什么是超声波检测？如何使用？

超声波检测是一种无损检测方法，利用高频声波检查材料的内部结构而不对其造成损伤。

它的工作原理类似于工业部件的医学超声波，向零件内部发送声脉冲，并通过分析返回的回波来发现缺陷或测量厚度。

例如，要确认焊缝是否完全牢固，或从外部测量管道的壁厚，超声波检测都是理想的解决方案。

在本文中，我将详细解释超声波检测的工作原理。

我们将介绍其在缺陷检测、厚度测量和材料表征方面的主要应用，以及它为何被航空航天、石油天然气和运输行业广泛采用。

之后，我将向您介绍这种强大检测技术所需的设备、技术方法、优势以及局限性。

准备好深入了解了吗？

什么是超声波检测？

超声波检测（UT）是一种无损检测（NDT）方法，使用工业级超声波来确保零件不含隐藏的裂纹或厚度异常。

其基本原理是通过材料（例如管道）发送极高频率的声波，以发现隐藏的问题而不造成任何损伤。

这些声波的频率远高于人类听觉范围，通常在0.1到15兆赫兹（MHz）之间，但有时可以高达50 MHz。

核心原理非常简单。

设备向待检零件发送声脉冲。如果声波顺利穿过且未发现问题，它的传播行为是可预测的。

但如果遇到裂纹、空洞或材料变化，部分声能会以回波的形式反射回来。通过分析这些返回的回波，技术人员可以定位隐藏在部件内部的缺陷。

这种检查零件整个体积的能力，使其成为相比其他方法更强大的检测手段。

像复制胶泥、液体渗透或磁粉检测等技术非常适合发现表面缺陷，但无法观察内部情况。

使用超声波的检测为您提供表面之下的视野。

为保持一致性，技术人员使用标准化的术语来描述测试结果和设备，这在ASTM E1316-23标准中有详细规定。

另一个优势是安全性。

与使用X射线的射线检测不同，UT中的高频声波对操作员完全无害。

这使得检查可以在繁忙的工作区域进行，而无需采取与辐射相关的特殊安全预防措施。

这对工业工厂来说是一个巨大的优势。

超声波检测如何工作？

超声波检测可以说是一种工业声纳。

正如我在上一章所说，您所做的就是将高频声音发送到零件中，然后分析返回的回波。这些回波创建了材料内部状况的图像。这种方法可以揭示隐藏的缺陷或测量厚度，而不会对部件造成任何损伤。

典型的检测系统包含几个关键要素：

• 换能器，这是您放置在材料上的部分。
• 脉冲/接收器，用于产生和监听电信号。它向换能器发送高压脉冲。
• 换能器内部的特殊压电晶体受电流激发而振动，产生声波。

