無損檢測技術(shù)及超聲波探傷

無損檢測技術(shù)無損檢測的定義和分類定義：在不損壞試件的前提下，以物理或化學方法為手段，借助先進的技術(shù)和設(shè)備器材，對試件的內(nèi)部及表面結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)進行檢查和測試的方法。分類:1.射線檢測（Radiographic,簡稱RT）

2.超聲波檢測（UltrasonicTesting,簡稱UT）

3.磁粉檢測（MagneticTesting,簡稱MT）

4.滲透檢測（PenetrantTesting,簡稱PT）

以上成為四大常規(guī)檢測方法，其中RT和UT主要用于檢測試件內(nèi)部缺陷，

MT和PT主要用于探測試件表面缺陷.其他無損檢測方法有渦流檢測（ET）、聲發(fā)射檢測（AE）等。無損檢測概述各類檢測方法的定義：1.射線檢測（Radiographic,簡稱RT）,射線檢測是指用X射線或r射線穿透試件，以膠片作為記錄信息的檢測方法.2.超聲波檢測（UltrasonicTesting,簡稱UT），在超聲波探傷中，根據(jù)缺陷的回波和底面的回波進行判斷的脈沖反射法，目前脈沖發(fā)射法用的最廣泛.3.磁粉檢測（MagneticTesting,簡稱MT），鐵磁性材料被磁化后，其內(nèi)部產(chǎn)生很強的磁感應(yīng)強度，磁力線密度增大幾百倍到幾千倍.如果材料中存在不連續(xù)性（包括缺陷造成的不連續(xù)性和結(jié)構(gòu)、形狀、材質(zhì)等原因造成的不連續(xù)），磁力線會發(fā)生畸變，部分磁力線有可能逸出材料表面，從空間穿過，形成漏磁場.漏磁場的局部磁極能夠吸引鐵磁物質(zhì).4.滲透檢測（PenetrantTesting,簡稱PT），零件表面被施涂含有熒光染料或著色燃料的滲透液以后，在毛細管作用下，經(jīng)過一定時間，滲透液能夠滲透進表面開口的缺陷中，經(jīng)過去除零件表面多余的滲透液后，再在零件表面施涂顯像劑，同樣，在毛細管作用下，顯相劑將吸引缺陷中保留的滲透液，滲透液回滲到顯相劑中，在一定的光源下，缺陷中滲透液的痕跡被顯示，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態(tài).

探傷工作者在認真的檢查設(shè)備超聲波檢測的物理基礎(chǔ)振動與波1.機械振動和機械波機械振動——物體沿著直線或曲線在其平衡位置附近作往復周期性的運動。機械波——機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。彈性介質(zhì)模型在彈性介質(zhì)中，物體質(zhì)點間存在彈性力的聯(lián)系。由于彈性力的作用，任—質(zhì)點的機械振動都會傳遞給鄰近的質(zhì)點。使之也產(chǎn)生振動。然后，再將振動傳遞給下一個質(zhì)點。這樣依次類推，振動就由近及遠傳播出去。由此可知：機械波產(chǎn)生的條件首先要有一個作機械振動的物體作波源，其次要有傳播振動的彈性介質(zhì)。振動傳播的同時伴隨著能量的傳播，但沒有物質(zhì)的遷移。超聲波檢測（UT）彈性介質(zhì)模型2.超聲波波型（l）縱波

當彈性介質(zhì)受到交替變化的拉、壓應(yīng)力作用時，就會相應(yīng)產(chǎn)生交替變化的拉伸和壓縮形變。此時質(zhì)點振動方向與波傳播方向相同，這種波被稱為縱波。通常用符號“L”表示。（2）橫波

