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无损探伤基础 超声波探伤部分 一 超声波探伤物理基础1 超声波是一种机械波机械振动 物体沿直线或曲线 在某一平衡位置附近 作往复周期性的运动称为机械振动 机械波 机械振动在弹性介质中的传播过程 称为机械波 如水波 声波 超声波 产生机械波的条件 1 要有作机械振动的波源2 要有能传播机械振动的弹性介质 2 波长 波速C 频率 波长 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离 频率 波动过程中 任一给定点在1秒内能通过的完整波的个数 波速 波动在弹性介质中 单位时间内所传播的距离 三者关系C 3 次声波 声波和超声波次声波 频率低于20HZ的机械波声波 频率在20 20000HZ的机械波超声波 频率高于20KHZ的机械波4 超声波特性 方向性好 犹如一束手电筒灯光在黑暗中寻找到所需物品 能量高 能在界面上产生反射 折射和波型转换 穿透能力强 5 超声波类型a 按质点的振动方向分类纵波 介质中质点振动方向与波的传播方向相同的波 横波 介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波 表面波 当介质表面受到交变应力作用时 产生沿介质表面传播的波 表面波在介质传播时 介质表面质点作椭圆运动 是纵波与横波的合成 表面波只能在固体表面传播 板波 在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波 b 按波的形状分类平面波 波阵面为互相平行的平面的波 柱面波 波阵面为同轴圆柱面的波 球面波 波阵面为同心球面的波 6 声速 纵波 钢5900m s 铝6300m s 水1500m s 有机玻璃2700m s 空气340m s横波 只能在固体中传播 钢3200m s 铝3130m s 有机玻璃1120m s表面波 声速大约为横波的0 9倍 纵波的0 45倍 7 超声波垂直入射到平面的反射和透射当超声波垂直入射到足够大的光滑平面时 将在第一介质中产生一个入射波方向相反的反射波 在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波 设入射波声压为P0 反射声压为Pr 透身声压为Pt则其声波反射率r Pr Po Z2 Z1 Z2 Z1 声压透射率t Pt Po 2Z2 Z2 Z1 8 超声波斜射到平面上的反射与折射波型转换 当超声波倾斜入射到异质界面时 除了产生了入射波同类型的反射波和折射波以外 还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波 称为波型转换 波型转换只可能在固体中产生 第一临界角 超声波纵波倾斜入射到界面上 若第二介质纵波波速CL2大于第一介质中纵波波CL1 即CL2 CL1 则纵波折射角 L L 随着 L增加 L也增加 当 L增加到一定程度时 L 90 这时所对应纵波入射角称为第一临界角 当 L 1时 第二介质中存在折射横波 不存在折射纵波 第二临界角 超声波倾斜入射到界面上 若第二介质中的横波波速Cs2大于是第一界质中的纵波波速CL1 即Cs2 CL1 则横波折射角 s大于纵波入射角 L 随着 L增加 s也增加 当 L增加到一定程度时 s 90 这时所对应纵波入射角为第二临界角 第三临界角 超声波倾斜入射到界面上 若第二介质中的横波声速C 在第一介质中产生反射纵波和横波 由于在同一介质中 纵波声速CL1恒大于横波声速Cs1 所以纵波反射角 L恒大于横波入射角 S 即 L S 随着 S增加 L也增加 当 S增加到一定角度时 L 90 这时横波入射角称为第三临界角 第一 二临界角的物理意义 当 L 时 第二介质中 既无折射横波又无折射纵波 例 有机玻璃中纵波声速CL1 2700m s 钢中纵波CL2 5900m s Cs2 3230m s 求此有机玻璃横波斜探头 纵波入射角的范围 为实现单一横波探伤 纵波入射角 L的范围为27 6 57 6 第三临界的物理意义 当 s 时 第一介 L质中只存在反射横波 不存在反射纵波 9 超声波衰减主要包括扩散衰减 散射衰减和吸收衰减 a 扩散衰减 由于波束的扩散引起的衰减 随着声波传播距离的增加 波束截面越来越大 单位面积上的能量逐渐减小 散射衰减 声波传播过程中遇到声阻抗不同的界质界面产生反射 折射和波型转换 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 10 关于纵波发射声场 圆盘声源 圆盘声源轴线上声压分布波源附近的轴线上声压上下起伏变化 存在若干个极大极小值 距波源的距离越近 声压极大极小值的点就越密 