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第2章超聲波檢測 本章提要 超聲檢測 UT 是利用其在物質(zhì)中傳播 界面反射 折射 產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換 和衰減等物理性質(zhì)來發(fā)現(xiàn)缺陷的一種無損檢測方法 應(yīng)用較為廣泛 按其工作原理不同分為 共振法 穿透法 脈沖反射法超聲檢測 按顯示缺陷方式不同分為 A型 B型 C型 3D型超聲檢測 按選用超聲波波型不同分為 縱波法 橫波法 表面波法超聲檢測 按聲耦和方式不同分為 直接接觸法 液浸法超聲檢測 本章將重點(diǎn)介紹 脈沖反射法原理 直接接觸法 A型顯示方式 縱波法 橫波法超聲檢測技術(shù) 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 2 1 1超聲波的物理本質(zhì)它是頻率大于2萬赫茲的機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的轉(zhuǎn)播行為 即超聲頻率的機(jī)械波 一般地說 超聲波頻率越高 其能量越大 探傷靈敏度也越高 超聲檢測常用頻率在0 5 10MHZ 2 1 2超聲波的產(chǎn)生 發(fā)射 與接收 1 超聲波的產(chǎn)生機(jī)理 利用了壓電材料的壓電效應(yīng) 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 某些晶體材料 如石英晶體 做成的晶體薄片 當(dāng)其受到拉伸或壓縮時(shí) 表面就會(huì)產(chǎn)生電荷 此現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) 反之 當(dāng)對(duì)此晶片施加交變電場時(shí) 晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng) 此現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng) 具有壓電效應(yīng)的晶體材料就稱為壓電材料 壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)圖解 2 超聲波的發(fā)射與接收 發(fā)射 在壓電晶片制成的探頭中 對(duì)壓電晶片施以超聲頻率的交變電壓 由于逆壓電效應(yīng) 晶片中就會(huì)產(chǎn)生超聲頻率的機(jī)械振動(dòng) 產(chǎn)生超聲波 若此機(jī)械振動(dòng)與被檢測的工件較好地耦合 超聲波就會(huì)傳入工件 這就是超聲波的發(fā)射 接收 若發(fā)射出去的超聲波遇到界面被反射回來 又會(huì)對(duì)探頭的壓電晶片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng) 由于正壓電效應(yīng) 在晶片的上下電極之間就會(huì)產(chǎn)生交變的電信號(hào) 將此電信號(hào)采集 檢波 放大并顯示出來 就完成了對(duì)超聲波信號(hào)的接收 可見 探頭是一種聲電換能元件 是一種特殊的傳感器 在探傷過程中發(fā)揮重要的作用 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 2 1 3超聲波波型的分類按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波的傳播方向之間的關(guān)系分為 1 縱波L 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致 2 橫波S 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 3 表面波R 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿介質(zhì)表面做橢圓運(yùn)動(dòng) 又稱瑞利波 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 4 板波 板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ某暡?