《超声检测4学时》PPT课件.ppt

超声波检测技术,概述,一、超声波检测技术的概念 超声检测是使超声波与被检工件相互作用，根据超声波的反射、透射和散射的行为，对被检工件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其应用性进行评价的一种无损检测技术。 二、超声波检测的优点 1、无论是金属、非金属，还是复合材料都可以应用超声波进行无损检测； 2、施加给工件的超声强度低，最大作用应力远低于弹性极限，不会对工件使用造成任何影响； 3、对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等参量较之其他无损检测方法有综合优势； 4、仅需从一侧接近被检工件，便于复杂形状工件的检测； 5、对人体及环境无害； 6、设备轻便，可作现场检测； 7、所用参数设备及有关波形均可进行存储，供以后分析调用。,三、超声波检测的局限性 1、对缺陷进行精确的定性、定量表征仍须深入研究； 2、为使超声波以常用的压电换能器为声源进入试件，一般需用耦合剂； 3、对形状复杂的工件的检测有一定限制。,概述,超声波的特性：,超声波及其特性 超声波：是一种质点振动频率高于20kHz的机械波。 超声波的频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高 超声波检测常用的频率在0.510MHz。,超声波的基础,（1）超声波产生机理利用了压电材料的压电效应。,超声波的产生,超声波的基础,（1）超声波产生机理利用了压电材料的压电效应。,（2）超声波的发射和接受 发射在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动产生超声波；若此机械振动与被检测工件较好地耦合，超声波就会传入工件这就是超声波的发射。 接受若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来就完成了对超声波信号的接受。 可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥重要的作用。,超声波的基础,超声波的分类,超声波的基础,超声波衰减,超声波的衰减：指超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加能量逐渐减弱的现象。,超声场在介质中的传播,1、扩散衰减 超声波的扩散衰减是因为声波在介质中传播时，波的前方逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱。,2、散射衰减 超声波在介质中传播遇到障碍物时，当障碍物的尺寸与超声波的波长相当或更小时，便会产生散射衰减。 产生原因： （1）材料本身的不均匀。 （2）晶粒尺寸与超声波波长相当的多晶材料造成散射衰减。,超声波在金属中主要的衰减原因是散射衰减和扩散衰减；在液体中主要是吸收衰减。研究表面，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达：,3、吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和热传导引起的衰减称为吸收衰减。,超声场在介质中的传播,研究表明，声压p与超声波探伤仪示波屏的波高h成正比关系：,实际探测时，超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况。,超声场在介质中的传播,超声波界面的反射和穿透,超声场在介质中的传播,1、垂直入射,超声波垂直入射异质界面时会发生反射、透射和绕射,超声场在介质中的传播,超声场在介质中的传播,2、斜射时的反射、折射和波形转换,所以，使纵波的折射角 时的纵波的入射角 的值称为第一临界角，记为 ，第二介质中只有横波。 当增大纵波的入射角 ，使纵波的折射角 时的纵波的入射角 的值称为第二临界角，记为 ，第二介质中只有表面波。,超声场在介质中的传播,按探头数目分类 一、单探头法 使用一个探头兼作和接受超声波的检测方法称为单探头法。 对于与波束轴线垂直的片状缺陷和立体型缺陷的检测效果最好。 二、双探头法 使用两个探头（一个发射、一个接受）进行检测的方法称为双探头法。 主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。,超声波检测方法,1、并列式，两个探头并列放置，检测时两者同步同向移动。,3、V型串列式，两探头相对放置在同一面上，一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波刚好落在另一个探头的入射点上，主要用来发现与探测面平行的片状缺陷。,2、交叉式，两个探头轴线交叉，交叉点为要探测的部位。可发现与探测面垂直的片状缺陷，在焊缝检测中，常用来发现横向缺陷。,超声波检测方法,4、K型串列式，两探头以相同的方向分别放置于工件的上下表面，一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波进入另一个探头，主要用于发现与探测面垂直的片状缺陷。,超声波检测方法,5、串列式，两探头一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一个探头发射的声波被缺陷反射的回波经底面反射进入另一个探头。用来发现与探测面垂直的片状缺陷。,三、多探头法 使用两个以上的探头成对地组合在一起进行检测的方法，称为多探头法。多探头法的应用，主要是通过增加声束来提高检测速度或发现各种取向的缺陷。,超声波检测方法,超声波检测方法,按检测原理分类,一、脉冲反射法 超声波探头反射脉冲波到被检测工件内，根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法，称为脉冲反射法。 1、缺陷回波法 是根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的检测方法。,2、底波高度法 当工件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的；但如果工件内存在缺陷，则底面回波高度会下降甚至消失。根据底面回波高度的变化就可判断工件内的缺陷情况，这种检测方法称为底波高度法。,超声波检测方法,3、多次底波法 根据底面回波次数，就可以判断工件有无缺陷，这种检测方法就是多次底波法。