第六章超聲檢測(cè)

1、6.1超聲檢測(cè)的基本原理6.2超聲檢測(cè)方法6.3超聲檢測(cè)裝置6.4超聲檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例6.1超聲檢測(cè)的基本原理1)用某種方式向被檢測(cè)的試件中引入或激勵(lì)超聲波。2)超聲波在試件中傳播并與試件材料和其中的物體相互作用，使其傳播方向或特征被改變。3)改變后的超聲波又通過檢測(cè)設(shè)備被檢測(cè)到，并由設(shè)備對(duì)其進(jìn)行處理與分析。4)根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)估試件本身及其內(nèi)部存在的缺陷的特性。6.1.1超聲波6.1.2超聲波的聲特征6.1.3超聲波在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換6.1.4超聲波的衰減6.1超聲檢測(cè)的基本原理6.1.5各種規(guī)則反射體的反射規(guī)律1)用某種方式向被檢測(cè)的試件中引入或激勵(lì)超聲波。2)超聲波在

2、試件中傳播并與試件材料和其中的物體相互作用，使其傳播方向或特征被改變。3)改變后的超聲波又通過檢測(cè)設(shè)備被檢測(cè)到，并由設(shè)備對(duì)其進(jìn)行處理與分析。4)根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)估試件本身及其內(nèi)部存在的缺陷的特性。圖6-1直聲束脈沖反射法6.1.1超聲波1.超聲波的定義2.超聲波的波型(1)縱波縱波是介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行的一種波型。圖6-2縱波波型示意圖6.1.1超聲波(2)橫波圖6-3橫波波型示意圖(3)表面波表面波是橫波的一個(gè)特例，6.1.1超聲波是僅在半無(wú)限大固體介質(zhì)的表面或與其他介質(zhì)的界面及其附近傳播而不深入到固體內(nèi)部傳播的波型的總稱。圖6-4表面波(瑞利波)示意圖(4)

3、板波當(dāng)板厚、頻率和波速之間滿足一定關(guān)系時(shí)，將在板厚與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“逯挟a(chǎn)生另一種波型，那就是板波，超聲檢測(cè)中常用的板波又稱為蘭姆波。3.超聲波的產(chǎn)生與接收6.1.2超聲波的聲特征1.聲壓2.聲強(qiáng)和分貝3.聲阻抗圖6-5超聲波垂直入射于大平面時(shí)的反射與透射6.1.3超聲波在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換1.超聲波垂直入射到平面界面上時(shí)的反射和透射1)當(dāng)Z2Z1，比如水/鋼界面，聲壓反射率小于透射率。2)當(dāng)Z1Z2，比如鋼/水界面，聲壓反射率大于透射率。3)當(dāng)Z1Z2，比如超聲波從固體入射至空氣中，聲壓反射系數(shù)接近于1，聲壓透射率接近0。4)當(dāng)Z1Z2，在聲阻抗接近的界面上反射聲壓非常小，基本可以忽

4、略，而聲壓透射率和聲能透射率均接近于1，聲能幾乎全部透射至第二介質(zhì)。2.傾斜入射到平界面上時(shí)的反射和折射、波型轉(zhuǎn)換6.1.3超聲波在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換圖6-6超聲波傾斜入射到大平面上的行為示意圖a)縱波入射b)橫波入射(1)縱波斜入射當(dāng)縱波L傾斜入射到界面時(shí)，處產(chǎn)生反射縱波L和折射縱波L外，還會(huì)產(chǎn)生反射橫波S和折射橫波S。6.1.3超聲波在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換(2)橫波斜入射同樣，當(dāng)橫波縱波S傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生反射橫波S和折射橫波S外，還會(huì)產(chǎn)生反射縱波L和折射縱波L。6.1.4超聲波的衰減6.1.5各種規(guī)則反射體的反射規(guī)律6.2超聲檢測(cè)方法6.2.1按原理分類6.2