当回波返回时，晶体将声音转换回电信号，显示在屏幕上供分析使用。

在显示屏上，返回的回波以峰值形式显示。

峰值的高度或幅度代表反射的强度，可以反映反射体的尺寸。

峰值沿时间或距离轴的位置显示声音传播所需的时间。根据这个传输时间，技术人员可以计算出缺陷的精确深度。

这是基本设置，但有多种类型（或称”子技术”）可供选择。

脉冲回波法

在这种设置中，单个换能器同时充当发射器和接收器。

它将短脉冲声音导入零件，然后监听反射。回波将从材料的远端（称为“后壁”）或任何内部不连续处（如裂纹）反射回来。

这是执行测试非常实用的方法，因为您只需要接触部件的一侧：无需移动或拆卸零件进行测试。

对于石油天然气等行业来说，这是一个很大的优势，因为管道通常非常大且难以移动。

穿透传输法

这种方法使用两个独立的换能器。

一个从一侧发送声音，另一侧的接收器监听信号。

如果它们之间存在缺陷，就会阻挡或削弱声音。接收器会接收到较弱的信号或根本没有信号。

耦合剂

空气是传输高频声音的不良介质。如果您将干燥的换能器直接放在金属表面上，大部分声能会从表面反射回来。

要获得良好的声音传输，您需要液体耦合剂。

这通常是凝胶、油或水，用于填充换能器和测试件之间的微小空气间隙。

一些现代技术不需要耦合剂。像电磁声换能器（EMAT）或激光激励这样的方法可以直接在零件内产生声音。

这些方法非常适合检查高温、粗糙或快速移动的物体，在这些情况下使用液体耦合剂是不现实的。

声波与材料的相互作用

当声波撞击不同材料的边界时，部分声波会反射回来。

这就是反射。

这是由于一种称为声阻抗的特性而发生的，它与材料的密度和其中的声速有关。

声阻抗的巨大差异，例如钢和空气之间，会产生强烈的反射。这就是为什么裂纹会清楚地显示出来。

如果声波以一定角度撞击边界，当它进入新材料时会改变方向。

这种弯曲就是折射（与使吸管在一杯水中看起来弯曲的效应相同）。

这一原理由斯涅尔定律描述，用于将声束引导到不在换能器正下方的区域，例如焊缝的倾斜面。

并非所有声音都在边界处反射或折射。

一些声能会继续穿过新材料。

这就是穿透。

超声波检查的目标是平衡反射和穿透，以便您可以在整个材料中找到缺陷而不丢失声音信号。

UT中使用的波模式

操作员可以为检查选择不同类型的声波或波模式。

每种模式都会使材料中的粒子以不同的方式振动。

这些不同的振动具有用于发现特定类型缺陷的独特特征。

以下是这些不同类型振动的列表：

• 纵波，也称为L波：粒子沿波传播的相同方向前后移动。
  这些是最快的声波，可以通过固体、液体和气体。它们通常用于厚度测量。
• 横波或T波：粒子垂直于波传播方向振动。横波仅能通过固体传播，移动速度比纵波慢。
  它们对小反射体的高灵敏度使其非常适合检查焊缝。
• 表面波，称为瑞利波：它们沿零件表面传播，就像水面上的波纹一样。
  它们的能量集中在靠近表面的非常浅的层中。这使它们非常适合发现破坏表面的微小裂纹。
• 板波，通常称为兰姆波：技术人员使用它们来检查薄材料，如金属板或复合板。这些波穿过材料的整个厚度，由其顶部和底部表面引导。
  它们适用于从单个检查点快速筛查大面积区域。

这基本上是您在实际应用中会看到的4种波模式。最广泛使用的是L波，但作为工程师，您应该始终选择适合您需求的波型。

设备和显示方法

要用声音查看材料内部，您需要合适的工具来产生声音、监听回波并显示结果。

超声波检测系统由几个关键部分组成，它们协同工作，将看不见的声波转换为质量保证工程师可以实际使用的数据。

现在我们了解了它的作用，让我们更详细地介绍一下设备。

脉冲器、换能器和显示器

脉冲器/接收器是整个系统的大脑。

这个电子单元产生强大的高压电脉冲。该脉冲传输到换能器，换能器充当系统的发声器和接收器。

换能器内部是一个压电元件。

这种特殊晶体具有一组很好的特性：

• 当它受到电脉冲激发时，它会快速振动，产生进入零件的高频声波。
• 当返回的回波撞击晶体时，它会做相反的转换。它振动并产生电压。然后脉冲器/接收器处理该信号并显示在屏幕上。

