=2×75mm=150mm
2．斜角探伤时缺陷定位
用斜探头探伤时，缺陷在探头前方的下面，其位置可用入射点至缺陷的水平距离L∫、缺陷到探伤面的垂直距离Z∫两个参数来确定。
（1）水平调节法定位 （母材厚度δ< 20mm采用此法） 探伤仪按水平1：n调节横波扫描速度时，则有;
直射法探伤 L∫= nτ∫ （3—1）
Z∫= nτ∫/K
一次反射法探伤 L∫= nτ∫ （3—2）
Z∫=2δ- nτ∫/K
式中 L∫ ——缺陷在工件中的水平距离（mm）；
Z∫——缺陷在工件中的深度（mm）；
τ∫——缺陷波前沿所对水平刻度值；
n ——探伤仪调节比例系数；
δ——探伤厚度（mm）；
K——探头K值（K=tgγ）。
示例 用K2横波斜探头探伤厚度15mm的钢板焊缝，仪器按水平1：1调节横波扫描速度，探伤中在水平刻度τ∫=45mm处出现一缺陷波，求此缺陷位置。
解 由于Kδ=2×15mm=30mm，2Kδ=60mm，Kδ<τ∫<2Kδ,可以判定此缺陷是二次波发现的，因此
L∫= nτ∫=1×45mm=45mm 图3—5 斜角探伤时缺陷定位
Z∫=2δ- nτ∫/K=(2×15-1×45/2)mm=7.5mm
（2）深度调节法定位（母材厚度δ≥20mm采用此法），
探伤仪按深度1：n调节横波扫描速度时，则有
直射法探伤 L∫=K nτ∫ （3—3）
Z∫= nτ∫
一次反射法探伤 L∫=K nτ∫ （3—4）
Z∫= 2δ-nτ∫
示例 用K1.5横波斜探头探伤厚度20mm的钢板焊缝，仪器按深度1：1调节横波扫描速度，探伤中在水平刻τ∫=40mm 处出现一缺陷波，求此缺陷位置？
解 由于δ<τ∫<2δ,可以判定缺陷是二次波发现的,因此
L∫=K nτ∫=1.5×1×40mm=60mm
Z∫= 2δ-nτ∫=(2×30-1×40)mm=20mm
（二）缺陷大小的测定
测定工件或焊接接头中缺陷的大小和数量称为缺陷定量。工件中的缺陷是多种多样的，但就其大小而言，可分为小于声束截面和大于声束截面两种。对于前者缺陷定量一般使用当量法；而对于后者缺陷定量常采用探头移动法。
1．当量法
其原理是把缺陷波与同声程的已知形状和尺寸的人工缺陷（平底孔或横孔）回波相比较，与缺陷反射波高相同的人工缺陷的尺寸即认为是该缺陷的当量。值得注意的是，“当量”仅表示缺陷与该尺寸人工缺陷对声波的反射能量相同，并不表示缺陷尺寸与人工缺陷尺寸相等。因为工件中缺陷所处的情况是千变万化的，缺陷倾斜度、表面粗糙度及包含物等不同，都会影响到缺陷对声波的反射，因此可能使大缺陷的反射波反而很小。
当量法主要有当量曲线、当量计算法等。对于焊缝探伤常采用当量曲线法，即利用具有同一孔径、不同距离的横孔试块制作的距离—波幅曲线（DAc曲线），对照检查出缺陷区域和当量。

示例 探伤用距离—波幅曲线如图3—6所示，若探伤中在深度Ay=45mm处有一缺陷回波，可将其先调到最高，再调到基准高度（例如满刻度的40%）， 图3—6 当量曲线法
此时dB读数为Vx=20dB，这时过Ay=45mm和纵坐标Vx=20dB分别作相应坐标的垂线，交于图3—6中一点。据此可以求得该缺陷的区域和当量。
2．探头移动法
对于尺寸或面积大于声束直径或断面的缺陷，一般采用探头移动法来测定其指示长度或范围。
GB/T11345—1989规定，缺陷指示长度的测定推荐采用以下二种方法。
1）当缺陷反射波只有一个高点或高点起伏小于4dB时，用降低6dB相对灵敏度法测长，如图3—7所示。

