超聲波檢測基本知識

特種設(shè)備無損檢測相關(guān)知識超聲波檢測基本知識第1頁第九章超聲波檢測基礎(chǔ)知識超聲波檢測基本知識第2頁第九章、超聲檢測一、超聲波性質(zhì)1、聲波次聲波超聲波聲波、次聲波、超聲波都是機械波，有聲速、頻率、波長、聲壓、聲強等參數(shù)，在界面也會發(fā)生反射、折射。我們能夠聽到聲音是因為聲波傳到了我們耳內(nèi)，聲波頻率在20HZ～0HZ，頻率低于或超出上述范圍時人們無法聽到聲音，頻率低于20HZ聲波稱為次聲波，頻率超出0HZ聲波稱為超聲波。工業(yè)探傷上慣用超聲波范圍是：0.5～20MHz;其中金屬探傷最慣用頻率是：1～5MHz；探水泥構(gòu)建用頻率是：<0.5MHz,如100KHz,200KHz;探測玻璃陶瓷中μm級小缺點用頻率是100MHz～200MHz,甚至更高。超聲波檢測基本知識第3頁一、超聲波性質(zhì)2、超聲波特點（1）有良好指向性：（2）能量高

因為能量（聲強）與頻率平方成正比，故超聲波能量遠(yuǎn)大于聲波能量I1/I2=1MHz2/1KHz2=100萬倍。超聲波檢測基本知識第4頁一、超聲波性質(zhì)（3）能像光線一樣呈直線傳輸，并在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，在傳輸過程中還有干涉、疊加、繞射現(xiàn)象，故能夠充分利用這些幾何、物理特征進行探傷。（4）在金屬材料中傳輸速度很快，穿透能力強、衰減小，如對一些金屬穿透能力可達(dá)數(shù)米，其它檢測伎倆無法相比。超聲波檢測基本知識第5頁一、超聲波性質(zhì)3、超聲波波型與聲速（1）縱波（L）質(zhì)點振動方向與波傳輸方向相平行?？v波在固、液、氣三種介質(zhì)中均能傳輸。（2）橫波（S）質(zhì)點振動方向與傳輸方向相垂直，質(zhì)點受到是交變剪切應(yīng)力作用，故亦稱切變波。液體和氣體不能夠承受剪切應(yīng)力，故無橫波傳輸。（3）表面波，在固體表面?zhèn)鬏敗?/p>

材料縱波聲速米每秒橫波聲速米每秒鋼59003230水1400-----有機玻璃27201460鋁62603080銅47002260超聲波檢測基本知識第6頁一、超聲波性質(zhì)4、超聲波反射折射波型轉(zhuǎn)換（1）入射縱波反射折射波型轉(zhuǎn)換縱波傾斜入射到不一樣介質(zhì)表面時會產(chǎn)生反射縱波反射橫折射縱波折射橫波，反射、折射角度符合普通反射折射定律。介質(zhì)1介質(zhì)2αβLβSαS’αL’SinαC1LC1SC2LC2S=SinβSSinβL==SinαS’超聲波檢測基本知識第7頁一、超聲波性質(zhì)(2)第一臨界角當(dāng)在第二介質(zhì)中折射縱波角等于90度時，稱這時縱波入射角為第一臨界角αI。這時在第二介質(zhì)中已沒有縱波，只有橫波。焊縫探傷用橫波就是，經(jīng)過界面波型轉(zhuǎn)換得到。（3）第二臨界角當(dāng)縱波入射角繼續(xù)增大時，在第二介質(zhì)中橫波折射角也增大，當(dāng)βS達(dá)90度時，第二介質(zhì)中沒有超聲波，超聲波都在表面，為表面波。介質(zhì)1介質(zhì)2α介質(zhì)1介質(zhì)2αβLβS超聲波檢測基本知識第8頁一、超聲波性質(zhì)在有機玻璃與鋼介面，第一臨界角為α1=27.60βS=33.20第二臨界角為57.70，用于焊縫檢測超聲波斜探頭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：斜探頭橫波折射角用橫波折射角度正切值表示，如K=2S超聲波檢測基本知識第9頁二、超聲波發(fā)射與接收1、壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)一些晶體材料在交變拉壓應(yīng)力作用下，產(chǎn)生交變電場效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。反之當(dāng)晶體材料在交變電場作用下，產(chǎn)生伸縮變形效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。