5、.2按耦合方式分類6.2.3按探頭數(shù)目分類6.2.4按波型分類6.2.1按原理分類1.脈沖反射法(1)缺陷回波法根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷波形進(jìn)行判斷的方法，稱為缺陷回波法。(2)底波高度法如果工件的材質(zhì)均勻、厚度一致，工件底面回波在超聲檢測(cè)儀顯示屏上的高度應(yīng)是基本不變的。1.tif6.2.1按原理分類圖6-7缺陷回波法a)無(wú)缺陷b)有缺陷6.2.1按原理分類圖6-8底波高度法a)無(wú)缺陷b)小缺陷6.2.1按原理分類(3)多次底波法當(dāng)透入試件的超聲波能量較大，而試件厚度較小時(shí)，超聲波可在探測(cè)面與底面之間往復(fù)傳播多次，示波屏上出現(xiàn)多次底波B1、B2、B3。圖6-9多次底波法a)無(wú)缺陷b)小缺陷c

6、)大缺陷6.2.1按原理分類2.穿透法圖6-10穿透法a)無(wú)缺陷b)小缺陷c)大缺陷3.脈沖反射法與穿透法的特點(diǎn)比較(1)靈敏度高對(duì)于穿透法，只有當(dāng)超聲聲壓變化大于20%時(shí)才有可能檢測(cè)，它相當(dāng)于聲壓只降低 2dB。6.2.1按原理分類(2)缺陷定位精度高脈沖反射法可利用缺陷反射波的傳播時(shí)間，通過掃描速度調(diào)節(jié)，對(duì)缺陷進(jìn)行正確的厚度方向定位。(3)不需要專門的掃查裝置，現(xiàn)場(chǎng)手工操作方便穿透法中為保持收發(fā)兩個(gè)探頭的相對(duì)位置，往往需要專用掃查裝置，而脈沖反射法單探頭工作時(shí)不需要任何掃查裝置，為各種場(chǎng)合的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)帶來了方便。6.2.2按耦合方式分類1.直接接觸法2.液浸法(1)全浸沒式被檢試件全部浸沒于

7、液體之中，適用于體積不大，形狀復(fù)雜的試件檢測(cè)，如圖6-11a所示。1.tif6.2.2按耦合方式分類6D11.TIF6.2.2按耦合方式分類圖6-11液浸法a)全浸沒式b)噴液式c)通水式d)滿溢式(2)局部浸沒式把被檢試件的一部分浸沒在水中或被檢試件與探頭之間保持一定的水層而進(jìn)行檢測(cè)的方法，適用于大體積試件的檢測(cè)。1)噴液式，超聲波通過以一定壓力噴射至探測(cè)表面的檢測(cè)方法稱為噴液式，如圖6-11b所示。2)通水式，借助于一個(gè)專用的有進(jìn)水、出水口的液罩，以使罩內(nèi)經(jīng)常保持一定容量的液體，這種方法稱為通水式，如圖6-11c所示。6.2.2按耦合方式分類圖6-12液浸法波形顯示3)滿溢式，滿溢罩結(jié)構(gòu)與

8、通水式相似,但只有進(jìn)水口,多余液體在罩的上部溢出,這種方法稱為滿溢式,如圖6-11d所示。6.2.3按探頭數(shù)目分類1.單探頭法2.雙探頭法(1)并列式兩個(gè)探頭并列放置，檢測(cè)時(shí)兩者作同步同向移動(dòng)。(2)交叉式兩個(gè)探頭軸線交叉，交叉點(diǎn)為要探測(cè)的部位，如圖6-13b所示。(3)V型串列式兩探頭相對(duì)放置在同一面上，一個(gè)探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射，反射的回波剛好落在另一個(gè)探頭的入射點(diǎn)上，如圖6-13c所示。(4)K型串列式兩探頭以相同的方向分別放置于試件的上下表面上。6.2.3按探頭數(shù)目分類(5)串列式兩探頭一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一個(gè)探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射的回波，經(jīng)底面反射進(jìn)入另一個(gè)探頭