图3—7 相对灵敏度测长法

2）在测长扫查过程中，如发现缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点，则以缺陷两端反射波最大值之间探头的移动长度确定为指示长度，即为端点峰值法，如图3—8所示。

图3—8 端点峰值测长法
（三）缺陷性质的估判
判定工件或焊接接头中缺陷的性质称之为缺陷定性。到目前为止，在超声波探伤中对缺陷定性仍是个难点，因为不同性质的缺陷其反射回波波形区别不大。对缺陷定性在很大程度上要靠检验人员的实际经验和操作技能，并根据缺陷波的大小、位置及探头移动时波幅的变化特点，结合焊接工艺情况进行综合判断，结果往往存在较大误差。因此，这里仅简单介绍焊接缝中常见缺陷的波形特征。
1．气孔
单个气孔回波高度低，波形为单峰，较稳定，当探头绕缺陷转动时，缺陷波高大致不变，但探头定点转动时，反射波立即消失；密集气孔会出现一簇反射波，其波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼伏现象。
2．裂纹
缺陷回波高度大，波幅宽，常出现多峰。探头平移时，反射波连续出现，波幅有变动；探头转动时，波峰有上下错动现象。
3．夹渣
点状夹渣的回波信号类似于单个气孔。条状夹渣回波信号多呈锯齿状，由于其反射率低（原因是固体夹渣可以传播超声波），波幅不高且形状多呈树枝状，主峰边上有小峰。探头平移时，波幅有变动；探头绕缺陷移动时，波幅也会发生变化。
4．未焊透
由于未焊透对超声波的反射率高（厚板焊缝中该缺陷表面类似镜面反射），波幅均较高。探平头移时，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。
5．未熔合
当声波垂直入射该缺陷表面时，回波高度大。探头平移时，波形稳定。焊缝两侧探伤时，反射波幅不同，有时只能从一侧探测到。
另外，在焊缝探伤中，示波屏上常会出现一些非缺陷引起的反射信号，称之为假信号。产生假信号的原因是多方面的，对假信号的识别主要靠探伤人员的实际经验和操作技能，故这里不予介绍。
（四）、焊缝质量评定
按照JB/T4730.3-2005标准进行质量评定
1．缺陷评定
1）超过评定线的缺陷信号应注意其是否具有裂纹等危害性缺陷特征，如有怀疑应采取改变探头角度、增加探伤面、观察动态波形的探伤方法并结合焊接工艺特征作出综合判断，或辅助其它检验方法（如射线照相法）作综合判定。
2）缺陷指示长度小于10mm时，按5mm计。
3）相邻两缺陷在一直线上，其间距小于其中较小的缺陷长度时，应作为一条缺陷处理，以两缺陷长度之和作为其单个缺陷的指示长度（间距不计入缺陷长度）。
2．检验结果的等级分类
见下表3-4 表3-4 焊接接头质量分级
五、记录与报告
焊缝超声波探伤后，应将探伤数据、工件及工艺概况归纳在探伤的原始记录中，并签发检验报告。检验报告是焊缝超声波检验的存档文件，经质量管理人员审核后，正本发送委托部门，其副本由探伤部门归档，一般应保存7年以上。
探伤记录和报告的格式可参考表3—5和表3—6。
表3—5 焊缝超声波探伤记录
工件名称：
工件编号：
检验次序：○首次检验○一次复验○二次复验
探测条件

探 头
反 射 体
基准波高满幅％
反射体波幅dB
传输
修正
dB
探伤灵敏度dB
探测深度
mm
序号
角度
(γk)
频率
MHz
尺寸
形状
(φ)
深度
mm
试块
1

