谈机械零件检测中的超声波探伤技术

郑立文　赵丽华

摘 要：介绍了超声波探伤技术特点，重点阐述了超声波探伤的技术方法及对探伤结果的分析判断方法。

关键词：机械零件；检测；超声波；探伤

中图分类号：TH17 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.011

超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在截面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。将超声仪器探头（此探头就是产生和发射超声波的）接触被检查零件，使超声波传至零件。当超声波遇到缺陷时，就会引起反射，再经过探头的接收和仪器的放大作用而显示在超声仪器的荧光屏上，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

1 超声波探伤技术特点

超声波探伤能对金属和非金属内部的缺陷进行非破坏性检查。它的速度快、穿透能力强、灵敏度高并且效果好。能探测5～300 mm厚的零件，可以立即判断出缺陷的深度、位置、范围和性质。此外，它的设备轻巧、操作方便、成本低并且对人体无害。

为了使超声波尽可能地传入零件内部，要求零件表面应平整光滑，最好零件表面粗糙度Ra不大于3.2 μm，以使零件表面與探头接触良好。

在临近探伤表面的一段距离内如有缺陷，其反射波和始波无法分辨出来，因而无法判断其有无缺陷，故此距离内称为盲区。盲区大小是由仪器设计参数决定的。我国出产的超声波探伤仪，在钢材中其盲区一般为5 mm左右。如果使用能产生表面波的探头，可以探测零件表面的缺陷，以弥补纵、横波探伤所难以发现的“死区”内部缺陷的不足之处。同样，每一型式的超声波探伤仪都有一定的分辨率，即对零件内部相邻近两个缺陷的区分能力。一般的超声波探伤仪在钢材中的分辨率为5 mm左右。超声波探伤在农机修理中主要用于对轴类零件的探伤，但对汽缸套检查效果不是很好。

2 超声波探伤的方法

超声波探伤的方法有穿透法、共振法及脉冲反射法3种，常用的为脉冲反射法。现代超声波探伤已逐步向显像法及自动化方向发展，以下简单介绍脉冲反射法。

脉冲反射法是利用超声波在两种不同的介质表面上发生反射作用，由脉冲反射式超声波探伤仪发射超声波，并将反射回来的超声波通过接收仪，在荧光屏上以可见光波的形式显示出来，来达到探伤目的。当零件内部有缺陷时，射入的超声波除碰到零件的底面发生反射外，碰到缺陷亦会发生反射。因为缺陷处和底面至零件表面的声程不同，故在荧光屏上显示出距离和底面及表面成正比例的缺陷反射波。当零件内部没有缺陷时，则荧光屏上只有底波、始波，而没有缺陷反射波。

3 超声波探伤结果的分析判断

3.1 缺陷性质的分析判断

由于零件内部的各种缺陷其形成原因、性质、形状及大小的不同，超声波反射的波幅高度、波的形状、波的分布及反射波的次数等情况也不同。在超声波探伤过程中，常碰到如图所示的各种情况：

（1）无缺陷时的正常波。底波反射信号与始波反射信号一样高，如图中a所示。

（2）裂纹波。在裂纹内一般存在空气，对超声波反射较强，通常有较大的反射面积，反射波形状一般尖锐角多，稍移动探头，波形不马上消失，而是慢慢降低，有明显的方向性，如图中b所示。

（3）气孔波。因气孔形状较规则，并充满气体，对超声波反射强，在荧光屏上出现一个小而独立尖锐的波，因其体积小，稍移动探头，反射波即会消失，并从不同方向皆可探测，如图中c所示。

（4）夹渣缺陷波。缺陷形状不规则，反射波呈多角较宽，波形较裂纹波迟钝和矮小，如图中d所示。

（5）疏松缺陷波。因很多细小和显微性缩孔密集所造成，对声能吸收大，严重时甚至无缺陷波也无底波，如图中e所示。

（6）白点缺陷波。白点亦属钢中的一种微细的内部裂纹，系在热加工后冷却较快，由于氢的扩散而形成。一般是多个在一起的，属于内部小裂纹群，分布较均匀，彼此独立，缺陷波反射数目较多，比较尖锐，如图中f所示。

3.2 缺陷位置的判断

当用超声波发现缺陷后，了解缺陷在零件内部存在的位置是十分重要的。因为知道其位置后才便于处理。超声波探伤的缺陷定位方法较多，现就比较常用的几何刻度法介绍如下：为了便于缺陷定位，在荧光屏或在透明有机玻璃板上刻有十等分刻度线，将始波和底波分别与刻度线0和10对齐，从而就可方便的比较出缺陷的位置。根据缺陷波出现在几何刻度上的某一相应位置，便可以定出缺陷位置。如零件在探伤方向上长为100 mm，并与几何刻度相对应，此时如在刻度5处出现缺陷波，则可得知实际缺陷是被探零件在探测方向上1/2处，即距离探测面50 mm处。

3.3 缺陷大小的判断

零件经超声波探伤发现缺陷后，必须确定其大小，以判定零件质量情况。确定缺陷大小的方法有试块比较法、半波高度法及脉冲消失法等。试块比较法是将缺陷波的幅度与试块上相应人造平底孔缺陷波的幅度比较，如缺陷波与平底孔波幅度相等时，便可得知缺陷相当于试块上平底孔的大小。但采用此法时必须做到试块材料应与被探零件材料一样，探测时仪器的灵敏度要一样，也就是用同一台仪器的同一种灵敏度探测零件和试块。半波高度法适合于检查埋藏深度不大，界面整齐的缺陷。此法的实质是根据缺陷反射波能量减半的原理而建立的。脉冲消失法适用探测大面积的缺陷。