船舶焊接 焊接检验 - 超声检验原理及特点

项目五船舶焊接检验超声检验原理及特点1.超声波探伤原理超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种无损检测方法。它主要用于检测金属材料和部分非金属材料的内部缺陷。超声波探伤具有成本低、操作方便、检测厚度大、对人和环境无害等突出优点，但也存在诸如探伤不直观、难以确定缺陷的性质、评定结果在很大程度上受操作者技术水平和经验的影响及不能给出永久性记录等缺点。2.超声波的产生与接收人们所能感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜震动的反应，能引起听觉的声波的频率范围为20Hz~20kHz。当声波的频率高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为超声波。超声波是频率大于20kHz的声波。金属材料超声波探伤常用的频率范围在1~5MHz，其中2~2.5MHz被推荐为焊缝检测的公称频率。（1）超声波的波型高频机械振动在介质中传播形成了超声波。根据介质质点的振动方向与波的传播方向之间关系的不同，可将超声波分为多种波型，在焊缝检测中使用的超声波主要有以下波形型。1）纵波质点振动方向与波传播方向一致的波称为纵波或压波，用符号L表示。纵波可在固体、液体和气体介质中传播。2）横波质点振动方向与波传播方向垂直的波称为横波，用符号S表示。由于介质传播横波是通过交变的切应力作用，而液体、气体没有剪切弹性就不能传播横波，故横波只能在固体中传播。3）表面波仅在固体表面传播且介质表面质点做椭圆运动的声波，称为表面波，用符号R表示。（2）超声波的声速与波长1）超声波的声速单位时间内超声波传播的距离即超声波的声速。习惯上用符号“c”表示。超声波声速的大小基本与频率的高低无关。就给定的波形和材料而言“c”为常量。常见液、固材料中纵波与横波的声速是固定值。2）超声波波长在超声波的传播方向上相位相同的相邻两质点间的距离称为超声波的波长，习惯上用符号“λ”表示。横波波长是相邻两波峰或波谷之间的距离，纵波波长为相邻两稠密和稀疏中心之间距离。3）声速、波长和频率之间的关系超声波的声速c（m/s）和频率f（Hz）之间存在如下的简单关系:c=ƒλ由式可见，在同一频率下横波的波长比纵波的波长短。例如当f＝2.5MHz时，钢中的λL≈2.36㎜；λs≈1.30㎜。正是由于波长很短，所以超声波才能像光波一样在介质中，直线传播，而且声波具有很强的指向性。（3）超声波的产生与接收利用某些材料的物理效应可以实现超声波的产生和接收，实现电能与声能之间的相互转换。1）逆压电效应与超声波的产生在如石英、钛酸钡、硫酸锂等天然或人工压电材料制成的压电晶片两面施加高频的交变电场，以致在晶片的厚度方向上出现相应的压缩和伸长变形，这一现象称为压电材料的逆压电效应，如图1a所示。2）压电效应与超声波的接收沿厚度方向做超声震动的压电晶片的表面随之产生交变电压的现象称为正压电效应，如图1b所示。接收并显示这一源于超声振动的交变电压即实现了超声波的接收。(a)(b)图1压电效应(a)逆压电效应(b)正压电效应3.超声波的性质（1）有良好的指向性1）直线性超声波的波长很短（毫米数量级），因此它在弹性介质中能象光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。2）束射性声源发生的超声波能集中在一定区域（称为超声场）定向辐射。（2）异质界面上的透射、反射、折射和波型转换1）垂直入射异质介面时的透射、反射和绕射2）倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换超声波在介质传播过程中，其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。4.超声波探伤设备简介超声波探伤设备一般由超声波探伤仪、探头和试块组成。（1）超声波探伤仪超声波探伤仪是探伤的主体设备，主要功能是产生超声频率电振荡，并以此来激励探头发射超声波。同时，它又将探头接收到的回波电信号予以放大、处理，并通过一定方式显示出来。图2超声波探伤仪（2）超声波探头的种类由于工件形状和材质、探伤目的及探伤条件等不同，因而将采用各种不同形式的探头。在焊缝探伤中常用的探头有以下两种：声束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头。利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头。图3直探头图4斜探头5.A型脉冲反射式超声波探伤仪工作原理A型脉冲反射式超声波探伤仪电路框图如图5所示。该探伤仪示波屏上横坐标反应了超声波的传播时间，纵坐标反映了反射波的振幅，因此通过始波T和缺陷波F之间的距离，便可决定缺陷离工件表面位置，同时通过缺陷波F的高度可决定缺陷的大小。图5A型脉冲反射式超声波探伤仪电路框图6.超声波探伤方法在超声波探伤中有各种探伤方式及方法。按探头与工件接触方式分类，可将超声波探伤分为直接接触法和液浸法两种，常用直接接触法。使探头直接接触工件进行探伤的方法称之为直接