,超声波检测方法,当工件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，工件的共振频率将改变。依据工件的共振性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。,三、共振法 若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当工件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差，根据下式可计算出工件的厚度,超声波检测方法,为工件固有频率；,为相邻两共振频率。,二、穿透法 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法。,按波形分类 一、纵波法 使用直探头发射纵波，进行检测的方法，称为纵波法。 单晶探头发射法、双晶探头发射法和穿透法。 主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的检测，该法对于探测面平行的缺陷检测效果最佳。 只能发现工件内部离探测面一定距离以外的缺陷。,超声波检测方法,二、横波法 将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至工件探测面，利用波形转换得到横波进行检测的方法，称为横波法。 主要用于管材、焊缝等的检测。,三、表面波法 使用表面波进行检测的方法，称为表面波法。 主要用于表面光滑的工件的检测。 四、板波法 使用板波进行检测的方法，称为板波法。 主要用于薄板、薄壁管等形状简单的工件的检测。,超声波检测方法,按探头接触方式分类 1、接触法 探头与工件的接触面之间的耦合剂层非常薄，可以看作是两者直接接触，这种检测方法称为直接接触法。 2、液浸法 将探头和工件慢于液体中以液体耦合剂进行检测的方法，称为液浸法。 （1）全浸没式，被检工件全部浸没在液体之中，适用于体积不大，形状复杂的工件的检测。,超声波检测方法,（2）局部浸没式，把检测工件的一部分浸没在水中或被检工件与探头之间保持一定的水层而进行检测的方法，适用于大体积工件的检测，局部浸没法又分为喷液式、通水式和满溢式。,喷液式：超声波通过以一定压力喷射至探测表面的液流进入工件。,超声波检测方法,满溢式：与通水式相似，但满溢罩只有进水，多余液体在罩的上部溢出。,超声波检测方法,通水式：借助于一个专用的有进水、出水的液罩，以使罩内经常保持一定容量的液体。,耦合 超声耦合：超声波在探测面上的声强透射率。 耦合剂：在探头与工件表面之间施加的一层透声介质称为耦合剂。 一、液体耦合 通过在探头和试件之间涂敷液体以排除空气来实现声能的传递，称为液体耦合。 从声传递的角度来考虑，要求液体耦合剂具备如下性能： 1、容易附着在试件表面上，有足够的浸润性以排除探头与试件之间由于表面粗糙造成的空气隙； 2、声特性阻抗尽量与试件材料的声特性阻抗相近，以利声能尽可能多地进入试件； 3、声阻抗高，透声性能好； 4、对人体无害、对试件无腐蚀、容易清除、来源方便、价格低廉； 常用的耦合剂：机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。,超声波检测方法,二、干压耦合 在探头下方附以软橡胶或塑料垫压向工件。 三、空气耦合 空气耦合检测只能进行外部测量，如距离测量等。 四、高温耦合 采用低熔点的合金。,超声波检测方法,五、影响声耦合的主要因素 1、耦合层厚度对声耦合的影响 当耦合层的厚度为/4的奇数倍时，透声效果差，耦合不好，反射回波低；当耦合层的厚度为/2的整数倍或很薄时，透声效果好，反射回波高。 2、表面粗糙度对声耦合的影响 对于同一耦合剂，如果工件的表面粗糙度高，则耦合效果差，反射回波低。 3、声阻抗对声耦合的影响 对于同一探测面，如果耦合剂的声阻抗大，则耦合效果好，反射回波高。 4、工件表面形状对声耦合的影响 平面耦合效果最好，凸曲面次之，凹曲面最差。,超声波检测方法,一、检测仪的选择 定位要求高时，应选择水平线性好的仪器； 定量要求高时，应选择垂直线性好的、衰减器精度高的仪器； 大型零件的检测应选择灵敏度余量高、信噪比高和功率大的仪器； 为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力高的仪器； 室外现场检测，应选择重量轻，示波屏亮度好，抗干扰能力强的便携式仪器。,探测条件的选择,探测条件的选择,二、探头的选择 （1）探头形式的选择 直探头探测于探测面平行的缺陷 斜探头探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷 表面波探头探测工件表面的缺陷。,（2）探头频率的选择 由于波的绕射而使超声波检测的最小缺陷尺寸约为/2,提高频率有利于发现小缺陷； 频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷； 频率高，波长短，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现并定位缺陷； 频率高，波长短，近场长度长，对检测不利； 频率提高，衰减急剧增加，对检测不利； 表面粗糙时，宜选用低频率； 裂缝一类的缺陷宜选用低频率，非金属夹杂物宜选用高频率。,探测条件的选择,探测条件的选择,（3）探头晶片的选择 检测面积范围大大晶片探头 检测厚度大的工件大晶片探头 检测小型工件小晶片探头 检测表面不平整、曲率较大的工件小晶片探头,缺陷定位、定量和定性,二、缺陷定量 测定缺陷的大小和数量 当量法：当缺陷的尺寸小于声束截面时，一般采用当量法来确定缺陷的大小； 底波高度法：利用缺陷波与底波高度之比来衡量缺陷的相对大小； 测长法：缺陷尺寸大于声束截面时，根据缺陷波高于探头移动的距离来确定缺陷尺寸的；,一、缺陷定位 纵波直探头的定位 横波斜探头的定位,缺陷定位、定量和定性,三、缺陷定性 根据经验并结合工件的加工工艺、缺陷特性、缺陷波形和底波情况来分析估计缺陷的性质。 （1）根据缺陷的特征分析缺陷的性质 缺陷特征是指缺陷的形状、大小和密集程度 （2）根据缺陷波形分析缺陷的性质 静态波形 动态波形 （3）根据底波的特性分析缺陷的性质,脉冲反射法超声波检测技术,检测原理 （1） 原理 是利用超声波在传播过程中，遇到声阻抗差较大的异质界面时，将产生反射的原理来实现对内部缺陷检测的。 （2）实现方法 该法采用单个探头即做发射器件，又做接收元件，以脉冲方式间歇地向工件发射超声波，接受到的回波信号经功能电路放大、检波后，在探伤仪的示波屏上以脉冲信号显示出来。