《無損檢測(cè)》課件3 超聲檢測(cè)

1、第三講 超聲波檢測(cè)對(duì)應(yīng)教材內(nèi)容：1.5 超聲波檢測(cè)方法1.6 超聲場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用超聲探傷儀以及選擇 超聲波探傷儀 超聲波探傷儀是超聲波檢測(cè)的主體設(shè)備，它的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器探頭，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過一定方式顯示出來，從而得到被檢工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷儀置和大小的信息。儀器選樣 應(yīng)從被檢對(duì)象的材質(zhì)及其缺陷存在的狀況考慮。探頭的性能是檢測(cè)工作得以順利近行的關(guān)鍵。超聲波分類：按連續(xù)性連續(xù)波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)且頻率不變的超聲波，根據(jù)透過工件的超聲波強(qiáng)度變化判斷工件缺陷及缺陷大小。這種儀器靈敏度低，不能確定缺陷位置，因而已大多被脈沖波探

2、傷儀所代替。 調(diào)頻波探傷儀： 這種儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)的頻率周期件變化的超聲波，根據(jù)發(fā)射波與反射波的差頻變化情況判斷工件中有無缺陷。以往的調(diào)頻路軌探傷儀便采用這種原理，但由于只適應(yīng)于與檢測(cè)面平行的缺陷，所以這種儀器也大多被脈沖波探傷儀所代替。超聲波分類：按連續(xù)性脈沖波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件周期性地發(fā)射不連續(xù)且頻率不變的超聲波，根據(jù)超聲波的傳播時(shí)間及幅度判斷工件中缺陷位置和大小，是目前使用最廣泛的探傷儀。超聲波分類：按連續(xù)性超聲波分類：按缺陷顯示方式A型顯示探傷儀：一種波形顯示探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間(或距離)，縱坐標(biāo)代表反射波的幅度，由反射波的位置確定缺陷位置，由

3、反射波的幅度確定缺陷大小。B型顯示探傷儀 一種圖像顯示探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)是靠機(jī)械掃描來代表探頭的掃查軌跡，縱坐標(biāo)是靠電子掃描來代表聲波的傳播時(shí)間(或距離)因而可直觀地顯示出被檢工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型顯示探傷儀 也是一種圖像顯示 探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都是以機(jī)械掃描來代表探頭在工件表面的位置，探頭接收信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示，因而，當(dāng)探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)，熒光屏上便顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖像，但不能顯深度。超聲波分類：按缺陷顯示方式超聲波分類：按超聲波通道分單通道探傷儀 這種儀器由一個(gè)或一對(duì)探頭單獨(dú)工作，是目前超聲波檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的儀器。多通道探傷儀 這種儀器內(nèi)多

4、個(gè)或多對(duì)探頭交替工作，每一通道相當(dāng)于臺(tái)含單通道的探傷儀，適用于自動(dòng)化檢測(cè)。 目前，檢測(cè)中廣泛使用A型顯示脈沖反射式探傷儀，如：CTS-8C，CTS-21，CTS-22，CTS26，JTS5，CST3。 德國(guó)KRAUTKRAMER公生產(chǎn)的USM35DAC超聲波探傷機(jī)，是一款小巧輕便的數(shù)字化超探儀，無論是象焊縫檢測(cè)這樣普通的應(yīng)用，還是面對(duì)苛刻的檢測(cè)任務(wù)，該機(jī)都能顯示出其優(yōu)異的性能和強(qiáng)大的功能。其頻率范圍可達(dá)20MHZ，最大檢測(cè)距離為10米，數(shù)據(jù)的管理也更加便捷。同時(shí)，該機(jī)還可使用DAC和 TCG曲線進(jìn)行回波評(píng)價(jià)。 當(dāng)用斜波探頭檢測(cè)時(shí)，對(duì)不同的 A 掃描回波定義為不同的顯示顏色。 USM35DAC超

