無損探傷是在不損壞工件或原材料工作狀態的前提下，對被檢驗部件的表面和內部質量進行檢查的一種測試手段。
無損檢測：Nondestructive Testing（縮寫 NDT）
基本介紹
- 中文名：超音波探傷原理
- 外文名：Nondestructive Testing
- 前提：不損壞工件或原材料
- 所屬：無損檢測
探傷方法,基本原理,探傷儀種類,A掃描方式,B掃描方式,X線探傷,主要特性,套用,探傷作用,
探傷方法
據美國國家宇航局調研分析，認為無損檢測方法可分為六大類約70餘種。但在實際套用中比較常見的有以下幾種：
常規無損檢測方法有：
－超聲檢測 Ultrasonic Testing（縮寫 UT）
－射線檢測 Radiographic Testing（縮寫 RT）；
－磁粉檢測 Magnetic particle Testing（縮寫 MT）；
－滲透檢驗 Penetrant Testing （縮寫 PT）；
－渦流檢測Eddy current Testing（縮寫 ET）；
非常規無損檢測技術有：
－聲發射Acoustic Emission（縮寫 AE）；
－泄漏檢測Leak Testing（縮寫LT）；
－光全息照相Optical Holography；
－紅外熱成象Infrared Thermography；
－微波檢測 Microwave Testing
基本原理
探傷儀種類
探傷儀種類繁多，但在實際的探傷過程，脈衝反射式超音波探傷儀套用的最為廣泛。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續，這種不連續往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超音波在兩種不同聲阻抗的介質的交界面上將會發生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關。脈衝反射式超音波探傷儀就是根據這個原理設計的。
A掃描方式
所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標是超音波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離，縱坐標是超音波反射波的幅值。
在一個鋼工件中存在一個缺陷，由於這個缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個不同介質之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當發射的超音波遇到這個界面之後，就會發生反射,反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示螢幕中橫坐標的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。這個反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質。 具體技術指標見（表1）。
B掃描方式
在掃描圖像以二維圖像顯示，如某探傷儀的參數如下：
技術參數TDM260 | ||
掃描範圍： | 0～10000mm鋼縱波 | |
工作頻率： | 0.25MHz～20MHz | |
垂直線性誤差 | ≤2.5% | |
水平線性誤差 | ≤0.1% | |
靈敏度餘量 | >65dB（深200mmΦ2平底孔） | |
分辨力 | >40dB（5N14） | |
動態範圍 | ≥36dB | |
噪聲電平： | <8% | |
硬採樣頻率 | 150MHz | |
重複發射頻率 | 100~1000HZ | |
聲速範圍 | 1000～9999（m/s） | |
工作方式 | 單晶探傷、雙晶探傷、穿透探傷 | |
數字抑制 | （0～80）%，不影響線性與增益 | |
工作時間 | 連續工作7小時以上（鋰電池） | |
環境溫度 | （-20～70）℃（參考值） | |
相對濕度 | （20～95）% RH | |
外型尺寸 | 240×180×50（mm） |
X線探傷
超音波探傷比X射線探傷具有較高的探傷靈敏度、周期短、成本低、靈活方便、效率高，對人體無害等優點；缺點是對工作表面要求平滑、要求富有經驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類、對缺陷沒有直觀性；超音波探 傷適合於厚度較大的零件檢驗
主要特性
（1）超音波在介質中傳播時，在不同質界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等於或大於超音波波長時，則超音波在缺陷上反射回來，探傷儀可將反射波顯示出來；如缺陷的尺寸甚至小于波長時，聲波將繞過缺陷而不能反射；
（2）波聲的方向性好，頻率越高，方向性越好，以很窄的波束向介質中輻射，易於確定缺陷的位置.
（3）超音波的傳播能量大，如頻率為1MHZ（1兆赫茲）的超音波所傳播的能量，相當于振幅相同而頻率為1000HZ（赫茲）的聲波的100萬倍.