2

3

焊缝
编号
检验区段号
探头
序号
缺陷
编号
缺陷
位置
mm
深度
mm
指示
长度
mm
波幅
dB
评定
检验人
备 注

→

→

→

表3—6 焊缝超声波探伤报告
报告编号
报告日期 年 月 日
产品名称：
令号：
工件名称：
工件编号：
材料：
厚度：
焊缝种类：○平板 ○环缝 ○纵缝 ○T形 ○管座
焊接方法：
焊缝数量：
探伤面： 检验范围： ％
探伤面状态：○修整 ○轧制 ○机加 ○其它
检验规程：
验收标准：
工艺卡编号：
探伤时机：○焊后 ○热处理后 ○水压试验后 ○其它
仪器型号：
耦合剂：○机油 ○甘油 ○浆糊 ○其它
探伤方式：○垂直 ○斜角 ○单探头 ○双探头 ○串列探头
扫描调节：○深度 ○水平
比例：
试块：
探伤部位示意图： 探伤位置

探伤结果及返修情况
焊缝编号
检验长度
显 示 情 况
一次返修缺陷编号
二次返修缺陷编号
说明：
NI：无应记录缺陷
RI：有应记录缺陷
UI：有应返修缺陷

○NI ○RI ○UI

○NI ○RI ○UI

○NI ○RI ○UI

○NI ○RI ○UI

检验焊缝总长： mm，一次返修总长： mm，
二次返修总长： mm，同一部位经 次返修后合格
附：检验及复验记录 页
备注：
结论： ○ 合格 ○不合格
检验： UT 级 审核： UT 级

六、焊缝超声波探伤的一般程序
焊缝超声波探伤可分为探伤准备和现场探伤两部分，其一般程序如图3—9所示。这里仅对前面没有提到的某些问题作一简要解释。

图3—9 焊缝超声波探伤的一般程序

（1）委托检验 委托检验单内容应有工件编号、材料、尺寸、规格、焊接方法种类、坡口形式等，同时也应注明探伤部位、探伤百分比、验收标准、级别或质量等级，并附有工件简图。
（2）指定检验人员 超声波探伤一般安排二人同时工作，并因超声检验通常要当即给出检验结果，故至少应有一名Ⅱ级人员担任主探。
（3）了解焊接情况 是探伤前的一项重要准备工作。探伤人员了解工件和焊接工艺，以便根据材质和工艺特征，预计可能出现的缺陷及分布规律。同时，向焊工了解在焊接过程中偶然出现的一些问题及修补等详细情况，可有助于对可疑信号的分析和判断。
（4）粗探伤 主要目的是发现缺陷。主要内容是探测各种方向的缺陷，并做好标记；以及鉴别结构的假信号等。
（5）精探伤 针对粗探伤中出现的缺陷，进一步确切测定缺陷的大小及位置。
（6）评定缺陷 系指对缺陷反射波幅的评定、指示长度的评定、密集程度的评定及缺陷性质的估判。根据评定结果给出受检焊缝的质量等级。但是，焊缝超声波探伤有其特殊性。有些评定项目并不规定等级概念，而往往与验收标准联系在一起，直接给出合格与否的结论。
【相关知识】
一、 超声探伤原理
超声波（以焊缝为例）的检测原理如下：
超声波探伤仪产生电信号，通过超声波探头产生超声波，通过耦合剂（机油或者甘油），进入焊缝表面
如果碰到缺陷，超声波返回再通过探头产生电信号，经过超声波探伤仪转换成回波，观察回波来定位定量缺陷。

