第一章-超声波探伤物理基础-UT-II.ppt

第一章 绪论 1.1 超声检测的定义和作用 超声检测一般是指超声波与工件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其对其特定应用性进行评价的技术。在特种设备行业中，超声检测通常是指对宏观缺陷进行检测和材料厚度测量。超声波检测是五大常规无损检测技术之一，是目前国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。此外，作为超声波检测技术的特殊应用，超声波还可用于材料内部组织和特性的表征以及应力的测量。超声检测是产品制造中实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率的重要手段，也是设备维护中不可或缺的手段之一。我国特种设备相关法规标准都对特种设备在制造、安装、修理改造或定期检验等环节提出了进行超声检测的要求。20世纪40年代，美国的Firestone首次介绍了脉冲回波式超声检测仪，利用该技术，超声波可从物体的一面发射并接收，且能够检测小缺陷，较准确的确定其位置及深度，评定其尺寸。随后，由美国和英国开发出了A型脉冲回波式超声检测仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的检测。20世纪60年代，超声检测仪在灵敏度、分辨率和放大器线性等主要性能上取得了突破性进展，焊缝检测问题得到了很好的解决。脉冲回波技术至今仍是通用性最好、使用最广泛的一种超声检测技术。在此基础上，超声检测发展为一个有效而可靠的无损检测手段，并得到了广泛的工业应用。随着工业生产对检测效率和检测可靠性要求的不断提高，人们要求超声检测更加快速，缺陷的显示更加直观，对缺陷的描述更加准确。因此，原有的以A型显示手工操作为主的检测方式不再能够满足要求。20世纪70年代，英国人M.G.Silk提出衍射时差法超声检测（TOFD）。TOFD是一种利用超声波衍射现象、利用缺陷端点的衍射波信号检测或测定缺陷尺寸的超声检测技术，近几年来在欧美等西方发达国家开始广泛应用。20世纪80年代以来，对于规则的板、棒类等大批量生产的产品，逐渐发展了自动检测系统，配备了自动报警、记录等装置，发展了B型显示和C型显示。与此同时，对缺陷的定性定量评价的研究得到了较大的进展，利用超声波技术进行材料特性评价也成为了重要的研究方向。随着电子技术和计算机技术的发展，超声检测设备不断向小型化、智能化方向改进，并于20世纪80年代末出现了数字式超声仪器。目前，数字式仪器已日益成熟，正逐渐取代模拟式仪器成为主流产品。我国超声检测的发展历史 19501982年 起步 仪器：汕头生产8A、8B、8C 1982年1990 发展 仪器：汕头生产CTS-22、CTS-23、CTS-26、CTS-33、CTS-36 1990至今 数字超声时代 代表：武汉中科（1988）HS-系列 南通友联 PXUT-系列 汕头超声CTS-系列1.3超声波检测的基础知识1.3.1次声波、声波、超声波 次声波、声波、超声波都是在弹性介质中传播的机械波，同一波型在同一介质中传播的速度相同，它们的区别在于频率不同。次声波：f 20Hz 声波：能引起人们听觉的机械波 20Hz f 20kHz 超声波和次声波，人是听不到的。超声检测所用的频率一般在0.525MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为0.510MHz。工业用超声波的特点 1）方向性好 超声波是频率很高、波长很短的机械波，在超声波检测中使用的波长为毫米数量级。像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，从而在被检工件中发现缺陷。2）能量高 超声波的能力（声强）与频率的平方成正比。3）能在界面上产生反射、折射、衍射和波形转换 超声波具有几何声学的特点，在介质中直线传播，遇到界面产生反射、折射、衍射和波形转换。4）穿透能力强 超声波在大多数介质中传播时，能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中穿透能力可达数米，这是其它检测方法无法比拟的。1.3.2 超声检测工作原理 超声波检测主要是基于超声波在工件中的传播特性，如在遇到声阻抗不同的两种介质的界面时会发生反射，声波通过材料时能量会损失等，以脉冲反射法为例，其原理如下：1）超声波探伤仪（声源）产生高频电磁振荡信号（脉冲波）；2）高频电磁振荡信号加到超声波探头上，产生超声波；3）采用一定的方式，如耦合，使超声波进入工件；4）超声波在工件中传播，遇到声阻抗有差异的界面或缺陷时部分声波被反射，反射回来的超声波被超声波探头接收；5）超声波探头把接收到的声波信号再转换成脉冲电信号传给超声波探伤仪；6）超声波探伤仪把接收到的脉冲电信号，进行检波、放大、衰减等一系列的信号处理，以一定的方式显示出来；7）通过分析回波信号的幅度和位置等信息，从而得到被检工件中有无缺陷、缺陷的位置、大小等信息。评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。T F B超声波探伤仪超声波探伤仪探头探头通常用来发现缺陷和分析的基本信息：1）是否存在缺陷的回波信号及其幅度；2）缺陷回波信号的位置或传播时间；3）超声波通过材料以后能量的衰减。1.3.3 超声波检测方法分类 1.按原理分类 1）脉冲反射法 根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法。波形显示，不直观。2）衍射时差法（TOFD）利用缺陷部位衍射信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声波检测方法。图象显示。3）穿透法 采用一收一发双探头分别放置在工件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来检测缺陷的方法。4）共振法 利用共振特性检测工件厚度变化情况。2.按显示方式分类 根据接收信号的显示方式可分为A型显示和超声成像显示。3.按波型分类 根据检测采用的波型，可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。4.按探头数目分类（1）单探头法（2）双探头法（3）多探头法5.按探头与工件的接触方式分类（1）接触法：探头与工件检测面之间，涂有很薄的耦合剂，因此可以看作为两者直接接触，故称为直接接触法。（2）液浸法：探头和工件浸于液体中，以液体作耦合剂进行检测的方法。耦合剂可以是水，也可以是油，当用水为耦合剂时，称为水浸法。（3）电磁偶合法：采用电磁探头激发和接收超声波的检测方法，也称为电磁超声检测方法。6.按人工干预的程度分（1）手工检测：一般是指有操作者手持探头进行的A型脉冲反射式超声检测。该方法方便实用，单检测可靠性受人为因素影响较大。（2）自动检测：使用自动化超声检测设备，在最少的人工干预下进行并完成检测的全部过程。1.3.4 超声波检测的优点和局限性 优点：与其它无损检测方法相比的，超声检测的优点有：1）适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；2）穿透能力强，可对较大厚度范围内的工件内部缺陷进行检测；3）缺陷定位较准确；4）对面积型缺陷的检出率较高；5）灵敏度高，可检测工件内部很小的缺陷；6）检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便等。局限性：1）对工件中的缺陷进行精确的定性、定量仍需要作进一步研究；2）对具有复杂形状或不规则外形的工件进行超声波检测有困难；3）缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；4）工件材质、晶粒度等对检测有较大影响；5）常用的手工A型脉冲反射法检测时，结果显示不直观，模拟超声波探伤仪对检测结果无直接见证记录。1.3.5 超声波检测的适用范围 超声波检测的应用范围非常广，从以下几个方面讲，就可以说明:工件材料：金属、非金属和复合材料等制造工艺：锻件、铸件、焊接件等工件形状：板材、棒材、管材等工件尺寸：厚度小至1mm，大至几米；缺陷部位：既可以是表面缺陷，又可以是内 部缺陷。