5、聲波探傷機(jī)超聲波探頭（壓電換能器）種類厚度振動(dòng)型探頭：受激勵(lì)而產(chǎn)生的超聲波是縱波,可利用超聲波的折射特性,通過適當(dāng)?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換,把縱波轉(zhuǎn)換成其他所需要的波型用于檢測(cè)。 根據(jù)激發(fā)超聲波的工作頻譜,可把探頭分為寬頻帶探頭：用于要求具有較高分辨力的超聲檢測(cè)窄頻帶脈沖探頭：用于如穿透法,諧振法，聲振法等的超聲檢測(cè)。普通直探頭 由單塊壓電晶片兼并發(fā)射與接收功能而制成的探頭，其晶片多為圓形薄片，還可分為液浸法檢測(cè)用的和直接接觸法用的探頭。吸收塊作用：（1）支承晶片的背襯。（2）吸收晶片背面發(fā)射的聲波和抑制雜波。（3）吸收晶片的震動(dòng)能量，縮短晶片的震動(dòng)時(shí)間，使晶片被發(fā)射脈沖激勵(lì)后能很快停下來。吸收塊的

6、選材要求：（1）聲阻抗與晶片相等（2）超聲波衰減系數(shù)越大越好普通直探頭鎢粉酚醛樹脂鎢粉PbO2酚醛鎢粉層/PbO/復(fù)合層保護(hù)膜： 保護(hù)晶片不被磨損，與晶片粘結(jié)時(shí)不能有空氣間隙或者雜質(zhì)。保護(hù)膜材質(zhì)： 氧化鋁膜，耐磨損、抗腐蝕。 液浸探頭用環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂普通直探頭普通斜探頭 由單塊壓電晶片兼并發(fā)射與接收功能,其晶片多為圓形,方形和矩形薄片。其上配有斜楔以改變晶片受激產(chǎn)生的縱波在界面上的入射角,利用超聲波的折射特性產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換,從而在檢測(cè)介質(zhì)中激發(fā)出所需要的波型。它主要用于直接接觸法檢測(cè)。斜楔吸收塊斜楔的功能： 波形轉(zhuǎn)換器。把壓電晶片激發(fā)出的縱波以一定角度傾斜入射到斜楔底面與被檢工件表面的界面

7、上。選材要求： 斜楔的縱波聲速低于被檢介質(zhì)的縱波聲速。 有機(jī)玻璃，聚苯乙烯，尼龍，聚碳酸酯 吸收塊還吸收斜楔內(nèi)回波，防止對(duì)晶片的干擾。普通斜探頭 斜探頭的分類（1）橫波探頭:用于對(duì)工件內(nèi)部及表面缺陷的橫波檢測(cè)，例如檢測(cè)焊縫。（2）瑞利表面波探頭:對(duì)具有光潔表面的工件的表面缺陷檢測(cè)，例如檢測(cè)葉片表面裂紋。（3）板波(蘭姆波)探頭:用于薄板檢測(cè)。（4）爬波探頭:粗糙表面工件的近表面缺陷檢測(cè)。（5）可變角探頭:可調(diào)整縱波入射角以探索適當(dāng)波型超聲波的激發(fā)條件以及調(diào)整超聲波的折射角度。 大多數(shù)探頭直徑小于40mm。原因是大于40mm時(shí)很難獲得與之對(duì)應(yīng)的平整的接觸面。雙晶探頭和水浸探頭雙晶探頭（組合式或分

8、割式探頭）兩塊壓電晶片裝在個(gè)探頭架內(nèi)，一個(gè)晶片發(fā)射縱波，另一個(gè)晶片接收縱波。兩晶片之間用隔聲絕緣層分開，晶片的傾角通常為3018o之間。兩晶片聲場(chǎng)的重疊部分是檢測(cè)靈敏度的最高區(qū)域。水浸探頭 水浸探頭可浸在水中檢測(cè)，不與工件接觸，其結(jié)構(gòu)與直探頭相似，但不需要保護(hù)膜。 壓電晶片 將數(shù)百萬伏的超聲電脈沖加到壓電陶瓷兩端，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲振動(dòng)波被反射回晶片表面時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)化成頻率相同的交變電荷和電壓。壓電陶瓷材料：石英等介電常數(shù)：10006000壓電靈敏度：300600pC/N 試塊 按一定用途設(shè)計(jì)制作的具有簡(jiǎn)單幾何形狀的人工反射體的試樣