套用
超探儀是一種攜帶型工業無損探傷儀器，它能夠快速便捷、無損傷、精確地進行工件內部多種缺陷（焊縫、裂紋、夾雜、摺疊、氣孔、砂眼等）的檢測、定位、評估和診斷。既可以用於實驗室，也可以用於工程現場。本儀器能夠廣泛地套用在製造業、鋼鐵冶金業、金屬加工業、化工業等需要缺陷檢測和質量控制的領域，也廣泛套用於航空航天、鐵路交通、鍋爐壓力容器等領域的在役安全檢查與壽命評估。它是無損檢測行業的必備。
探傷作用
超音波探傷作用
無損檢測的常規方法有直接用肉眼檢查的巨觀檢驗和用射線照相探傷、超聲探傷儀、磁粉探傷儀、滲透探傷、渦流探傷等儀器檢測。肉眼巨觀檢測可以不使用任何儀器和設備，但肉眼不能穿透工件來檢查工件內部缺陷，而射線照相等方法則可以通過各種各樣的儀器或設備來進行檢測，既可以檢查肉眼不能檢查的工件內部缺陷，也可以大大提高檢測的準確性和可靠性。至於用什麼方法來進行無損檢測，這需根據工件的情況和檢測的目的來確定。
那么什麼又叫超音波呢？聲波頻率超過人耳聽覺，頻率比20千赫茲高的聲波叫超音波。用於探傷的超音波，頻率為0.4-25兆赫茲，其中用得最多的是1-5兆赫茲。利用聲音來檢測物體的好壞，這種方法早已被人們所採用。例如，用手拍拍西瓜聽聽是否熟了；醫生敲敲病人的胸部，檢驗內臟是否正常；用手敲敲瓷碗，看看瓷碗是否壞了等等。但這些依靠人的聽覺來判斷聲響的檢測法，比聲響法要客觀和準確，而且也比較容易作出定量的表示。由於超音波探傷具有探測距離大，探傷裝置體積小，重量輕，便於攜帶到現場探傷，檢測速度快，而且探傷中只消耗耦合劑和磨損探頭，總的檢測費用較低等特點，建築業市場主要採用此種方法進行檢測。
下面介紹一下超音波探傷在實際工作中的套用。
接到探傷任務後，首先要了解圖紙對焊接質量的技術要求。鋼結構的驗收標準是依據GB50205-95《鋼結構工程施工及驗收規範》來執行的。標準規定：對於圖紙要求焊縫焊接質量等級為一級時評定等級為Ⅱ級時規範規定要求做100%超音波探傷；對於圖紙要求焊縫焊接質量等級為二級時評定等級為Ⅲ級時規範規定要求做20%超音波探傷；對於圖紙要求焊縫焊接質量等級為三級時不做超音波內部缺陷檢查。
在此值得注意的是超音波探傷用於全熔透焊縫，其探傷比例按每條焊縫長度的百分數計算，並且不小於200mm。對於局部探傷的焊縫如果發現有不允許的缺陷時，應在該缺陷兩端的延伸部位增加探傷長度，增加長度不應小於該焊縫長度的10%且不應小於200mm，當仍有不允許的缺陷時，應對該焊縫進行100%的探傷檢查，其次應該清楚探傷時機，碳素結構鋼應在焊縫冷卻到環境溫度後、低合金結構鋼在焊接完成24小時以後方可進行焊縫探傷檢驗。另外還應該知道待測工件母材厚度、接頭型式及坡口型式。至今為止我在實際工作中接觸到的要求探傷的絕大多數焊縫都是中板對接焊縫的接頭型式，所以我下面主要就對焊縫探傷的操作做針對性的總結。一般地母材厚度在8-16mm之間，坡口型式有I型、單V型、X型等幾種形式。在弄清楚以上這此東西後才可以進行探傷前的準備工作。
在每次探傷操作前都必須利用標準試塊（CSK-IA、CSK-ⅢA）校準儀器的綜合性能，校準面板曲線，以保證探傷結果的準確性。
