超聲波檢測(cè)基本知識(shí)課件

特種設(shè)備無損檢測(cè)相關(guān)知識(shí)2010年3月長(zhǎng)春第九章超聲波檢測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)第九章、超聲檢測(cè)一、超聲波的性質(zhì)1、聲波次聲波超聲波聲波、次聲波、超聲波都是機(jī)械波，有聲速、頻率、波長(zhǎng)、聲壓、聲強(qiáng)等參數(shù)，在界面也會(huì)發(fā)生反射、折射。我們能夠聽到聲音是因?yàn)槁暡▊鞯搅宋覀兊亩鷥?nèi)，聲波的頻率在20HZ～20000HZ，頻率低于或超過上述范圍時(shí)人們無法聽到聲音，頻率低于20HZ的聲波稱為次聲波，頻率超過20000HZ的聲波稱為超聲波。

工業(yè)探傷上常用的超聲波范圍是：0.5～20MHz;其中金屬探傷最常用的頻率是：1～5MHz；探水泥構(gòu)建用的頻率是：<0.5MHz,如100KHz,200KHz;探測(cè)玻璃陶瓷中μm級(jí)小缺陷用的頻率是100MHz～200MHz,甚至更高。一、超聲波的性質(zhì)（3）能像光線一樣呈直線傳播，并在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，在傳播過程中還有干涉、疊加、繞射現(xiàn)象，故可以充分利用這些幾何、物理特征進(jìn)行探傷。（4）在金屬材料中的傳播速度很快，穿透能力強(qiáng)、衰減小，如對(duì)某些金屬的穿透能力可達(dá)數(shù)米，其他檢測(cè)手段無法相比。一、超聲波的性質(zhì)3、超聲波的波型與聲速（1）縱波（L）質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相平行?？v波在固、液、氣三種介質(zhì)中均能傳播。（2）橫波（S）質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相垂直，質(zhì)點(diǎn)受到的是交變剪切應(yīng)力的作用，故亦稱切變波。液體和氣體不能夠承受剪切應(yīng)力，故無橫波傳播。（3）表面波，在固體表面?zhèn)鞑ァ?/p>

材料縱波聲速米每秒橫波聲速米每秒鋼59003230水1400-----有機(jī)玻璃27201460鋁62603080銅47002260一、超聲波的性質(zhì)4、超聲波的反射折射波型轉(zhuǎn)換（1）入射縱波反射折射波型轉(zhuǎn)換縱波傾斜入射到不同介質(zhì)的表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射縱波反射橫折射縱波折射橫波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。介質(zhì)1介質(zhì)2αβLβSαS’αL’SinαC1LC1SC2LC2S=SinβSSinβL==SinαS’一、超聲波的性質(zhì)在有機(jī)玻璃與鋼的介面，第一臨界角為α1=27.60βS=33.20第二臨界角為57.70，用于焊縫檢測(cè)的超聲波斜探頭的入射角必須大于第一臨界角而小于第二臨界角。我國習(xí)慣：斜探頭的橫波折射角用橫波折射角度的正切值表示，如K=2S二、超聲波的發(fā)射與接收1、壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)某些晶體材料在交變拉壓應(yīng)力作用下，產(chǎn)生交變電場(chǎng)的效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。反之當(dāng)晶體材料在交變電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。二、超聲波的發(fā)射與接收2、超聲波的發(fā)射與接收用有壓電效應(yīng)的晶體材料做的晶片，在高頻電壓的激勵(lì)下在產(chǎn)生厚度方向的伸縮，這樣產(chǎn)生振動(dòng)傳出就成超聲波。如果晶片在超聲波的聲壓作下，在晶片兩側(cè)產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生一個(gè)小的電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后可識(shí)別。超聲波的發(fā)射與接收是由超聲波探頭完成的，有的是一個(gè)晶片（單晶探頭）完成發(fā)射與接收超聲波，有的是兩塊晶片（雙晶探頭）分別完成發(fā)射與接收超聲波二、超聲波的發(fā)射與接收（1）超聲場(chǎng)的形狀如圖指向性用半擴(kuò)散角表示，θ＝Sin-11.22λ/D。（λ是波長(zhǎng)，D是晶片直徑）半擴(kuò)散角θ副聲束瓣二、超聲波的發(fā)射與接收（2）中線軸線上的聲壓分布情況在靠晶片的一個(gè)范圍內(nèi)，由于波的干涉，出現(xiàn)的聲壓為“0”點(diǎn)，從晶片至最后一個(gè)聲壓最大值的距離稱為近場(chǎng)距離，此區(qū)域稱近場(chǎng)區(qū)。N近場(chǎng)長(zhǎng)度計(jì)算N=(D2-λ2)/4λ探傷時(shí)缺陷在聲場(chǎng)中才能被發(fā)現(xiàn)，如在近場(chǎng)區(qū)聲壓為零處也不能發(fā)現(xiàn)。在距晶片三倍的近場(chǎng)區(qū)以外，聲壓隨距離下降情況與球面波相似，與理論計(jì)算值基本相同。二、超聲波的發(fā)射與接收在聲束徑向上的聲壓分布情況：分別是N1、3N和6N處聲壓分布在聲束徑向上的聲壓分布情況：分別是晶片附近、1/2N和1N處聲壓分布三、超聲波探傷原理

