超声检测-基本原理

钢结构焊缝超声检测基本原理目录第一章超声波物理基础第二章检测设备与器材第三章探伤方法第四章检测技术第五章超声波检测的优点与局限性第一章超声波物理基础超声波物理基础什么是超声波超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中传播而形成的波动，通常以其波动频率f和人的可闻频率加以区分超声波与其它声波种类：声波波动频率可闻频率次声波f20Hz人耳不可闻声波20Hz≤f≤20KHz人耳可闻超声波20KHz≤f≤103MHz人耳不可闻特超声波f103MHz人耳不可闻超声波物理基础超声波的产生与接收目前金属探伤中最常用的产生超声波的方法是压电法。超声波的产生与接收是利用超声波探头中压电晶片的压电效应来实现的。超声波是由压电晶片的逆压电效应产生的。探伤使用的超声波频率一般为0.5～10MHz，其中以2～5MHz最为常用。超声波物理基础1、超声波具有良好的指向性；2、超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播；3、异质界面上的透射、反射、折射和波形转换；4、具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性。超声波的性质超声波物理基础束射特性反射特性传播特性波型转换特性人们正是利用了超声波的这些特性，发展了超声波探伤技术。超声波物理基础超声波的波型波传播方向空气固体介质纵波（压缩波）横波（剪切波）板波（兰姆波）表面波（瑞利波）超声波物理基础材料种类密度(g/cm3)纵波CL(m/s)横波CS(m/s)铝2.762603080铸铁7.356003200钢7.859503230铜8.947002260有机玻璃1.1827301460陶瓷2.456003500机油0.921400—水(20℃)1.01500—空气0.0012340—表3—2常见固体材料的声速超声波物理基础波型转换纵波倾斜入射到不同介质的表面时会产生反射纵波反射横折射纵波折射横波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。超声波的波型转换超声波物理基础第一临界角当在第二介质中的折射纵波角等于90度时称这时的纵波入射角为第一临界角αI。这时在第二介质中已没有纵波，只有横波。焊缝探伤用的横波就是，经过界面波型转换得到的。第二临界角当纵波入射角继续增大时，在第二介质中的横波折射角也增大，当βS达90度时，第二介质中没有超声波，超声波都在表面，为表面波。临界角超声波物理基础在有机玻璃与钢的界面：第一临界角为α=27.2°，βS=33.3°第二临界角为α=56.7°，βS=90°用于焊缝检测的超声波斜探头的入射角必须大于第一临界角而小于第二临界角超声波的横波检测原理超声波物理基础超声波在材料中传播时，质点在某一瞬间的压力与静压之差称为声压。常用P表示，声压单位为Pa。式中：P—声压ρ—介质密度c—声速A—介质振幅V—质点振动速度ω0—角频率声压超声波物理基础声强是超声波的能流密度，指单位时间内在垂直声波传播方向上的单位面积内所通过的声能，常用I表示，单位为W/mm2。声强与声压的平方成正比：式中：I—声强P—声压ρ—介质密度c—声速声强超声波物理基础声阻抗是介质中某一质点的声压P与该处质点振动速度V之比，是描述介质传播声波特性的一个物理量，表示超声场中介质对质点振动速度的阻碍作用，常用Z表示，单位为kg/m2·s。式中：Z—介质的声阻抗P—声压V—质点振动速度ρ—介质密度c—声速声阻抗超声波物理基础通常规定引起听觉的最弱声强为I0=10-16W/cm2作为声强的标准，另一声强I1与标准声强I0之比的对数称为声强级，单位为贝尔（B）。而实际应用中贝尔太大，故常取其十分之一即分贝（dB）为单位，即：式中：I0—标准声强，又称为初始声强I1—比较声强P0—初始声压P1—比较声压分贝超声波物理基础在超声波检测中，常以dB为单位来测量任意两个回波的大小和表示反射脉冲波幅度。当超声检测仪的垂直线性较好时，仪器显示屏上的波高与其声压成正比，这时有：当h1的高度是h0的2倍时：Δ=20lg（h1/h0）=Δ=20lg（2）=6dB，h1比h0高6dB当h1和h0高度相同时:Δ=20lg（h1/h0）=Δ=20lg（1）=0dB，二者分贝差为0dB当h1的高度是h0的一半时:Δ=20lg（h1/h0）=Δ=20lg（1/2）=-6dB，h1比h0低6dB超声波物理基础①异质界面的垂直入射：当声波从一种介质（A）进入另一种介质（B）时，传播特性产生变化。声波在两种不同介质的结合面（界面）上可分为反射声波与透射声波两种。反射和透射声波的比例，与组成界面的两种介质声阻抗有关。传播规律超声波物理基础当入射介质（A）的声阻抗等于或近似另一介质（B）的声阻抗时，不产生或基本不产生反射波，所以当超声波垂直入射到两种声阻抗差很小的介质组成的界面时，几乎全透射，无反射。因此在焊缝探伤中，若母材与焊缝金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界面回波，这是直探头探伤的原理。当入射介质（A）的声阻抗远大于另一介质（B）的声阻抗时，声压反射趋于100%，透射趋于0，即声压几乎全反射，无透射。因此，检测中如探头与工件间不施加耦合剂，则形成固/气界面，超声波将无法进入工件。超声波物理基础超声波的衰减1．散射引起的衰减超声波在传播过程中，遇到不均匀的和各向异性的金属晶粒时则会在界面上发生散乱反射、折射和波形转换，从而消耗超声波的能量，这种衰减称为散射衰减。2．介质吸收引起的衰减由于质点之间的相对运动和相互摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减，这种衰减称为介质吸收引起的衰减。