超声检测技术

上海斯耐特无损检测技术培训中心辅导教材1超声检测技术（Ⅱ级讲稿）屠耀元上海斯耐特无损检测技术培训中心2003.2--2006.81综合知识（另稿）3检测技术及它们的局限性3.1检测方法3.1.1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，如图所示。穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探测，图中显示三种情况：无缺陷时的波形；缺陷阻挡部分声束时的波形；缺陷阻挡全部声束时的波形。3.1.2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。如图：深度100mm底面发射波;左图显示一次反射回波，荧光屏100小格代表100mm,此为1：1；右图显示二次反射回波，荧光屏100小格代表200mm,此为1：2；1.斜探头缺陷回波探伤: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。该方法是反射法的基本方法。图示是斜探头缺陷回波探伤法的基本原理，当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面。若试件中存在缺陷，在探伤波形中，底面回波前有缺陷回波和底面回波两个信号。2.直探头缺陷回波探伤:：当透入试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，超声波可在探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······。如果试件存在缺陷，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，在底面回波之间出现缺陷回波F1、F2、F3······。如图#3.1.3共振法一、原理若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当工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，若工件内存在缺陷则共振频率发生变化，利用共振频率之差，判断工件内部状态。二、胶接件的声振动检测航空航天器上常用胶接结构，脱胶处常用声振检测方法检测。#3.1.4自动和半自动法一、钢管自动检测线原理、方法与应用照片二、相控阵技术（1）原理：通过对阵列式换能器发射脉冲相位控制实现平面波斜入射、声波聚焦、聚焦斜入射等目的。①相控阵平面波发射示意图②相控阵声波聚焦示意图③相控阵聚焦斜入射示意图④相控阵声波发射和返回示意图（2）应用三、焊缝多探头检测技术（1）原理：每个探头检测固定的被检区域，全部探头检测全部被检区域；（2）优点：缩短了检测时间、减少漏检几率。3.2探头3.2.1探头的基本知识一、压电效应与压电材料某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内上海斯耐特无损检测技术培训中心辅导教材2产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。常用的压电单晶有石英又称二氧化硅（SiO2）、硫酸锂（LiS04H20）、碘酸锂LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）等，除石英外，其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。#常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。二、探头的编号方法2.5P20Z5Q6×6K3||||||||频率材料直径直探头频率材料矩形K=3材料：P-锆钛酸铅；B-钛酸钡；T-钛酸铅；L-铌酸锂；I-碘酸锂；N-其他探头类型：Z-直探头；K-斜探头；SJ-水浸探头；FG-分隔探头；BM-表面探头；KB-可变角探头；三、探头的基本结构压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。3.2.2直探头一、直探头的保护膜压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗Zm应满足一定要求。试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率变差、灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。#二、直探头的吸收块为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声能迅速耗散，降低探头本身的杂乱的信号。目前，常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。#3.2.3斜探头一、结构与类型二、透声楔斜探头都习惯于用有机玻璃作斜楔，以形成一个所需的声波入射角，并达到波型转换的目的。一发一收型分割式双直探头和双斜探头也都以有机玻璃作为透声楔，这是因为有机玻璃声学性能良好、易加工成形，但它的声速随温度的变化有所改变又易磨损，所以对探头的角度应经常测试和修正。水浸聚焦探头常以环氧树脂等材料作为声透镜材料。三、晶片的厚度压电晶片的振动频率f即探头的工作频率，它主要取决于晶片的厚度T和超声波在晶片材料中的声速。晶片的共振频率（即基频）是其厚度的函数。可以证明，晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振，此时，在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅，晶片中心为共振的驻点。#三、晶片的厚度通常把晶片材料的频率f和厚度T的乘积称为频率常数Nt，若T=λ/2，则上海斯耐特无损检测技术培训中心辅导教材3Nt=fT=C/2式中：C为晶片材料中的纵波声速。