1、探測面的修整：應清除焊接工作表面飛濺物、氧化皮、凹坑及鏽蝕等，光潔度一般低於▽4。焊縫兩側探傷面的修整寬度一般為大於等於2KT+50mm，（K:探頭K值，T：工件厚度）。一般的根據焊件母材選擇K值為2.5探頭。例如：待測工件母材厚度為10mm,那么就應在焊縫兩側各修磨100mm。
2、耦合劑的選擇應考慮到粘度、流動性、附著力、對工件表面無腐蝕、易清洗，而且經濟，綜合以上因素選擇漿糊作為耦合劑。
3、由於母材厚度較薄因此探測方向採用單面雙側進行。
4、由於板厚小於20mm所以採用水平定位法來調節儀器的掃描速度。
5、在探傷操作過程中採用粗探傷和精探傷。為了大概了解缺陷的有無和分布狀態、定量、定位就是精探傷。使用鋸齒形掃查、左右掃查、前後掃查、轉角掃查、環繞掃查等幾種掃查方式以便於發現各種不同的缺陷並且判斷缺陷性質。
6、對探測結果進行記錄，如發現內部缺陷對其進行評定分析。焊接對頭內部缺陷分級應符合現行國家標準GB11345-89《鋼焊縫手工超音波探傷方法和探傷結果分級》的規定，來評判該焊否合格。如果發現有超標缺陷，向車間下達整改通知書，令其整改後進行復驗直至合格。
一般的焊縫中常見的缺陷有：氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋，至今還沒有一個成熟的方法對缺陷的性質進行準確的評判，只是根據螢光屏上得到的缺陷波的形狀和反射波高度的變化結合缺陷的位置和焊接工藝對缺陷進行綜合估判。
對於內部缺陷的性質的估判以及缺陷的產生的原因和防止措施大體總結了以下幾點：
1、氣孔：
單個氣孔回波高度低，波形為單峰，較穩定。從各個方向探測，反射波大體相同，但稍一動探頭就消失，密集氣孔會出現一簇反射波，波高隨氣孔大小而不同，當探頭作定點轉動時，會出現此起彼落的現象。
產生這類缺陷的原因主要是焊材未按規定溫度烘乾，焊條藥皮變質脫落、焊芯鏽蝕，焊絲清理不乾淨，手工焊時電流過大，電弧過長；埋弧焊時電壓過高或網路電壓波動太大；氣體保護焊時保護氣體純度低等。如果焊縫中存在著氣孔，既破壞了焊縫金屬的緻密性，又使得焊縫有效截面積減少，降低了機械性能，特別是存鏈狀氣孔時，對彎曲和衝擊韌性會有比較明顯降低。防止
這類缺陷防止的措施有：不使用藥皮開裂、剝落、變質及焊芯鏽蝕的焊條，生鏽的焊絲必須除銹後才能使用。所用焊接材料應按規定溫度烘乾，坡口及其兩側清理乾淨，並要選用合適的焊接電流、電弧電壓和焊接速度等。
2、夾渣：
點狀夾渣回波信號與點狀氣孔相似，條狀夾渣回波信號多呈鋸齒狀波幅不高，波形多呈樹枝狀，主峰邊上有小峰，探頭平移波幅有變動，從各個方向探測時反射波幅不相同。
這類缺陷產生的原因有：焊接電流過小，速度過快，熔渣來不及浮起，被焊邊緣和各層焊縫清理不乾淨，其本金屬和焊接材料化學成分不當，含硫、磷較多等。
防止措施有：正確選用焊接電流，焊接件的坡口角度不要太小，焊前必須把坡口清理乾淨，多層焊時必須層層清除焊渣；併合理選擇運條角度焊接速度等。
3、未焊透：
反射率高，波幅也較高，探頭平移時，波形較穩定，在焊縫兩側探傷時均能得到大致相同的反射波幅。這類缺陷不僅降低了焊接接頭的機械性能，而且在未焊透處的缺口和端部形成應力集中點，承載後往往會引起裂紋，是一種危險性缺陷。
超音波探傷在無損檢測焊接質量中的作用