把1-5兆赫（1－5MHZ）高頻超聲波入射到被檢物中，如遇到缺陷（界面）則一部分入射超聲波被反射，并利用探頭接收反射信號(hào)的性能，可不損壞工件檢出缺陷大?。ǔ叽纾┖臀恢?，這種方法叫UT檢測(cè)。超聲波檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)最小缺陷尺寸a≥λ/2，當(dāng)a＜λ/2時(shí)，超聲波會(huì)產(chǎn)生繞射，超聲波在介質(zhì)中的反射率：空氣是100%，夾渣為46%，水為88%。三、超聲波探傷原理探傷方法分類①按波型分：

a縱波探傷：垂直探傷法b橫波探傷：斜射探傷法c表面波探傷②按耦合方式分a直接耦合接觸法，又稱接觸法。

b水浸法三）超聲波探傷原理1）縱波探傷示意圖探頭發(fā)射和接收超聲波，發(fā)射的超聲波是脈沖波，脈沖超聲在工件中遇界面反射超聲波，超聲再在探頭中換成電信號(hào)經(jīng)放大后顯示，顯示屏上橫坐標(biāo)表示超聲波在工件中傳播的時(shí)間，縱座標(biāo)表示反射的超聲波聲壓，與反射面積大小對(duì)應(yīng)。超聲波橫波探傷水平定位超聲波橫波探傷深度定位四、儀器探頭試塊1、儀器按缺陷的顯示方式分為A型B型還有C型，普遍使用A型顯示。儀器上熒光屏橫軸表示超聲波在工件中傳播的時(shí)間，縱軸表示反射體反射回來的聲壓大小，可以比較缺陷的大小。為使進(jìn)入放大器中的信號(hào)在一定范圍，儀器上有一衰減器。目前主要有兩類,早期的是模擬機(jī),現(xiàn)在許多單位有數(shù)字機(jī)。儀器的主要性能指標(biāo)（含與探頭后）：水平線性、垂直線性、靈敏度、盲區(qū)、始脈沖寬度、分辨力等四、儀器探頭試塊2、探頭根據(jù)波型，探頭可分為有縱波探頭、橫波探頭、表面波探頭、板波探頭等。根據(jù)波束可以分為聚焦探頭與非聚焦探頭。根據(jù)晶片數(shù)可分為單晶片、雙晶片。常用的主要是直探頭與斜探頭四、儀器探頭試塊（1）直探頭結(jié)構(gòu)主要有壓電晶片、保護(hù)膜、電纜線、阻尼塊、外殼、接頭。阻尼塊的作用是：晶片在受激勵(lì)振蕩后立即停下來，使脈沖寬度變小，分辨力提高。吸收背面的雜波，支撐固定晶片。探頭的主要參數(shù)有：晶片材料、直徑、頻率、保護(hù)膜如PZT2.5Φ203、試塊按一用途設(shè)計(jì)制作的具有簡(jiǎn)單人工幾何反射體的試樣。（1）作用a確定探傷靈敏度；b測(cè)試儀器和探頭的一些重要性能如放大線性、水平線性、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度余量、分辨力、盲區(qū)、探頭入射點(diǎn)、K值等；c調(diào)時(shí)間掃描線比例C評(píng)判缺陷的大?。?）分類一類是由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定的試塊，稱為標(biāo)準(zhǔn)試塊如CSK-IA一類是按具體探傷對(duì)象制定的試塊，如CSK-IIIA、CS-1四、儀器探頭試塊四、儀器探頭試塊CSK-IA四、儀器探頭試塊CSK-IIIA四、儀器探頭試塊CSK-IIACSK-IVA四、儀器探頭試塊平底孔試塊五、影響探傷結(jié)果的因素1）儀器與探頭組合性能垂直線性－－會(huì)影響缺陷當(dāng)量大小判定水平線性－－影響缺陷定位，非缺陷波的識(shí)別盲區(qū)－－影響近表面的缺陷的檢測(cè)2）探頭頻率－－理論上能夠發(fā)現(xiàn)的最小缺陷是波長(zhǎng)的1/2，在能保證穿透的前提下，選高一些頻率直徑－－直徑大，發(fā)射功率大，能探厚度大的工件，工作效率高，但近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度增加，近場(chǎng)區(qū)內(nèi)易漏缺陷，波高不穩(wěn)。