板的兩表面介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿介質(zhì)表面做橢圓運(yùn)動(dòng) 板中間也有超聲波傳播 又稱蘭姆波 a 對(duì)稱型b 非對(duì)稱型 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 注意 液體和氣體介質(zhì) 不能傳遞切向力 中 所以只能傳播縱波 同一介質(zhì)中 聲速的關(guān)系有 CL CS CR 同一介質(zhì)中 聲速 波長 頻率之間的關(guān)系為 C f 常數(shù) 按超聲波振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分為 1 連續(xù)波 在有效作用時(shí)間內(nèi)聲波不間斷地發(fā)射 2 脈沖波 在有效作用時(shí)間內(nèi)聲波以脈沖方式間歇地發(fā)射 注意 超聲波檢測過程常采用脈沖波 2 1 4超聲波的基本性質(zhì) 1 具有良好的指向性 直線傳播 符合幾何光學(xué)定律 象光波一樣 方向性好 束射性 象手電筒的光束一樣 能集中在超聲場內(nèi)定向輻射 聲束的擴(kuò)散角滿足如下關(guān)系 arcsin1 22 D 2 1 可見 波長越短 擴(kuò)散角 越小 聲能越集中 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 2 具有較強(qiáng)的穿透性 但有衰減 穿透性 來自于它的高能量 因?yàn)槁晱?qiáng)正比于頻率的平方 所以 超聲波的能量比普通聲波大100萬倍 可穿透金屬達(dá)數(shù)米 衰減性 源于三個(gè)方面 擴(kuò)散 散射 吸收 1 擴(kuò)散衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) 因其波前在逐漸擴(kuò)展 從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的擴(kuò)散衰減 它主要取決于波陣面的幾何形狀 而與傳播介質(zhì)無關(guān) 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 2 散射衰減散射是物質(zhì)不均勻性產(chǎn)生的 不均勻材料含有聲阻抗急劇變化的界面 在這兩種物質(zhì)的界面上 會(huì)產(chǎn)生聲波的反射 折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象 必然導(dǎo)致聲能的降低 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 3 吸收衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) 由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo) 引起的聲波能量減弱的現(xiàn)象 叫做超聲波的吸收衰減 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 3 只能在彈性介質(zhì)中傳播 不能在真空 空氣近似看成真空 中傳播 強(qiáng)調(diào) 橫波不能在氣體 液體中傳播 表面波看作是縱波與橫波的合成 所以 也不能在氣體 液體中傳播 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 4 遇到界面將產(chǎn)生 反射 折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象 5 對(duì)人體無害 優(yōu)于射線的性質(zhì) 主聲軸 N 近場區(qū)長度 N D2 4 超聲場及近場區(qū) 壓電晶片 2 1超聲波檢測技術(shù)基礎(chǔ) 3 24 2 2超聲波在介質(zhì)中的傳播 2 2 1超聲波在金屬中的衰減定律超聲波在金屬中主要的衰減原因是散射和擴(kuò)散 在液體中主要是吸收 研究表明 超聲波在金屬中的衰減規(guī)律可用下面的關(guān)系式表達(dá) PX P0 e x 2 2 衰減系數(shù) dB mx 聲束傳播的距離 即聲程m 2 2 式表明 超聲波的聲壓在其傳播的路徑上 呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減 這里強(qiáng)調(diào)指出 衰減系數(shù) 為頻率f4和晶粒尺寸d3的函數(shù) 所以 對(duì)粗晶檢測時(shí) 應(yīng)適當(dāng)降低超聲波頻率 彌補(bǔ)能量的不足 研究表明 聲壓p與超聲波探傷儀示波屏上的波高h(yuǎn)成正比關(guān)系 p1 p2 h1 h2 2 3 實(shí)際探測時(shí) 超聲波探傷儀示波屏上的波高h(yuǎn)能夠反映聲波的衰減狀況 超聲波探傷儀示波屏上波高h(yuǎn)的衰減狀況 這里 B1 B6代表超聲波在工件底面的6次反射波 波高h(yuǎn)依次遞減 T B1 B2 B6 描述 超聲場的物理量充滿超聲波的空間 或在介質(zhì)中超聲振動(dòng)波所及的 質(zhì)點(diǎn)占據(jù)的范圍 