第四单元 超声波探伤

第四单元超声波探伤综合知识模块一超声波探伤的基本原理【重点】超声波的性质【难点】超声波的波型【授课方式】讲授【教学内容】能力知识点1超声波基本原理能力知识点2超声波的性质能力知识点3超声波的衰减能力知识点1超声波探伤基本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。主要用于检测:金属材料和部分非金属材料的内部缺陷。特点：1）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。2）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。1、超声波的波型（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。横波只在固体介质中传播。（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。能力知识点1超声波探伤基本原理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。用符号“c”表示。（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，用符号“λ”表示。（3）声速、波长和频率之间的关系c=ƒλ能力知识点1超声波探伤基本原理3．超声波的产生与接收（1）逆压电效应与超声波的产生逆压电效应：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的现象。（2）压电效应与超声波的接收能力知识点1超声波探伤基本原理能力知识点2超声波的性质超声波具有以下几方面的性质：一、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。能力知识点2超声波的性质二、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、反射和绕射固-气界面K≈100%,因此探伤中良好的耦合是一个必要条件。2、倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换第一临界角（α1m）第二临界角(α2m)能力知识点2超声波的性质由第一、第二临界角的物理意义可知：1）当α＜α1m时，第Ⅱ种介质中同时存在着折射纵波和折射横波，这种情况在探伤中不采用。2）当α1m≤α＜α2m时，第Ⅱ种介质中只存在折射横波,这是常用的斜探头的设计原理和依据,也是横波探伤的基本条件。3)当α≥α2m时，第Ⅱ种介质中既无折射纵波又无折射横波,但这时在第Ⅱ种介质表面形成表面波,这是常用表面波探头的设计原理和依据。能力知识点3超声波的衰减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。引起超声波衰减的原因主要有以下三个方面：1．散射引起的衰减超声波在传播过程中，在介质内部如遇到阻抗不同的界面，则会在界面上产生散乱反射、折射和波形转换，从而声波的能量，此衰减成为散射衰减。衰减程度取决与晶粒大小与超声波波长之比。2．介质吸收性引起的衰减超声波的传播过程是以介质质点的机械振动二进行的，由于质点的相对运动和相互摩擦，使部分的超声波能量转变成热能，此种形式的超声波能量的衰减为介质吸收性引起的衰减。3．声束扩散引起的衰减超声波在传播过程中会扩散，随着传播距离的增加，扩散的程度也将增加。扩散导致波束截面增大，从而使单位面积上声能减小，这种形式引起的超声波能量衰减成为声束扩散引起的衰减。本课小结1.超声波的波型横波、纵波、表面波。2.超声波的性质第一临界角第二临界角课后作业1．何谓超声波？它有哪些重要特性？2．超声波是如何产生的？3．超声波的波长、频率与声速的相互关系是怎样的？4．什么是波型转换？波型转换的发生与哪些因素有关？综合知识模块二超声波探伤设备简介【重点】超声波探伤仪【难点】超声波探伤仪的性能【授课方式】讲授【教学内容】能力知识点1超声波探头能力知识点2超声波探伤仪能力知识点3试块能力知识点1超声波探头超声波探伤设备一般由超声波探伤仪、探头和试块组成。