其產生原因一般是：坡口純邊間隙太小，焊接電流太小或運條速度過快，坡口角度小，運條角度不對以及電弧偏吹等。
防止措施有：合理選用坡口型式、裝配間隙和採用正確的焊接工藝等。
4、未熔合：
探頭平移時，波形較穩定，兩側探測時，反射波幅不同，有時只能從一側探到。
其產生的原因：坡口不乾淨，焊速太快，電流過小或過大，焊條角度不對，電弧偏吹等。
防止措施：正確選用坡口和電流，坡口清理乾淨，正確操作防止焊偏等。
5、裂紋：
回波高度較大，波幅寬，會出現多峰，探頭平移時反射波連續出現波幅有變動，探頭轉時，波峰有上下錯動現象。裂紋是一種危險性最大的缺陷，它除降低焊接接頭的強度外，還因裂紋的末端呈尖銷的缺口，焊件承載後，引起應力集中，成為結構斷裂的起源。裂紋分為熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋三種。
熱裂紋產生的原因是：焊接時熔池的冷卻速度很快，造成偏析；焊縫受熱不均勻產生拉應力。
防止措施：限制母材和焊接材料中易偏析元素和有害雜質的含量，主要限制硫含量，提高錳含量；提高焊條或焊劑的鹼度，以降低雜質含量，改善偏析程度；改進焊接結構形式，採用合理的焊接順序，提高焊縫收縮時的自由度。
冷裂紋產生的原因：被焊材料淬透性較大在冷卻過程中受到人的焊接拉力作用時易裂開；焊接時冷卻速度很快氫來不及逸出而殘留在焊縫中，氫原子結合成氫分子，以氣體狀態進到金屬的細微孔隙中，並造成很大的壓力，使局部金屬產生很大的壓力而形成冷裂紋；焊接應力拉應力並與氫的析集中和淬火脆化同時發生時易形成冷裂紋。
防止措施：焊前預熱，焊後緩慢冷卻，使熱影響區的奧氏體分解能在足夠的溫度區間內進行，避免淬硬組織的產生，同時有減少焊接應力的作用；焊接後及時進行低溫退火，去氫處理，消除焊接時產生的應力，並使氫及時擴散到外界去；選用低氫型焊條和鹼性焊劑或奧氏體不鏽鋼焊條焊絲等，焊材按規定烘乾，並嚴格清理坡口；加強焊接時的保護和被焊處表面的清理，避免氫的侵入；選用合理的焊接規範，採用合理的裝焊順序，以改善焊件的應力狀態。
那么什麼又叫超音波呢？聲波頻率超過人耳聽覺，頻率比20千赫茲高的聲波叫超音波。用於探傷的超音波，頻率為0.4-25兆赫茲，其中用得最多的是1-5兆赫茲。利用聲音來檢測物體的好壞，這種方法早已被人們所採用。例如，用手拍拍西瓜聽聽是否熟了；醫生敲敲病人的胸部，檢驗內臟是否正常；用手敲敲瓷碗，看看瓷碗是否壞了等等。但這些依靠人的聽覺來判斷聲響的檢測法，比聲響法要客觀和準確，而且也比較容易作出定量的表示。由於超音波探傷具有探測距離大，探傷裝置體積小，重量輕，便於攜帶到現場探傷，檢測速度快，而且探傷中只消耗耦合劑和磨損探頭，總的檢測費用較低等特點，建築業市場主要採用此種方法進行檢測。
下面介紹一下超音波探傷在實際工作中的套用。
接到探傷任務後，首先要了解圖紙對焊接質量的技術要求。鋼結構的驗收標準是依據GB50205-95《鋼結構工程施工及驗收規範》來執行的。標準規定：對於圖紙要求焊縫焊接質量等級為一級時評定等級為Ⅱ級時規範規定要求做100%超音波探傷；對於圖紙要求焊縫焊接質量等級為二級時評定等級為Ⅲ級時規範規定要求做20%超音波探傷；對於圖紙要求焊縫焊接質量等級為三級時不做超音波內部缺陷檢查。
