超声波检测幻灯片.ppt

第四章超声波检测40概述超声波检测的优点可探测厚度大成本低速度快对人体无害对平面型缺陷的探测灵敏度高学习超声波检测的目的：(1)掌握超声探伤的基础知识和技术(2)掌握与材料及其制造工艺有关的知识(3)了解被探工件的结构、几何形状和状态,41超声波检测的特点与应用411超声波检测的特点什么是超声波频率20kHz的、以波动形式在弹性介质中传播的机械振动超声波频率f、波长与声速c的关系：c/f(4.1)常用工作频率：0.45MHz较低频率用途：粗晶材料和衰减较大材料的检测较高频率用途：细晶材料和高灵敏度检测,超声波检测特性：介质中传播时，遇到界面会发生反射；指向性好，且频率愈高，指向性愈好；传播能量大，对各种材料的穿透力较强。,412超声波检测的应用与发展趋势超声波检测的应用：(1)适用于钢铁、有色金属或非金属构成的各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件(2)适用于各种金属及非金属材料的机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器和化工容器(3)可无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等,超声波检测技术的发展趋势:（1）超声波检测装置智能化（2）超声波检测结果实时化（3）超声波检测领域广泛化,42超声场及介质的声参量简介421描述超声场的物理量超声场充满超声波的空间，或在介质中超声振动所波及的质点占据的范围描述超声场的常用物理量声压、声强、声阻抗、质点振动位移和质点振动速度等,1声压p声压超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强p1与没有超声场存在时同一点的静态压强p0之差:pp1-p0,下面分析声压的表达式：设ds上的声压为p，则：F=pds声波在dt内传播距离为dx，根据动量原理：Fdt=mv，式中，m=dsdxv介质中质点振动速度所以：pdsdt=dsdxv得：p=(dx/dt)v=cv声压有效值pm=cvm=cA,2声强I声强在超声波传播的方向上，单位时间内介质中单位截面上的声能；单位：W/cm2,声强I,3分贝的概念声强标准f=1000Hz时，引起听觉的最弱声强I010-16W/cm2声强级IL=lg(I/I0)Bel(贝尔)=10lg(I/I0)dB(分贝)=20lg(p/p0)dB,422介质的声参量1声阻抗（acousticimpedance）超声波在介质中传播时，任一点的声压p与该点速度振幅V之比，常用Z表示:kg/(cm2s)(4.2)Z表示声场中介质对质点振动的阻碍作用：V1/Z,Z与介质的密度和声速之间的数值关系：Z=c介质不同Z不同;同一种介质中，若波形不同则Z值也不同。超声波在不同介质界面上的透射和反射主要取决于两种介质的声阻抗之比。,气体、液体和固体的Z值相差较大。考虑到气体液体固体的密度比约为：1:1000:10000实验证明，气体、液体与金属之间特性声阻抗比约为：1:3000:8000,2声速c超声波声速与超声波波形及介质特性(如密度、弹性模量等)密切相关相速度群速度相速度声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速群速度传播声波的包络上，具有某种特性(如幅值最大)的点上，声波在传播方向上的速度群速度是波群的能量传播速度，在非频散介质中，群速度等于相速度频散现象不同频率声波的相速度不同产生原因介质粘弹,多孔；声波在波导中传播等,声速,声速可根据介质的弹性率和密度来计算：,43超声波的传播超声波的波形可分为下列四种：纵波质点振动方向和传播方向一致的波，如下图示。纵波能在固液气三相介质中传播；在探伤中用于纵波探伤法。,(2)横波质点振动方向垂直于传播方向的波，如下图所示。横波只能在固体介质中传播，在探伤中用于横波探伤法。,(3)表面波（瑞利波）质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，如下图所示。表面波质点振动的轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波在探伤中用于表面波探伤法。