其它超聲檢測課件

2-3超聲檢測新技術(shù)2-3-1電磁超聲檢測當(dāng)金屬材料處于毛面狀態(tài)、高溫狀態(tài)以及具有氧化皮表面時，采用常用的壓電換能器來進(jìn)行檢測比較困難，這是由于很難實(shí)現(xiàn)正常的耦合。在接觸法超聲檢測時，毛面需要加工打磨，以符合一定表面粗糙度的要求。而高溫狀態(tài)又往往使壓電晶片即使在居里點(diǎn)以下也很難正常工作。液浸法雖對部分毛面探傷有所改善廣但對高溫狀態(tài)由于工件使液體汽化也難以應(yīng)用。接觸法也難以實(shí)觀高速探傷，特別對有氧化皮覆蓋的材料，不但耦合時損耗能量極大，而且也不穩(wěn)定。對橫波換能器來說，由于難以與工件耦合，使它在超聲檢測中的應(yīng)用大大受到限制。在理論上，SH橫波對檢測奧氏體不銹鋼焊縫有效，但液體耦合劑傳播橫波有困難。因此，希望能有一種非接觸式的、損耗比較低的超聲檢測方法。任何一個載有電流的導(dǎo)體放在磁場中都將受到力的作用，力的大小與導(dǎo)體的長度、導(dǎo)體中電流、導(dǎo)體所處位置磁場以及導(dǎo)體與磁場的夾角的正弦成正比，如下式所示式中A-常數(shù)，F(xiàn)-導(dǎo)體所受力，I導(dǎo)體中電流，H-導(dǎo)體所處的磁場強(qiáng)度，L-導(dǎo)體長度，α-導(dǎo)體和磁場間的夾角力F的方向垂直于電流I和磁場H所決定的平面，可用左手法則來確定。如果磁場H的方向不變，那末線圈上所受力的變化完全由線圈中電流的方向而定。當(dāng)線圈通過交變電流時，此力也將是交變的，而且其頻率與線圈中電流的頻率一樣。由此可知，在交變的磁場中，金屬導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流。在產(chǎn)生渦流的同時，任何一個電流在磁場中都將受到力的作用。因此金屬介質(zhì)在交變應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力波，超聲頻范圍的應(yīng)力波即為超聲波?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)慕邮昭b置進(jìn)行接收，然后經(jīng)過放大進(jìn)行顯示，用這種方法激發(fā)和接收的超聲波稱為電磁超聲。在此方法中，超聲換能器已不單是通有交變電流的線圈以及外部固定磁場的組合體。而金屬表面也是換能器的一個組成部分，電聲的轉(zhuǎn)換是靠金屬表面來完成的。由于電磁超聲只能在導(dǎo)電介質(zhì)中才能產(chǎn)生，因此它也只能用于導(dǎo)電材料工件。根據(jù)上述原理，可以在金屬材料中激發(fā)出不同波型的超聲波。因?yàn)楫?dāng)改變線圈內(nèi)電流方向時，放在固體磁場中的線圈各部分的受力方向發(fā)生改變。而同一線圈放在不同取向的磁場中時，線圈的受力方向又會發(fā)生變化。(1)金屬中縱波的產(chǎn)生