叫超聲場 對(duì)超聲場我們常用 1 聲壓 2 聲強(qiáng) 3 聲阻抗 4 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度等物理量 來描述超聲波聲場 2 3超聲波在介質(zhì)中的傳播 一 聲壓超聲場中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng) 與沒有超聲場存在時(shí) 同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差為該點(diǎn)的聲壓 用表示 單位為帕 記作1Pa 1N m2 若用平面余弦波表達(dá)式 2 1 2 3超聲波在介質(zhì)中的傳播 2 3超聲波在介質(zhì)中的傳播 式中 介質(zhì)的密度 C 介質(zhì)中的波速 A 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的圓頻率 A 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅 T 時(shí)間 x 至波源的距離 且有關(guān)系式 式中 聲壓的極大值 可見 聲壓的絕對(duì)值 與波速 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅 或角頻率 成正比 因?yàn)槌暡ǖ念l率高 所以超聲波比聲波的聲壓大 2 3超聲波在介質(zhì)中的傳播 2 3 1 2聲強(qiáng)在超聲波傳播的方向上 單位時(shí)間內(nèi)介質(zhì)中單位截面上的聲能叫聲強(qiáng) 用I表示 單位是對(duì)縱波在均勻的各向同性的固體介質(zhì)中的傳播為例 可以證明平面波傳播的聲強(qiáng)計(jì)算式 1 2 注意 上式中有三個(gè)部分的概念 2 3超聲波在介質(zhì)中的傳播 超聲波的聲強(qiáng) 正比于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移振幅的平方 正比于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)角頻率的平方 正比于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度振幅的平方 注意 由于超聲波的頻率高 其強(qiáng)度 能量 是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可聞聲波的強(qiáng)度 例如 1MHz聲波的能量等于100kHz聲波能量的100倍 等于lkHz聲波能量的100萬倍 2 3超聲波在介質(zhì)中的傳播 2 2超聲波在介質(zhì)中的傳播 2 2 2超聲波在異質(zhì)界面處產(chǎn)生的各種現(xiàn)象 1 垂直入射異質(zhì)界面時(shí)的透射 反射及繞射 透射與反射 反射系數(shù)K W反 W入 100 w入 常見材料之間的界面反射系數(shù) 反射現(xiàn)象的辯證分析反射現(xiàn)象 對(duì)發(fā)射超聲波不利 對(duì)脈沖反射法接收有利 影響反射系數(shù)K的因素反射系數(shù)K值的大小 決定于相鄰介質(zhì)的聲阻抗之差 Z Z2 Z1 Z越大 K值越大 而與何者為第一介質(zhì)無關(guān) 一 在單一界面上當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時(shí) 在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波 在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波 反射波與透射波的聲壓 聲強(qiáng) 是按一定比例分配 分比例由聲壓反射率 或聲強(qiáng)反射率 和聲壓透射率 或聲強(qiáng)透射率 來表示 1 在單一界面上反射波聲壓與入射波聲壓之比 稱為界面的聲壓反射率 用表示 式中 Z1 介質(zhì)1的聲阻抗 Z2 介質(zhì)2的聲阻抗 2 在單一界面上透射波聲壓與入射波聲壓之比 稱為界面的聲壓透射率 用t表示 3 在界面上反射波聲強(qiáng)與入射波聲強(qiáng)之比 稱為聲強(qiáng)反射率 用R表示 4 在界面上透射聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)之比 稱為聲強(qiáng)透射率 用T表示 說明 在聲波垂直入射到平界面上時(shí) 聲壓和聲強(qiáng)的分配比例 僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān) 注意 在垂直入射時(shí) 介質(zhì)兩側(cè)的聲波必須滿足兩個(gè)邊界條件 