在此值得注意的是超音波探傷用於全熔透焊縫，其探傷比例按每條焊縫長度的百分數計算，並且不小於200mm。對於局部探傷的焊縫如果發現有不允許的缺陷時，應在該缺陷兩端的延伸部位增加探傷長度，增加長度不應小於該焊縫長度的10%且不應小於200mm，當仍有不允許的缺陷時，應對該焊縫進行100%的探傷檢查，其次應該清楚探傷時機，碳素結構鋼應在焊縫冷卻到環境溫度後、低合金結構鋼在焊接完成24小時以後方可進行焊縫探傷檢驗。另外還應該知道待測工件母材厚度、接頭型式及坡口型式。至今為止我在實際工作中接觸到的要求探傷的絕大多數焊縫都是中板對接焊縫的接頭型式，所以我下面主要就對焊縫探傷的操作做針對性的總結。一般地母材厚度在8-16mm之間，坡口型式有I型、單V型、X型等幾種形式。在弄清楚以上這此東西後才可以進行探傷前的準備工作。
在每次探傷操作前都必須利用標準試塊（CSK-IA、CSK-ⅢA）校準儀器的綜合性能，校準面板曲線，以保證探傷結果的準確性。
1、探測面的修整：應清除焊接工作表面飛濺物、氧化皮、凹坑及鏽蝕等，光潔度一般低於▽4。焊縫兩側探傷面的修整寬度一般為大於等於2KT+50mm，（K:探頭K值，T：工件厚度）。一般的根據焊件母材選擇K值為2.5探頭。例如：待測工件母材厚度為10mm,那么就應在焊縫兩側各修磨100mm。
2、耦合劑的選擇應考慮到粘度、流動性、附著力、對工件表面無腐蝕、易清洗，而且經濟，綜合以上因素選擇漿糊作為耦合劑。
3、由於母材厚度較薄因此探測方向採用單面雙側進行。
4、由於板厚小於20mm所以採用水平定位法來調節儀器的掃描速度。
5、在探傷操作過程中採用粗探傷和精探傷。為了大概了解缺陷的有無和分布狀態、定量、定位就是精探傷。使用鋸齒形掃查、左右掃查、前後掃查、轉角掃查、環繞掃查等幾種掃查方式以便於發現各種不同的缺陷並且判斷缺陷性質。
6、對探測結果進行記錄，如發現內部缺陷對其進行評定分析。焊接對頭內部缺陷分級應符合現行國家標準GB11345-89《鋼焊縫手工超音波探傷方法和探傷結果分級》的規定，來評判該焊否合格。如果發現有超標缺陷，向車間下達整改通知書，令其整改後進行復驗直至合格。
一般的焊縫中常見的缺陷有：氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋，至今還沒有一個成熟的方法對缺陷的性質進行準確的評判，只是根據螢光屏上得到的缺陷波的形狀和反射波高度的變化結合缺陷的位置和焊接工藝對缺陷進行綜合估判。
對於內部缺陷的性質的估判以及缺陷的產生的原因和防止措施大體總結了以下幾點：
1、氣孔：
單個氣孔回波高度低，波形為單峰，較穩定。從各個方向探測，反射波大體相同，但稍一動探頭就消失，密集氣孔會出現一簇反射波，波高隨氣孔大小而不同，當探頭作定點轉動時，會出現此起彼落的現象。
產生這類缺陷的原因主要是焊材未按規定溫度烘乾，焊條藥皮變質脫落、焊芯鏽蝕，焊絲清理不乾淨，手工焊時電流過大，電弧過長；埋弧焊時電壓過高或網路電壓波動太大；氣體保護焊時保護氣體純度低等。如果焊縫中存在著氣孔，既破壞了焊縫金屬的緻密性，又使得焊縫有效截面積減少，降低了機械性能，特別是存鏈狀氣孔時，對彎曲和衝擊韌性會有比較明顯降低。防止