9、，通常稱為試塊。 試塊和儀器、探頭一樣、是超聲波檢測(cè)中的重要工具。鋼試塊鋁試塊試塊具有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)試塊作用1)確定檢測(cè)靈敏度。靈敏度太高雜波多，判斷困難，太低會(huì)引起漏檢。在超聲波檢測(cè)前，調(diào)整靈敏度。2)測(cè)試儀器和探頭的性能。超聲波探傷儀和探頭的一些重要功能，如垂直線性、水平線性、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度余量、分辨力等都是利用試塊來測(cè)試。3)調(diào)整掃描速度。利用試塊可以調(diào)整儀器示波屏上水平刻度值與實(shí)際聲程之間的比例關(guān)系，即掃描速度，以便對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。4)評(píng)判缺陷的大小。利用某些試缺繪出的距離波幅當(dāng)量曲線來給缺陷定量。常用定量方法耦合劑 為了使探頭有效地向試件中發(fā)射和接收超聲波，在二者之間填充耦合介

10、質(zhì)以排除空氣，避免因空氣層的存在致使聲能幾乎全部被反射的現(xiàn)象發(fā)生。 探頭與試件之間為排除空氣而填充的耦合介質(zhì)。 耦合劑應(yīng)具有較好的透聲性能和較高的聲阻抗等，如甘油、硅油、機(jī)油。 根據(jù)不同的耦合條件和耦合介質(zhì)，探頭與試件之間耦合方式分可為直接接觸法和液浸法。工件表面的狀況、粗糙度以及耦合劑的種類等都將影響超聲波的耦合效果。超聲檢測(cè)方法共振法 應(yīng)用共振現(xiàn)象對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)的方法叫共振法。探頭把超聲波輻射到試件后，通過連續(xù)調(diào)整聲波的頻率以改變其波長(zhǎng)，當(dāng)試件的厚度為聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，則在試件中產(chǎn)生駐波。且駐波的波腹正好落在試件的表面上。用共振法測(cè)厚時(shí)，在測(cè)得超聲波的頻率和共振次數(shù)后，可用公式計(jì)算。

11、當(dāng)試件中有較大缺陷或壁厚改變時(shí)，將使共振點(diǎn)偏移乃至共振現(xiàn)象消失，所以共振法常用于壁厚的測(cè)量，以及復(fù)合材料的膠合質(zhì)量、板材點(diǎn)焊質(zhì)量、均勻腐蝕的超聲檢測(cè)。超聲檢測(cè)方法透射法無缺陷 小缺陷 大缺陷 發(fā)射探頭和接收探頭分別置于試件的兩個(gè)相對(duì)面上，根據(jù)超聲波穿進(jìn)試件后的能量變化情況，判斷試件內(nèi)部質(zhì)量。無缺陷，接收信號(hào)較強(qiáng)；小缺陷，收到較弱的信號(hào)；缺陷面積大于聲束截面時(shí)，全部聲束被缺陷遮擋，接收探頭則收不到發(fā)射信號(hào)。 透射法優(yōu)缺點(diǎn) 1)在試件中聲波只做單向傳播，適合檢測(cè)高衰減材料。 2)對(duì)發(fā)射和接收探頭的相對(duì)位置要求嚴(yán)格，需專門的探頭支架。適用于單一產(chǎn)品大批量加工制造過程中的機(jī)械化自動(dòng)檢測(cè)。 3) 在試件

12、中幾乎不存在盲區(qū)。 1)一對(duì)探頭單收單發(fā)的情況下，只能判斷缺陷的有無和大小，不能確定缺陷的方位。 2) 缺陷尺寸小于探頭波束寬度時(shí)，該方法的探測(cè)靈敏度低。超聲檢測(cè)方法脈沖反射法 脈沖反射法是利用超聲波脈沖在試件內(nèi)傳播的過程中，遇有聲阻抗相差較大的兩種介質(zhì)的界面時(shí)，將發(fā)生反射的原理進(jìn)行檢測(cè)的方法。 一個(gè)探頭兼做發(fā)射和接收器件，接收信號(hào)在探傷儀的熒光屏顯示，并根據(jù)缺陷及底面反射波的有無、大小及其在時(shí)基軸上的位置來判斷缺陷的有無、大小及其方位。 脈沖反射法的優(yōu)點(diǎn)1)檢測(cè)靈敏度高，能發(fā)現(xiàn)較小的缺陷。2)當(dāng)調(diào)整好儀器的垂直線性和水平線性后，可得到較高的檢測(cè)精度。3)適用范圍廣，適當(dāng)改變耦合方式，選擇一定