1 一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓 否則界面兩側(cè)受力不等 將會(huì)發(fā)生界面運(yùn)動(dòng) 2 兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等 以保持波的連續(xù)性 上述的是超聲波縱波 垂直入射到單一平界面上的 聲壓 聲強(qiáng)與其反射率 透射率的計(jì)算公式 同樣適用于橫波入射的情況 二 薄層界面在進(jìn)行超聲檢測時(shí) 經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層 可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問題 超聲波是由聲阻抗為Z1的第一介質(zhì) 入射到Z1和Z2的交界面 然后通過聲阻抗為Z2的第二介質(zhì)薄層射到Z2和Z3界面 最后進(jìn)入聲阻抗為Z3的第三介質(zhì)等 在有三層介質(zhì)時(shí) 很多情況是 第一介質(zhì)和第三介質(zhì)為同一種介質(zhì) a 鋼 水入射b 水 鋼入射 注意 1 超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時(shí) 反射和透射情況與單一的平界面不同 2 當(dāng)異質(zhì)薄層很薄 進(jìn)入薄層內(nèi)的超聲波會(huì)在薄層兩側(cè)界面 引起多次反射和透射 形成一系列的反射和透射波 3 當(dāng)超聲波脈沖寬度相對(duì)于薄層較窄時(shí) 薄層兩側(cè)的各次反射波 透射波就會(huì)互相干涉 4 由于上述原因 聲壓反射率和透射率的計(jì)算比較復(fù)雜 一般說來 超聲波通過異質(zhì)薄層時(shí) 聲壓反射率和透射率 不僅與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗有關(guān) 而且與薄層厚度同其波長之比 有關(guān) 1 當(dāng)一 三介質(zhì)為同一介質(zhì)時(shí) 對(duì)均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層有如下規(guī)律性 反射 2 21 透射 2 22 式中 d2 異質(zhì)薄層的厚度 異質(zhì)薄層的波長 兩種介質(zhì)的聲阻抗之比 由公式 2 21 2 22 可知 當(dāng)時(shí) n為正整數(shù) 當(dāng)時(shí) n為正整數(shù) r最高 當(dāng)時(shí) 即時(shí) 則薄層厚度愈小 透射率愈大 反射率愈小 2 即非均勻介質(zhì)中的薄層有如下規(guī)律性 例如 晶片 保護(hù)薄膜 工件 或晶片 耦合劑 工件等情況 此時(shí)聲壓往復(fù)透射率為 2 23 由上式可知 當(dāng)時(shí) n為正整數(shù) 則有 即 超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層 若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍時(shí) 通過薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān) 當(dāng) n為正整數(shù) 且時(shí) 則有 上式表明 超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層 1 當(dāng)?shù)钠鏀?shù)倍 Z2為時(shí) 或時(shí) 其聲壓往復(fù)透射率等于1 此即為全透射的情況 2 當(dāng)時(shí) 薄層愈薄 聲壓往復(fù)透射率愈大 關(guān)于聲阻抗 聲阻抗Z 表示聲場中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用 指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) 任一點(diǎn)的聲壓p與該點(diǎn)速度振幅V之比 定義式 聲阻抗Z p V 2 4 數(shù)值表征 Z CL 2 5 氣體 液體 金屬之間聲阻抗之比約為 1 3000 8000 繞射現(xiàn)象當(dāng)界面尺寸df 2時(shí) 聲波能繞過缺陷界面而繼續(xù)向前傳播的現(xiàn)象 叫作繞射 因此 要想提高探傷靈敏度 必須提高頻率f 以便發(fā)現(xiàn)更小的缺陷 超聲波的繞射現(xiàn)象 2 傾斜入射異質(zhì)界面的反射 折射和波型轉(zhuǎn)換 參考圖 o L 入射縱波 縱波入射角 L1 反射縱波 L 縱波L1反射角 S1 反射橫波 