换能器有几种形式用于不同的工作。

单元换能器是标准配置。

双元换能器使用独立的晶体进行发送和接收，使其非常适合测量粗糙表面上的腐蚀。

角度束换能器以一定角度发送声音，这非常适合检查焊缝。

相控阵换能器包含许多可以单独脉冲的小元件，以电子方式引导声束，为您提供更多控制和更好的成像效果。

正如您所看到的，这就像选择波型一样，取决于您的需求。

A扫描、B扫描和C扫描

一旦系统接收到回波，就需要以操作员可以解读的方式显示它。有三种常见格式。

A扫描是最基本的显示方式。

它是一个看起来像图表的X-Y网格：

• 横轴表示声音传播所需的时间，这与进入材料的距离有关。
• 纵轴显示返回回波的幅度或强度。屏幕上出现的高峰值表示反射体（缺陷或零件的后表面）。

B扫描提供剖面或横截面视图。

当您沿零件移动换能器时，此显示会显示反射体的深度及其沿扫描路径的长度。

它为您提供材料内部结构的2D视图。

C扫描提供俯视图。

它在检查区域上映射结果，显示缺陷的形状和大小，就好像您正在俯视它们一样。

这会生成任何隐藏不连续性的详细图像。

这些显示的可靠性取决于仪器是否正常工作。

检查这些工具性能的标准做法在ASTM E317-21中有详细说明。该文件提供了验证设备是否按预期工作的方法。

常见超声波检测技术

到目前为止，我们已经看到，无论是设备、波型还是策略，总有多种选择可供您使用。

为了将声波引入材料进行检查，技术人员再次需要从几种方法中进行选择。这种选择取决于被测零件、环境和他们正在寻找的缺陷类型。

这不令人惊讶，不是吗？

主要方法分为三类：接触测试、浸没测试和空气耦合测试。

接触测试是最常见的方法，其中探头直接放置在部件表面上。在探头和零件之间涂抹凝胶或液体（耦合剂），以帮助传输声能而没有任何空气间隙。

与医生对孕妇进行超声波检查的方式非常相似。

我们在本文开头看到的直束、角束和表面波都属于这一类测试。

对于浸没测试，部件浸没在水箱中。探头也进入水中，但不接触零件。

水充当完美的介质，将声音从探头传送到部件中。这对于检查具有复杂几何形状和曲面的零件非常有效，因为它保证了一致的声音传输。浸没UT通常在实验室中进行。

空气耦合测试是一种专门技术，使用空气作为传输声波的介质。这种非接触方法非常适合可能被液体耦合剂损坏或污染的材料，例如航空航天工业中使用的某些复合材料。

高级UT技术

还有一些您可能需要了解的不太常见的技术。

相控阵超声波检测（PAUT）

PAUT使用具有多个小元件的探头。

计算机控制这些元件以电子方式引导和聚焦声束，创建详细的横截面图像，就像医学超声波一样。

可以使用ASTM E2491-13(2018)等指南验证这些系统的性能。

飞行时间衍射（TOFD）

它使用两个探头，一个发送，一个接收。

它对缺陷尺寸测定非常敏感，因为它测量声波从缺陷尖端弯曲或衍射所需的时间。

这为裂纹提供了非常精确的高度测量。

全矩阵捕获（FMC）和全聚焦方法（TFM）

这些组合方法代表了强大的技术进步：

• FMC从相控阵探头捕获所有可能的数据。
• TFM使用这些数据和软件在检查区域内的每个点生成完美聚焦的图像。

这是获得缺陷尺寸和位置清晰图像的非常有效的方法。

电磁声换能器（EMAT）

另一种非接触技术。

它使用相互作用的磁场直接在导电材料内产生超声波，完全避免了对耦合剂的需要。

这使EMAT成为高温和高速自动化检查的理想技术。

导波检测

最后但同样重要的是，它用于从单个点检查大型结构（如管道）的长距离。

它发送沿部件结构传播的声波，使得可以检测难以接近（或不可能接近）区域中的腐蚀和其他缺陷，例如埋地管道。

解读来自该技术的复杂信号需要专门培训。

超声波检测的局限性

虽然超声波检测是一种强大的方法，但它并不是每个检查挑战的完美解决方案。

它有一系列局限性。

对专业知识和准备的需求

首先，结果的好坏取决于进行测试的人。

需要经验丰富的技术人员来执行检查并正确解读数据。

需要扎实的培训才能区分指示关键缺陷的信号和来自零件几何形状或可接受的内部结构的信号。

设备还需要精确的准备工作。

在检查之前，必须使用参考标准校准系统。这些是具有已知缺陷的特殊块，为真实缺陷的外观提供基线。

没有这些标准，缺陷表征就变得不可靠。

即使有熟练的操作员，也可能出现误报。

有时部件的形状会产生看起来像缺陷的反射或杂散信号。

将这些与实际问题区分开来需要执行检查的人员具有高水平的培训和经验。

材料和表面约束

零件表面的状况也是需要注意的因素。

为了让声音从探头传播到材料中，表面必须相对光滑和清洁。必须去除任何松散的氧化皮、锈蚀或油漆才能获得干净的信号。

正确粘合的油漆有时可以保留。

传统测试还需要耦合剂，如凝胶或液体，以弥合探头和零件之间的微小空气间隙。

虽然必要，但在某些工作现场这可能会很混乱且具有挑战性。像EMAT或激光UT这样的非接触方法不需要此步骤。