13、的探頭以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的探測(cè)波型和檢測(cè)靈敏度。4)操作簡(jiǎn)單、方便、容易實(shí)施。 脈沖反射法的缺點(diǎn)1)單探頭檢測(cè)往往在試件上留有一定盲區(qū)。2)由于探頭的近場(chǎng)效應(yīng)，故不適用于薄壁試件和近表面缺陷。3)缺陷波大小與被檢缺陷取向關(guān)系密切，容易發(fā)生漏檢。4)因聲波往返傳播，故不適用于衰減太大的材料。液浸法 液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體介質(zhì)作耦合劑，聲波先經(jīng)過液體介質(zhì)，再入射到試件中，探頭與試件并不直接接觸，從而克服了直接接觸法的缺點(diǎn)。液浸法中，探頭角度可任意調(diào)整，聲波的發(fā)射、接收也比較穩(wěn)定，大大提高了檢測(cè)速度。 缺點(diǎn)是當(dāng)耦合層較厚時(shí)，聲能損失較大。另外，自動(dòng)化檢測(cè)還需要相應(yīng)的輔助設(shè)備，有時(shí)是復(fù)雜的

14、機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備，它們對(duì)單一產(chǎn)品(或幾種產(chǎn)品)往往具有很高的檢測(cè)能力，但缺乏靈活性。當(dāng)量法 當(dāng)量法是以圓形平底孔試塊為基準(zhǔn)，同時(shí)先假設(shè)試塊和鍛件的測(cè)試條件基本相當(dāng)，將缺陷的回波聲壓和與試塊的回波聲壓來進(jìn)行當(dāng)量對(duì)比，若二者的反射回波聲壓相等，則認(rèn)為該人工缺陷與實(shí)際缺陷是同當(dāng)量的。一般實(shí)際缺陷比當(dāng)量缺陷大35倍。大型鍛件中缺陷檢測(cè) 對(duì)鍛件中缺陷長(zhǎng)度的定量常采用連續(xù)移動(dòng)探頭檢測(cè)法，此法的檢測(cè)精度與超聲波波束和缺陷的相互指向性有關(guān)，當(dāng)聲束軸線垂直于缺陷的反射面時(shí)，熒光屏上將可以獲得最高的缺陷反射波。若移動(dòng)探頭，使聲束軸線逐漸偏離缺陷，反射波幅則逐漸降低。當(dāng)波幅下降為最高波幅的二分之一時(shí)，聲束軸線所指

15、的位置即為缺陷的邊緣，兩個(gè)邊緣之間的距離，即所謂被測(cè)缺陷的長(zhǎng)度。鑄件缺陷的檢測(cè) 鑄件內(nèi)部組織極大、致密性差，與鍛件相比，對(duì)超聲波的衰減大，穿透性亦較差。超聲波在極大的晶粒界面上會(huì)發(fā)生雜亂的晶界反射，使聲能遭到嚴(yán)重的衰減，檢測(cè)頻率越高，衰減越大，由晶界反射產(chǎn)生的雜波干擾越嚴(yán)重，因此，在鑄鐵件檢測(cè)時(shí)，一般選用較低的超聲波頻率，如0.52MHz，檢測(cè)靈敏度較低，只能檢出面積較大的缺陷。鑒于鑄鋼件的穿透性比鑄鐵件要好，所以可選用25MHz的檢測(cè)頻率。 小型壓力容器殼體是由低碳不銹鋼鍛造成形的，經(jīng)機(jī)械加工后成半球殼狀。對(duì)此類鍛件進(jìn)行超聲檢測(cè)，通常以斜探頭橫波檢測(cè)為主，輔以表面波探頭檢測(cè)表面缺陷。對(duì)于壁厚3mm以下的薄壁殼體只用表面法檢測(cè)。小型壓力容器殼體的檢測(cè) 探傷前必須將探頭楔塊磨制成與工件相同曲率的球面，以利于聲耦合，但磨制后，超聲波束不能帶雜波。通常使用易于磨制的塑料外殼環(huán)氧樹脂小型K值探頭，K選1.5一2，頻率2.5-5MHz。焊縫缺陷的檢測(cè)缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和焊接裂紋 焊縫探傷主要用橫波斜探頭。探測(cè)頻率通常為255MHz，應(yīng)主要依據(jù)工件厚度進(jìn)行探頭角度的選擇。發(fā)現(xiàn)缺陷后，即可對(duì)其進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算時(shí)可以使用探頭折射角的正弦和余弦，也可使用正切值，它等于探頭入射點(diǎn)至缺陷的水平距離與缺陷至工