图3—10 焊缝超声波探伤原理
二、超声探伤方法分类
在超声波探伤中，由于探头与工件接触方式不同，超声波探伤方法也不同。主要有以下方法。

1 按照原理可分为：脉冲法、穿透法、共振法，目前主要应用脉冲反射法。
2 按操作方式：手工检测法、自动检测法。
3 按探头个数：单探头法、双探头法和多探头法。
4 按探头与试件的接触方式，可分为接触法和液浸法。
工业探伤中，主要根据工件情况确定检测方法，因此，重点介绍接触法和液浸法。
一、直接接触法超声波探伤
由于超声波的性质，一般认为超声波不能在空气中传播，因此使用直接接触法应在探头和被探工件表面之间使用耦合剂，作为传声介质。常用的耦合剂有机油、变压器油、甘油、化学浆糊、水及水玻璃等。焊缝探伤多采用化学浆糊和甘油。由于耦合剂层很薄，因此可以认为探头与工件直接接触。
直接接触法主要采用A型脉冲反射法探伤仪的工作原理，由于操作方便，探伤图形简单，判断容易且探伤灵敏度高，因此在实际生产中得到最广泛应用。但该法对工件探侧面的表面粗糙度要求较高，一般要求在Ra6.3μm以下。
垂直入射法和斜角探伤法是直接接触法超声波探伤的两种基本方法。
1．垂直入射法
垂直入射法（简称垂直法）是采用直探头将声束垂直入射工件表面进行探伤。由于该法是利用纵波进行探伤，故又称纵波法，如图3—11所示。当直探头在工件探伤面上移动时，经过无缺陷处探伤仪示波屏上只有始波T和底波B，如图3—11a。如探头移到有缺陷处，且缺陷的反射面比声束小时，则示波屏上出现始波T、缺陷波F和底波B，如图3—11b若探头移至大缺陷（缺陷比声束大，超声波全部被反射）处时，则示波屏上只出现始波T和缺陷波F，如图3—11c。

图3—11 垂直入射法探伤
a)无缺陷 b)小缺陷 c)大缺陷
可以看出，垂直法探伤能发现与探伤面平行或近似于平行的缺陷，适用于磨平的焊缝，厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。
2．斜角探伤法
斜角探伤法（简称斜射法）是采用斜探头将声束倾斜入射工件表面进行探伤。由于它是利用横波进行探伤，故又称横波法，如图3—12所示。当斜探头在工件探伤面上移动时，若工件内没有缺陷，则声束在工件内经多次反射将以“W”形路径传播，此时在示波屏上只有始波T，如图3—12a。当工件存在缺陷，且该缺陷与声束垂直或倾斜角很小时，声束会被缺陷反射回来，此时示波屏上将显示出始波T、缺陷波F，如图3—12b。当斜探头接近板端时，声束将被端角或端面反射回来，此时在示波屏上将出现始波T和端角（面）波B，如图3—12c。

图3—12 斜角探伤法
a)无缺陷 b)有缺陷 c)接近板端

显然，斜角探伤法能发现与探测表面成角度的缺陷，常用于焊缝、环状锻件、管材的检查。
用斜角法探伤焊缝，缺陷位于探头前面斜下方，但对缺陷的准确定位，需要根据探头与缺陷的几何关系来确定，如图3—13所示。

图3—13 焊缝斜角探伤用语
二、液浸法
液浸法是将工件和探头头部浸在耦合液体中，探头不接触工件的探伤方法。根据工件和探头浸没方式，分为全没液浸法、局部液浸法和喷流式局部液浸法等。其原理如图3—21所示。
液浸法探伤由于探头与工件不直接接触，因此它具有探头不易磨损、声波的发射和接收比较稳定、探测速度快等优点。常用于坯材和型材（无缝钢管、不锈钢管等）、特殊工件（双金属的粘结层、复合材料等）和焊缝的精密探伤。其主要缺点是，它需要一些辅助设备，如液槽、探头桥架、探头操纵器等。同时，还由于液体耦合层一般较厚而声能损失较大。