9、，如圖6-13e所示。圖6-13雙探頭的排列方式a)并列式b)交叉式c)V形式d)K形式e)串列式圖6-14多探頭法6.2.3按探頭數(shù)目分類3.多探頭法6.2.4按波型分類1.縱波法圖6-15縱波法檢測(cè)6.2.4按波型分類2.橫波法3.表面波法圖6-16橫波法檢測(cè)6.2.4按波型分類圖6-17表面波法檢測(cè)4.板波法6.2.4按波型分類圖6-18A型顯示原理圖6.3超聲檢測(cè)裝置6.3.1超聲波檢測(cè)儀6.3.2超聲波探頭6.3.3超聲波檢測(cè)用試塊6.3.4耦合劑6.3.1超聲波檢測(cè)儀6.3.2超聲波探頭1.壓電超聲探頭的基本組成1.tif6D19.TIF6.3.2超聲波探頭圖6-19壓電換能器探頭

10、的基本結(jié)構(gòu)a)直探頭b)斜探頭(1)晶片晶片是以壓電效應(yīng)發(fā)射并接收超聲波的元件，是超聲波探頭的核心部分，它的性能決定著探頭的性能。(2)保護(hù)膜保護(hù)膜的作用是保護(hù)晶片不與工件直接接觸以免磨損。(3)背襯吸收塊(阻尼塊)為提高晶片發(fā)射效率，其厚度均應(yīng)保證晶片在共振狀態(tài)下工作，但共振周期過長(zhǎng)或晶片背面的振動(dòng)干擾都會(huì)導(dǎo)致脈沖變寬、盲區(qū)增大。6.3.2超聲波探頭(4)透聲楔(斜楔)雙晶直探頭和斜探頭常用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹脂作為透聲楔，一是形成一定的聲波入射角，再則可以延遲聲束的入射距離，避開探頭近場(chǎng)區(qū)，減少檢測(cè)盲區(qū)。2.探頭的主要種類(1)接觸式縱波直探頭接觸式縱波直探頭用于發(fā)射和接收垂直于探頭表面?zhèn)鞑サ?/p>

11、縱波，其基本結(jié)構(gòu)如圖6-19a所示，以探頭直接接觸試件表面的方式進(jìn)行垂直入射的縱波檢測(cè)，故又稱縱波探頭。(2)接觸式斜探頭接觸式斜探頭包括橫波斜探頭、瑞利波(表面波)探頭、縱波斜探頭、蘭姆波探頭及可變角探頭等。1)以縱波入射角標(biāo)稱。6.3.2超聲波探頭圖6-20雙晶探頭的基本結(jié)構(gòu)2)以鋼中的橫波折射角標(biāo)稱。6.3.2超聲波探頭3)以鋼中橫波折射角的正切值K標(biāo)稱。(3)雙晶探頭(分割探頭)雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發(fā)射超聲波，另一塊用于接收超聲波，如圖6-20所示。(4)聚焦探頭圖6-21所示為聚焦探頭的基本結(jié)構(gòu)，在探頭上加上聲透鏡以產(chǎn)生聚焦聲束。圖6-21聚焦探頭的基本結(jié)構(gòu)6.3.2超聲

12、波探頭3.探頭型號(hào)和規(guī)格1)基本頻率：探頭的發(fā)射頻率，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為MHz。2)晶片材料：用化學(xué)元素縮寫符號(hào)表示，見表6-1。3)晶片尺寸：壓電晶片的大小，圓形晶片用直徑表示，矩形用長(zhǎng)乘寬表示，單位為mm。4)探頭種類：漢語(yǔ)拼音縮寫字母代表示，見表6-2。5)探頭特征：漢語(yǔ)拼音縮寫字母代表示；斜探頭K值用阿拉伯?dāng)?shù)字表示；折射角用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為度；雙晶探頭在試件中的聲束匯聚區(qū)深度用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為mm；水浸聚焦探頭的水中焦距用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為mm，用DJ表示點(diǎn)聚焦，XJ表示線聚焦。6.3.2超聲波探頭表6-1晶片材料表示法表表6-2探頭種類表達(dá)法6.3.3超聲波檢測(cè)