橫波S1反射角 L2 折射縱波 L 縱波L2折射角 S2 折射橫波 橫波S2折射角 1超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時(shí) 將一直向前傳播 不改變方向 2遇到異質(zhì)界面 聲阻抗差異較大的異質(zhì)界面 時(shí) 會(huì)產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象 3一部分超聲波在界面上被反射回第一介質(zhì) 另一部分透過介質(zhì)交界面進(jìn)入第二介質(zhì) 2 2超聲波在介質(zhì)中的傳播 一 在單一界面上當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時(shí) 在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波 在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波 反射波與透射波的聲壓 聲強(qiáng) 是按一定比例分配 分比例由聲壓反射率 或聲強(qiáng)反射率 和聲壓透射率 或聲強(qiáng)透射率 來表示 2 2超聲波在介質(zhì)中的傳播 二 薄層界面 在進(jìn)行超聲檢測時(shí) 經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層 可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問題 2 2超聲波在介質(zhì)中的傳播 斯涅耳定律 2 6 2 臨界角的討論及其應(yīng)用意義因CL CL1 L 由 2 6 式可推知 2 7 2 8 臨界角的討論 當(dāng)取有機(jī)玻璃為第一介質(zhì) 鋼為第二介質(zhì)時(shí) 即有 CL1 CL2 CL1 CS2 CL2 必有 S L 且 S L 故當(dāng) L 90 時(shí) 第二介質(zhì)中只有橫波 此時(shí)對(duì)應(yīng)的縱波入射角 叫作第一臨界角 記為 1m 這時(shí) 1m 27 6 當(dāng) 使 s 90 時(shí) 第二介質(zhì)中只有表面波 此時(shí)對(duì)應(yīng)的縱波入射角 叫作第二臨界角 記為 2m 57 6 臨界角的應(yīng)用 斜探頭設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)保證聲波的入射角介于第一臨界角 第二臨界角之間 第三臨界角 入射角 折射角 當(dāng)超聲波橫波傾斜入射到界面時(shí) 在第一介質(zhì)中產(chǎn)生反射縱波和反射橫波 由于在同一介質(zhì)中 恒大于 所以恒大于 隨著增加 當(dāng)時(shí) 介質(zhì)中只存在反射橫波 當(dāng) 則有 注意 只有第一介質(zhì)為固體時(shí) 才會(huì)有第三臨界角 2 4 2 3傾斜入射到平界面上時(shí)聲壓反射率與透射率注意 斯涅爾反射 折射定律只討論了 超聲波傾斜入射到界面上時(shí) 各種類型反射波和折射波的傳播方向 沒有涉及它們的聲壓反射率和透射率 實(shí)際上 在斜入射情況下 各種類型的反射波和折射波的聲壓反射率和透射率 是與 與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān) 與入射波的類型以及入射角的大小有關(guān) 其理論計(jì)算公式復(fù)雜 借助于由公式或?qū)嶒?yàn) 得到的幾種 常見界面的聲壓反射率和透射率圖來確定檢測方案 2 4 2 4聲壓往復(fù)透射率超聲波傾斜入射時(shí) 聲壓往復(fù)透射率等于兩次相反方向 通過同一界面的聲壓透射率的乘積 表達(dá)式 2 25 入射波聲壓 透射波聲壓 回波聲壓 2 3超聲波檢測原理 本節(jié)重點(diǎn)講解 A型脈沖反射法超聲波檢測原理 在實(shí)際應(yīng)用中以該法為主 2 3 1A型脈沖反射法超聲波檢測原理 1 原理 A型脈沖反射法超聲波檢測就是利用超聲波在傳播過程中 遇到聲阻抗較大的異質(zhì)界面時(shí) 將產(chǎn)生反射的原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部缺陷檢測的 2 實(shí)現(xiàn)方法 該法采用單一探頭 既作發(fā)射器件 又作接收元件 以脈沖方式間歇地向工件發(fā)射超聲波 接受到的回波信號(hào)經(jīng)功能電路放大 檢波后 在探傷儀的示波屏上 以脈沖信號(hào)顯示出來 3 信號(hào)的解讀 根據(jù)探傷儀示波屏上 始波T 傷波F 底波B的有無 大小及其在時(shí)基軸上的位置可判斷工件內(nèi)部缺陷的有無 大小和位置 見下圖 示例 直探頭缺陷顯示 a 