声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区 超声波是由探头的压电晶片 波源 发出的 而这个波源可以看作由许多发射波的子波源组成 这些子波波源作同相位同振幅振动 各自发出球面子波 并互相叠加产生干涉 使一些地方声压互相加强 另一些地方互相减弱 超声场的近场长度与波长与反比 与波源面积成正比 超声波频率越高 波长愈短 超声场的近场长度就愈长 波源面积越大 近场区长度就越长 由于近场区存声压极大值极小值 处于声压极大值处的较小缺陷可能回波较高 而处于极小值处的较大缺陷可能回波较低 因此超声波探伤时问题尽量避免在近场区定量 波束半扩散角为 70 D未扩散区与扩散区 未扩散区用b表示 当X b 1 64N 波束可视为直径为D圆柱体 波阵面近似平面 波束并不扩散 因此 这一区域内的声场可视为平面波声场 平均声压基本不变 实际探伤中薄板成块或工件 前几次底波高度相差无几就是这个原因 X b区域内 波束开始扩散 称为扩散区 这时主波束可视为底面直径为D的截头圆锥体 当X 3N波速按球面波规律扩散 11 规则反射体的回波声压 条件X 3N a平底孔的回波声压 b长横孔的回波声压 c球孔的回波声压 Pf Pf d大平底回波 1 超声波探伤仪概述 作用 超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备 作用是产生振荡并加于换能器 探头 激励探头发射超声波 同时将探头送回的电信号进行放大 通过一定方式显示出来 从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息 仪器分类 a按超声波的连续性分类 分为 脉冲波探伤仪 连续波探伤仪 调频波探伤仪 二 仪器探头 脉冲波探伤仪 仪器通过探头向工件周期性地发射不连续且频率不变的超声波 根据超声波的传播时间及幅度判断工件中缺陷位置和大小 这是目前应用最广泛的探伤仪 连续波探伤仪 仪器通过探头向工件发射连续且频率不变的超声波 根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小 调频波探伤仪 仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波 根据发射波与反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷 b按缺陷显示方式分类 A型显示探伤仪 B型显示探伤仪 C型显示探伤仪 A型探伤仪 A型显示是一种波形显示 探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间 纵坐标代表反射波的幅度 B型探伤仪 B型显示是一种图象显示 探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹 纵坐标是靠电子扫描来代表波的传播时间 因而可以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型探伤仪 C型显示也是一种图象显示 探伤仪荧光屏的横坐标与纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置 当探头在工件表面移动时 荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图象 但不能显示缺陷深度 A型脉冲探伤仪几个主要组成部分 同步电路 扫描电路 发射电路 接收电路 显示电路和电源电路 1 探头的作用和原理作用 将电能转换成超声能和将超声能转换为电能 产生超声波 接收超声波 压电效应 某些晶体受到压力或拉力产生形变时 在晶体的界面上出现电荷的现象叫正压电效应 而电场的作用下 晶体发生弹性形变的现象叫逆压电效应 正 逆压电效应统称为压电效应 逆压电效应产生超声波 正压电效应接收超声波 压电晶体的主要性能参数a压电奕变常数d33压电应变常数表示单位电压产生的形变大小 若施加一定电压 a 使厚度变化 ta 则 d33 ta Ua 米 伏 它反映晶体的逆压电特性 它关系着晶片的发射灵敏度 d33大 晶体发射性能好 制作单发射超声波探头 应选用d33较大的压电晶片 b压电电压常数g33压电电压常数表示单位压力产生的相对开路电压的大小 后施加应力为P 晶片产生的电压为Up 则g33 Up P 伏米 牛顿 压电电压常数反映压电晶体的正压电特性 它关系着晶片的接收灵敏度 因此也称压电接收系数 g33大 晶片接收性能好 接收到微弱的超声波信号就可以产生较高的电压 制作单接收超声波探头 应选g33较大的压电晶片 A型脉冲反射式超声波探伤仪的工作过程 同步电路产生的触发脉冲 