超声波检测技术及应用 第2版

本书是超声波检测人员资格鉴定考核的培训教材，在本书第1版基础上按照现行ISO/TR 25107：2019《无损检测?人员培训大纲》和EN 473：2020 ISO 9712：2021及GB/T 9445—2015《无损检测?人员资格鉴定与认证》标准要求编写。 本书共9章，主要内容包括超声波检测概述，超声波检测设备及器材，超声波检测方法和通用检测技术，铸锻件超声波检测，板材、棒材超声波检测，焊接接头超声波检测，轨道交通装备典型零部件超声波检测应用，超声波检测工艺及质量控制，超声波检测实验。为了更好地掌握超声波检测相关知识，本书还收录了现行的国内外常用超声波检测标准目录。 本书既符合欧盟及国际标准要求，又与国内及行业实际需求相适应；既注重理论与实践应用的结合，又紧跟现代科学技术的发展，并介绍了国内外超声波检测的新观点和新技术。本书可作为超声波检测人员资格鉴定考核培训教材，也可供各企业生产一线人员、质量管理人员、安全监督人员、工艺技术人员、研究机构及大专院校相关专业师生学习参考。

万升云，无损检测专业博士，国务院政府特殊津贴专家、中车集团首席专家、常州市首席专家、江苏省有突出贡献专家、江苏省“333高层次人才培养工程”第三层次培养对象。欧盟外首位国际无损检测人员资格鉴定与考核首席培训师。

目录 前言 第1章 超声波检测概述1 1.1 机械振动与机械波1 1.1.1 振动1 1.1.2 机械波3 1.1.3 次声波、声波和超声波5 1.2 波的类型6 1.2.1 按质点的振动方向分类6 1.2.2 按波阵面的形状分类8 1.2.3 按振动的持续时间分类10 1.3 超声波的传播速度11 1.3.1 固体介质中的纵波、横波与表面波声速11 1.3.2 液体、气体介质中的声速13 1.4 波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理14 1.4.1 波的叠加与干涉14 1.4.2 驻波15 1.4.3 惠更斯原理15 1.5 超声场的特征值17 1.5.1 声压P17 1.5.2 声阻抗Z18 1.5.3 声强I18 1.5.4 贝尔与分贝19 1.6 超声平面波在大平界面上垂直入射的行为22 1.6.1 超声波在单一的平面界面的反射和透射22 1.6.2 多层平面界面垂直入射26 1.7 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射29 1.7.1 斜入射时界面上的反射、折射和波形转换29 1.7.2 临界角31 1.7.3 斜入射时反射系数、折射系数和往复透射率33 1.7.4 超声波在规则界面上的反射、折射和波形转换规律36 1.8 超声波的聚焦与发散39 1.8.1 声压距离公式39 1.8.2 球面波在平界面上的反射与折射40 1.8.3 平面波在曲界面上的反射与折射41 1.8.4 球面波在曲界面上的反射和折射44 1.9 超声波发射声场及规则反射体的回波声压47 1.9.1 纵波发射声场47 1.9.2 横波发射声场57 1.9.3 聚焦声源发射声场62 1.9.4 规则反射体的回波声压64 1.10 超声波的衰减70 1.10.1 衰减的原因70 1.10.2 衰减方程与衰减系数71 1.10.3 衰减系数的测定73 第2章 超声波检测设备及器材75 2.1 超声波检测仪75 2.1.1 超声波检测仪概述75 2.1.2 A型脉冲反射式超声波检测仪的一般工作原理76 2.1.3 仪器主要开关旋钮的作用及其调整80 2.1.4 数字式检测仪80 2.1.5 超声波检测仪的维护保养84 2.2 相控阵超声波检测仪85 2.2.1 相控阵超声波检测技术原理85 2.2.2 相控阵探头的发射与接收86 2.2.3 相控阵超声波的扫描方式86 2.2.4 相控阵检测仪关键技术参数88 2.3 超声波TOFD检测仪90 2.3.1 超声波TOFD检测基本原理90 2.3.2 超声波TOFD检测系统构成91 2.3.3 超声波TOFD扫描方式91 2.4 铁路专用超声波检测设备92 2.4.1 A型显示超声波自动检测机92 2.4.2 铁路车辆轮轴B扫描或C扫描超声波自动检测机93 2.4.3 轮轴相控阵超声波自动检测机介绍94 2.4.4 车轮轮辋超声波数字成像检测系统96 2.4.5 