無缺陷b 小缺陷c 大缺陷 T B T T B F F 示波屏特征小結(jié) a 無缺陷 示波屏上只有始波T和底波B 而且底波較高 b 有小缺陷 示波屏上不僅有始波T和底波B 而其間還有傷波F 相對(duì) a 無缺陷的情況 底波變矮 c 有大缺陷 示波屏上只有始波T和傷波F 沒有底波B 相對(duì) b 而言 傷波變高 2 4脈沖反射法超聲波檢測技術(shù)要點(diǎn) 內(nèi)容提要 從根本上說 超聲波檢測技術(shù)的基本任務(wù)就是 通過調(diào)節(jié)探傷系統(tǒng)的靈敏度和調(diào)整操作手法 有效的發(fā)現(xiàn)缺陷 發(fā)現(xiàn)缺陷后 能夠準(zhǔn)確的給缺陷定性 定量 定位 根據(jù)工藝要求 提出返修建議及相關(guān)的探傷工藝 按規(guī)定格式 出據(jù)檢測報(bào)告 重點(diǎn)介紹兩種探傷方法 2 4 1垂直入射法 直探頭 縱波法探傷技術(shù) 定義 采用直探頭將聲束垂直入射工件的探傷方法 該法利用的聲波類型為縱波 故有縱波法之稱 簡記 垂直入射法 直探頭法 縱波法 缺陷顯示方式 以回波在時(shí)基線上的位置 脈沖大小反映缺陷的情況 應(yīng)用特點(diǎn) 能夠發(fā)現(xiàn)與探測面平行或接近平行的面積型缺陷和體積型缺陷 對(duì)體積型缺陷的檢出率較高 缺陷的定位 缺陷就在探頭的正下方 從三維定位的角度 需給出三個(gè)坐標(biāo) x y z 其中 在探測面上的水平坐標(biāo)x y可直接用鋼板尺量取 而缺陷的埋藏深度坐標(biāo)z 習(xí)慣上用h表示 可根據(jù)傷波可根據(jù)傷波F在時(shí)基線上的位置 按比例關(guān)系確定 h tf tb n tf 式中 tf 傷波脈沖前沿在示波屏?xí)r基線上的刻度值 tb 底波在示波屏?xí)r基線上的刻度值 被檢測試件的厚度值 n 比例系數(shù) n tb 缺陷的定量a 當(dāng)缺陷尺寸大于聲束直徑時(shí) 采用移動(dòng)測長法 即半波高法 圖示如下 b 缺陷尺寸小于聲束直徑時(shí) 采用當(dāng)量法 當(dāng)量法的基本思想 在一定的探傷靈敏度條件下 將已知形狀 尺寸的人工反射體的回波與實(shí)際檢測到的缺陷回波相對(duì)比 若二者的聲程 回波高度相等 則這個(gè)已知人工反射體的相關(guān)尺寸可視為該實(shí)際缺陷的 缺陷當(dāng)量 可見當(dāng)量法應(yīng)該選擇恰當(dāng)?shù)膶?duì)比試塊 設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)木嚯x尺寸和人工反射體的尺寸 得到 探測距離與波幅曲線 當(dāng)量法的距離 波幅曲線示意圖 對(duì)比試塊 250 50 孔徑可改變?yōu)?2 3 4 6 探頭 平底孔距探測面的距離為 5 10 15 20 25 30 35 40 45 當(dāng)量法的距離 波幅曲線示意圖 圖例 波幅 距離mm 評(píng)定線 定量線 報(bào)廢線 dB 缺陷的定性對(duì)于A型顯示的超聲波檢測來說 給缺陷定性是較復(fù)雜和困難的 需要了解檢測對(duì)象的材質(zhì) 工藝 缺陷位置 空間位向 信號(hào)大小 特征等多方面的信息 缺陷性質(zhì)不同 其波形特征各異 在探頭移動(dòng)時(shí) 也會(huì)表現(xiàn)出不同的特點(diǎn) 要做動(dòng)態(tài)分析 舉例 點(diǎn)狀缺陷的波幅較低 當(dāng)探頭作環(huán)繞掃查時(shí) 信號(hào)反映遲鈍 夾渣群則呈連串的波峰 而且波形雜亂 裂紋和未焊透等平面缺陷的回波高而陡峭 對(duì)探頭轉(zhuǎn)角掃查反映敏感 特別是回波信號(hào)往往隨探頭的掃查方式改變而發(fā)生不同的變化 其變化規(guī)律需操作者積累豐富的經(jīng)驗(yàn) 各種現(xiàn)代超聲檢測技術(shù)的出現(xiàn) 大大提高了缺陷定性的準(zhǔn)確性 基本掃查方式 圖示 2 4 2斜角探傷法 斜探頭 橫波法 1 定義 采用斜探頭將聲束傾斜入射工件探傷面進(jìn)行檢測的方法 簡稱斜射法 在具體檢測中 采用橫波探傷 因此 又稱橫波法 2 斜探頭的主要參數(shù) 橫波折射角 簡稱折射角 探頭K值 K tg 反射系數(shù)K 超聲波頻率 f 3 示波屏上的缺陷顯示情況 T T T F B a 無缺陷b 有缺陷c 端角波 4 幾何關(guān)系術(shù)語入射點(diǎn)o 前沿長度b 聲波入射點(diǎn)至探頭前端距離 折射角 探頭K值 K tg 跨距P1 2 tg 2K 半跨距P0 5 K 直射法 聲波未經(jīng)發(fā)射直接對(duì)準(zhǔn)缺陷 一次反射法 聲波只經(jīng)過一次反射就對(duì)準(zhǔn)了缺陷 