超声波无损检测原理及应用

1超声波无损检测原理及应用超声检测的基本原理1超声检测设备2超声检测技术3超声检测的应用4超声检测的新近进展52前苏联Sokolv首先提出用超声波探查金属物体内部缺陷的建议美国和英国开发出A型脉冲回波式超声检测仪发展了自动检测系统，配备了自动报警、记录等装置的B、C型显示超声检测仪数字式超声检测仪出现20世纪30年代20世纪60年代20世纪80年代超声波检测发展简史3超声检测基本原理•1.超声波的定义指质点振动频率高于20kHz的机械波。无损检测用的超声波频率范围为0.2-25MHz。•2.超声波的特性指向性好穿透能力强在界面处会发生反射、折射和波型转换超声波对人体基本无害，不存在类似射线检测的安全隐患，操作安全4超声检测基本原理•3.超声波的产生和接收声波是一种机械波，超声波是一种频率很高的声波。使用具有压电或磁致伸缩效应的材料便可产生超声波。当在压电材料两面的电极上加上电压，他就会按照电压的正负和大小，在厚度方向产生伸、缩的特点。利用这一性质，若加上高频电压，就会产生高频伸缩现象。如果把这个伸缩振动设法加到被检工件的材料上，材料质点也会随之产生振动，从而产生声波，在材料内传播。超声波的接收是同超声波的发射完全相反的过程，即超声波传到被检材料表面，使表面产生振动，并使压电晶片随之产生伸缩，在电极就可在仪器示波屏上进行观察和测定。5超声检测基本原理•4.超声波的衰减（1）扩散衰弱超声波在传播过程中，由于波束的扩散引起的衰减称为扩散衰减。扩散衰减主要取决于波振面的几何形状。衰减规律：平面波不衰减；柱面波：𝑃𝑋∝1𝑋；球面波：𝑃𝑋∝1𝑋。（2）散射衰减超声波在传播过程中，由于散射引起的衰减称为散射衰减。散射是指超声波在传播过程中，遇到声阻抗不同的异质界面时产生的反射折射和波型转换现象。散射源：工件中的密集型缺陷，铸件中的铁素体和石墨颗粒，多晶材料中晶界和位错（3）吸收衰减超声波在传播过程中，由于介质质点间的内摩擦和热传导，引起的衰减固体介质：散射衰减≫吸收衰减液体介质：吸收衰减≫散射衰减6超声检测基本原理•4.超声波的衰减（4）衰减系数𝑃𝑋=𝑃0𝑒−ax𝑃𝑋——距波源为X处的声压；𝑃0——波源的起始声压；X——至波源的距离；a——介质的衰减系数；7超声波无损检测原理及应用超声检测的基本原理1超声检测设备2超声检测技术3超声检测的应用4超声检测的新近进展58超声检测设备•1.超声波检测仪11.脉冲波检测仪周期性的发射不连续且频率固定的超声波根据超声波的传播时间及幅度22.连续波检测仪周期性的发射连续且频率不变的超声波根据超声波的强度变化33.调频波检测仪连续的、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按超声波的连续性分9超声检测设备•1.超声波检测仪按缺陷显示的方式分A型显示检测仪波形显示B型显示检测仪图像显示C型显示检测仪图像显示10超声检测设备11超声检测设备按波型分按入射声束方向分按偶合方式分按晶片数量分按声束形状分按频带分按使用环境分电信号→探头→超声波→零件－－超声波发射；零件内超声波→探头→电信号－－超声波接收；探头•2.超声波探头12超声检测设备•2.超声波探头探头的结构：压电晶片：实现声电相互转换；阻尼块：吸收声能加大阻尼；外壳：保护固定内部原件；电极：实现晶片和电缆连接；保护膜、斜锲：保护晶片、波形转换；调谐线圈：实现探头与仪器最佳匹配。13超声检测设备•3.超声波试块（2）对比试块（RB试块）主要用于调整探测范围，确定探测灵敏度，评价缺陷大小和对工件进行评级叛废等。（1）标准试块（STB试块）标准试块主要用于测试和校验检测仪和探头的性能，也可以用于调整探测范围和确定探测灵敏度14超声检测设备•4.耦合剂作用：排除探头与工件表面的空气，使超声波能有效的传入工件，以便检测减小探头与工件表面的摩擦，延长探头的使用寿命。15超声波无损检测原理及应用超声检测的基本原理1超声检测设备2超声检测技术3超声检测的应用4超声检测的新近进展516超声检测技术把1-5兆赫（1－5MHZ）高频超声波入射到被检物中，如遇到缺陷（界面）则一部分入射超声波被反射，并利用探头接收反射信号的性能，可不损坏工件检出缺陷大小（尺寸）和位置，这种方法叫UT检测。超声波检测能发现最小缺陷尺寸a≥λ/2，当a＜λ/2时，超声波会产生绕射，超声波在介质中的反射率：空气是100%，夹渣为46%，水为88%。1718•1.缺陷回波法•根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。该方法以回波传播时间对缺陷定位，以回波幅度对缺陷定量，是脉冲反射法的基本方法。•图5—l所示为缺陷回波检测法的基本原理，当工件完好时，超声波可顺利传播到达底面，检测图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图5—1a所示。•若工件中存在缺陷，则在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F超声检测技术19超声检测技术•2.