第5章超声检测方法分类与特点UT-取证考试培训曹海军南通友联数码技术开发有限公司目录按检测原理分类按显示方式分类按波型分类按探头数量分类按接触方式分类超声检测方法分类按检测原理分类按探头数量分类按接触方式分类按显示方式分类•单探头法•双探头法•多探头法•A型显示•超声成像显示•脉冲反射法•衍射时差法(TOFD)•穿透法•共振法按波型分类•纵波法•横波法•表面波法•板波法•爬波法•直接接触法•液浸法•电磁耦合法5.1按检测原理分类5.1.1脉冲反射超声探头发射的超声脉冲波进入工件遇到工件内部不连续或工件边界产生反射声波,再由探头接收,由此判别工件中是否存在缺陷,称为脉冲反射。包括缺陷回波法,底波高度法和多次底波法。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.2、底波高度法:依据底面回波高度变化判断工件缺陷情况的方法。条件:①检测面与底面平行②耦合条件一至优点:①无盲区②同样投影大小的缺陷,可以得到同样的指示。不足:①定量不便②灵敏度低③是一种辅助手段。用途:可以发现倾斜的、小而密集的缺陷。3、多次底波法:依据多次底面回波的变化,判断工件有无缺陷的方法。用途:厚度小,形状简单,检测面与底面平行的工件。灵敏度较低。5.1.2衍射时差法(TOFD)原理TOFD(TimeofFlightDiffraction),利用缺陷部位的衍射波来检测缺陷,根据衍射波的传播时间差来确定缺陷自身高度高度。特点纵波斜探头、一发一收两个探头、探头对称分布于焊缝两侧。发射探头接收探头直通波上端点下端点底面反射信号5.1.2衍射时差法(TOFD)直通波、缺陷上下端点衍射波、底面反射波。接收探头直通波LW上端点下端点底面反射波BW5.1.2衍射时差法(TOFD)变形波。一般会迟于底面反射波到达接收探头。底面反射波直通波纵波变形波TxRx横波5.1.2衍射时差法(TOFD)直通波走最短路径。5.1.2衍射时差法(TOFD)TOFD显示包括A扫信号和TOFD图像。D扫上表面内壁A扫LWBW5.1.2衍射时差法(TOFD)典型TOFD图像5.1.2衍射时差法(TOFD)缺陷深度计算接收探头SSdt0t022022StTcd5.1.2衍射时差法(TOFD)缺陷深度计算:以直通波为参考起点。t:缺陷上端点衍射波与直通波的传播时间差。L:缺陷上端点声程的一半。cSLt22接收探头SSdt0t02-ctSL22SLd2122)4(21tcSctd5.1.2衍射时差法(TOFD)缺陷自身高度发射探头接收探头2Sd1d212ddh5.1.2衍射时差法(TOFD)扫查方式:非平行扫查、平行扫查、偏置非平行扫查。平行扫查当探头相对于缺陷对称时时间最短。发射探头接收探头SSdt0t0x深度及盲区示意图平行扫查几种扫查扫查方式特点:非平行扫查:快速检测和测定缺陷长度;可大致测定缺陷的深度;无法测定缺陷距焊缝中心线的偏移量。偏置非平行扫查:增大检测范围;提高缺陷深度的测量精度;改进缺陷定位,并有助于降低下表面盲区。平行扫查:改进缺陷定位和缺陷深度(高度)测定的准确性。TOFD法优缺点5.1.2衍射时差法(TOFD)缺点•扫查面和底面之间存在几毫米表面盲区•易受噪声影响•对中下部缺陷和部分良性缺陷(如气孔、夹层)测大•采用数据分析,对检测人员要求高优点•检出率高•超声波束覆盖区大•缺陷高度测量准确•实时成像,快速分析•不依回波高度定量•快速安全,方便5.1.3穿透法采用一发一收双探头在工件相对两端面检测声波穿透工件后的能量变化来判断工件中缺陷的方法。5.1.4共振法利用入射波和反射波互相叠加形成驻波,产生共振的特性里判断工件中缺陷和厚度的方法。A型显示-横坐标表示时间,纵坐标表示信号幅度;B型显示(正视图)-与声束传播方向平行且与工件测量表面垂直的剖面;C型显示(俯视图)-工件横断面;二维扫描;较窄的电子闸门。