當固體介質(zhì)受到交變的剪切應(yīng)力作用時，將發(fā)生相應(yīng)的剪切變形，介質(zhì)質(zhì)點產(chǎn)生具有波峰和波谷的橫向振動，這時質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直。這種波稱為“橫波”，又稱為剪切波常用符號“S”表示。由于液體和氣體不存在剪切應(yīng)力，所以液體和氣體中只能傳播縱波，不能傳播橫波。（3）表面波當介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用符號“R”表示。表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，介質(zhì)表面質(zhì)點作橢圓運動。橢圓運動可視為縱向振動和橫向振動的合成，因此表面波同橫波一樣只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。3.波長、頻率和聲速最簡單最基本的波是簡諧波，如余弦波。它的波動方程式為:式中A稱為振幅，為圓頻率。當t=0時各點的振動曲線。圖中可看出波長表示二個相鄰的振動位相相同的點之間的距離。也即質(zhì)點完成一次全振動，波所傳播的距離。頻率f為每秒鐘質(zhì)點完成的全振動次數(shù)。聲速C是單位時間內(nèi)振動所傳播的距離.超聲波斜入射到異質(zhì)界面時的反射和折射反射、折射定律和波型轉(zhuǎn)換。斜入射超聲縱波在界面上的反射和折射當超聲波從一種介質(zhì)傾斜入射到另一種介質(zhì)時，由于二種介質(zhì)的聲速不同，在異質(zhì)界面上會產(chǎn)生聲波的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。圖所示為縱波入射的情況。L——縱波入射角S’——橫波反射角L’——縱波反射角L——縱波折射角S——橫波折射角則有反射、折射定律

式中C1L——第一介質(zhì)縱波聲速

C2L——第二介質(zhì)縱波聲速

C1S——第一介質(zhì)橫波聲速

C2S——第二介質(zhì)橫波聲速斜入射超聲縱波在界面上的反射和折射

臨界角當入射縱波的入射角L逐漸增大時，折射角L、S也逐漸增大。當L=90o時，縱波入射角稱為第一臨界角。

當S=90o時，縱波入射角稱為第二臨界角。

當L＞2時在第二介質(zhì)中沒有任何波傳入。當2＞L＞1時，在第二介質(zhì)中只有橫波，沒有縱波。在實際的橫波檢測中，為排除縱波干擾，所選用的入射角L總是在1和2之間。例如，用有機玻璃斜探頭檢測鋼工件，有機玻璃中縱波聲速C1L=2730米/秒，鋼中縱波聲速C2L=5900米/秒，橫波聲速C2S=3230米/秒，則第一臨界角1和第二臨界角2為：計算表明，為實現(xiàn)單一橫波檢測，縱波入射角的范圍為27.6~57.6之間。超聲波檢測儀超聲波檢測儀是超聲檢測的主體設(shè)備，是專門用于超聲檢測的一種電子儀器。

(1)超聲波檢測儀的作用。它的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器——探頭，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時將探頭送回的電信號進行放大處理后以一定方式顯示出來，從而得到被探測工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷的位置和大小等信息。A顯示是一種波形顯示，屏幕的橫坐標代表聲波的傳播時間（或距離），縱坐標代表反射波的聲壓幅度?？梢哉J為該方式顯示的是沿探頭發(fā)射聲束方向上一條線上的不同點的回波信息。圖6-17為A型顯示原理圖。圖中，T表示發(fā)射脈沖，F(xiàn)表示來自缺陷的回波，B表示底面回波。②按缺陷顯示方式分類：脈沖式檢測儀按回波信號的顯示方式又可分為A型顯示、B型顯示和C型顯示三種類型。C型顯示顯示的是試件的一個平面投影圖，探頭在試件表面做二維掃查，屏幕的二維坐標對應(yīng)探頭的掃查位置。探頭在每一位置接收的信號幅度以光點輝度表示。該方式可形象地顯示工件內(nèi)部缺陷的平面投影圖像，但不能顯示缺陷的深度。圖為C型顯示原理圖。B型顯示顯示的是試件的一個二維截面圖，屏幕縱坐標代表探頭在探測面上沿一直線移動掃查的位置坐標，橫坐標是聲傳播的時間（或距離）。該方式可以直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。模擬機數(shù)字機2)超聲波探頭（1）超聲波探頭的作用。超聲波探頭用于實現(xiàn)聲能和電能的互相轉(zhuǎn)換。它是利用壓電晶體的正、逆壓電效應(yīng)進行換能的。探頭是組成檢測系統(tǒng)的最重要的組件，其性能的好壞直接影響超聲檢測的效果。（2）常用超聲波探頭的類型。超聲波檢測中由于被探測工件的形狀和材質(zhì)、探測的目的、探測的條件不同，因而要使用各種不同形式的探頭。其中最常用的是接觸式縱波直探頭、接觸式橫波斜探頭、雙晶探頭、水浸探頭與聚焦探頭等。一般橫波斜探頭的晶片為方形，縱波直探頭的晶片為圓形，而聚焦聲源的圓形晶片為聲透鏡。所以聲場就有圓盤源聲場、聚焦聲源聲場和斜探頭發(fā)射的橫波聲場。圖6-21為一組探頭的圖片。各種探頭(a)縱波直探頭；(b)橫波斜探頭；(c)雙晶探頭3）試塊與耦合劑與一般的測量過程一樣，為了保證檢測結(jié)果的準確性與重復性、可比性，必須用一個具有已知固定特性的試樣(試塊)對檢測系統(tǒng)進行校準。這種按一定的用途設(shè)計制作的具有簡單形狀人工反射體的試件即稱為試塊。超聲檢測用試塊通常分為兩種類型，即標準試塊(校準試塊)和對比試塊(參考試塊)。