,(4)兰姆波（板波）只产生在有一定厚度的薄板内；在板的两表面和中部都有质点的振动；声场遍及整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播。对称型兰姆波两表面质点振动的相位相反，中部质点以纵波的形式振动非对称型兰姆波两表面质点振动的相位相同，中部质点以横波的形式振动兰姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷，还可检测材料的晶粒度和复合材料的粘合质量等。,在无限大固体介质中，纵波声速cL用下式表示：横波声速cS为:表面波声速cR为:,左面各式中，E杨氏模量介质密度泊松比K体积模量G切变模量,显然，纵波、横波和表面波的速度比满足下面的关系式：,通常可认为：cS0.5cLcR0.9cS,即：cRcscL,44超声波在介质中的传播特性441超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波在遇到异质界面时，会产生反射和透射现象,4411单一界面界面声压反射率r在光滑平界面上，超声波反射波声压pr与入射波声压p0之比：式中，Z1介质1的声阻抗Z2介质2的声阻抗,界面上透射波声压pt与入射波声压p0之比称为界面的声压透射率，用t表示：,界面上反射波声强Ir与入射波声强I0之比称为声强反射率R:,界面上透射声强It，与入射声强I0之比称为声强透射率T：,注意：rp+tp1RI+TI1原因：声压由声阻抗决定，如果声波从低Z介质传入高Z介质，例如（水钢），尽管声强只有少部分透入钢中（T钢1），钢中的声压仍会比水中的声压高1.93倍。,结论：平界面上时，声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。,注意：垂直入射时，介质两侧声波须满足两个边界条件：（1）一侧总声压等于另一侧总声压（p0+pr=pt），否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动；（2）两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性；（3）上述关于声压、声强的反射率、透射率计算公式，同样适用于横波入射情况，但在固/液、固/气界面上，横波将发生全反射。,实际过程中，Z2Z1、Z2Z1或Z2Z1的情况各不相同，详见下图：,4412薄层界面超声波通过异质薄层时：在薄层两侧界面引起多次反射和透射形成一系列反射和透射波各次反射波、透射波互相干涉声压反射率和透射率的计算复杂化,(1)当第一介质、第三介质为同一介质（Z1Z3Z2）时，对均匀介质中的异质薄层有如下规律性：,式中:d2异质薄层的厚度；异质薄层的波长；m两种介质的声阻抗之比=(Z1/Z2),声压反射率,声压透射率,讨论：当d2=n(2/2)时（n为正整数），r0，t1当d2=（2n1）(2/4)时（n为正整数），r最高，t0当d20时，即d2，则：（近场区距离声源距离）,45超声波换能器换能器的组成压电晶片换能器的功能发射和接收超声波换能器的结构依据使用的波型不同可分为：直探头斜探头表面波探头兰姆波探头可变角探头双晶探头聚焦探头水浸探头喷水探头专用探头,1直探头基本结构如右图所示压电晶片厚度与超声频率成反比，直径与半扩散角成反比吸收块可吸收声能，降低机械品质因素，从而可限制脉冲宽度、减小盲区和提高分辨力,2斜探头可发射和接收横波，主要由压电晶片、吸收块和斜楔块组成，其结构如右图所示晶片产生纵波，经斜楔倾斜入射到被检工件中转换为横波。斜楔形状的设计应使超声在斜楔中传播时不得返回晶片，以免出现杂波,斜探头折射角的正切值称为斜探头的K值。斜探头角度规格是按K值为简单数值而系列化的，如K等于1，1.5，2，2.5，。