超声波探头又称压电超声换能器，是实现电-声能量相互转换的能量转换器件。一、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,因而将使用各种不同形式的探头。在焊缝探伤中常用的探头有以下几种：1．直探头声束重直于被探工件表面入射的探头称为直探头。它可发射和接收纵波。组成:压电元件、吸收块、保护膜和壳体等。能力知识点1超声波探头1）压电元件由压电晶片经过极化和涂上电极制成。在压电晶片上涂上电极的目的：使供给晶片的电压能够均匀分布。2）吸收块由环氧树脂和钨粉制成，浇注在晶片背面上。作用：吸收杂波，并使晶片在激励电脉结束后，将声能很快损耗掉而停止振动，以便接收反射回波。3）保护膜使压电元件免于和工件直接接触受磨损、碰坏。分类：软膜、硬膜4）壳体由金属或塑料制成作用：压电元件的接收极2．斜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。它可发射和接收横波。组成：探头芯、斜楔块和壳体等斜楔块由有机玻璃制成，与工件组成固定倾斜的异质界面，使探头芯中压电元件发射的纵波通过波型转换，以折射波的形式在工件中传播。K=tgγ=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。能力知识点1超声波探头3．水浸聚焦探头它是一种由超声探头和声透镜组合而成的探头。4．双晶探头双晶探头又称分割式TR探头，主要用探测近表面缺陷和薄工件的测厚。二、探头的主要参数焊缝超声波探伤常使用斜探头。斜探头的主要性能如下：1．折射角γ(或探头K值)γ或K值大小决定了声束入射工作的方向和声波传播途径，是为缺陷定位计算提供的一个有用数据。2．前沿长度声束入射点至探头前端面的距离称前沿长度，又称接近长度。它反映了探头对有余高的焊缝可接近的程度。能力知识点1超声波探头能力知识点1超声波探头3．声轴偏离角探头主声速轴线与晶片中心法线之间的夹角称为声速轴线偏向角。其反应主声束中心线与晶片中心法线的重合程度。声轴偏离角影响缺陷定位和指示长度测量精度及对缺陷方向性误判，从而影响探伤结果。三、探头型号探头型号由五部分组成，用一组数字和字母表示，其排列顺序如下：（1）基本频率单位为MHz。（2）晶片材料常用的晶片材料（压电材料）及其代号见表4-3所示。（3）晶片尺寸圆形晶片为晶片直径；方形晶片为晶片长度×宽度；分割探头晶片为分割前的尺寸。能力知识点1超声波探头（4）探头种类用汉语拼音缩写字母表示，直探头也可以不标出，主要种类见表4-4所示。（5）探头特征斜探头为其K值或γ，单位为°。能力知识点2超声波探伤仪超声波探伤仪是探伤的主体设备。主要功能：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。一、超声波探伤仪的分类1．按超声波的连续性分类：脉冲波、连续波、调频波探伤仪2．按缺陷显示方式分：A型显示（缺陷波幅显示）B型显示（缺陷俯视图像显示）C型显示（缺陷侧视图像显示）３D型显示（缺陷三维图像显示）超声波探伤仪3．按超声波的通道数目分：单通道、多通道超声波探伤仪两种。前者是由一个或一对探头单独工作；后者是由多个或多对探头交替工作，而每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。能力知识点2超声波探伤仪二、A型脉冲反射式超声波探伤仪1．工作原理接通电源后，同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路。1）扫描电路受触发后开始工作，产生的锯齿波电压加至示波管水平（x轴）偏转板上，使电子束发生水平偏转，从而在示波屏上产生一条水平扫描线（又称时间基线）。能力知识点2超声波探伤仪2）发射电路受触发产生高频窄脉冲加至探头，激励压电晶片振动而产生超声波，再通过探测表面的耦合剂将超声波导入工件。超声波在工件中传播遇到缺陷或底面时会发生反射，回波被同一探头或接收探头所接收并被转变为电信号，经接收电路放大和检波后加至示波管垂直（y轴）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始波（表面反射波）、缺陷波F、底波B。