幾何關(guān)系術(shù)語的圖解 圖例 直射法 一次波法 一次反射法 二次波法 直射法圖解 K tg L h缺陷水平距離L S sin 缺陷深度h S cos 一次反射法圖解 L S sin S K 1 K2h 2 S cos 2 L K 工件 缺陷 L h h 思考題 一次反射法探傷時(shí) 怎樣用聲程S和折射角 表示缺陷水平距離L與缺陷深度h 解 已知 S 或K時(shí) 若先求出h 2 S cos 2 L K 則L 2 h K S sin 5 常用的掃查方式粗探 鋸齒型 W 掃查 又稱垂直 水平掃查 精探 轉(zhuǎn)角 環(huán)繞 垂直 水平 6 缺陷定位斜探頭定位的復(fù)雜性分析 缺陷定位的目的 就是在發(fā)現(xiàn)缺陷后 如何給出它的三維坐標(biāo) 并在圖紙上表示清楚 習(xí)慣上 采用直角坐標(biāo)來表示 即給出X Y h 參見下圖 6 缺陷定位一種水平1 1定位法即斜探頭進(jìn)行焊縫缺陷定位的方法 首先完成水平1 1定位 借助標(biāo)準(zhǔn)試塊 由于已知探頭K值 故可直接計(jì)算L50和L100 其中 L50 50K 1 K2 L100 2L50 CSK 1A標(biāo)準(zhǔn)試塊 圖例 CTS 22型超聲波探傷儀 面板圖 然后 利用CSK 1A標(biāo)準(zhǔn)試塊上的同心圓弧R50 R100為人工反射體 將斜探頭的入射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)同心圓弧R50 R100的圓心 此時(shí)回波最高 并利用水平移位旋紐和深度調(diào)節(jié)旋紐使同心圓弧R50 R100的回波分別對(duì)準(zhǔn)時(shí)基線上的L50和L100 這樣 就完成了水平1 1定位調(diào)節(jié) 此后的探傷過程千萬不要再動(dòng)水平移位旋紐和深度調(diào)節(jié)旋紐 否則 就會(huì)破壞剛剛調(diào)好的定位關(guān)系 2 5超聲波探傷系統(tǒng) 2 5 1超聲波檢測系統(tǒng)組成 1 超聲波探頭 2 超聲波探傷儀 3 測試線 4 試塊 工件 5 耦合劑 2 5超聲波探傷系統(tǒng) 1 探頭 直探頭 外殼 壓電晶片 引線 阻尼塊 斜探頭 入射點(diǎn) 超聲波探頭 當(dāng)入射角AL一定時(shí) 探頭的折射角BS是一個(gè)隨透聲斜楔材料 檢測對(duì)象材質(zhì)變化的 即K值并非一定值 斜探頭的參數(shù)選擇 為了保證斜探頭檢測時(shí) 盡可能使用直射法或一次反射法探傷 應(yīng)注意 a 板厚較大時(shí) 選擇K值較小的探頭 按深度1 1定位法進(jìn)行初始定位 b 板厚較薄時(shí) 選擇K值較大的探頭 按水平1 1定位法進(jìn)行初始定位 2 探傷儀 強(qiáng)調(diào)一點(diǎn) 超聲波探傷儀在工作時(shí) 其始波T是不依賴探頭而存在的 這時(shí)因?yàn)?始波作為一種標(biāo)志信號(hào) 直接通過內(nèi)部電路饋送而來的 它不是反射信號(hào) 直探頭探傷時(shí) 要求始波前沿對(duì)準(zhǔn)0刻度 斜探頭探傷時(shí) 由于探頭內(nèi)部楔塊已經(jīng)有一段聲程S0 因此不再要求始波對(duì)準(zhǔn)0刻度 3 試塊超聲波檢測 離不開試塊 其作用比象質(zhì)計(jì)還要大 試塊分為 標(biāo)準(zhǔn)試塊和對(duì)比試塊兩類 它們都是超聲波檢測的輔助工具 用來模擬各種工藝缺陷 對(duì)超聲檢測系統(tǒng)的靈敏度進(jìn)行調(diào)整 試塊中精心設(shè)計(jì)了各種人工反射體 并進(jìn)行了科學(xué)布置 標(biāo)準(zhǔn)試塊與對(duì)比試塊的定義 標(biāo)準(zhǔn)試塊 standardtestblock 指材質(zhì) 形狀和尺寸均經(jīng)主管機(jī)關(guān)或權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定的試塊 也叫校準(zhǔn)試塊 用于對(duì)超聲檢測裝置或系統(tǒng)的性能測試及靈敏度調(diào)整 對(duì)比試塊 referenceblock 用于調(diào)整超聲檢測系統(tǒng)靈敏度或比較缺陷大小的試塊 也叫參考試塊 一般采用與被檢材料特性相似的材料制成 標(biāo)準(zhǔn)試塊示例 1 CS 1試塊尺寸參數(shù) 高H 225mm 直徑 70mm 底部平底孔 2mm 孔深h 25mm 作用 標(biāo)定儀器靈敏度 試塊示例 2 CSK 1A試塊 CSK 1A試塊的作用 標(biāo)定探頭K值 測試分辨力 測試探傷儀的水平線性 進(jìn)行斜探頭的垂直或水平1 1定位 測試斜探頭的入射點(diǎn)等等 這些內(nèi)容 