D型显示(侧视图)-与声束平面及测量表面垂直的剖面。5.2按显示方式分类5.2按显示方式分类P型显示-投影成像扫描,显示C扫描图像(俯视)和D扫描图像(侧视);专为检测焊缝而开发的。大致估计焊缝中缺陷形状和空间位置。5.2按显示方式分类ALOK成像-振幅-传播时间-位置曲线;5.2按显示方式分类相控阵-利用各晶片激励或接收声脉冲的先后顺序,控制脉冲的时间延迟与声波到达缺陷各点的相位关系,实现聚焦点和声束方向的变化对缺陷进行扫描成像。特点:多晶片、多通道(一个通道接一个阵元)、每个阵元有各自的接头延时电路、每个晶片之间声绝缘。线阵、环形面阵、5.2按显示方式分类相控阵声束偏转各单元的激励脉冲从左到右等间隔增加延迟时间。改变延时间隔,调整声束角度。Directionofenergy5.2按显示方式分类相控阵声束聚焦两端阵元先激励,逐渐向中间加大延时。改变延时间隔,调整聚焦深度。Focussedtocrossatthispoint5.2按显示方式分类相控阵扇形扫查(S扫描成像)在入射点形成一定角度的扇形扫查范围。5.2按显示方式分类相控阵的优点不移动或少移动探头,进行快速线扫或扇扫,检测效率高;可改变声束角度,具有良好的声束可达性,进行复杂形状工件的检测;控制声束偏转和聚焦深度,实现全深度聚焦检测。5.3按波型分类5.3.1纵波直探头、斜探头5.3.2横波纯横波、反射横波5.3.3表面波5.3.4板波5.3.5爬波5.3.1纵波法:使用纵波法进行检测速度大,穿透力强。(适用于厚度大、衰减大材料检测)1、纵波直探头法:采用纵波直探头进行检测。通常用波束垂直入射至工件检测面,以不变的波型和方向进入工件。单晶直探头脉冲反射法三种方法双晶直探头脉冲反射法常用方法穿透法用途:锻、铸件、板材检测利于检出与检测面平行的缺陷缺陷定位方便。单直探头:盲区大。远场缺陷可采用当量计算法。双晶直探头:盲区小。适用于检测薄工件和近表面缺陷。2、纵波斜探头法:将纵波倾斜入射至工件检测面,利用折射纵波进行检测的方法。注意横波干扰。入射角αL<α1(第一临界角,工件中纵、横波共存)用途:①探头移动范围小②检测范围深。轴座、粗晶材料(不锈钢)、T0FD5.3.2横波法:将纵波倾斜入射至检测面,用波型转换得到的横波进行检测的方法。可实现下面两种方法产生的斜射声束与检测面成一定倾角的缺陷。①由晶片发出纵波通过一定倾角的斜楔到达接触面,在界面处发生波型转换,在工件中产生折射横波。②利用水浸直探头,在水中改变声束入射到检测面时的入射角,从而在工件中产生所需波型和角度的折射波。P150对于有机玻璃/钢—斜探头纵波入射角在αⅠ=27.6°、αⅡ=57.8°之间工件中呈现单一横波。5.3.3表面波检测表面波性质:即瑞利波,介质表层质点具有纵波和横波的综合特性;表面波在介质中传播时,介质质点只限于在传播方向与垂直于表面的平面内,其轨迹为椭圆;表面下2λ是表面波可探测的深度范围;表面波的传播速度,与材料的泊松比和横波声速有关。表面波速度cr约为纵波速度cL的一半,比横波速度ct略小。对于钢:σ=0.29,cr=0.926ct=3000m/s。表面波在表面转折处或裂纹顶端以表面波的形式被反射及波型转换产生变形纵波和变形横波。5.3.3表面波检测5.3.5表面波表面波产生直接用石英进行Y切割产生;纵波折射法:入射角大于等于第二临界角。rLiccsin5.3.3表面波检测人工反射体的特点1.柱孔:垂直于检测面,反射率随孔径和频率的增加而升高。2.横孔:平行于检测面,垂直于检测方向,反射率随孔的深度和频率的增加而降低。5.3.3表面波检测人工反射体的特点3.沟槽:垂直于检测方向,反射率随沟槽深度的增加而升高,深度相同,反射率随频率增加而升高。人工反射体的特点4.棱边:①棱边角度对回波的影响:2.5~5MHz的,反射信号棱角>90°之后降低;>170°降为零。