這類缺陷防止的措施有：不使用藥皮開裂、剝落、變質及焊芯鏽蝕的焊條，生鏽的焊絲必須除銹後才能使用。所用焊接材料應按規定溫度烘乾，坡口及其兩側清理乾淨，並要選用合適的焊接電流、電弧電壓和焊接速度等。
2、夾渣：
點狀夾渣回波信號與點狀氣孔相似，條狀夾渣回波信號多呈鋸齒狀波幅不高，波形多呈樹枝狀，主峰邊上有小峰，探頭平移波幅有變動，從各個方向探測時反射波幅不相同。
這類缺陷產生的原因有：焊接電流過小，速度過快，熔渣來不及浮起，被焊邊緣和各層焊縫清理不乾淨，其本金屬和焊接材料化學成分不當，含硫、磷較多等。
防止措施有：正確選用焊接電流，焊接件的坡口角度不要太小，焊前必須把坡口清理乾淨，多層焊時必須層層清除焊渣；併合理選擇運條角度焊接速度等。
3、未焊透：
反射率高，波幅也較高，探頭平移時，波形較穩定，在焊縫兩側探傷時均能得到大致相同的反射波幅。這類缺陷不僅降低了焊接接頭的機械性能，而且在未焊透處的缺口和端部形成應力集中點，承載後往往會引起裂紋，是一種危險性缺陷。
超音波探傷在無損檢測焊接質量中的作用
其產生原因一般是：坡口純邊間隙太小，焊接電流太小或運條速度過快，坡口角度小，運條角度不對以及電弧偏吹等。
防止措施有：合理選用坡口型式、裝配間隙和採用正確的焊接工藝等。
4、未熔合：
探頭平移時，波形較穩定，兩側探測時，反射波幅不同，有時只能從一側探到。
其產生的原因：坡口不乾淨，焊速太快，電流過小或過大，焊條角度不對，電弧偏吹等。
防止措施：正確選用坡口和電流，坡口清理乾淨，正確操作防止焊偏等。
5、裂紋：
回波高度較大，波幅寬，會出現多峰，探頭平移時反射波連續出現波幅有變動，探頭轉時，波峰有上下錯動現象。裂紋是一種危險性最大的缺陷，它除降低焊接接頭的強度外，還因裂紋的末端呈尖銷的缺口，焊件承載後，引起應力集中，成為結構斷裂的起源。裂紋分為熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋三種。
熱裂紋產生的原因是：焊接時熔池的冷卻速度很快，造成偏析；焊縫受熱不均勻產生拉應力。
防止措施：限制母材和焊接材料中易偏析元素和有害雜質的含量，主要限制硫含量，提高錳含量；提高焊條或焊劑的鹼度，以降低雜質含量，改善偏析程度；改進焊接結構形式，採用合理的焊接順序，提高焊縫收縮時的自由度。
冷裂紋產生的原因：被焊材料淬透性較大在冷卻過程中受到人的焊接拉力作用時易裂開；焊接時冷卻速度很快氫來不及逸出而殘留在焊縫中，氫原子結合成氫分子，以氣體狀態進到金屬的細微孔隙中，並造成很大的壓力，使局部金屬產生很大的壓力而形成冷裂紋；焊接應力拉應力並與氫的析集中和淬火脆化同時發生時易形成冷裂紋。
防止措施：焊前預熱，焊後緩慢冷卻，使熱影響區的奧氏體分解能在足夠的溫度區間內進行，避免淬硬組織的產生，同時有減少焊接應力的作用；焊接後及時進行低溫退火，去氫處理，消除焊接時產生的應力，並使氫及時擴散到外界去；選用低氫型焊條和鹼性焊劑或奧氏體不鏽鋼焊條焊絲等，焊材按規定烘乾，並嚴格清理坡口；加強焊接時的保護和被焊處表面的清理，避免氫的侵入；選用合理的焊接規範，採用合理的裝焊順序，以改善焊件的應力狀態。