利用K值在探伤中进行缺陷定位、定量计算十分简便,3表面波探头可发射和按收表面波它是斜探头的一个特例，即当入射角达到横波临界角时，在工件中便产生表面波,46超声波探伤仪461A型显示探伤仪在A型显示探伤中，横轴为时间轴，纵轴为信号强度主要由同步电路(触发电路)、时基电路、发射电路、接收电路、探头及示波显示器等组成，具方框图如下图所示：,462B型显示探伤仪在B型显示探伤仪中，横轴为探头移动距离，纵轴为探伤深度,可绘制出探伤体的纵截面图形,463C型显示探伤仪使探头在工件上纵横交替扫查，把在探伤距离特定范围内的反射作为辉度变化并连续显示，可绘制出工件内部缺陷的横截面图形，其方框图如下图所示：,47超声波检测方法471接触法与液浸法接触法探头与工件表面之间涂有一层薄的耦合剂耦合剂作用传递超声波能量接触法特点操作方便，但对被检工件表面粗糙度要求较严直探头和斜探头都可采用接触法,472纵波脉冲反射法一次脉冲反射法多次脉冲反射法一次脉冲反射法以一次底波为依据进行探伤,脉冲反射法,多次脉冲反射法以多次底波为依据进行探伤的方法适用对象：结构致密性较差的工件,473横波探伤法声波以一定角度入射到工件中产生波型转换，利用横波进行探伤通常用单探头检测。横波入射工件后，当所遇缺陷与声束垂直或夹角较大时，声波发生反射，在荧光屏上出现缺陷波,474表面波探伤法利用表面波沿着工件表面传播检测表面缺陷表面波沿着工件表面传播过程中，遇到裂纹、表面划痕或棱角等均会发生反射。为避免误探，工件表面需十分光洁表面波能量随表面下深度增加而显著降低，在大于一个波长的深度处，已无法进行检测,475兰姆波探伤法使兰姆波沿着薄板(或薄壁管)两表面及中间传播来进行探伤当工件中有缺时，在缺陷处产生反射，荧光屏上出现缺陷波，当兰姆波遇到端面时，亦会产生端面反射波，如下图所示,476穿透法检测连续波穿透法脉冲波穿透法连续波穿透法(1)当工件内无缺陷时，接收能量大，则电流表指示值大；(2)当工件内有缺陷时，因为部分能量被反射，接收能量小，电流表指示值减小；(3)当缺陷很大时，声能全部被缺陷反射，则电表指示值为零,穿透法检测,脉冲波穿透法用示波管指示探伤结果(1)当工件内无缺陷时，接收能量大，荧光屏显示的接收波幅度高；(2)当工件内有缺陷时，接收波幅度降低；如果有很大的缺陷将声波全部阻挡，荧光屏上接收波消失穿透检测法特点：灵敏度低，不能检测小缺陷，也不能对缺陷定位，但适合于检测超声衰减大的材料，同时也避免了盲区,477检测条件的选择（1）了解被检工件的材料特性、外形结构和检测技术要求（2）熟悉工件在加工各个过程中可能产生的缺陷和部位，以作为分析缺陷性质的依据（3）根据检测目的和技术条件选择合适的仪器和探头，并进行仪器性能的测试（4）选择适当检测方法和耦合剂及其探测条件,48缺陷的定位、定量和定性481缺陷的定位直接比较法超声仪荧光屏上通常有两根扫描线，其中一根为距离标志波。在纵波探伤中，发射波、缺陷波和底波的距离通过标志波直接读出。图像比较法若工件长为L，缺陷波和底波距发射波分别为xF和xB，则缺陷距探测面为：h=(xF/xB)L(426)如下图所示：,在横波探伤中，缺陷定位要求出缺陷距探头中心的水平距离l和距探测面的垂直距离h，如下图所示。若探头中心至缺陷的声程为S，探头折射角为,则：(4.27),思考：下图中，焊缝缺陷位置如何确定？,482缺陷的定量缺陷的定量测定缺陷的大小和数量；缺陷的大小包括缺陷的面积、长度和深度等。注意：超声波检测中A型显示对缺陷的定量只能是某种程度的近似；B扫描、C扫描和超声成像方法能给出缺陷的图像，可较准确地测量缺陷尺寸。,4821当量法当量法将缺陷波高和缺陷距离与相应的有不同人工平底孔(或横通孔)试块的反射波高度进行比较，以人工缺陷的面积（当量面积）或直径（当量直径）表征工件中缺陷的面积或直径,4822以底波强度为基础的定量法底波百分比法以底波高度为基准，用缺陷波高度与底波高度之比，表示缺陷相对大小。缺点：不能得到缺陷的真实尺寸。,声压比法缺陷波和底波高度与缺陷反射声压p及底面反射声压p0成正比，而声压比可用分贝值dB表示：,当测知底波和缺陷波的相对分贝值，并求出两者之差后，根据右图的曲线换算出声压比值，可以此值表示缺陷的大小。,4823以波束指向性为基础曲定量法适于缺陷面积大于声束截面的情况。半波高度法首先找出缺陷波最高时的探头位置，然后移动探头，找出缺陷波衰减一半高度时的探头位置，根据探头中心移动的距离，即可确定缺陷的大小，如下图所示：,4824缺陷声压反射基本公式在讨论AVG曲线定量法之前，确认各类缺陷(主要指人工缺陷)对声压反射的基本公式：当xN时，有：,48.25AVG曲线定量法用透明有机玻璃制成AVG标尺，安装在仪器的荧光屏前，按规定调整探伤灵敏度，由荧光屏上缺陷波在AVG标尺上的位置，可直接读出等效缺陷的实时直径要求：仪器水平线性和垂直线性良好衰减器精度高声波频率准确适用范围：于缺陷尺寸小于声束截面的情况,4826裂纹深度曲测定测定较困难，所测深度为裂纹的当量深度，测定浅深度小裂纹时准确度更差。