將通過實(shí)驗(yàn)課來親自體驗(yàn) 2 5 2超聲波探傷儀基本性能簡介 1 垂直線性 回波波高與放大系統(tǒng)的回波電壓信號(hào)成正比關(guān)系的程度 因此 又稱為放大線性或波幅線性 它涉及對(duì)缺陷的定量 合格儀器一般要求 8 2 水平線性 探傷儀示波屏?xí)r基線上的傷波前沿讀數(shù)與實(shí)際聲程成正比關(guān)系的程度 又稱時(shí)基線性 掃描線性或距離線性 它涉及對(duì)缺陷的定位 合格儀器一般要求 2 3 動(dòng)態(tài)范圍 回波波高從100 至完全消失 衰減器db值的改變量 一般大于26db 2 5 3超聲波檢測系統(tǒng)的組合性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB T12604 1 90規(guī)定 超聲檢測系統(tǒng) 由超聲檢測儀器 探頭和電纜組成的系統(tǒng) 1 組合靈敏度 用靈敏度余量來表示 指超聲檢測系統(tǒng)中 以一定電平 或波高 表示的標(biāo)準(zhǔn)缺陷探測靈敏度與最大探測靈敏度之間的差值 用db數(shù)表征 該值越大 表明該系統(tǒng)的組合靈敏度越好 即靈敏度余量越大 2 組合盲區(qū) deadzone 在一定探傷靈敏度下 從被檢件探測面到最近可探缺陷之間距離 換言之 在此區(qū)間內(nèi) 系統(tǒng)無法有效發(fā)現(xiàn)缺陷 注釋 發(fā)現(xiàn)不了缺陷 成為 盲 一定范圍內(nèi)都 發(fā)現(xiàn)不了缺陷 便構(gòu)成 盲區(qū) 組合盲區(qū)測定是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一 盲區(qū)的示意圖 超聲波探傷儀示波屏 T 盲區(qū) 100806040200 F 3 組合分辨力 resolution 指超聲探傷系統(tǒng)能夠區(qū)分深度方向一定大小的兩個(gè)相鄰缺陷的能力 這一組合性能 需借助CSK 1A標(biāo)準(zhǔn)試塊來完成 圖示如下 組合分辨力測試圖示 用CSK 1A試塊測探傷系統(tǒng)的組合分辨力 300 91 100 200 兩個(gè)人工反射體 直探頭 85 組合分辨力測試圖示 首先找到兩個(gè)反射體的回波A B 將二者調(diào)至滿量程的20 30 記下此時(shí)的衰減器讀數(shù)S1 然后將回波A B的谷底調(diào)至原來波高 即滿量程的20 30 記下此時(shí)的衰減器讀數(shù)S2 最后計(jì)算出衰減器的改變量S S1 S2即為該探傷系統(tǒng)的組合分辨力 4 電噪聲 T E E1 E2 100 E1 E2 2 6超聲波檢測應(yīng)用相關(guān)術(shù)語 2 6 1對(duì)接焊縫的斜探頭檢測 1 位 側(cè) 面 左側(cè) 右側(cè) 探測面 分為上 下面 探測區(qū) 分為左 右側(cè) 探頭所在位向分為 1 2 3 4四種位置 2 直射法掃查的死區(qū) 3 掃查范圍的確定直射法 L 0 75P1一次反射法 L 1 25P1 L 4 聲學(xué)術(shù)語 超聲場 充滿超聲波的空間 聲壓 超聲場中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在交變振動(dòng)的某一瞬時(shí)所受的附加壓強(qiáng) 聲強(qiáng)I 即聲波的能流密度 指單位時(shí)間內(nèi)在垂直于聲束傳播方向的介質(zhì)單位面積上所通過的平均聲能量 W CM2 標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I0 也叫 聞閾 指引起聽覺的最弱聲強(qiáng) 或稱為基準(zhǔn)聲強(qiáng) 數(shù)值是 10 16W CM2 聲強(qiáng)級(jí) soundintensitylevel 以分貝 dB 為單位的聲強(qiáng)表示方法 定義式為 IL 10 lg I I0 dB即 聲強(qiáng)級(jí)在數(shù)值上等于某一頻率的聲強(qiáng)I與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I0的比值再取常用對(duì)數(shù)后乘以10 不乘以10 其單位叫貝爾 BEL 這個(gè)單位顯得太大 不便于應(yīng)用 就像米 m 與分米 dm 一樣 不同波高的聲強(qiáng)級(jí)差 10lg I2 I1 10lg P2 P1 2 20lg P2 P1 20lg H2 H1 特別地 當(dāng)H2 H1 2時(shí) 6dB 這就是半波高法的由來 2 6 2實(shí)際接頭的超聲波檢測示例 1 T形接頭的檢測 示例1 針對(duì)不同缺陷的組合探測 斜探頭 2 對(duì)接焊縫的超聲波檢測