圖a是一種激發(fā)縱波的示意圖，扁平的渦流線圈貼近于金屬表面，磁鐵放置位置促使金屬內(nèi)的磁力線平行于金屬表面。例如某時刻質(zhì)點(diǎn)受力向上，半個周期后受力向下。質(zhì)點(diǎn)在此力作用下產(chǎn)生一個與作用力方向一致的彈性波，該彈性波為縱波。(2)金屬中橫波的產(chǎn)生圖b是一種激發(fā)橫波的示意圖，磁力線垂直于金屬表面，當(dāng)渦流線圈通以高頻電流時，作用在渦流上的力平行于金屬表面。某時刻渦流如圖，此時質(zhì)點(diǎn)受力向右，半個周期后受力向左。質(zhì)點(diǎn)在此力的作用下產(chǎn)生與作用力垂直的彈性波，該彈性波為橫波。改變小線圈之間位置(間距)、幾何尺寸和延遲時間，就可以改變聲束入射角大小。當(dāng)這一角度大到一定程度時，也可以對不同被檢對象激發(fā)出板波和表面波。(4)聚焦聲束的激發(fā)在平的金屬表面上，電磁超聲方法一般很難激發(fā)聚焦聲束，但當(dāng)金屬面是圓弧形時，很容易獲得聚焦聲束。這是因?yàn)闇u流在金屬圓弧表面各點(diǎn)所受的力將不在同一個方向上，所產(chǎn)生的超聲波束將出現(xiàn)聚焦。并且這一聚焦聲束的焦距為曲率半徑R，即焦點(diǎn)落在圓心上。因此，用這種方法產(chǎn)生的聚焦聲束的聚焦情況和焦點(diǎn)都是由工件的表面曲率所決定的。因此，當(dāng)接收金屬中的返回超聲波時，電磁接收探頭將不是“接收”某一給定的波型的波。而是接收金屬表面上由超聲波所引起的質(zhì)點(diǎn)振動、在某一給定方向上的分量。(6)影響電磁超聲系統(tǒng)靈敏度的因素電磁超聲系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜，影響因素很多，一般認(rèn)為影響電磁超聲系統(tǒng)的因素與線圈兩端輸出電壓U有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)公式為式中I-發(fā)射線圈電流，n1-發(fā)射線圈匝數(shù)，n2-接收線圈的匝數(shù)，B-外磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度，σ-金屬表面電導(dǎo)率，D-線圈幾何因素，h-線圈與工件間距離，Z-工件特性阻抗從上式可見，電磁超聲系統(tǒng)的靈敏度不但受發(fā)射功率、接收線圈匝數(shù)和恒定外磁場的影響，也與工件電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和聲阻抗等有關(guān)。因此，電磁超聲對不同工件有不同的靈敏度。電磁超聲檢測的優(yōu)點(diǎn)是能激發(fā)出SH橫波，對核電站中用得比較多的奧氏體不銹鋼焊縫特別合適，是一般超聲換能器不可能做到的。目前用得比較好的電磁超聲換能器的頻率為2MHz，發(fā)出SH橫波，折射角為45o，采用信號均值法來降低噪聲、提高信噪比。2-3-2奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大和各向異性，不能采用一般的超聲方法進(jìn)行無損檢測。但是由于奧氏體不銹鋼的斷裂韌性高、抗蠕變和抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用愈來愈廣泛。在核電站和化工廠，奧氏體不銹鋼焊縫用在重要的部位。為確保安全，超聲檢測必不可少。降低橫波頻率，從2MHz降低到1MHz，雖然超聲波長相對晶粒直徑有所改善，但聲束容易發(fā)散和造成假信號。分割型雙晶片探頭的聚焦作用有利于提高信噪比，最先被用于粗晶材料的檢測。但該探頭覆蓋深度僅約15mm，超過此范圍聲束很快發(fā)散。例如對厚60mm奧氏體不銹鋼焊縫，需要四個探頭，表面區(qū)采用70o折射角探頭，后面依次為65o、60o和45o折射角探頭。