能力知识点2超声波探伤仪能力知识点2超声波探伤仪2．探伤仪主要性能仪器性能将直接影响探伤结果的正确，为此规定了探伤仪的各项性能。（1）水平线性指扫描线上显示的反射波距离与反射体距离成正比关系的程度，关系到缺陷定量的准确性。（2）垂直线性指示波屏反射波幅与接收信号电压成正比的程度，关系到缺陷定量的准确性。（3）动态范围示波屏上回波高度从满幅降至消失时仪器衰减的变化范围，其值越大，可检出缺陷越小。探伤仪和探头组合后的超声系统的性能：1）灵敏度余量组合灵敏度2）分辨力超声波探伤系统能够区分两个相邻而不连续的缺陷的能力。能力知识点3试块试块是按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试件。1、试块的分类根据使用目的和要求的不同，通常将试块分成以下两大类：标准试块和对比试块。本课小结1.超声波探伤设备探头、超声波探伤仪、试块。2.超声波探伤仪工作原理探伤仪主要性能综合知识模块三超声波探伤方法及其原理【重点】直接接触法超声波探伤【难点】斜角探伤法缺陷位置的确定【授课方式】讲授【教学内容】能力知识点1直接接触法能力知识点2液浸法综合知识模块三超声波探伤方法及其原理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。直接接触法:使探头直接接触工件进行探伤的方法使用直接接触法应在探头和被探工件表面涂有一层耦合剂作为传声介质。常用的耦合剂有机油、甘油、化学浆糊、水及水玻璃等。焊缝探伤多采用化学浆糊和甘油。特点：操作方便，探伤图形简单，判断容易，探伤灵敏度高。但对工件探测面的表面粗糙度要求较高。能力知识点1直接接触法垂直入射法和斜角探伤法是直接接触法超声波探伤的两种基本方法。1、垂直入射法垂直入射法（简称垂直法）是采用直探头将声束垂直入射工件探伤面进行探伤。由于该法是利用纵波进行探伤，故又称纵波法。（图4-14）垂直法探伤能发现与探伤面平行或近于平行的缺陷，适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。能力知识点1直接接触法2、斜角探伤法斜角探伤法（斜射法）：采用斜探头将声束倾斜入射工件探伤面进行探伤。由于它是利用横波进行探伤，故又称横波法。（图4-15）斜角探伤法能发现与探测表面成角度的缺陷，常用于焊缝、环状锻件、管材的检查。直射法：在0.5跨距的声程以内，超声波不经底面反射而直接对准缺陷的探伤方法，又称一次波法。一次反射法：超声波只在底面反射一次而对准缺陷的探伤方法，又称二次波法。能力知识点1直接接触法能力知识点2液浸法液浸法：将工件和探头头部浸在耦合液体中,探头不接触工件的探伤方法。根据工件和探头浸没方式,分有全没液浸法、局部液浸法和喷流式局部液浸法等。液浸法当用水作耦合介质时,称作水浸法。水浸法探伤时,探头常采用聚焦探头,是最常用的水浸聚焦超声波探伤。（图4-18）能力知识点2液浸法特点：液浸法探伤由于探头与工件不直接接触，因此它具有探头不易磨损，且声波的发射和接收比较稳定等优点。其主要缺点是，它需要一些辅助设备，如液槽、探头桥架、探头操纵器等。本课小结1.直接接触法超声波探伤垂直入射法、斜角探伤法，缺陷的定位2.液浸法工作原理主要优缺点综合知识模块四直接接触法超声波探伤技术【重点】实时探伤操作、缺陷的评定【难点】实时探伤操作【授课方式】讲授+实验【教学内容】能力知识点1探伤前的准备能力知识点2实时探伤操作能力知识点3缺陷的评定能力知识点4检验结果的分级能力知识点5记录与报告超声波探伤一般包括探伤前的准备、实时探伤操作、缺陷的评定、检验结果的分级、记录与报告等过程。综合知识模块四直接接触法超声波探伤技术一、检验等级的确定一般根据对焊缝探测方向的多少，把超声波探伤划分为A、B、C三个级别：A级——检验的完整程度最低，难度系数最小。适用于普通钢结构检验。B级——检验完整程度一般，难度系数较大。适用于压力容器检验。C级——检验完整程度最高，难度系数最大。适用于核容器及管道的检验。能力知识点1探伤前的准备二、探伤面及探