常用晶片材料如PZT的Nt=1800～2000m/s，石英晶片的Nt＝285Om/s，钛酸钡晶片的Nt＝2520m/s，钛酸铅晶片的Nt=2120m/s。由式（2.65）可知，频率越高，晶片越薄，制作越困难，且Nt小的晶片材料不宜用于制作高频探头。#3.2.4特殊探头一、水浸聚焦探头二、可变角探头三、充水探头四、双晶探头五、表面波探头3.3超声检测技术3.3.1串列技术用超声波检查板厚100mm以上的焊缝中垂直表面的裂纹，最有效的方法是采用串列法。3.3.2聚焦探头技术一、平面声波聚焦和发散的条件平面声波聚焦和发散的原因是声波在介质分界面的折射；介质分界面二边的声速决定了平面声波是聚焦还是发散；聚焦的条件声波进入凹面：入射介质内声速C1＜折射介质内声速C2声波进入凸面：入射介质内声速C1＞折射介质内声速C2发散的条件声波进入凹面：入射介质内声速C1＞折射介质内声速C2声波进入凸面：入射介质内声速C1＜折射介质内声速C2#二、声透镜三、聚焦探头：直探头+声透镜（楔块声透镜或压电体声透镜）3.3.3双晶探头技术一、双晶探头的种类双晶纵波探头双晶横波探头（纵波全反射）二、应用：板材探伤/分层缺陷/发现焊缝近表面气孔三、优点：灵敏度高杂波少、盲区小近场区长度小3.3.4表面波探头技术一、表面波的产生入射角大于第二临界角时产生表面波。二、表面波传播特征（1）只在厚度远大于波长的光滑表面传播；（2）传播体表面质点运动状态具有纵波和横波的综合特性，运动轨迹为椭圆；（3）表面波振幅随深度的衰减很快，离表面一个波长以上的地方很微弱；（4）表面波在曲率半径较大（约大于5个波长）的棱边可以全部跨过继续前进；（5）表面波在尖锐棱边（缺陷）会原路反射，曲率愈大，反射愈强烈。三、表面波技术的应用（1）表面波能够检测到表面或近表面的缺陷；上海斯耐特无损检测技术培训中心辅导教材4（2）工件表面应清除油污、毛刺等杂物；（3）用沾有油的手指点击表面会引起表面波的反射，用此探测表面波的存在；3.3.5液浸技术一、一般技术探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法，称为液浸法。耦合剂可以是水，也可以是油。当以水为耦合剂时，称为水浸法。液浸法探伤时，探头不直接接触试件，所以此方法适用于表面粗糙的试件，探头也不易磨损，耦合稳定，探测结果重复性好，便于实现自动化探伤。液浸法按探伤方式不同又分为全浸没式和局部浸没式。根据探头与试件探测面之间液层的厚度，液浸法又可分为高液层法和低液层法。#二、充水法与水层计算如图，由于水层关系水界面一次回波（S）先于钢板底面回波（B）；钢板底面第一回波（B1）与水界面二次回波（S2）重合称为一次重合法；钢板底面第二回波（B2）与水界面二次回波（S2）重合称为二次重合法；水界面一次回波（S1）由于声程差无法与钢板底面回波重合；水层厚度计算C水δC水、C钢：纵波速度H=n-------δ=n-------n：重合次数C钢4δ：钢板厚度例：水浸法探30毫米厚的钢板，采用4次重合法水层厚度应为多少？解：δ30H=n-------δ=4------=30毫米445检测系统的校准5.1设备的校准5.1.1水平线性一、定义：仪器水平线性是示波屏上时基线的水平刻度与实际声程之间成正比的程度，即示波屏上多次底波等距离的程度。水平线性对缺陷定位有较大的影响。水平线性用水平线性误差表示。二、测试步骤：（1）将直探头置于CSK--1A试块的25mm厚大平底面上；（2）通过[微调][水平][脉冲位移]等按钮，使屏上出现5次底波B1--B5，当底波B1和B5的幅度分别为50％满刻度时，将它们的前沿分别对准刻度2.0和10.0。B1和B6的前沿位置在调整中如相互影响，则应反复进行调整。a2、a3、a4分别为B2、B3、B4与4.0、6.0、8.0的偏差。（3）水平线性误差计算：|amax|amax：a2、a3、a4中的最大值δ=--------×100%b为示波屏水平满刻度值0.8b*ZBY230--84规定：仪器的水平线性误差≤2%例：用IIW或CSK-1A试块测仪器的水平线性，现测得B1对准2.0，B5对准10.0时，B2、B3、B4与4.0、6.0、8.0的偏差分别为0.5、0.6、0.8;求其水平误差为多少？解：0.8δ=--------------×100%=1%0.8×100上海斯耐特无损检测技术培训中心辅导教材55.1.2垂直线性一、定义：仪器垂直线性是示波屏上波高与探头接收的信号幅值之间成正比的程度。它取决于仪器放大器的性能。垂直线性用垂直线性误差表示。垂直线性影响缺陷的检出和定量。二、测试步骤：（1）[抑制]至零，[衰减器]保留30dB衰减余量；（2）将直探头置于CSK--1A试块的25mm厚大平底面上，恒定压力压住；（3）调节仪器使试块上某次底波位于示波屏中央，并达到100%幅度，作为“0”dB;（4）固定[增益]和其他旋钮，调衰减器，每次衰减2dB,并记下相应的波高H填入表中，直到底波消失；Hi(衰减△idB后波高)上表中：实测相对波高%=----------------------------×100%H0(衰减0dB后波高)理想相对波高是△i=2、4、6dB……时的波高比（如△i=6dB时的理想相对波高是50.1%）三、计算垂直线性误差D=（|d1|+|d2|）式中：d1--实测值与理想值的最大正偏差d2--实测值与理想值的最大负偏差*ZBY230--84规定：仪器的垂直线性误差D≤8%5.2探头的验证5.2.1试块一、试块的用途测试或校验仪器和探头的性能；确定探测灵敏度和缺陷大小；调整探测距离和确定缺陷位置；测定材料的某些声学特性。二、试块的分类（主要分二类）标准试块对比试块（参考试块）其他叫法：校验试块、灵敏度试块；平底孔试块、横孔试块、槽口试块；锻件试块、焊缝试块等。三、试块简介1.荷兰试块1955年荷兰人提出；1958年国际焊接学会通过并命名为IIW试块；ISO组织推荐使用。类似的有：中国CSK-IA、日本S