粗晶材料超聲檢測中經(jīng)常遇到的另一個問題是出現(xiàn)假信號，這是由于工件內(nèi)部粗晶晶粒的界面反射回波疊加累積而成。采用高阻尼窄脈沖探頭，可降低探頭的信噪比即改善粗晶材料散射，同時還能消除假信號。高阻尼窄脈沖探頭的另一個優(yōu)點(diǎn)是有非常好的近場分辨率。中心頻率2～2.5MHz的窄脈沖探頭適用于壁厚9～60mm粗晶材料，中心頻率0.5～1MHz的窄脈沖探頭可用于壁厚60～90mm奧氏體鋼焊縫。而最重要的措施是改善超聲換能器的性能，也就是上面提到的窄脈沖縱波探頭，對奧氏體不銹鋼焊縫則需要采用窄脈沖縱波斜探頭。與一般常用的橫波探頭相比，縱波斜探頭的入射角要小得多，不能采用與普通橫波斜探頭相似的斜楔。否則界面反射波將回到壓電晶片，形成干擾雜波，影響探頭的盲區(qū)和信噪比，一般是采用加高有機(jī)玻璃斜楔來減小界面反射波的影響。2-5-5超聲成象技術(shù)在超聲檢測工作中如何能夠直觀地了解缺陷的形狀，用聲來觀察不透光物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是人們早已感興趣的問題。由于微處理機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為超聲成象技術(shù)開辟了廣闊前景。(1)P掃描成象P掃描的意思是投影圖象掃描，也就是對缺陷進(jìn)行三個方向的投影掃查。正像我們可以從零件的三個視圖(頂視圖、正視圖和側(cè)視圖)得到零件的正確形狀一樣?？梢詮娜齻€方向?qū)θ毕葸M(jìn)行測定、展現(xiàn)缺陷的形態(tài)，位置和取向等。P掃描技術(shù)已包括B掃描和C掃描技術(shù)，核心部分是P掃描處理器，與掃查器相聯(lián)，是一種可用于生產(chǎn)現(xiàn)場的攜帶式裝置。有四通道脈沖接收器，成象液晶顯示，可存貯用于后處理或立即打印存檔。掃查器可以手工操作，也可自動檢測，可對焊縫位置自動跟蹤，特別對晶界應(yīng)力腐蝕裂紋的檢測效果很好。常規(guī)的超聲檢測技術(shù)都是先測定特定參考反射體(標(biāo)準(zhǔn)試塊)，來預(yù)置儀器的檢測靈敏度，僅當(dāng)回波幅度超過預(yù)置水平時才被記錄，檢出缺陷的標(biāo)準(zhǔn)是預(yù)先選定的。而P掃描裝置在檢測過程中，把所有反射信號以及它們相應(yīng)的位置坐標(biāo)都記錄下來，然后在任何時候，可采用任何檢測靈敏度對這些信號進(jìn)行處理分析。這種后處理系統(tǒng)稱做可變顯示水平，是P掃描系統(tǒng)的一個主要特點(diǎn)。對工件腐蝕坑自動檢測來說，P掃描系統(tǒng)帶有所謂T掃描的軟件，也即厚度掃描軟件，它能自動找到腐蝕坑的最深部位。P掃描系統(tǒng)還具有能數(shù)字化、顯示和記錄原始的A掃描數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)探頭位置，這對確定缺陷大小，以及對復(fù)雜形狀工件來說很重要。最近P掃描系統(tǒng)還開發(fā)了新軟件，核心部份是采用綜合孔徑成象技術(shù)，它能使非聚焦的超聲換能器的檢測結(jié)果具有聚焦效應(yīng)。把掃查過程中不同探頭位置檢測到的A型信號進(jìn)行存貯、處理，采用幾何統(tǒng)計重建方法，獲得比一般成象技術(shù)更高的缺陷定量精度。目前，軟件幾乎可以進(jìn)行實(shí)時處理，還包括點(diǎn)分析技術(shù)，點(diǎn)分析技術(shù)在回波模型比較復(fù)雜的情況下非常有用，它有利于提高檢測精度。此外，在新型的P掃描系統(tǒng)中，還采用時間渡越衍射技術(shù)(TOFD)，對確定工件內(nèi)裂紋端點(diǎn)的位置非常有效。(2)ALOK成象技術(shù)所謂超聲ALOK成象技術(shù)，即幅度、傳播時間與位置曲線技術(shù)。用普通換能器在工件上掃查檢測，發(fā)射和接收脈沖超聲波，接收信號中既有裂紋缺陷信號，又有噪聲干擾信號，兩者互相干涉。