超聲波檢測基本知識第10頁二、超聲波發(fā)射與接收2、超聲波發(fā)射與接收用有壓電效應(yīng)晶體材料做晶片，在高頻電壓激勵下在產(chǎn)生厚度方向伸縮，這么產(chǎn)生振動傳出就成超聲波。假如晶片在超聲波聲壓作下，在晶片兩側(cè)產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生一個小電信號，經(jīng)放大器放大后可識別。超聲波發(fā)射與接收是由超聲波探頭完成，有是一個晶片（單晶探頭）完成發(fā)射與接收超聲波，有是兩塊晶片（雙晶探頭）分別完成發(fā)射與接收超聲波超聲波檢測基本知識第11頁二、超聲波發(fā)射與接收3、縱波發(fā)射聲場圓盤聲源輻射縱波聲場，晶片為圓形，在高頻激勵下產(chǎn)生振動，晶片上每個小區(qū)域都輻射超聲波，這些波某處疊加會加強，另一處會減弱。超聲波檢測基本知識第12頁二、超聲波發(fā)射與接收（1）超聲場形狀如圖指向性用半擴散角表示，θ＝Sin-11.22λ/D。（λ是波長，D是晶片直徑）半擴散角θ副聲束瓣超聲波檢測基本知識第13頁二、超聲波發(fā)射與接收（2）中線軸線上聲壓分布情況在靠晶片一個范圍內(nèi)，因為波干涉，出現(xiàn)聲壓為“0”點，從晶片至最終一個聲壓最大值距離稱為近場距離，此區(qū)域稱近場區(qū)。N近場長度計算N=(D2-λ2)/4λ探傷時缺點在聲場中才能被發(fā)覺，如在近場區(qū)聲壓為零處也不能發(fā)覺。在距晶片三倍近場區(qū)以外，聲壓隨距離下降情況與球面波相同，與理論計算值基本相同。超聲波檢測基本知識第14頁二、超聲波發(fā)射與接收在聲束徑向上聲壓分布情況：分別是N1、3N和6N處聲壓分布在聲束徑向上聲壓分布情況：分別是晶片附近、1/2N和1N處聲壓分布超聲波檢測基本知識第15頁二、超聲波發(fā)射與接收4）橫波發(fā)射聲場慣用橫波探頭，是使縱波傾斜入射到界面上，經(jīng)過波型轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)橫波探傷?？v波入射角應(yīng)在第一臨界角與第二臨界角之間，縱波全反射，在工件中只有橫波存在。超聲波檢測基本知識第16頁三、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，如碰到缺點（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性能，可不損壞工件檢出缺點大?。ǔ叽纾┖臀恢?，這種方法叫UT檢測。超聲波檢測能發(fā)覺最小缺點尺寸a≥λ/2，當(dāng)a＜λ/2時，超聲波會產(chǎn)生繞射，超聲波在介質(zhì)中反射率：空氣是100%，夾渣為46%，水為88%。超聲波檢測基本知識第17頁三、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水浸法超聲波檢測基本知識第18頁三）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經(jīng)放大后顯示，顯示器上橫座標(biāo)表示超聲波在工件中傳輸時間，縱座標(biāo)表示反射超聲波聲壓，與反射面積大小對應(yīng)。超聲波檢測基本知識第19頁三、超聲波探傷原理2、橫波探傷示意圖超聲波檢測基本知識第20頁超聲波橫波探傷水平定位超聲波檢測基本知識第21頁超聲波橫波探傷深度定位超聲波檢測基本知識第22頁四、儀器探頭試塊1、儀器按缺點顯示方式分為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輸時間，縱軸表示反射體反射回來聲壓大小，能夠比較缺點大小。為使進入放大器中信號在一定范圍，儀器上有一衰減器。當(dāng)前主要有兩類,早期是模擬機,現(xiàn)在許多單位有數(shù)字機。超聲波檢測基本知識第23頁儀器顯示方式超聲波檢測基本知識第24頁儀器主要性能指標(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、分辨力等超聲波檢測基本知識第25頁四、儀器探頭試塊2、探頭依據(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。