制动盘超声波自动检测机98 2.5 超声波探头99 2.5.1 压电效应99 2.5.2 压电材料的主要性能参数100 2.5.3 探头的种类和结构102 2.5.4 探头型号111 2.6 耦合剂113 2.6.1 耦合剂的作用113 2.6.2 耦合剂要求113 2.6.3 耦合剂及其声阻抗113 2.7 试块114 2.7.1 试块的作用114 2.7.2 试块的分类114 2.7.3 国内外常用试块简介115 2.8 仪器和探头的性能130 2.8.1 超声波检测仪器的主要性能130 2.8.2 探头的主要性能131 2.8.3 超声波检测仪器和探头的组合性能132 2.8.4 超声波检测仪、探头及其组合性能的测试方法133 2.8.5 周期性能校验138 第3章 超声波检测方法和通用检测技术139 3.1 超声波检测方法概述139 3.1.1 按原理分类139 3.1.2 按波形分类142 3.1.3 按探头数目分类144 3.1.4 按探头接触方式分类146 3.2 仪器与探头的选择147 3.2.1 检测仪的选择147 3.2.2 探头的选择147 3.3 表面耦合损耗的测定和补偿149 3.3.1 耦合损耗的测定149 3.3.2 补偿方法150 3.4 检测仪扫描速度（范围）的调节及缺陷的定位150 3.4.1 基于模拟式检测仪扫描速度的调节150 3.4.2 基于数字式检测仪的调校152 3.4.3 缺陷位置的测定153 3.5 检测灵敏度的调节及缺陷的定量158 3.5.1 检测灵敏度的调节158 3.5.2 缺陷大小的测定171 3.6 缺陷自身高度的测定175 3.6.1 表面波波高法176 3.6.2 表面波时延法176 3.6.3 横波串列式双探头法177 3.6.4 相对灵敏度20dB法178 3.6.5 衍射波法179 3.6.6 端部最大回波法179 3.6.7 TOFD检测法180 3.6.8 相控阵检测法181 3.7 影响缺陷定位、定量的主要因素181 3.7.1 影响缺陷定位的主要因素182 3.7.2 影响缺陷定量的因素184 3.8 缺陷性质分析189 3.8.1 根据加工工艺分析缺陷性质189 3.8.2 根据缺陷特征分析缺陷性质189 3.8.3 根据缺陷波形分析缺陷性质189 3.8.4 根据底波分析缺陷的性质193 3.8.5 缺陷类型识别和性质估判194 3.9 非缺陷回波的判别196 3.9.1 迟到波196 3.9.2 61°反射197 3.9.3 三角反射199 3.9.4 其他非缺陷回波199 3.10 侧壁干涉201 3.10.1 侧壁干涉对检测的影响201 3.10.2 避免侧壁干涉的条件202 3.11 表面波检测203 3.11.1 表面波的性质203 3.11.2 表面波的产生204 3.11.3 人工缺陷对表面波的反射205 3.11.4 棱边的反射205 3.11.5 影响表面波传播的其他因素206 3.12 板波检测207 3.12.1 板波的种类207 3.12.2 板波的产生208 3.12.3 兰姆波的传播特点209 3.12.4 板波检测的一般程序209 3.13 超声波检测目的与时机210 第4章 铸锻件超声波检测211 4.1 铸件超声波检测211 4.1.1 铸件的基础知识211 4.1.2 常见缺陷211 4.1.3 铸件分类212 4.1.4 铸件的特点212 4.1.5 铸件超声波检测的特点212 4.1.6 检测技术要点213 4.2 锻件超声波检测216 4.2.1 锻件的基础知识216 4.2.2 常见缺陷217 4.2.3 锻件分类218 4.2.4 锻件检测方法概述219 4.2.5 轴类锻件的检测220 4.2.6 盘类锻件的检测221 4.2.7 筒类锻件的检测221 4.2.8 检测技术要点222 4.2.9 扫查224 4.2.10 缺陷位置和大小的确定224 4.2.11 质量评定226 4.2.12 轨道交通装备用车轴相关知识226 第5章 板材、棒材超声波检测229 5.1 板材超声波检测229 5.1.1 钢板加工及常见缺陷229 5.1.2 检测方法229 5.1.3 探头与扫查方式的选择232 5.1.4 探测范围和灵敏度的调整234 5.1.5 缺陷的判别与测量234 5.1.6 钢板质量分级235 5.2 