同时加至扫描电路和发射电路 扫描电路受触发开始工作 产生锯齿波扫描电压 加至示波管水平偏转板 使电子束发生水平偏转在荧光屏上产生一条水平扫描线 与此同时 发射电路受触发产生高频脉冲 加至探头 激励压电晶片振动 在工件中产生超声波 超声波在工件中传播 遇缺陷或底面发生反射 返回探头时 又被压电晶片转变为电信号 经接收电路放大和检波 加至示波管垂直偏转板上 使电子束发生垂直偏转 在水平扫描线的相应位置上 产生缺陷波或底波 根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋藏深度 根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小 同步电路 又称触发电路 它每秒产生十至千个脉冲 用来触发探伤仪其它电路 扫描电路 发射电路等 使之步调一致 有条不紊地工作 扫描电路 又称时基电路 用来产生锯齿波电压 加在示波管水平偏转板上使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动 产生一条水平扫描线 即时基线 深度粗调 微调 扫描延迟 都是扫描电路的控制旅钮 发射电路 利用闸流管或可控硅的开关 它产生几百伏至上千伏的电脉冲 电脉冲加于发射探头 激励压电晶片振动 使之发射超声波 接收电路由衰减器 射频放大器 检波器和视频放大器组成 它将来自探头的电信号进行放大 检波 最后加至示波的垂直偏转板上 并在荧光屏上显示 c机电耦合系数K从能量观点出发 压电效应是一种电能和机械能相互转化的效应 机械能和电能之间耦合强弱用机电偶合系数K表示 其定义为 电能转化成机械能K1 从逆压电效应考虑 供给的电能机械能转化成电能K2 从正压电效应考虑 供给的机械能机电偶合系数关系着晶片转化效率 K大转化效率高 晶片的发射灵敏度和接收灵敏度 反之则低 d居里温度Tc所有压电材料当温度达到一定值后 压电效应会自行消失 物理学上称该温度为材料的居里温度或居里点 压电体有上居里温度和下居里温度 如锆钛酸铅Tc为约300 Tc约 80 因此探测高温工件的探头 应采用上居里点较高的压电晶片 而在寒冷地区应选用下居里温度低者 e机械品质因素Qm压电晶片谐振时贮存的机械能E贮与在一个振动周期内损耗的能力E损之比称为机械品质因素 Qm E贮 E损 1 机械品质因素Qm反映了压电晶片谐振时由于内摩擦所消耗的机械能的大小Qm大 机械能损耗小 灵敏度高 但脉冲宽度大 分辨力低 盲区大 Qm小则反之 一般探头中压电晶片背面的吸收声的设置就是为了降低探头的机械品质因素Qm 从而提高探头的分辨力 减少盲区 探头的种类结构a种类 按波型分为 纵波探头 横波探头 板波探头和表面波探头 按晶片数目分为 单晶探头 双晶探头和多晶片探头 按入射声束方向分为 直探头和斜探头 按频谱分类 宽频带探头和穿行频带探头 b探头的结构常用探头主要有 直探头 斜探头 表面波探头 双晶探头 水浸探头和聚焦探头 直探头 压电晶片 是探头的核心元件 它的作用是发射和接收超声波 晶片由压电单晶体按一定方式和一定方向切割而成或由压电陶瓷经极度化制成 晶片两面敷有作为电极度的银层 目的是供给晶片的电压均匀 晶片上电极度接火线引至电路 底面则接地线与电路的公共点相接以便形成回路 保护膜 压电晶片 直探头 前面一般都加保护膜 作用是保护压电晶片和电极 防止磨损和碰坏 它必须耐磨性能好 强度高 材质声衰减小 透声必能好 厚度合适 分为软保护膜和硬保护膜 硬保护膜常用氧化铝 刚玉 金属片等 软保护膜常用聚胺脂软性塑料制成 阻尼块 也称吸收块 粘附在压电晶片背面 其作用是阻止晶片的惯性振动和吸收晶片背面辐射的声能 从而减小脉冲宽度和杂波信号干扰 阻尼声常用钨粉和环氧树脂按一定比例配制而成 表面波探头 是斜探头的一个特例 当斜探头入射角等于第二临界角时 由波型转换得到沿被探材料表面传播的表面波 这种探头称为表面波探头 双晶探头 又称联合双探头或分割式TR探头 这种探头含两个压电晶片 装在同一个壳体内 一个晶片发射 另一个晶片接收 两个晶片之间用隔声层隔开 防止发射声波直接串入接收晶片 晶片前带有机玻璃延迟块使声波延迟一段时间进入工件 由于使用了延迟块 所以大大减小了盲区 利于近表面检测 多数双晶探头的两个晶片都倾斜一定角度 3 18 若两个晶片同时发射超声波束 使其交叉覆盖区即为探伤区 声束中心线交点F处灵敏度最高 离开F点灵敏度降低很快 改变晶片倾角 可改变交点F处的位置和覆盖区的大小 倾角越大 交点F离探测面愈近 覆盖区越短粗 探测厚度越小 倾角愈小 交点F离探测面愈远 覆盖区越窄长 探测厚度越大 1 探伤方法概述 按原理分类 可分为脉冲反射法 穿透法和共振法脉冲反射法 超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内 