依據(jù)波束能夠分為聚焦探頭與非聚焦探頭。依據(jù)晶片數(shù)可分為單晶片、雙晶片。慣用主要是直探頭與斜探頭超聲波檢測基本知識第26頁四、儀器探頭試塊（1）直探頭結(jié)構(gòu)主要有壓電晶片、保護膜、電纜線、阻尼塊、外殼、接頭。阻尼塊作用是：晶片在受激勵振蕩后馬上停下來，使脈沖寬度變小，分辨力提升。吸收后面雜波，支撐固定晶片。探頭主要參數(shù)有：晶片材料、直徑、頻率、保護膜如PZT2.5Φ20超聲波檢測基本知識第27頁四、儀器探頭試塊（2）斜探頭結(jié)構(gòu)主要有壓電晶片、斜楔、電纜線、阻尼塊、吸聲材料、外殼、接頭。斜楔作用是實現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換,使被探工件中只存在折射橫波。斜楔縱波聲速必須小于工件中縱波波速,要耐磨、易加工,對超聲波衰減系數(shù)小。探頭主要參數(shù)有：晶片尺寸、頻率、K值如2.5P13×13K2超聲波檢測基本知識第28頁3、試塊按一用途設(shè)計制作含有簡單人工幾何反射體試樣。（1）作用a確定探傷靈敏度；b測試儀器和探頭一些主要性能如放大線性、水平線性、動態(tài)范圍、靈敏度余量、分辨力、盲區(qū)、探頭入射點、K值等；c調(diào)時間掃描線百分比C評判缺點大小（2）分類一類是由權(quán)威機構(gòu)制訂試塊，稱為標(biāo)準(zhǔn)試塊如CSK-IA一類是按詳細(xì)探傷對象制訂試塊，如CSK-IIIA、CS-1四、儀器探頭試塊超聲波檢測基本知識第29頁四、儀器探頭試塊CSK-IA超聲波檢測基本知識第30頁四、儀器探頭試塊CSK-IIIA超聲波檢測基本知識第31頁四、儀器探頭試塊CSK-IIACSK-IVA超聲波檢測基本知識第32頁四、儀器探頭試塊平底孔試塊超聲波檢測基本知識第33頁五、影響探傷結(jié)果原因1）儀器與探頭組合性能垂直線性－－會影響缺點當(dāng)量大小判定水平線性－－影響缺點定位，非缺點波識別盲區(qū)－－影響近表面缺點檢測2）探頭頻率－－理論上能夠發(fā)覺最小缺點是波長1/2，在能確保穿透前提下，選高一些頻率直徑－－直徑大，發(fā)射功率大，能探厚度大工件，工作效率高，但近場區(qū)長度增加，近場區(qū)內(nèi)易漏缺點，波高不穩(wěn)。K值－－依據(jù)厚度和焊縫寬度選擇，應(yīng)一次波越過后面對過焊縫邊緣，薄板選大一些，厚板選小一些，確保掃查到整個面。超聲波檢測基本知識第34頁五、影響探傷結(jié)果原因a超聲波檢測基本知識第35頁五）影響探傷結(jié)果原因3）耦合超聲波探傷時在探頭與工件之間如存在空氣，因為空氣聲阻抗比較大，超聲波不能被導(dǎo)入工件，必須使用一個液體消除間隙，在探頭與件之間起透聲作用，這就是耦合劑。耦合劑－－應(yīng)選取聲阻抗（密度與聲速乘積）比較大，慣用有機油、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1/2整數(shù)倍時透聲效果最好，耦合層厚度為波長1/4奇數(shù)倍時透聲效果最差，實際工作中普通盡可能使耦合層薄一些。工件表面粗糙影響，要求工件表面粗糙度不高于6.3μm超聲波檢測基本知識第36頁五、影響探傷結(jié)果原因4)探傷靈敏度靈敏度選擇過高時探傷時反射雜波太多,影響缺點波識別,靈敏度過低時會遺漏缺點。5）儀器時間掃描線調(diào)試正確性，斜探頭K值測試正確性會影響缺點定位或?qū)Ψ侨秉c信號判別。6）手工探傷時探頭移動速度過快，缺點波顯示不夠亮，易遺漏缺點。超聲波檢測基本知識第37頁六、超聲波探傷工藝1、探傷準(zhǔn)備（1）技術(shù)等級、檢測區(qū)、工件表面準(zhǔn)備(對接焊接接頭檢測)檢測技術(shù)等級a技術(shù)等級分為A、B、C三級，C級，依據(jù)壓力容器產(chǎn)品主要程度進行選取。b選取標(biāo)準(zhǔn)：A級檢測適合用于承壓設(shè)備相關(guān)支承件和結(jié)構(gòu)件焊縫檢測；B級檢測適合用于普通承壓設(shè)備對接焊縫檢測；C級檢測適合用于主要承壓設(shè)備對接焊縫檢測。