图3—14 液浸法探伤
a) 全没液浸法 b) 局部液浸法 c) 喷流式局部液浸法

三、超声探伤法应用
超声探伤在焊接中主要应用在以下方面：
1）中厚板对接接头的超声探伤；
2）管座角焊缝和T型焊接接头的超声探伤；
3）堆焊层的超声探伤；
4）铝对接接头的超声探伤；
5）钢制承压设备管子和压力管道环向焊接接头的超声探伤；
6）船体的焊接接头的超声探伤；
7）钢结构的焊接接头的超声探伤；
四、超声探伤主要设备
在超声探伤过程中要用到许多设备和器材，其性能将直接影响探伤的结果，现将生产中用的主要探伤设备介绍如下。
（一）超声波探伤仪
超声波探伤仪是探伤的的主体设备，其主要功能是产生与超声波频率相同的电振荡，激励探头发射超声波；同时，它又将探头接收到的回波转换成电信号并予以放大、处理，再以一定方式在示波屏上显示出来。
（1）超声波探伤仪的分类
（1）按超声波的连续性分类
按超声波的连续性可将超声波探伤仪分为脉冲波、连续波和调频波探伤仪三种。 图3—15数字超声波探伤仪
由于后两种探伤仪的灵敏度低，缺陷测定有较大局限性，故在焊缝探伤中不采用。
（2）按显示缺陷的方式 按显示缺陷的方式可将探伤仪分为A型显示（缺陷波幅显示）、B型显示（缺陷侧视图象显示）、C型显示（缺陷俯视图象显示）和3D型显示（ 缺陷三维图象显示）超声波探伤仪。
（3）按超声波的通道数目 按超声波的通道数目又可将其分为单通道和多通道两种。前者是由一个或一对探头单独工作；后者是由多个或多对探头交替工作，而每一通道相当与一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。
目前，焊缝探伤中广泛使用的是A型显示脉冲反射式单通道超声波探伤仪。
（2）A型脉冲反射式超声波探伤仪
该探伤仪相当与一台专用示波器。这里只简单介绍其工作原理及与探伤结果有直接关系的性能。
1．工作原理
A型脉冲反射式超声波探伤仪电路原理框图如图3—13所示。接通电源后，同步电路产生的触发脉冲同时加在扫描电路和发射电路。扫描电路受触发后产生的锯齿波电压加到示波管水平轴（x轴）上，从而在示波屏上产生一条水平扫描基线，又称时间基线。与此同时，发射电路受触发后产生高频脉冲加至探头，激励压电晶片振动而产生超声波，超声波经耦合剂导入工件，在工件中传播时遇到缺陷或底面即发生反射，反射回波被同一探头接收并被转换成电信号，经接收电路放大和检波后加到示波管垂直轴（y轴）上，在示波屏水平扫描线的相应位置上产生始波T（表面反射波）、缺陷波F、底波B。
实际上，该探伤仪示波屏上横坐标反映了超声波的传播时间，纵坐标反映了反射波的振幅，因此通过始波T与缺陷波F之间的距离，即可确定缺陷距离表面的位置，同时缺陷波F的高度可确定缺陷的大小。

图3—13 A型脉冲反射式超声波探伤仪原理

2．探伤仪主要性能
探伤仪的性能直接影响探伤结果的准确性，因此有关标准对探伤仪的性能做了规定。
（1）水平线性 又称扫描线性。是指扫描线上显示的距离与反射体距离成正比的程度，它关系到缺陷定位准确与否。
（2）垂直线性 又称放大线性。是指反射波幅与接收信号电压成正比的程度，它关系到缺陷定量的准确性。
（3）动态范围 是指示波屏上回波高度从满刻度（100％）降至消失时仪器衰减器的变化范围。该变化范围越大，能检测出的缺陷越小。