多次底波法•当透入工件的超声波能量较大，而工件厚度较小时，超声波可在检测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3、…。如果工件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波，如图5—3所示。这种依据多次底面回波的变化，判断工件有无缺陷的方法，称为多次底波法。•多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、检测面与底面平行的工件检测，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。a）无缺陷b）小缺陷c）大缺陷超声检测技术•垂直入射法是采用直探头将声束垂直入射工件表面进行探伤。•该法是利用纵波进行探伤，故又称纵波法•垂直法探伤能发现与探伤面平行或近似于平行的缺陷，适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。20超声检测技术•斜角探伤法是将纵波通过楔块、水等介质倾斜的入射至工件的探测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法•该法是利用横波进行探伤，故又称横波法•横波法主要用于管材、焊缝等的检测对于其他的工件的检测，则经常作为一种有效的辅助手段。21超声波无损检测原理及应用超声检测的基本原理1超声检测设备2超声检测技术3超声检测的应用4超声检测的新近进展522超声检测的应用•1.金属板材的超声波检测钢板的缺陷可分为表面缺陷和内部缺陷两大类。表面缺陷主要有裂缝、重皮和折叠；内部缺陷主要有分层和白点，一般超声波可以检测钢板中的重皮、折叠、分层和白点，且以探测分层缺陷为主。分层折叠白点23超声检测的应用（1）中厚板检测声耦合法T𝐹1𝐹2𝐹3S大尺寸缺陷的探伤图形T—始冲波；S—延迟块界面波；F—缺陷波T𝐹S密集分布小缺陷的探伤图形T—始冲波；S—延迟块界面波；F—缺陷波24T𝐵1𝐵2𝐵3ST—始冲波；S—延迟块界面波；B—底面回波超声检测的应用（2）复合钢板检测SBTSB不完全脱层SBTS完全脱层复合钢板脱层探伤图形T—始冲波；S—界面波；F—缺陷波25SBTSB复合钢板脱层探伤图形T—始冲波；S—界面波；B—底波超声检测的应用•2.管材的超声波检测接触法小口径无缝管常见缺陷有分层、夹杂、重皮和裂纹等大口径厚壁管常见缺陷有折叠、重皮、白点和裂纹等大口径壁厚较薄和小口径有缝钢管常见缺陷有气孔、夹渣、未焊透和裂纹等•3.锻件的超声波检测接触法（1）轴类锻件检测方式以纵波径向和横波周向检测为主，同时未发现各种取向的缺陷，也可辅以纵波和横波的轴向检测。（2）盘类锻件锻坯探伤，常采用纵波直探头在端面进行探测；精坯探伤，除横波和纵波直探头的端面检测外，必要时还用联合双晶探头垂直法进行检测。26超声检测的应用•4.金属焊缝的超声波检测（1）对接焊缝的超声波检测，一般采用斜探法。（2）对其他接头形式的焊缝超声波检测，可参照对接焊缝进行。所采用的扫查方式，应使超声波的发射声束覆盖焊缝整个横断面。27超声检测的应用•5.非金属材料的超声波检测超声波在非金属材料中的衰减一般都比金属大，为了减少衰减而多采用低频检测。塑料零件的检测，多采用纵波法。陶瓷材料可用纵波，横波或液浸聚焦探头探测。橡胶可用穿透法探测。28超声波无损检测原理及应用超声检测的基本原理1超声检测设备2超声检测技术3超声检测的应用4超声检测的新近进展529超声波检测的新近进展传统超声检测的一个主要局限是接触式检测，对于直接接触检测，需要在被检测工件表面施加耦合剂；对于液浸法检测，需要将被检件置于水槽中，或在工件与探头之间喷水流，因此在有些场合应用不方便，为了克服传统超声检测的不足，人们开始探索非接触式超声检测，业已提出的非接触式超声检测方法有：激光超声，电磁超声，空气耦合超声等，其中前两者较为成熟，此外为提高检测效率，还发展了相控阵超声检测。30参考文献[1].李国华，吴淼编．现代无损检测与评价[M]．北京：化学工业出版社，2009.[2].邵泽波，刘兴德编．无损检测[M]．北京：化学工业出版社，2011．[3].牛俊民，蔡晖著．钢中缺陷的超声波定性探伤北京：冶金工业出版社，2012．[4].KellySP，HaywardG，Alvarez-ArenasTEG．Characterizationandassessmentofanintegratedmatchinglayerforair-coupledultrasonicapplications[J].IEEETransactionsonUltrasonicFerroelectricsandFrequencyControl，2004，51(10)：1314-1323.[5].王雪梅．无损检测及其在轨道交通中的应用[M]．成都：西南交通大学出版社，2010．[6].中国机械工程学会无损检测学会编.超声波探伤[M].机械工业出版社，1989.31谢谢观看！欢迎各位批评指正32