超声波探伤课件2.ppt

超声检测 董金华IBCC160816 圆盘源辐射的纵波声场 圆平面晶片辐射声源的中心轴线上的声压分布 在距声源较近处 由于压电晶片上的各个点辐射源到轴线上同一点的声波的相位差会引起声波的干涉现象而使得瞬时声压存在着若干个周期性的极大值和极小值 这使得不同的点上的声压变化很大 由该区域的回波信号无法正确获取缺陷的有关信息 该区域被称为超声近场区 近场区长度N 波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度 用N表示 当D 2 有N D 4 D 4 尽量避免在近场区探伤定量 当距波源距离X 3N时 声压与距离间的关系接近线性 近似球面波的规律 声束指向性 表征声源辐射场特征的另一个重要特性是声束的指向性 声源向一个确定的方向集中辐射超声波束的性质就是声源的声束指向性 声束指向性反映了声场中声能的集中程度和几何边界 超声探伤要求定量定位所用的超声场必须具有良好的声束指向性 主声束的边界与声源轴线的夹角就称为半扩散角 通常用 表示 半扩散角 若声束半扩散角越小 则超声波的辐射能量越集中 声束指向性就越好 对缺陷的定位精度越高 对不同缺陷分辨力及检测的灵敏度也越高 直径为D的圆形晶片激发波长为的超声波时的半扩散角表示为 70 D 度 边长为a的正方晶片激发波长为超声波时的半扩散角表示为 57 a 度 非扩散区b 在波源附近存在着这样一个区域 声波并没有扩展 声束可以看成是一个圆柱体 离波源不同距离处的平均声压基本不变 就称为非扩散区 非扩散区是一个圆柱形区域 其长度b 1 64N N为近场区长度 在非扩散区 x b 超声波的波阵面为平面 形成平面波声场 其声压不随与声源的距离的变化而变化 当x b时 超声波声束扩展 当x 3N时 超声波声束以球面波传播 超声场的扩散 一 概述1 仪器的作用2 仪器的分类 第三章仪器 探头和试块第一节超声波探伤仪 脉冲波连续波调频波A型显示B型显示C型显示单通道多通道 按超声波的连续性分类按显示方式分类按通道分类 A型显示是一种波形显示 探伤仪的屏幕的横坐标代表声波的传播距离 纵坐标代表反射波的幅度 由反射波的位置可以确定缺陷位置 由反射波的幅度可以估算缺陷大小 B型显示是一种图象显示 屏幕的横坐标代表探头的扫查轨迹 纵坐标代表声波的传播距离 因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度 C型显示也是一种图象显示 屏幕的横坐标和纵坐标都代表探头在工件表面的位置 探头接收信号幅度以光点辉度表示 因而当探头在工件表面移动时 屏上显示出被探工件内部缺陷的平面图象 但不能显示缺陷的深度 二 超声波探伤仪工作原理 A型显示探伤仪 同步电路 发射电路 扫描电路 接收放大电路 主要组成部分及作用同步电路 扫描电路 发射电路 接收电路 显示电路 电源 同步电路产生数十至数千个脉冲 触发探伤仪扫描电路和发射电路 扫描电路产生锯齿波电压 加在示波管水平偏转板上 发射电路产生几百至上千伏的电脉冲 加于发射探头 激励压电晶片振动 发射超声波 接收电路由衰减器 射频放大器 检波器和视频放大器等组成 主要控制旋钮及功能 工作方式选择 发射强度 衰减器 增益 深度范围 脉冲位移 延迟 抑制 数字探伤仪的特征与应用常用的A扫描数字超声仪 稳定性好 使用方便 超声仪器使用要点 1 开启电源 2 工件测厚 3 测入射点 4 测折射角 5 扫描比例 6 DAC曲线 7 粗探在先 8 细探在后 9 指示长度 10 平行检查 11 校准两点 12 关机清场 第三节探头 探头的作用 原理一 压电效应 某些晶体材料在交变拉压应力作用下 产生交变电场的效应称为正压电效应 反之 当晶体材料在交变电场作用下 产生伸缩变形的效应称为逆压电效应 正 逆压电效应通称为压电效应 二 压电材料主要性能压电应变常数d33压电电压常数g33介电常数 机电耦合系数K机械品质因子 m频率常数N居里温度Tc N tfo CL 2 超声波探头对晶片的要求机电耦合系数K较大 以便获得较高的转换效率 机械品质因子 m较小 以便获得较高的分辨率和较小的盲区 压电应变常数d33和压电电压常数g33较大 以便获得较高的发射 接收灵敏度 频率常数N较大 介电常数 较小 以便获得较高的频率 居里温度Tc较高 声阻抗Z适当 三 探头种类和结构 直探头斜探头表面波探头双晶探头聚焦探头高温探头 电磁探头 探头种类和结构 直探头用于发射和接收纵波 主要用于探测与探测面平行的缺陷 如板材 锻件探伤等 探头种类和结构 斜探头可分为纵波斜探头 横波斜探头和表面波斜探头 常用的是横波斜探头 横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷 如焊缝 汽轮机叶轮等 当斜探头的入射角大于或等于第二临界角时 在工件中产生表面波 表面波探头用于探测表面或近表面缺陷 探头种类和结构 双晶探头有两块压电晶片 一块用于发射超声波 另一块用于接收超声波 根据入射角不同 分为双晶纵波探头和双晶横波探头 双晶探头具有以下优点 