（二）探头
超声波探头又称压电超声换能器，是实现电—声能量相互转换的能量转换器件。

图3—14 系列探头
（1）探头的种类与结构
由于工件形状和材质、探伤目的和探伤条件等不同，探伤时将使用各种不同形式的探头。
下面介绍焊缝探伤中常使用的几种探头：
1．直探头
图3-15 直探头
声束垂直于被检工件表面入射的探头称为直探头。它可发射和接收纵波。它是由压电元件、吸收块、保护膜和壳体等组成。
2．斜探头（Angle Probe）
利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头。典型的斜探头结构如图3—17所示，它是由探头蕊、斜楔块、吸收块和壳体等组成。探头蕊与直探头相似，有压电元件和吸收块组成。斜楔块由有机玻璃制成，它与工件组成固定倾斜的异质界面，使压电元件发射的超声波通过波形转换，使在工件中传播的只有折射横波。斜楔块的角度不同就使
图3-16 系列斜探头
得入射工件的超声波的角度不同，因而可以探测不同厚度的工件。通常斜探头是以横波在钢中的折射角标称：γ=400、450、500、600、700；或以折射角的正切值标称：k=tgγ=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。

图3—17 斜探头结构
1—吸收块 2—斜楔块 3—压电元件 4—内部电源线 5—外壳 6—接头
3．水浸聚焦探头
该探头是一种由超声探头和声透镜组合而成的探头，类似光学透镜能使光线聚焦一样，可使超声波束聚集成一点（点聚焦探头）或一条线（线聚焦探头）。由于聚焦探头使超声波的声束变细，声能集中，因而可大幅度提高超声波的指向性，从而提高灵敏度和分辨力。
4．双晶探头
双晶探头又称分割式TR探头，内含两个压电晶片，分别为发射、接收晶片，中间用隔声层隔开。主要用于探测近表面缺陷和薄工件的测厚。
（2）探头的主要参数
超声波探伤时，探头性能直接影响探伤的结果。因此探头的有关性能指标（探头使用过程中由于磨损会发生变化）需要定期测定以保证探伤结果的准确性与可靠性。
焊缝超声波探伤常使用斜探头。斜探头的主要性能如下：
1．折射角γ（或探头K值）
γ或K值大小决定声束入射工件的方向和在工件中的传播途径，可以依据该值进行缺陷的定位计算，因此探头使用磨损后应重新测量γ或K值。
2．前沿长度
声束入射点至探头前端面的距离称为前沿长度，又称接近长度。它反映了探头对有余高的焊缝可接近的程度。入射点是探头声束轴线与斜楔块底面的交点。入射点对缺陷定位有重要影响，因此探头在使用前和使用过程中，要经常测定入射点的位置，以便对缺陷进行准确定位。
3．声轴偏离角
声轴偏离角是主声束中心轴线与晶片中心法线的夹角。该角会影响缺陷定位和测量缺陷指示长度的精度，还会影响探伤操作者对缺陷方向性的判断，从而影响对缺陷的分析。声轴偏离角应符合GB/T11345—1989《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级》标准规定。
（3）探头型号
通常，探头型号表示出它的额定参数。探头型号由五部分组成，其排列顺序如下：
第一位表示基本频率，用数字表示，单位为MHz。
第二位表示晶片材料，用化学元素符号的缩写表示，
第三位表示晶片尺寸，用数字表示，单位为mm。其中圆形晶片表示直径；方形晶片用长×宽表示。
第四位表示探头种类，用汉语拼音缩写字母表示，直探头也可以不标出，主要种类见表3—7。
表3—7 常用探头种类及代号
探 头 种 类
代 号
直探头
Z
斜探头(用K值表示)
K
斜探头(用折射角表示)
X
水浸探头
SJ
表面波探头
BM
第五位表示探头特征斜探头K值或折射角(单位为°)；水浸聚焦探头为水中焦距，单位为mm，最末尾附加DJ表示点聚焦，附加XJ表示线聚焦。
斜探头的特征值K值与折射角的关系见表3—8。
表3—8 K值与折射角的关系
K(tgβ)
1
1.5
2
2.5
3
折射角(β)
45°
56°
63°
68°
72°

探头型号举例说明如下：
2.5 B 20 Z
直探头
圆晶片直径20mm
晶片用钛酸钡陶瓷制成
基本频率2.5MHz
5 P 6×6 K 3
斜探头K=3.0
以K值表示的斜探头
方形晶片尺寸6mm×6mm
晶片用锆钛酸铅陶瓷制成
基本频率5MHz