K值－－根據(jù)厚度和焊縫寬度選擇，應(yīng)一次波越過背面對(duì)過焊縫邊緣，薄板選大一些，厚板選小一些，保證掃查到整個(gè)面。五、影響探傷結(jié)果的因素a五）影響探傷結(jié)果的因素3）耦合超聲波探傷時(shí)在探頭與工件之間如存在空氣，由于空氣聲阻抗比較大，超聲波不能被導(dǎo)入工件，必須使用一種液體消除間隙，在探頭與件之間起透聲的作用，這就是耦合劑。耦合劑－－應(yīng)選用聲阻抗（密度與聲速乘積）比較大的，常用的有機(jī)油、水玻璃、甘油、水、化學(xué)漿糊耦合層厚度－－理論上耦合層厚度為波長(zhǎng)1/2的整數(shù)倍時(shí)透聲效果最好，耦合層厚度為波長(zhǎng)的1/4的奇數(shù)倍時(shí)透聲效果最差，實(shí)際工作中一般盡可能使耦合層薄一些。工件表面粗糙影響，要求工件表面的粗糙度不高于6.3μm五、影響探傷結(jié)果的因素4)探傷靈敏度靈敏度選擇過高時(shí)探傷時(shí)反射的雜波太多,影響缺陷波的識(shí)別,靈敏度過低時(shí)會(huì)漏掉缺陷。5）儀器時(shí)間掃描線調(diào)試的正確性，斜探頭K值測(cè)試的正確性會(huì)影響缺陷的定位或?qū)Ψ侨毕菪盘?hào)的判別。6）手工探傷時(shí)探頭的移動(dòng)速度過快，缺陷波顯示不夠亮，易漏掉缺陷。六、超聲波探傷工藝1、探傷準(zhǔn)備（1）技術(shù)等級(jí)、檢測(cè)區(qū)、工件表面準(zhǔn)備(對(duì)接焊接接頭檢測(cè))檢測(cè)技術(shù)等級(jí)a技術(shù)等級(jí)分為A、B、C三級(jí)，C級(jí)，根據(jù)壓力容器產(chǎn)品的重要程度進(jìn)行選用。b選用原則：A級(jí)檢測(cè)適用于承壓設(shè)備有關(guān)的支承件和結(jié)構(gòu)件焊縫檢測(cè)；B級(jí)檢測(cè)適用于一般承壓設(shè)備對(duì)接焊縫檢測(cè)；C級(jí)檢測(cè)適用于重要承壓設(shè)備對(duì)接焊縫檢測(cè)。六、超聲波探傷工藝c具體要求：A級(jí)要求：母材厚度為8～46㎜，用一種K值探頭在工件的單面單側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，一般不要求進(jìn)行橫向裂紋檢測(cè)；B級(jí)要求：母材厚度為8～46㎜，用一種K值探頭在工件的單面雙側(cè)進(jìn)行檢測(cè)；母材厚度為46～120㎜，采用一種K值在工件的雙面雙側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，條件不允許時(shí)可在工件的雙面單側(cè)或單面雙側(cè)采用兩種K值的探頭檢測(cè)；母材厚度>120㎜，用兩種K值在工件的雙面雙側(cè)檢測(cè)，兩種K值的探頭折射角相差不小于100；應(yīng)進(jìn)行橫向缺陷的檢測(cè)。焊縫余高要磨平。六、超聲波探傷工藝C級(jí)要求：采用C級(jí)檢測(cè)時(shí)應(yīng)將焊縫余高磨平，探頭掃查經(jīng)過區(qū)要用直探頭檢測(cè)；母材厚度為8～46㎜，一般用兩種K值探頭在在工件的單面雙側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，兩探頭的折射角相差不小于100，其中一個(gè)為450母材厚度為46～400㎜，一般用兩種K值探頭在在工件的雙面雙側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，兩探頭的折射角相差不小于100，對(duì)單側(cè)坡口角度小于50的窄間隙焊縫，增加對(duì)與坡口表面平行缺陷的有效方法；應(yīng)進(jìn)行橫向缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)將探頭放在焊縫及熱影響區(qū)上作兩個(gè)方向的平行掃查。六、超聲波探傷工藝檢測(cè)區(qū)