灵敏度高杂波少盲区小工件中近场区长度小探测范围可调双晶探头主要用于探伤近表面缺陷 探头种类和结构 基本频率 探头型号的组成 晶片尺寸 探头种类 特征 晶片材料 2 5P20Z5P6 6K2 5 第四节试块 1 确定探伤灵敏度超声波探伤灵敏度太高或太低都不好 太高杂波多 判伤困难 太低会引起漏检 因此在超声波探伤前 常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度 2 测试仪器和探头的性能超声波探伤仪和探头的一些重要性能 如放大线性 水平线性 动态范围 灵敏度余量 分辨力 盲区 探头的入射点 K值等都是利用试块来测试的 3 调整扫描速度利用试块可以调整仪器屏幕上水平刻度值与实际声程之间的比例关系 即扫描速度 以便对缺陷进行定位 4 评判缺陷的大小利用某些试块绘出的距离 波幅 当量曲线 即实用AVG 来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一 特别是3N以内的缺陷 采用试块比较法仍然是最有效的定量方法 此外还可利用试块来测量材料的声速 衰减性能等 试块的分类1 按试块来历分标准试块参考试块2 按试块上人工反射体分平底孔试块横孔试块槽形试块 IIW 荷兰试块 国内外常用试块 国内外常用试块 IIW2 牛角试块 GB T11345 89标准采用的试块有 CSK ACSK ACSK ARB 1 2 3JG T203 2007标准采用的试块有 CSK BCSK ARB 1CSK ICiCSK ICjJB T4730 3 2005标准采用的标准试块有 1 钢板用标准试块 CB CB 2 锻件用标准试块 CS CS CS 3 焊接接头用标准试块 CSK A CSK A CSK A CSK A 对比试块 对比试块是用于检测校准的试块 对比试块的外形尺寸应能代表被检工件的特征 试块厚度应与被检工件的厚度相对应 如果涉及到两种或两种以上不同厚度部件焊接接头进行检测时 试块的厚度由其最大厚度来确定 第五节仪器和探头的性能及其测试 仪器的性能及其测试水准线性垂直线性动态范围衰减器精度 水平线性 100 仪器水平线性是指仪器屏幕上时基线显示的水平刻度值与实际声程之间成正比的程度 或者说是屏幕上多次底波等距离的程度 仪器水平线性的好坏直接影响测距精度 进而影响缺陷定位 amax0 8b 垂直线性仪器的垂直线性是指仪器屏幕上的波高与探头接收的信号之间成正比的程度 垂直线性的好坏影响缺陷定量精度 D d1 d2 动态范围将满幅度100 某波高用衰减器衰减到刚能识别的最小值时所需衰减的dB值 这时抑制为0衰减器精度任意相邻12dB误差 1dB可以用直探头探测试块内同声程的 2和 4平底孔 用衰减器将回波其调至同一高度 此时衰减器的调节量与12dB的差值即为衰减器误差 探头的性能及其测试1 斜探头入射点斜探头的入射点是指其主声束轴线与探测面的交点 入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度 测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对缺陷定位和测定探头的K值 注意试块上R应大于钢中近场区长度N 因为近场区同轴线上的声压不一定最高 测试误差大 2 斜探头K值和折射角斜探头K值是指被探工件中横波折射角的正切值 注意测定斜探头的K值或折射角也应在近场区以外进行 探头的性能及其测试3 探头主声束偏离和双峰探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度称为主声束的偏离 平行移动探头 同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰 探头主声束偏离和双峰 将会影响对缺陷的定位和判别 4 探头声束特性探头声束特性是指探头发射声束的扩散情况 常用轴线上声压下降6dB时探头移动距离 即某处的声束宽度 来表示 仪器和探头的综合性能及其测试灵敏度余量灵敏度超声波探伤中灵敏度一般是指整个探伤系统 仪器和探头 发现最小缺陷的能力 发现缺陷愈小 灵敏度就愈高 仪器的探头的灵敏度常用灵敏度余量来衡量 灵敏度余量是指仪器最大输出时 增益 发射强度最大 衰减和抑制为0 使规定反射体回波达基准高所需衰减的衰减总量 灵敏度余量大 说明仪器与探头的灵敏度高 灵敏度余量与仪器和探头的综合性能有关 因此又叫仪器与探头的综合灵敏度 仪器和探头的综合性能及其测试盲区与始脉冲宽度 盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离 盲区内的缺陷一概不能发现 始脉冲宽度是指在一定的灵敏度下 屏幕上高度超过垂直幅度20 时的始脉冲延续长度 始脉冲宽度与灵敏度有关 灵敏度高 始脉冲宽度大 仪器和探头的综合性能及其测试分辨力仪器与探头的分辨力是指在屏幕上区分相邻两缺陷的能力 能区分的相邻两缺陷的距离愈小 分辨力就愈高 A B C不能分开时F 91 85 a a b 6a a b A B C能分开时F 91 85 c a 6c a 