①棱边出的波型转换:②棱边曲率对回波的影响:5.3.3表面波检测影响表面波传播的其它因素油的影响:表面附着油层,几乎完全衰减。表面粗糙度影响:耦合不好,发生散射,衰减较大。材料组织的影响:晶粒度与表面波波长λ之比越大,衰减越大。圆柱曲面的影响:凸柱面上的速度大于平面上的;凹柱面上的速度低于平面上的;曲率半径大于50λ时与平面相同。5.3.3表面波检测表面波的应用频率:5MHZ;耦合剂:甘油、粘度较大的机油;表面要求:光洁度要高一些,除油、污、除锈蚀,露出金属光泽;5.3.3表面波检测表面波的应用a)强度法检测表面裂纹:适用于裂纹高度小于2λ。①扫描速度调整5.3.3表面波检测表面波的应用a)强度法检测表面裂纹②灵敏度调整:以直角棱边作为参考信号。5.3.3表面波检测表面波的应用a)强度法检测表面裂纹③定量:相同长度,不同高度的裂纹只与以λ为单位裂纹高度有关。5.3.3表面波检测表面波的应用b)时延法法测量表面裂纹的纵向尺寸:利用裂纹开口处的反射信号和裂纹尖端处的反射信号在传播时间上的差值。测得是裂纹的纵向尺寸h,而不是裂纹高度。5.3.3表面波检测表面波的应用b)时延法法测量表面裂纹的纵向尺寸①双探头法:ⅡⅢⅠ--直通波--裂纹尖端表面波--裂纹尖端变型波2-ⅠⅡhtrchDc)-(2-ⅡⅢ)-(54.0ⅡⅢDh5.3.3表面波检测表面波的应用b)时延法法测量表面裂纹的纵向尺寸①单探头法:ⅠⅡ-h)-(08.1ⅡⅢDh5.3.4板波检测1、板波的种类:SH波-振动方向与表面平行兰姆波-含有振动方向与板面垂直的横波(SV波)和振动方向与板面平行的纵波(P波),分为=对称型S型和非对称型A型。5.3.4板波检测2、兰姆波的产生:利用纵波斜入射至薄板产生,不同的板波形式是靠选择探头入射角来实现;改变纵波入射角就可以改变板波的相速度,工件中兰姆波相速度的一个波长B与探头中纵波的一个波长A相对应时产生共振。pLLccBAsin5.3.4板波检测3、兰姆波的传播特点:1)、相速度和群速度是f·d的函数。5.3.4板波检测3、兰姆波的传播特点:2)、衰减非单调变化:A1S1单调变化,其它波型非单调变化。5.3.4板波检测3、兰姆波的传播特点:3)、板上有水或油时衰减显著增大;5.3.4板波检测3、兰姆波的传播特点:4)、反射时兰姆波波形的变化;在端面反射时,波形变化。5.3.4板波检测3、兰姆波的传播特点:5)、兰姆波回波信号的宽度:频谱较宽时,有多个群速度,端面反射时,回波信号发生畸变,信号宽度变宽,甚至出现多个波。5.3.4板波检测4、兰姆波检测的一般程序:1)尽可能选用宽的发射脉冲;2)制作与被测板材料相同、厚度相同的对比试块,φ1或φ2柱孔,试块长度20cm或30cm。3)选择合适的波型。需传播距离大,选纵波成分为主的波型,若测板的粘结良好程度,选横波成分为主的波型,根据f·d的值,选择群速度变化缓慢的波形,再选择入射角。4)根据入射角,选择探头,调整扫描速度,根据端面反射信号,观察是否有单调衰减的特性。5)根据人工反射体的反射,选择灵敏度。6)选用粘度大一些的耦合剂。5.3.4爬波法爬波又称为表面下纵波,是纵波从第一介质以第一临界角附近的角度入射到第二介质时,在第二介质中产生的一种非均匀波。由于这种波传播时,大部分能量主要集中在表面下某个范围内,且不同于表面波,对工件表面粗糙不敏感,因此适用于检测粗糙表面下的缺陷。一次爬波的角度在75°~83°之间,工件内部的30°~35°横波在工件底部产生纵波和二次爬波。爬波衰减很快,回波声压与距离4次方成反比,检测距离约几十毫米。检测深度0.5~9mm。单探头法双探头法多探头法5.4按探头数量分类5.4.1单探头法:使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法。操作方便,利于检出与波束轴线垂直的面状缺陷和立体型缺陷。5.4.2双探头法:使用两个探头(一个发射、一个接收)进行检测