通過脈沖峰值檢測處理，即可得到與脈沖峰值相對應(yīng)的波的傳播時間和幅值。在所有掃描位置上重復(fù)檢測，可以得到傳播時間數(shù)據(jù)分布和對應(yīng)的幅度數(shù)據(jù)分布圖。用三角窗搜索方法，對傳播時間數(shù)據(jù)處理，去除噪聲，然后利用幾何重建法或迭代重建法進(jìn)行缺陷成象。

ALOK成象技術(shù)中有幾個難點(diǎn)，首先三角搜索窗的確定帶有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，其次是幾何重建法雖快但精度差，而疊代法精度高但速度慢，再者整個過程比較復(fù)雜，很難實(shí)時完成。為了完善ALOK成象系統(tǒng)，需設(shè)計和研制實(shí)時多通道檢測儀器，達(dá)到接受更多信息和縮短檢測時間的目的，在檢測方法上也需要改進(jìn)。(3)SAFT成象技術(shù)超聲SAFT成象技術(shù)，是從綜合孔徑雷達(dá)成象技術(shù)仿照過來的。它是參考相位的光處理技術(shù)而實(shí)現(xiàn)，但復(fù)雜的光處理系統(tǒng)限制了它的發(fā)展應(yīng)用。綜合孔徑成象技術(shù)的成象過程包括三個基本步驟，即原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及圖象重建和缺陷圖象顯示。SAFT系統(tǒng)中，散射信號的接受和脈沖波的發(fā)射既可以用一個換能器完成，也可用兩個換能器完成。既可用一般探頭，也可用聚焦探頭。當(dāng)探頭收發(fā)兼用時，聚焦探頭接收的散射能量較少，信噪比低，影響重建圖像的質(zhì)量，而一般探頭檢測缺陷圖像的橫向分辨力較低。因此，把兩者結(jié)合起來，即采用一般探頭發(fā)射、聚焦探頭接收，可解決SAFT成象技術(shù)中靈敏度和分辨力的矛盾。綜合孔徑成象技術(shù)，具有分辨力高、與缺陷尺寸無關(guān)、信噪比高、圖象顯示清楚等優(yōu)點(diǎn)，為定量超聲檢測提供了一種有效的方法，適用于對檢測工作要求較高的場合。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及檢測方法上的不斷改進(jìn)，例如采用串列式探頭等，使SAFT成象技術(shù)大大提高了圖象重建速度。(4)超聲全息成象技術(shù)當(dāng)激光全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)后，又出現(xiàn)了聲全息成像技術(shù)，尤其正面投影技術(shù)獲得迅速發(fā)展。超聲全息技術(shù)發(fā)展很快，比較成功的或接近于實(shí)用的超聲全息方法主要有

A液面法，包括機(jī)械、電子、激光等掃描法B布喇格衍射法，C時間參考全息法以及掃描全息法等超聲全息技術(shù)的基本原理與光全息類似，與一般超聲成象技術(shù)有三個根本區(qū)別

A采用相干超聲來“照明”物體

B用參考超聲束和干涉效應(yīng)，與工件信息超聲波相互作用后在成象位置上形成特殊圖形，

C從工件中每一點(diǎn)發(fā)來的信息超聲波都“照”到整個成象位置上，同時成象位置上的每一點(diǎn)都接收到整個工件發(fā)來的信息波。液面法超聲全息是超聲全息技術(shù)中發(fā)展最早的一種方法，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時成象非常簡便，雖然成象質(zhì)量受一些限制，但仍受到重視。掃描超聲全息是利用聲束在工件內(nèi)掃描來實(shí)現(xiàn)超聲全息，原理與液面超聲全息相同，但是在全息圖形成和重現(xiàn)方面與液面超聲全息不同。掃描超聲全息探頭在工件上掃描的過程中，將超聲全息信息記錄在存貯器后完成全息圖。由于掃描超聲全息實(shí)現(xiàn)了脈沖聲信息的逐點(diǎn)記錄，可以通過電路處理來提高靈敏度，并且可用電信號來代替超聲參考波。2-3-4超聲顯微鏡光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡，把人們的視力擴(kuò)展到微觀世界，但他們無法對不透光物體內(nèi)部的細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察。超聲顯微鏡有可能解決這個問題，目前超聲顯微鏡已經(jīng)達(dá)到光學(xué)顯微鏡的分辨率水平。光學(xué)顯微鏡的極限分辨率約為0.3μm，要使聲顯微鏡的分辨率也達(dá)到0.31μm，聲波的頻率必須為2～3GHz，這個頻率目前可以做到。僅從分辨率一個方面還不足以說明超聲顯微鏡的必要性，因?yàn)槌曪@微鏡不但能夠觀察物體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)(如金相組織等)。更重要的是能夠觀察物質(zhì)的多種力學(xué)性能(如密度、彈性常數(shù)、粘滯系數(shù)及內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)等)的微觀不均勻性，是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的有效手段。超聲顯微鏡可分為以下4種類型

