超聲波檢測(cè)基本知識(shí)

1、特種設(shè)備無(wú)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(tīng)到聲音是因?yàn)槁暡▊?到了我們的耳內(nèi)，聲波的頻率在20HZ～20000HZ，頻率低于或超過(guò)上述范圍時(shí)人們無(wú)法聽(tīng)到聲音，頻率低于20HZ的聲波稱(chēng)為次聲波，頻率超過(guò)20000HZ的聲波

2、稱(chēng)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),2、超聲波的特點(diǎn)（1）有良好的指向性：（2）能量高 由于能量（聲強(qiáng)）與頻率的平方成正比，故超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量I1/I2=1MHz2/1

3、KHz2=100萬(wàn)倍。,一、超聲波的性質(zhì),（3）能像光線(xiàn)一樣呈直線(xiàn)傳播，并在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，在傳播過(guò)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(wú)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

4、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(chēng)切變波。液體和氣體不能夠承受剪切應(yīng)力，故無(wú)橫波傳播。（3）表面波，在固體表面?zhèn)鞑ァ?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)2

5、,α,βL,βS,αS’,αL’,Sinα,C 1L,C1S,C 2L,C2S,,=,,SinβS,Sin βL,=,,=,,SinαS’,一、超聲波的性質(zhì),(2)第一臨界角當(dāng)在第二介質(zhì)中的折射縱波角等于90度時(shí)，稱(chēng)這時(shí)的縱波入射角為第一臨界角α I。這時(shí)在第二介質(zhì)中已沒(méi)有縱波，只有橫波。焊縫探傷用的橫波就是，經(jīng)過(guò)界面波型轉(zhuǎn)換得到的。（3）第二臨界角當(dāng)縱波入射角繼續(xù)增大時(shí)，在第二介質(zhì)中的橫波折射角也增大，當(dāng)βS達(dá)90

6、度時(shí)，第二介質(zhì)中沒(méi)有超聲波，超聲波都在表面，為表面波。,,,,,,,介質(zhì)1,介質(zhì)2,α,,,,,,,,介質(zhì)1,介質(zhì)2,α,βL,βS,,,,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 57.7 0，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(guó)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=2,,S,二、超聲波的發(fā)射與接收,1、壓電效應(yīng)

7、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(chēng)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(chēng)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

8、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,3、縱波發(fā)射聲場(chǎng) 圓盤(pán)聲源輻射的縱波聲場(chǎng)，晶片為圓形，在高頻的激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，晶片上每個(gè)小區(qū)域都輻射超聲波，這些波某處疊加會(huì)加強(qiáng)，另一處會(huì)減弱。,,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)，

9、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(xiàn)軸線(xiàn)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(chēng)為近場(chǎng)距離，此區(qū)域稱(chēng)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

10、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、1/2 N和1 N處聲壓分布,二、超聲波的發(fā)射與接收,,4）橫波發(fā)射聲場(chǎng) 常用的橫波探頭，是使縱波傾斜入射到界面 上，通過(guò)波型轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)橫波探傷的?？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。,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（

11、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(lèi)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(chēng)接觸法。

12、 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，顯示屏上橫座標(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)。,,,,三、超聲波探傷原理,2、橫波探傷示意圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,超聲波橫波探傷水平定位,,超聲波橫波探傷深度定位,,,,

13、,,,,,,,,,,,,,,,,,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(lái)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(lèi), 早期的是模擬機(jī),現(xiàn)在許多單位有數(shù)字機(jī)。,儀器顯示方式,,,,,,,,,,,,,,,,,儀器的主要性能指標(biāo)（含與探頭后）：水平線(xiàn)性 、垂直線(xiàn)性、

14、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(xiàn)、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(lái)，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

15、數(shù)有：晶片材料、直徑、頻率、保護(hù)膜如PZT2.5Φ20,四、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(xiàn)、阻尼塊、吸聲材料、外殼、接頭。斜楔的作用是實(shí)現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換,使被探工件中只存在折射橫波。斜楔的縱波聲速必須小于工件中的縱波波速,要耐磨、易加工,對(duì)超聲波的衰減系數(shù)小。探頭的主要參數(shù)有：晶片尺寸、頻率、K值如2.5P 13×13K2,,,,3、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

16、）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(xiàn)性、水平線(xiàn) 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(xiàn)比例C 評(píng)判缺陷的大?。?）分類(lèi)一類(lèi)是由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定的試塊，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)試塊如CSK-IA一類(lèi)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-IIA,C

17、SK-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(xiàn)性－－會(huì)影響缺陷當(dāng)量大小判定 水平線(xiàn)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

18、擇，應(yīng)一次波越過(guò)背面對(duì)過(guò)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

19、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(guò)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(guò)低時(shí)會(huì)漏掉缺陷。5）儀器時(shí)間掃描線(xiàn)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

20、移動(dòng)速度過(guò)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

21、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

22、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(guò)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

23、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),,,,

24、,,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6.3 μm,六、超聲波探傷工藝,（3）儀器的調(diào)試（a）時(shí)間掃描線(xiàn)（深度 、水平）儀器上時(shí)間掃描線(xiàn)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）

25、 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(guò)的曲線(xiàn)來(lái)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

26、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

27、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。,,T,六、超聲波探傷工藝,B 三角回波 縱波徑向探測(cè)實(shí)心圓柱體時(shí)，探頭平面與柱面接觸面積小，使波束擴(kuò)散角增加，擴(kuò)散聲束會(huì)在圓柱在上形成三角反射路徑,,,,,,,,,,,,,,,,

28、,,,,,,,,,,,,,B1,B2,d,1.3d,1.67d,2d,六）超聲波探傷工藝,C 焊角回波 焊縫余高過(guò)高時(shí)會(huì)在余高處反射和波型轉(zhuǎn)換。有時(shí)呈山形回波，可以根據(jù)山形回波的出現(xiàn)判斷焊縫中無(wú)大缺陷。,,,,,,,,,,,,,①,②,③,,,,,,,,,,,,①,②,③,,,,六、超聲波探傷工藝,4、掃查方式A 以規(guī)定的掃查靈敏度（基準(zhǔn)靈敏度）先進(jìn)行掃查粗探傷，再以定量靈敏度對(duì)缺陷進(jìn)行定量、定級(jí)、定位。B 為檢測(cè)縱向缺陷

29、，斜探頭應(yīng)垂直于焊縫中心線(xiàn)放置在檢測(cè)面上，作鋸齒型掃查。探頭前后移動(dòng)的范圍應(yīng)保證掃查到全部焊接接頭截面，在保持探頭垂直焊縫作前后移動(dòng)的同時(shí)，還應(yīng)作10°～15°的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。,六、超聲波探傷工藝,C基本掃查方式 為觀察缺陷動(dòng)態(tài)波形和區(qū)分缺陷信號(hào)或偽缺陷信號(hào)，確定缺陷的位置、方向和形狀，可采用前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等四種探頭基本掃查方式。 D掃查覆蓋率 為確保檢測(cè)時(shí)超聲聲束能掃查到工件的整個(gè)被檢區(qū)域，探