13、用試塊1.試塊的作用(1)確定檢測(cè)靈敏度超聲波檢測(cè)靈敏度太高或太低都不好，太高雜波多，判傷困難，太低會(huì)引起漏檢。(2)測(cè)試探頭的性能超聲波檢測(cè)儀和探頭的一些重要性能，如放大線性、水平線性、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度余量、分辨力、盲區(qū)、探頭的入射點(diǎn)、K值等都是利用試塊來測(cè)試的。(3)調(diào)整掃描速度利用試塊可以調(diào)整儀器屏幕上水平刻度值與實(shí)際聲程之間的比例關(guān)系，即掃描速度，以便對(duì)缺陷進(jìn)行定位。(4)評(píng)判缺陷的大小利用某些試塊繪出的距離-波幅-當(dāng)量曲線(即實(shí)用AVG)來對(duì)缺陷定量是目前常用的定量方法之一。2.試塊的分類及常見試塊6.3.3超聲波檢測(cè)用試塊(1)ASTM鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試塊由于不同成分的鋁合金透聲性基本相

14、同，材質(zhì)較為均勻穩(wěn)定，所以采用鋁合金制作標(biāo)準(zhǔn)試塊，它的材料牌號(hào)為7075，相當(dāng)于我國(guó)的7A09。1.tif6.3.3超聲波檢測(cè)用試塊6D22.TIF6.3.3超聲波檢測(cè)用試塊圖6-22ASTM鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試塊(2)CSK-A試塊圖6-23所示為CSK-A試塊形狀和尺寸圖。(3)CSK-A試塊圖6-24所示為CSK-A試塊形狀和尺寸圖，它是常用于焊縫橫波檢測(cè)的一種對(duì)比試塊，主要用來調(diào)節(jié)時(shí)基線比例、探測(cè)范圍和檢測(cè)靈敏度，測(cè)定斜探頭K值和橫波AVG曲線，并且對(duì)缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)。6.3.3超聲波檢測(cè)用試塊注：尺寸誤差不大于0.05mm圖6-23CSK-A試塊6.3.3超聲波檢測(cè)用試塊圖6-24CSK-A

15、試塊6.3.4耦合劑1)能潤(rùn)濕工件和探頭表面，流動(dòng)性、粘度和附著力適當(dāng)，不難清洗。2)聲阻抗高，透聲性能好。3)來源廣，價(jià)格便宜。4)對(duì)工件無(wú)腐蝕，對(duì)人體無(wú)害，不污染環(huán)境。5)性能穩(wěn)定，不易變質(zhì)，能長(zhǎng)期保存。表6-3常用耦合劑的聲阻抗(單位：Z1kg/s)6.4超聲檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例6.4.1直射聲束縱波檢測(cè)6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)6.4.1直射聲束縱波檢測(cè)1.檢測(cè)方法(1)檢測(cè)準(zhǔn)備與儀器的調(diào)整在實(shí)際檢測(cè)中，為了在確定的探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)規(guī)定大小的缺陷，并對(duì)缺陷定位和定量，就必須在探測(cè)前調(diào)節(jié)儀器的掃描速度和靈敏度。1)掃描速度(時(shí)基線掃描比例)調(diào)整。圖6-25縱波掃描速度的調(diào)節(jié)6.4.1直射聲束縱波檢