當探頭和試件之間有一層空氣時，超聲波的反射率幾乎為100％，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件。因此，排除探頭和試件之間的空氣非常重要。耦合劑就是為了改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測面之間的液體薄層。耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入試件，這是使用耦合劑的主要目的。除此之外，耦合劑有潤滑作用，可以減少探頭和試件之間的摩擦，防止試件表面磨損探頭，并使探頭便于移動。在液浸法檢測中，通過液體實現(xiàn)耦合，此時液體也是耦合劑。常用的耦合劑有水、甘油、變壓器油、化學漿糊等。耦合劑1.耦合劑性能要求直接接觸法超聲波檢測用的耦合劑有一定要求，a.良好透聲性。即耦合劑的聲阻抗要高。b.有合適的粘度（或流動性），易于清洗。c.與工件及探頭有良好浸潤性。從而易于排除空氣。d.對人無害，對環(huán)境無污染。對工件和設(shè)備無腐蝕作用。e.不易變質(zhì)，能長期保存。f.價格低廉，來源方便。2.耦合劑的選用及常用耦合劑直接接觸法超聲檢測中常用的耦合劑有：水、機油、牛油、甘油、化學漿糊、水玻璃等。耦合劑的選用應(yīng)根據(jù)其使用條件而定?；瘜W漿糊與機油、牛油相比是成本低，來源方便，又較干凈，調(diào)節(jié)粘度容易的耦合劑。因而獲得較廣泛的應(yīng)用。但它沒有防腐、防銹作用，且干燥后不易清洗。所以在防銹較重要的場合又往往選用機油作耦合劑。超聲波試塊：中厚板的超聲波檢測：（1）檢測方法：中厚板是指板厚大于6mm的鋼板。厚度小于等于6mm的薄板通常采用板波進行檢測。中厚板采用的探測方法主要是脈沖反射法。

在調(diào)節(jié)儀器熒光屏時基線時，厚度在80mm以下時應(yīng)能看到5次底波。大于80mm時可適當減少底波次數(shù)。200mm以上一般使用一次回波法，即在熒光屏上僅顯示出鋼板的一次底面回波。（2）探測頻率由于分層缺陷與超聲束的方向基本垂直，且分層缺陷表面平整，頻率通常采用2.5MHz.（3）掃查方式

鋼板檢測中采用的掃查方式有：全面掃查、列線掃查、邊緣掃查和格子線掃查。

①全面掃查：在鋼板探測面上移動探頭作全面積100％的掃查。每二次相鄰掃查之間應(yīng)有10%的重復探測區(qū)。

②列線掃查：在整個鋼板探測面上，垂直于鋼板的壓延方向劃出間隔為

100mm的列線（也有更大或更小的間隔），探頭沿列線掃查（下圖（a））。劃分列線可以從鋼板中心起始，也可以從鋼板的一邊開始。

③邊緣掃查：在鋼板的邊緣50mm（當板厚大于100mm時，取板厚的1/2）的范圍內(nèi)作全面掃查（下圖（b））

④格子線掃查；在鋼板邊緣50mm的范圍內(nèi)作全面的掃查。其余部分按

200×200mm2的方格子線掃查（下圖（c））。

在掃查中若發(fā)現(xiàn)缺陷回波，則應(yīng)在缺陷周圍擴大掃查范圍用半波高度法確定缺陷的分布面積。鋼板檢測掃查方式：（a）列線掃查（b）邊緣掃查（c）格子線掃查鋼板檢測掃查方式缺陷判斷：