（三）试块
射线探伤的灵敏度是通过使用“人工缺陷”像质计来衡量的。而超声波探伤的灵敏度则是通过试块来确定。试块是按一定用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件。它是探伤标准的一个组成部分，是判定探伤对象的重要尺度。
根据使用目的和要求，通常将试块分为标准试块和对比试块两大类。
1．标准试块
标准试块是由法定机构对材质、形状、尺寸、性能等作出规定和检定的试块。由国际机构（如国际焊接学会、国际无损检测协会等）制定的标准试块，称为国际标准试块，如IIW试块；由国家机构制定的标准试块称为国家标准试块，如日本STB—G试块。
我国GB/T11345—1989标准规定：CSK—IB试块为焊缝探伤用标准试块。该试块是ISO—2400标准试块（即IIW—I型试块）的改变形，其尺寸和形状如图3—18所示。

图3—18 CSK—IB试块
CSK—IB试块的主要用途：
（1利用R100mm圆弧面测定探头入射点和前沿长度，利用Φ50mm孔的反射波测定斜探头折射角或K值。
（2）校验探伤仪的水平线性和垂直线性。
（3）利用Φ1.5mm横通孔的反射波调整探伤灵敏度，利用R100mm圆弧面调整探测范围。
2．对比试块
对比试块又称参考试块，它是由各专业部门按某些具体探伤对象规定的试块。GB/T11345—1989标准规定RB试块为焊缝探伤用对比试块。该试块有三种，分别适用于不同的板厚即RB—1(适用于8～25mm板厚)、RB—2(适用于8～100mm板厚)和RB—3(适用于8～150mm板厚)，其形状和尺寸如图3—19所示、如图3—20所示、如图3—21所示。

图3—19 RB—1试块

图3—20 RB—2试块

图3—21 RB—3试块
RB试块主要用于绘制距离—波幅曲线，调整探测范围和扫描速度，确定探伤灵敏度和评定缺陷大小。它是对工件进行评级判废的依据。

【拓展与提高】
一、探伤仪的调节
工业超声波探伤中，实际操作由具有专业资质的无损检测人员来完成，具体操作如下：
探伤仪的调节包括两个方面：一是探伤范围和扫描速度的调节；二是灵敏度的调整。
1．探伤范围的调节
探伤范围的选择应以尽量扩大示波屏的观察视野为原则，一般要求受检工件的最大探测距离的反射信号位置应不小于刻度范围的2/3。探伤范围可通过仪器上的“深度（粗调）”旋钮，改变它的不同档级来调节。
2．扫描速度的调节
调节扫描速度的目的是为了利用缺陷波与始波的相对位置关系对缺陷进行准确定位。
使用直探头探伤时，底面反射波很容易找到，可利用已知尺寸的试块不同底面反射波的前沿，通过调节仪器上“深度”、“微调”、“水平”旋钮使其分别对准示波屏上相应刻度值来实现。但在斜角法探伤中找不到底面反射波，因此调整扫描速度比较困难。
探伤仪横波扫描速度有声程、水平和深度三种调节方法。在焊缝探伤中推荐：厚板（δ＞20mm）焊缝采用深度调节法；中薄板（δ≤20mm）焊缝采用水平调节法。
（1）深度1∶1调节法 该法是利用CSK—IB试块上R50mm、 R100mm圆弧面来调节扫描速度，使示波屏刻度板的读数与探头入射点距反射体的垂直距离形成1∶1的一种定位方法。调节方法如下：
1）先计算CSK—IB试块上R50mm、 R100mm圆弧面反射波B1、B2对应的深度Z1、Z2：
Z1=50/(1+K2)1/2
Z2=100/(1+K2)1/2=2 Z1
式中 K—斜探头实测的K值。
2）探头入射点对准圆心。
3）调节探伤仪（调节深度、微调、水平旋钮），使B1、B2前沿分别对准示波屏上相应水平刻度值，必须注意使Z2=2 Z1，