A用高頻聲波照射試樣，激光系統(tǒng)檢測信息的聲光顯微鏡(簡稱SLAM)

B用光波照射試樣，用聲學(xué)系統(tǒng)檢測信息的光聲顯微鏡(簡稱SPAM)

C用電子束照射試樣，用聲學(xué)系統(tǒng)檢測信息的聲顯微鏡(簡稱SEAM)

D用聲波照射試樣，用聲學(xué)系統(tǒng)檢測信息的聲學(xué)顯微鏡(簡稱SAM)其中以SAM發(fā)展最快，SAM的極限分辨率為0.6～0.8λ，當(dāng)采用頻率1GHZ超聲波時，水中聲波波長為1.5μm，超聲顯微鏡的分辨率為0.9～1.2μm超聲顯微鏡結(jié)構(gòu)與掃描電子顯微鏡類似，主要包括電路、聲路和機(jī)械結(jié)構(gòu)幾部分。由信號源發(fā)出的電磁波經(jīng)換能器變換成高頻聲波，通過聲鏡聚焦，試樣置于聲鏡焦面，接收聲鏡收到由試樣反射或透射的聲波。再由換能器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理后，送到熒光屏上顯示出試樣的圖象。為了用超聲顯微鏡實(shí)現(xiàn)高分辨率，采用了比一般超聲無損檢測裝置高兩個數(shù)量級的高頻超聲波，必然增大了試樣內(nèi)部超聲波的衰減。故實(shí)際可檢測深度僅限于試件的表面和亞表面層。若要檢測更大深度，須采較的頻率。超聲顯微鏡可用以檢測集成電路中存在的微細(xì)缺陷(裂紋、雜質(zhì)、脫粘等)，大功率晶體管管芯與管殼的粘結(jié)質(zhì)量，飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件的熱壓焊質(zhì)量等。也可在無需拋光、腐蝕試樣時就可清晰地觀察到金屬的金相組織等方面已達(dá)實(shí)用階段。2-5-5激光超聲檢測技術(shù)用脈沖激光照射工件表面，可以產(chǎn)生超聲波脈沖，激光超聲波具有縱波、橫波和表面波型?？梢詫?shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離遙控、快速全方位掃描、穩(wěn)定性重復(fù)性好以及不需耦合劑等，因此可在高溫、高壓、有毒等惡劣環(huán)境中進(jìn)行檢測。將波長短、能量高的光脈沖照射金屬表面，激光導(dǎo)致金屬表面下溫度升高、體積膨脹，在材料中形成激波陣面，材料表面激發(fā)出頻率很高的超聲波，可達(dá)幾十兆赫。這種低功率密度激光使金屬表面成為熱彈性狀態(tài)，可以發(fā)生超聲，而不會發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，也就是說不會對工件表面造成損傷。如果激光束所激發(fā)的熱彈性形變處在材料內(nèi)部，這種形變屬伸縮形式產(chǎn)生縱波，但靠近材料表面，發(fā)生波型轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生一些橫波。除了縱波和橫波外，脈沖激光也可以產(chǎn)生表面波，它是由固體表面介質(zhì)產(chǎn)生的橫向和縱向振動合成并沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?。激光超聲源輻射的方向性與壓電超聲源輻射的方向性完全不同，激光超聲源將輻射能量分布在一個很寬的角度范圍內(nèi)，在實(shí)際檢測中不