①無缺陷儀器熒光屏上可獲得有規(guī)律的底面回波多次反射（a）。②有缺陷鋼板檢測波形缺陷尺寸較大且接近探測面時。底面回波消失，只有一片紊亂的缺陷回波（圖（b））。b.缺陷尺寸較大且距探測面有一定深度，底面回波消失，只有缺陷波的多次回波（圖（c））。c.缺陷較小，缺陷回波和底面回波同時存在。在一定條件下（如缺陷正好在板厚中心）由于迭加效應(yīng)，缺陷的多次回波會出現(xiàn)逐漸升高的現(xiàn)象（圖（d）），到一定次數(shù)后再下降。為了避免迭加效應(yīng)的干擾，一般應(yīng)以一次底面回波前的缺陷回波為準。當板材較薄、一次底面回波還在探頭近場區(qū)內(nèi)時，可以用處于一，二次底面回波之間的缺陷回波為準。d.缺陷是面狀傾斜的，底波將明顯降低，但缺陷回波也可能不高。e.厚板中出現(xiàn)大量的白點，則缺陷波密集尖銳，移動探頭此起彼落，且底波明顯降低。超聲檢測方法超聲檢測的方法很多，可按原理、波型和使用探頭的數(shù)目及探頭接觸方式來分類。按原理分類，有脈沖反射法、穿透法和共振法；按顯示方式分類，有A型顯示、B型顯示和C型顯示；按波型分類，有縱波法、橫波法、表面波法和板波法；按探頭數(shù)目分類，有單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按耦合方式分類，有接觸法和液浸法；按入射角度分類，有直射聲束法和斜射聲束法。1）穿透法穿透法通常采用兩個探頭，分別放置在試件兩側(cè)，一個將脈沖波發(fā)射到試件中，另一個接收穿透試件后的脈沖信號，依據(jù)脈沖波穿透試件后幅值的變化來判斷內(nèi)部缺陷的情況(見圖6-22)。直射聲束穿透法(a)無缺陷；(b)有缺陷2）脈沖反射法脈沖反射法是由超聲波探頭發(fā)射脈沖波到試件內(nèi)部，通過觀察來自內(nèi)部缺陷或試件底面的反射波的情況來對試件進行檢測的方法。圖6-23顯示了接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法的基本原理。接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法(a)無缺陷；(b)有缺陷3）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，使聲波首先經(jīng)過液體耦合劑，而后再入射到試件中，探頭與試件并不直接接觸。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，便于實現(xiàn)檢測自動化，大大提高了檢測速度。液浸法的缺點是當耦合層較厚時，聲能損失較大。另外，自動化檢測還需要相應(yīng)的輔助設(shè)備，有時是復雜的機械設(shè)備和電子設(shè)備，它們對單一產(chǎn)品(或幾種產(chǎn)品)往往具有很高的檢測能力，但缺乏靈活性?？傊航ㄅc直接接觸法各有利弊，應(yīng)根據(jù)被檢對象的具體情況(幾何形狀的復雜程度和產(chǎn)品的產(chǎn)量等)，選用不同的方法。超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用

1.典型構(gòu)件的超聲探傷技術(shù)

1）鍛件檢測鍛件的種類和規(guī)格很多，常見的類型有：餅盤件、環(huán)形件、軸類件和筒形件等。鍛件中的缺陷多呈現(xiàn)面積形或長條形的特征。由于超聲檢測技術(shù)對面積型缺陷檢測最為有利，因此鍛件是超聲檢測實際應(yīng)用的主要對象。（1）鍛件中的常見缺陷。鍛件中的缺陷主要來源于兩個方面