根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法 按判断缺陷情况的回波性质 脉冲反射法还可分为 a缺陷回波法 根据示波屏上显示的缺陷探探探伤图形进行判断的探伤b底波回波高度法 依据底波回波高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法c底面多次回波法 三 超声波探伤方法和通用探伤技术 穿透法 是依据脉冲波或连续波穿透试件后的能量变化来判断缺陷情况的方法 共振法 若声波在被检工件内传播 当试件的厚度为超声波的半波长或半波长的整数倍时 由于入射波和反射波的相位相同 则引起共振 因而食品可显示出共振频率步 用相邻两个共振频率之差 由公式 C Z fn fn 1 算出试件厚度 当试件内存在缺陷时 将改变试件的共振频率 根据试件的共振特性 来判断缺陷情况的方法称为共振法 常用于测厚 按波形分为 纵波法 横波法 表面波法 板波法 表面波波长比横波还短 因此衰减也大于横波 同时它仅沿表面传播对于表面上的复层 油污 不光洁等声束反应敏感 并被大量衰减 利用此特点 可以通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化 对缺陷定位 按探头数目分类 单探头法 双探头法 多探头法 按探头接触方式分类 直接接触法 液浸法 2 仪器与探头的选择 探伤仪的选择a对于定位要求高的情况 应选择水平线性误差小的仪器 b对于定量要求高的情况 应选择垂直线性好 衰减精度高的仪器 c对于大型零件的探伤应选择灵敏度余量高 信噪比高 功率大的仪器 d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 分辨力好的仪器 e对于室外现场探伤 应选择重量轻 荧光屏亮度好 抗干扰能力强的携带式仪器 探头的选择钢板中 锻件中的夹层 折叠等缺陷 应选用直探头探伤 焊缝中的未焊透 夹渣 未熔合等缺陷应选用斜探头探伤 表面波探头用于探测工件表面缺陷 双晶探头用于探测工件近表面缺陷 聚焦探头用于温婉探测管材或板材 频率选择 频率高 灵敏度和分辨力高 指向性好 对探伤有力 但频率高 近场区长度大 衰减大 又对探伤不利 实际探伤中 一般在保证探伤灵敏度的情况下尽可能选择较低的频率 对于晶粒较细的锻件 轧制件和焊接件一般选用较高的频率 常用2 5 5MHz 对于晶粒粗大的铸件或奥氏体钢等宜选用较低的频率 常用0 5 2 5MHz 如果频率过高 就会引起严重衰减 示波屏上出现林状回波 信噪比下降 甚至无法判伤 晶片直径的选择 晶片直径大小对探伤也有一定的影响 选择晶片尺寸要考虑以下因素 a由Qo arsin1 22 D可知晶片直径增加 半扩散角 波束指向性变好 超声能量集中 对探伤有力 b由N D2 可知 晶片尺增加 近场区长度迅速增加 对探伤不利 c晶片尺寸大 辐射的超声波能量大 探头束扩散区范围大 远距离扫查范围相对变小 发现远距离缺陷能力增强 实际探伤中 探伤面积范围大的工件时 为了提高探伤效率 选用晶片探头 探伤厚度大的工件时 为了有效地发现远距离的缺陷 宜选用大晶片探头 探伤小型工件时 为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头 探伤表面不太平整 曲率较大的工件时 为了减少耦合损失 宜选用小晶片探头 3 耦合与补偿耦合剂应满足以下要求 能润温工件和探头表面 流动性 粘度和附着力适当 不难清洗 声阻抗高 透声性能好 来源广 价格便宜 对工件无腐蚀 对人体无害 不污染环境 性能稳定 不易变质 能长期保存 常用耦合剂 机油水水玻璃甘油ZKg m2 s1 281 52 172 43 影响耦合的主要因素 耦合厚度的影响 表面光洁度的影响 耦合剂声阻抗影响 工件表面状况影响 4 双晶探头探伤优点 具有盲区小 对近距离F探测灵敏度高 分辨强 弥补了普通单直探头盲区大 分辨力低的缺点 探测范围 离心辊外层 铸钢工作辊工作层 冷辊工作层 1 离心辊检测方法 水平较准 将 50试块的侧面B1调至水平50 位置 B2调至水平100 位置 5平底孔一次回波调至80 作为探伤灵敏度 发现缺陷 应予以详细记录 包括非超检缺陷 2 铸钢辊 冷辊工作层检测方法 探头 选用角度适宜的双晶直探头 如探测深度较大 应选晶片角度较小的探头 反之选角度较大的探头 试块 采用纵波双晶直探头标准试块 灵敏度 及距离波同线 依据需要选择不同直径平底孔的试块 并依次测试一组不同检测距离的平底孔 至少3个 调衰减器 使其中回波最高的幅度达到80 fs 不改变仪器的参数 测出其他平底孔回波的最高点 将其标在荧光屏上 并连接这些点 即是对应不同直径平底孔的纵波双晶