常规方法：(1)最大回波高度对比法(2)最大波高衰减修正法(3)散射法(4)时延法(5)顶端峰值回波法(6)参考试块法,（1）最大回波高度对比法将探伤中发现缺陷的回波高度与相同声程下的矩形槽的回波高度进行比较。一般需加工有不同槽深的不同厚度的试块，按照不同探头测绘各自的矩形槽距离波高曲线。,(2)最大波高衰减修正法原理与缺陷长度测定的全波消失法类似，可使用一次波，也可以使用二次波测定。可计算出裂纹的垂直高度和倾斜裂纹的纵向尺寸。,(3)散射法适用于表面开口裂纹或近表面垂直裂纹。用两个纵波斜探头，对称地与裂纹垂直放置，一个探头发射，另一个探头接收。当工件中无缺陷时，只要选择的角度合适，就可收到较强的晶粒边界散射波，如果有裂纹存在，散射声能减少，可通过接收散射波波高的变化，推测裂纹深度。,(4)时延法散射法的一种发展。采用测量裂纹对回波信号造成的时间延迟来测定裂纹深度。对表面开口裂纹，可使用表面波测定。(5)顶端峰值回波法用斜探头探测裂纹时，当声束中心与裂纹顶端相交时，将收到一极大值回波。通过探测该波来测定裂纹顶端位置，测定其纵向尺寸。,(6)参考试块用途：a.测定仪器的扫描线性、盲区、分辨力、波束特性和探头性能；b.测试“面积振幅”和“距离振幅”曲线；c.仪器灵敏度的调整；d.直接用比较法测定缺陷的大小，试件厚度和评价材质特性。,定量定位用试块左下图所示为CSI型系列试块；右上和右下图所示为在板材和焊缝探伤中常用的CSK型和CSK型试块：,各种焊缝标准试块照片,校验用参考试块用途仪器、探头、仪器与探头组合性能的测试和校验。主要有CSKI型试块和国际焊接协会推荐的IIW试块，其形状和尺寸分别如左下图和右下图所示：,483缺陷的定性脉冲反射法A型显示超声波探伤缺陷定性较困难；不同性质的缺陷，其波形特征有所不同；需根据工件材质、结构、加工工艺和超声波检测数据，如缺陷的位置、大小、方向和分布等进行综合分析；B扫描、C扫描、复二维显示和超声成像技术通过缺陷图像的观测进行定性，可显著提高缺陷定性准确性；由于反射会改变超声波的频率，故频谱分析也有助于对缺陷的定性。,补充资料一：超声相控阵技术,超声相控阵技术基本思想来自于雷达相控阵技术。相控阵雷达由许多辐射单元阵列组成，通过控制阵列天线中各单元幅度和相位，调整电磁波辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。超声相控阵换能器由多个独立压电晶片组成阵列,按一定规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测。,超声相控阵原理示意图,补充资料二：超声TOFD技术,TOFD定义TimeOfFlightDiffraction(TOFD)超声波衍射时差法，是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，用于缺陷的检测、定量和定位。TOFD技术于20世纪70年代由英国哈威尔的国家无损检测中心silk博士首先提出，其原理源于silk博士对裂纹尖端衍射信号的研究。,上世纪七十年代，英国国家无损检测中心MauricSilk博士率先提出TOFD技术。20世纪90年代我国开始引进TOFD检测技术。在TOFD系统的发展过程中，计算机和数字技术起到了决定性的作用。早期常规超声检测使用的都是模拟探伤仪，用横波斜探头或纵波直探头做手动扫查，大多数情况采用单探头检测，仪器显示的是A扫波型。自二十世纪九十年代起，数字仪器逐渐完善和复杂化，可配置探头阵列，自动扫查装置，且能够记录和保存所有扫查数据用于归档和分析。TOFD检测需记录每个检测位置的完整的未校正的A扫信号，可见TOFD检测的数据采集系统是一个更先进的复杂的数字化系统，在接收放大系统、数字化采样、信号处理、信息存储等方面都达到了较高的水平。,TOFD技术与传统脉冲回波技术的最主要的两个区别在于：A)更加精确的尺寸测量精度(一般为1mm，当监测状态为0.3mm)，且检测时与缺陷的角度几乎无关。尺寸测量是基于衍射信号的传播时间而不依赖于波幅。B)TOFD技术不使用简单的波幅阈值作为报告缺陷与否的标准。由于衍射信号的波幅并不依赖于缺陷尺寸，在任何缺陷可能被判不合格之前所有数据必须经过分析，因此培训和经验对于TOFD技术的应用是