棒材超声波检测235 5.2.1 棒材及棒材中的主要缺陷235 5.2.2 棒材超声波检测的特点236 5.2.3 棒材超声波检测技术238 5.3 管材超声波检测239 5.3.1 管材中的主要缺陷239 5.3.2 管材横波检测技术基础240 5.3.3 小直径薄壁管检测243 5.3.4 大直径薄壁管检测249 第6章 焊接接头超声波检测251 6.1 焊接基础知识251 6.1.1 焊接方法251 6.1.2 焊接接头形式252 6.1.3 焊接坡口形式253 6.1.4 常见焊接缺陷254 6.2 焊接接头超声波检测通用技术及要求256 6.2.1 检测方法和检测等级256 6.2.2 检测区域和检测移动区域257 6.2.3 探头257 6.2.4 耦合剂260 6.2.5 超声波检测仪扫描速度的调节260 6.2.6 参考灵敏度的设定方法和距离-波幅曲线（DAC）260 6.2.7 扫查方向要求261 6.2.8 常用的扫查方式262 6.2.9 传输修正263 6.2.10 缺陷回波性质判断264 6.2.11 非缺陷回波的分析267 6.2.12 缺陷的定量268 6.3 对接接头检测269 6.3.1 检测条件的选择269 6.3.2 扫查270 6.3.3 质量评定271 6.4 其他形式接头的超声波检测273 6.4.1 T形接头、角接接头超声波检测273 6.4.2 管座接头超声波检测274 6.5 其他材料焊接接头超声波检测275 6.5.1 铝合金焊接接头超声波检测275 6.5.2 奥氏体型不锈钢焊接接头超声波检测275 第7章 轨道交通装备典型零部件超声波检测应用278 7.1 车轴超声波检测278 7.1.1 车轴缺陷的种类及其产生的原因278 7.1.2 车轴超声波检测技术要求280 7.1.3 检测工艺方法281 7.1.4 缺陷波形特征及分析285 7.1.5 质量控制289 7.2 轮对压装部位疲劳裂纹超声波检测290 7.2.1 疲劳裂纹的产生和危害290 7.2.2 检测方法291 7.2.3 检测工艺技术291 7.2.4 常见波形分析294 7.2.5 质量判定301 7.3 空心轴超声波检测302 7.3.1 空心车轴超声波检测方法302 7.3.2 检测技术要求302 7.3.3 质量标准305 7.4 车轴轮座接触不良的超声波检测305 7.4.1 接触不良的危害305 7.4.2 接触不良的超声波检测305 7.4.3 接触不良反射波形分析308 7.5 车轮超声波检测308 7.5.1 车轮的生产流程308 7.5.2 车轮加工和主要缺陷308 7.5.3 检测方法概述309 7.5.4 检测装置309 7.5.5 检测系统组成310 7.5.6 试块310 7.5.7 质量标准310 7.6 球墨铸铁曲轴超声波检测311 7.6.1 球墨铸铁曲轴缺陷的种类及其产生的原因311 7.6.2 球铁曲轴的超声波检测313 7.6.3 波形特征314 7.7 制动盘超声波检测315 7.7.1 制动盘制造工艺及常见缺陷315 7.7.2 制动盘失效机理315 7.7.3 制动盘超声波检测要点315 7.8 螺栓的超声波检测317 7.8.1 螺栓的基本知识317 7.8.2 超声波检测工艺及质量控制320 第8章 超声波检测工艺及质量控制320 8.1 工艺文件的管理320 8.1.1 标准和规范320 8.1.2 工艺规程、工艺卡（单）321 8.1.3 无损检测工艺文件321 8.1.4 记录与报告325 8.1.5 工艺试验 326 8.1.6 工艺验证326 8.2 质量控制329 8.2.1 人员的控制329 8.2.2 无损检测设备与器材的管理329 8.2.3 工艺文件的管理330 8.2.4 检测环境的控制330 8.2.5 检测参数的控制330 第9章 超声波检测实验331 9.1 仪器与直探头的综合性能测定331 9.2 仪器与斜探头的综合性能测定333 9.3 直探头（SPK）的应用（一）337 9.4 传输修正的测定338 9.5 直探头DAC曲线的制作340 9.6 直探头（SPK）的应用（二）341 9.7 双晶探头（SEPK）的应用342 9.8 焊接接头的超声波检测343 9.9 实验用试块示意图344 附录 国内外常用超声波检测标准目录347 参考文献356