超聲波檢測基本知識第38頁六、超聲波探傷工藝c詳細(xì)要求：A級要求：母材厚度為8～46㎜，用一個K值探頭在工件單面單側(cè)進行檢測，普通不要求進行橫向裂紋檢測；B級要求：母材厚度為8～46㎜，用一個K值探頭在工件單面雙側(cè)進行檢測；母材厚度為46～120㎜，采取一個K值在工件雙面雙側(cè)進行檢測，條件不允許時可在工件雙面單側(cè)或單面雙側(cè)采取兩種K值探頭檢測；母材厚度>120㎜，用兩種K值在工件雙面雙側(cè)檢測，兩種K值探頭折射角相差大于100；應(yīng)進行橫向缺點檢測。焊縫余高要磨平。超聲波檢測基本知識第39頁六、超聲波探傷工藝C級要求：采取C級檢測時應(yīng)將焊縫余高磨平，探頭掃查經(jīng)過區(qū)要用直探頭檢測；母材厚度為8～46㎜，普通用兩種K值探頭在在工件單面雙側(cè)進行檢測，兩探頭折射角相差大于100，其中一個為450母材厚度為46～400㎜，普通用兩種K值探頭在在工件雙面雙側(cè)進行檢測，兩探頭折射角相差大于100，對單側(cè)坡口角度小于50窄間隙焊縫，增加對與坡口表面平行缺點有效方法；應(yīng)進行橫向缺點檢測，檢測時將探頭放在焊縫及熱影響區(qū)上作兩個方向平行掃查。超聲波檢測基本知識第40頁六、超聲波探傷工藝檢測區(qū)

檢測區(qū)寬度為焊縫本身，再加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度30%區(qū)域，這個區(qū)域最小為5㎜，最大為10㎜探頭移動區(qū)寬度a一次反射法檢測時探頭移動應(yīng)大于或等于1.25P,P=2KT檢測面位置1位置2檢測區(qū)超聲波檢測基本知識第41頁六、超聲波探傷工藝b直射法檢測時探頭移動區(qū)應(yīng)大于或等于0.75PP=2KT。檢測面位置2檢測區(qū)位置1（2）工件表面準(zhǔn)備探頭移動區(qū)應(yīng)去除焊接飛濺、鐵屑、油污及其它雜質(zhì)，檢測表面平整，便于探頭掃查其表面粗糙度Ra小于6.3μm超聲波檢測基本知識第42頁六、超聲波探傷工藝（3）儀器調(diào)試（a）時間掃描線（深度、水平）儀器上時間掃描線能夠按反射體深度調(diào)試，這時顯示刻度值即為缺點深度。也可按水平距離調(diào)試這時顯示值為探頭入射點至缺點水平距離。超聲波檢測基本知識第43頁六）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)量計算法）按標(biāo)準(zhǔn)要求，選取一定形狀、大小規(guī)則反射體，深度與工件厚度相當(dāng)，使反射體波高到一定高度，如80%顯示器。當(dāng)工件厚度大于三倍近場區(qū)長度時，聲波衰可按理論計算，計算工件底面與人工反射體差異，調(diào)整靈敏度。利用通用規(guī)一化處理過曲線來調(diào)整靈敏度。

超聲波檢測基本知識第44頁六）超聲波探傷工藝其特征量2、缺點大小測量A當(dāng)量法（比較、計算）探傷中發(fā)覺缺點后，測量其波高與試塊上同聲程規(guī)則反射體波高相同，規(guī)則反射體大小即為該缺點當(dāng)量大小。假如聲程大于三倍近場區(qū)長度可用公式計算缺點當(dāng)量大小。當(dāng)量法普通用于缺點小于聲束截面時使用，大于聲束截面時用測長法。超聲波檢測基本知識第45頁六、超聲波探傷工藝B測長法（半波高度法端點半波高度法）當(dāng)缺點尺寸大于聲束截面時，探頭移動，當(dāng)缺點波高降至二分之一時，認(rèn)為聲束中心是指向缺點邊緣。當(dāng)缺點波不是一個最高點時，將缺點波邊緣某高度波下降二分之一時，探頭位置為缺點邊緣。C底波高度法用缺點波高度與工件完好處底波或與缺點處底波進行比較。超聲波檢測基本知識第46頁六、超聲波探傷工藝3、非缺點信號識別A工件側(cè)壁回波縱波檢測細(xì)長工件時,因為擴散波束在側(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,最終經(jīng)底面反射回到探頭