仪器和探头的综合性能及其测试信噪比信噪比是指屏幕上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度之比 信噪比高 杂波少 对探伤有利 信噪比太低 容易引起漏检或误判 严重时甚至无法进行探伤 JG T203 2007对探伤仪 探头和系统性能的规定 1 探伤仪性能a 工作频率 0 5MHz 10MHzb 垂直线性 在荧光屏满刻度的80 范围内呈线性 误差不大于5 c 水平线性 误差不大于1 d 衰减器 80dB以上连续可调 步进级每档不大于2dB 精度为任意相邻12dB误差在 1dB以内 最大累计误差不大于1dB JG T203 2007对探伤仪 探头和系统性能的规定 2 探头a 晶片面积一般不应大于500mm2 且任一边长原则上不大于25mmb 单斜探头声束轴线水平偏离角不应大于2 主声束垂直方向不应有明显的双峰 JG T203 2007对探伤仪 探头和系统性能的规定 3 超声探伤仪和探头的系统性能a 在达到所探工件的最大检测声称时 其有效灵敏度余量应不小于10dBb 仪器和探头的组合频率与公称频率误差不得大于 10 c 仪器和直探头组合的始脉冲宽度 在基准灵敏度下 对于频率为5MHz的探头 宽度不大于10mm对于频率为2 5MHz的探头 宽度不大于15mmd 直探头的远场分辨力应不小于30dB斜探头的远场分辨力应不小于6dB 探伤技术分类 原理分脉冲反射法 穿透法 共振法显式分A B C型显示波型分纵波法 横波法 表面波法探头分单斜法 双探头法 多探头法耦合分接触法 液浸法射角分直射声束法 斜射声束法 第四章超声波探伤通用技术 第一节超声波探伤方法 按原理分类脉冲反射法超声波探头发射脉冲波到被检试件内 根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法 称为脉冲反射法 脉冲反射法包括缺陷回波法 底波高度法和多次底波法 穿透法穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法 穿透法常采用两个探头 一收一发 分别放置在试件的两侧进行探测 共振法若声波 频率可调的连续波 在被检工件内传播 当试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 当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时 将改变试件的共振频率 依据试件的共振频率特性 来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法 共振法常用于试件测厚 缺陷回波法 底波高度法 多次底波法 穿透法 纵波法横波法 探头并列法 按波形分类纵波法横波法表面波法板波法爬波法 按探头数目分类单探头双探头多探头 按探头接触方式分类直接接触法液浸法 第二节仪器与探头的选择 仪器选择探测要求现场条件 探头选择根据工件结构形状 加工工艺和技术要求进行选择探头型式频率晶片尺寸K值 第三节耦合与补偿 耦合剂流动性 粘度 附着力适当 易清洗 声阻抗高 透声性好 价格便宜 对工件无腐蚀 对人无害 不污染环境 性能稳定 不易变质 能长期保存 常用耦合剂有机油 水 水玻璃 甘油 浆糊等 影响耦合剂的主要因素耦合层厚度的影响 4的奇数倍时 透声效果差 2的整数倍或很薄时 透声效果好 影响耦合剂的主要因素表面粗糙度的影响一般R0不高于6 3 m耦合剂声阻抗 工件表面形状的影响 表面耦合损耗的测定和补偿 表面耦合损耗的测定和补偿 第四节探伤仪的调节 扫描速度调节 扫描速度调节声程调节法水平调节法深度调节法 探伤灵敏度调节试块调整法工件底波调整法 x 3N时 20lg 20lg PB2 xPF Df2 第六节缺陷大小的测定 常用的定量方法 当量法常用的当量法有当量试块比较法 当量计算法和当量AVG曲线法 测长法当工件中缺陷尺寸大于声束截面时 一般采用测长法来确定缺陷的长度 测长法是根据缺陷波高与探头移动距离来确定缺陷的尺寸 按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度 缺陷的指示长度总是小于或等于缺陷的实际长度 根据测定缺陷长度时的基准不同将测长法分为相对灵敏度法 绝对灵敏度法和端点峰值法 底波高度法底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小 当工件中存在缺陷时 由于缺陷的反射 使工件底波下降 缺陷愈大 缺陷波愈高 底波就愈低 缺陷波高与底波高之比就愈大 当量法当量比较法将工件中的自然缺陷回波与试块上的人工缺陷回波进行比较来对缺陷定量 当量法当量计算法根据测得的缺陷波高的dB值 利用各种规则反射体的理论回波声压公式进行计算来确定缺陷当量尺寸 Bf 20lg 20lg 2 xf xB 12 20lg 40lg 2 x2 x1 PB2 xf2PF Df2xB Pf1Df1x2Pf2Df2x1 当量AVG曲线法表示回波声程 幅度 dB 和缺陷大小关系的曲线称为AVG曲线 有通用AVG曲线和实用AVG曲线 当量AV