檢測(cè)區(qū)的寬度為焊縫本身，再加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度的30%的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域最小為5㎜，最大為10㎜探頭移動(dòng)區(qū)寬度a一次反射法檢測(cè)時(shí)探頭移動(dòng)應(yīng)大于或等于1.25P,P=2KT檢測(cè)面位置1位置2檢測(cè)區(qū)六、超聲波探傷工藝b直射法檢測(cè)時(shí)探頭的移動(dòng)區(qū)應(yīng)大于或等于0.75PP=2KT。檢測(cè)面位置2檢測(cè)區(qū)位置1（2）工件表面準(zhǔn)備探頭移動(dòng)區(qū)應(yīng)清除焊接飛濺、鐵屑、油污及其他雜質(zhì)，檢測(cè)表面平整，便于探頭的掃查其表面的粗糙度Ra小于6.3μm六、超聲波探傷工藝（3）儀器的調(diào)試（a）時(shí)間掃描線（深度、水平）儀器上時(shí)間掃描線可以按反射體的深度調(diào)試，這時(shí)顯示的刻度值即為缺陷深度。也可按水平距離調(diào)試這時(shí)顯示的值為探頭入射點(diǎn)至缺陷的水平距離。六）超聲波探傷工藝(b)靈敏度調(diào)試（試塊法、工件大平底法、當(dāng)量計(jì)算法）按標(biāo)準(zhǔn)要求，選用一定形狀、大小的規(guī)則反射體，深度與工件厚度相當(dāng)，使反射體的波高到一定高度，如80%顯示屏。當(dāng)工件厚度大于三倍的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度時(shí)，聲波衰可按理論計(jì)算，計(jì)算工件底面與人工反射體的差異，調(diào)節(jié)靈敏度。利用通用的規(guī)一化處理過的曲線來調(diào)節(jié)靈敏度。

六）超聲波探傷工藝其特征量2、缺陷大小測(cè)量A當(dāng)量法（比較、計(jì)算）探傷中發(fā)現(xiàn)缺陷后，測(cè)量其波高與試塊上同聲程的規(guī)則反射體波高相同，規(guī)則反射體的大小即為該缺陷的當(dāng)量大小。如果聲程大于三倍近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度可用公式計(jì)算缺陷當(dāng)量大小。當(dāng)量法一般用于缺陷小于聲束截面時(shí)使用，大于聲束截面時(shí)用測(cè)長(zhǎng)法。六、超聲波探傷工藝B測(cè)長(zhǎng)法（半波高度法端點(diǎn)半波高度法）當(dāng)缺陷的尺寸大于聲束截面時(shí)，探頭移動(dòng)，當(dāng)缺陷波高降至一半時(shí)，認(rèn)為聲束中心是指向缺陷的邊緣。當(dāng)缺陷波不是一個(gè)最高點(diǎn)時(shí)，將缺陷波邊緣某高度的的波下降一半時(shí)，探頭位置為缺陷邊緣。C底波高度法用缺陷波的高度與工件完好處的底波或與缺陷處底波進(jìn)行比較。六、超聲波探傷工藝3、非缺陷信號(hào)的識(shí)別A工件側(cè)壁回波縱波檢測(cè)細(xì)長(zhǎng)工件時(shí),由于擴(kuò)散波束在側(cè)壁產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換,由縱波轉(zhuǎn)換為橫波,此橫波在另一面又轉(zhuǎn)換為縱波,最后經(jīng)底面反射回到探頭。0.76ddBT六、超聲波探傷工藝B三角回波縱波徑向探測(cè)