16、測(cè)2)靈敏度調(diào)整，檢測(cè)靈敏度是指在確定的聲程范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)規(guī)定大小缺陷的能力，一般根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定。(2)缺陷評(píng)定1)缺陷位置的確定，超聲波檢測(cè)中缺陷位置的測(cè)定是確定缺陷在工件中的位置，簡(jiǎn)稱定位。2)缺陷大小的評(píng)定，缺陷定量包括確定缺陷的大小和數(shù)量，而缺陷的大小指缺陷的面積和長(zhǎng)度。(3)鍛件質(zhì)量的評(píng)定GJB 1580A2004質(zhì)量驗(yàn)收等級(jí)規(guī)定見表6-4。6.4.1直射聲束縱波檢測(cè)表6-4超聲檢測(cè)質(zhì)量驗(yàn)收等級(jí)2.多個(gè)不連續(xù)性指示中間距小于25mm，而指示幅度超過所要求等級(jí)的當(dāng)量平底孔指示幅度，為不符合要求。3.任何長(zhǎng)條形不連續(xù)性指示的幅度超過所要求等級(jí)的當(dāng)量平底孔指示幅度和所規(guī)定的長(zhǎng)度

17、，為不符合要求。4.間距指任何兩個(gè)指示的中心間距。2.鍛件超聲檢測(cè)工藝卡6.4.1直射聲束縱波檢測(cè)表6-5鍛件超聲檢測(cè)工藝卡示例6.4.1直射聲束縱波檢測(cè)3.鍛件超聲波檢測(cè)報(bào)告表6-6鍛件超聲檢測(cè)檢測(cè)報(bào)告示例6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)1.檢測(cè)方法(1)檢測(cè)準(zhǔn)備與儀器的調(diào)整1)斜探頭入射點(diǎn)與折射角的測(cè)定。圖6-26測(cè)定入射點(diǎn)和折射角6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)2)時(shí)基線調(diào)整。3)橫波距離波幅曲線的測(cè)繪。圖6-27距離-波幅曲線圖6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)(2)缺陷評(píng)定1)缺陷位置的確定，橫波斜探頭檢測(cè)平面時(shí)，波束軸線在探測(cè)面處發(fā)生折射，工件中缺陷的位置由探頭的折射角和聲程確定或由缺陷的水平和垂直方

18、向的投影來確定。聲程定位法，假設(shè)超聲檢測(cè)儀按聲程1 n調(diào)節(jié)橫波掃描速度，檢測(cè)儀上缺陷波水平刻度為f，則水平定位法，假設(shè)超聲檢測(cè)儀按水平1 n調(diào)節(jié)橫波掃描速度，檢測(cè)儀上缺陷波水平刻度為f，則深度定位法，假設(shè)超聲檢測(cè)儀按深度1 n調(diào)節(jié)橫波掃描速度，檢測(cè)儀上缺陷波水平刻度為f，則6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)圖6-28缺陷在焊縫中位置示意圖2)缺陷反射當(dāng)量大小的確定，移動(dòng)探頭找到缺陷最大回波，調(diào)節(jié)衰減器將該回波高度調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)波80%高，讀取此時(shí)衰減器讀數(shù)，然后根據(jù)該數(shù)值在距離-波幅曲線上查找該dB值應(yīng)落在何區(qū)域，若落在判廢線或以上，即為區(qū)，則工件判廢；若落在區(qū)內(nèi)，則要按照其長(zhǎng)度確定是否判廢；6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)若落在區(qū)內(nèi)，除有特殊要求外，一般可以不做考慮。3)缺陷長(zhǎng)度的測(cè)定，當(dāng)工件中缺陷尺寸大于聲束截面時(shí)，一般采用測(cè)長(zhǎng)法來確定缺陷的長(zhǎng)度。圖6-296dB法示意圖6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)(3)焊縫質(zhì)量的評(píng)定JB 4730.42005質(zhì)量驗(yàn)收等級(jí)規(guī)定見表6-7。表6-7焊接接頭質(zhì)量分級(jí)(單位：mm)2.當(dāng)焊縫長(zhǎng)度不足9T(級(jí))或4.5T(級(jí))時(shí)，可按比例折算。2.焊縫超聲檢測(cè)工藝卡6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)表6-8焊縫超聲檢測(cè)工藝卡示例3.焊縫超聲檢測(cè)報(bào)告6.4.2斜射聲束橫波檢測(cè)表6-9焊縫超