某些材料和形状难以检查。

非常粗糙、形状不规则、特别薄或非常小的零件可能会有问题。

例如，具有粗晶粒结构的材料（如铸铁）会散射声波。

这会产生高信号噪声，使得难以找到真正的缺陷。

技术和设备障碍

缺陷的方向可以使其不可见。

平行于声束路径的缺陷可能不会将任何能量反射回探头。这意味着它在扫描期间可能完全未被检测到。

最后，设备的成本可能是一个考虑因素。

专业超声波仪器和不同应用所需的专用探头代表了重大的财务投资。对于许多小型、中型甚至一些大型公司来说，这通常是难以承受的。

行业应用和标准

超声波检测在最苛刻的行业中广泛使用。

其发现材料深处缺陷的能力使其成为质量控制和安全检查的可靠工具，从大型发电厂到精密飞机部件，UT提供了有价值的信息而不造成任何损伤。

在能源领域，技术人员使用UT检查压力设备、管道和新焊缝。

它有助于评估腐蚀损坏并检测在使用过程中形成的裂纹。

管道行业在环焊缝质量方面严重依赖UT。API 1104（第22版）是一份认可PAUT和TOFD等先进方法作为传统射线照相术强大替代品的文件。

您还会在航空航天领域找到用于检查起落架和发动机部件的UT。在运输方面，它检查铁轨和车轴的疲劳。对于基础设施，它验证钢梁上的焊接质量。

甚至医疗领域也使用这项技术进行诊断成像，因为它不涉及电离辐射。

超声波检测标准

您已经了解了超声波检测的工作原理，从使用换能器发送声波到在显示器上解读回波。

我们介绍了不同的技术，如脉冲回波和包括PAUT在内的先进方法，展示了其在航空航天、制造和能源行业的价值。

为了安全、一致地执行这些检查，工程师依赖标准。

这些文件提供了可靠结果所需的通用程序和验收标准。

值得注意的是，其中许多标准是在州或国家层面采用的。这通常使合规性成为商业和工业合同的强制性部分，将这些指南转化为法律要求。

这套标准会定期更新以反映新技术和发现。作为方法工程师，您的职责是选择合适的标准来对您的零件/生产进行测试。

结论

我们已经看到了超声波检测的基本原理，展示了这种无损方法如何使用高频声音来查看材料内部。

其检测内部缺陷和测量厚度的能力使其成为现代高效的质量控制工具。

从航空航天到制造，广泛的行业依赖超声波检查。

该技术为做出有关部件、结构和系统的安全性和可靠性的明智决策提供数据。

该技术已经远远超出简单的脉冲回波方法。

像相控阵（PAUT）、飞行时间衍射（TOFD）或全矩阵捕获（FMC）这样的先进技术现在提供了令人难以置信的详细成像能力。

但请注意，

正确执行这些检查需要遵循严格行业准则的训练有素的技术人员。它需要对数据背后的科学和设备有深刻的理解，并且不能在所有情况下使用。

它也是一种非常昂贵的仪器，需要大量预算和需求。

超声波检测的正确应用是对安全和性能的直接投资。它有助于防止机械工程应用中的故障，从而保护人员并延长有价值资产的使用寿命。

常见问题

简单来说，什么是超声波检测？

这是一种使用高频声波（类似于医学超声波）查看材料内部而不损坏它的方法。这些声波穿过零件并从内部缺陷或后表面反弹回来，揭示隐藏的缺陷。

超声波检测对人安全吗？

是的，此方法中使用的高频声波对操作员和附近的任何人都是无害的。这与使用电离辐射的射线照相术等其他方法不同。

超声波检测可以发现哪些常见问题？

这种技术非常适合发现材料深处的内部问题，如裂纹、空洞和气孔。它对于测量材料的厚度也非常准确，例如，检查腐蚀。

测试前需要准备表面吗？

是的，表面必须足够清洁和光滑，以便声波能够正确进入材料。在检查之前必须去除松散的油漆、锈蚀或厚的氧化皮。

可以在任何材料上使用吗？

它最适合致密、均匀的材料，如金属、塑料和复合材料。非常粗糙的材料（如某些铸铁）或非常软的材料可能难以检查，因为它们过多地散射或吸收声波。

如何在脉冲回波和穿透传输技术之间进行选择？

当您只能访问零件的一侧时，使用脉冲回波方法，这是最常见的方法。穿透传输需要访问两侧以进行单独的发送和接收探头，通常用于严重削弱声波的材料。

声阻抗在超声波检测中的作用是什么？

声阻抗是材料对声音通过的阻力。当声波撞击两种具有不同声阻抗的材料之间的边界时，例如裂纹中的钢和空气，部分声能会反射回来。这种反射使我们能够检测到缺陷。

什么时候使用横波而不是纵波？

横波通常以一定角度引入零件，并且对不平行于表面的不连续性非常敏感。这使它们非常有效地检查焊缝中的缺陷，如缺乏熔合或沿熔合线的裂纹。

传统UT和相控阵UT（PAUT）之间的主要区别是什么？

传统UT使用具有单个晶体的探头，该晶体向一个方向发送声束。相控阵UT使用具有许多可以单独脉冲的小元件的探头。这允许在不移动探头的情况下电子引导和聚焦声束，创建类似于零件横截面的详细图像。

为什么超声波检查需要参考标准？

参考标准（即具有已知制造缺陷的材料块）用于校准设备。此校准为检查建立基线，使技术人员能够准确确定在实际部件中发现的缺陷的位置、大小和类型。