3．声束扩散引起的衰减超声波在传播过程中会发生扩散，且随传播距离的增加，扩散程度也将会增大。声束扩散导致声束的截面增大，从而使单位面积上的声能减小。这种形式引起的超声波能量衰减称为扩散衰减。第二章检测设备与器材检测设备及器材超声波探伤仪检测设备及器材超声波探伤仪有多种分类方式：按超声波的连续性可分为脉冲波探伤仪、连续波探伤仪、调频波探伤仪；按仪器的信号处理方式可分为模拟型探伤仪和数字型探伤仪；按缺陷显示方式分为A型显示、B型显示、C型显示和3D型显示超声波探伤仪，按超声波的通道数目分为单通道和多通道探伤仪两种。目前应用较广的是数字式A型显示脉冲反射式单通道超声波探伤仪。检测设备及器材超声波探头检测设备及器材超声波探头检测设备及器材超声波探头参数基本频率晶片材料晶片尺寸探头种类特征2.5Ｂ20Ｚ直探头园晶片直径20ｍｍ钛酸钡陶瓷频率2.5MHz5P6×6Ｋ3Ｋ表示折射角矩形晶片6×6ｍｍ钛酸铅陶瓷频率5MHzＫ值为3检测设备及器材超声波探伤用试块检测设备及器材超声波探伤用试块CSK-IA检测设备及器材调节：探头的前沿、K值、声速超声波探伤用试块检测设备及器材CSK-IIIA超声波探伤用对比试块检测设备及器材距离-波幅（DAC)曲线检测设备及器材超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合好。当探头和工件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100%，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入工件。因此，排除探头和工件之间的空气非常重要。耦合剂可以填充探头与工件间的空气间隙，使超声波能够传入工件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减小探头和工件之间的摩擦，防止工件表面磨损探头，并使探头便于移动。超声波探伤用耦合剂检测设备及器材影响耦合剂的主要因素有：耦合层厚度、表面粗糙度、耦合剂声阻抗及工件表面形状的影响等。一般耦合剂应满足以下要求：①能润湿工件和探头表面，流动性、黏度和附着力适当，不难清洗。②声阻抗高，透声性好。③来源广，价格便宜。④对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。⑤性能稳定，不易变质，能长期保存。超声波探伤用耦合剂第三章探伤方法探伤方法超声波探伤方法按探伤原理分为脉冲反射法、衍射法、穿透法和共振法。其中脉冲反射法应用最广泛，也是钢结构超声波探伤中的主要方法。脉冲反射法是超声波仪间断发射一定频率的超声波（脉冲波），通过耦合剂的耦合传入工件，当遇到异质界面（缺陷或工件底面）时，一部分超声波将发生反射，反射回波被仪器接收并以电脉冲信号在示波屏显示出来，由此判断缺陷的有无，以及进行定位、定量和评定。探伤方法1.回波方式根据回波的表示方式不同，脉冲反射法分为A型显示、B型显示、C型显示和D型显示等。A型显示超声波检测：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表波的传播时间（或距离），纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷的大小。2.入射方式利用探头与工件的直接接触（忽略探头与工件间很薄的耦合剂层）进行超声波探伤的方法属于直接接触法。通过超声波入角方式的不同，直接接触法可分为垂直入射法和斜角入射法。探伤方法垂直入射法——采用直探头将声束垂直入射工件探伤面进行探伤的方法。探伤方法TTTFB’斜角入射法——是采用斜探头将声束倾斜入射工件探伤面进行探伤的方法。探伤方法P二次波探伤P一次波探伤采用二次波探伤，探测面修整宽度为：S≥2KT+50(mm)采用一次波探伤，探测面修整宽度为：S≥KT+50(mm)式中:K----探头的K值；T----工件厚度。第四章检测技术检测技术板厚（mm)6～2525～4646～120120～400K值3.0～2.02.5～1.52.0～1.02.0～1.0β72°～60°68°～56°60°～45°60°～45°探头K值（角度）使声束能扫查到整个焊缝（检测区）截面使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直保证有足够的探伤灵敏度注：条件允许时，尽量采用大K值探头。推荐采用的斜探头K值检测技术GB11345标准规定：检验频率f一般在2－5MHz范围内选择，推荐选用2－2.5MHz公称频率检验。探测频率增高，则其波长减小，可检测的缺陷极限尺寸也小，一般为/2。从这一角度出发，则频率增高，有利于缺陷检出。另一方面，焊缝中的危险性缺陷大都与超声束入射方向成一定角度，在这种情况下，若频率过高，则缺陷的反射指向性也越好，回波反而不易被探头接收，故频率不宜太高。保证有足够的探伤灵敏度。探头频率的选择检测技术•A级检验采用一种角度的探头在焊缝的单面单侧进行检验,只对允许扫查到的焊缝截面进行探测.一般不要求作横向缺陷的检验.母材厚度大于50mm时,不得采用A级检验。检验等级检测技术•B级检验原则上采用一种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验,对整个焊缝截面进行探测；母材厚度大于100mm时,采用双面双侧检验；受几何条件的限制,可在焊缝的双面单侧采用两种角度探头进行探伤.条件允许时应作横向缺陷的检验。检验等级检测技术•C级检验至少要采用两种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验.同时要作两个扫查方向和两种探头角度的横向缺陷检验.母材厚度大于100mm时,采用双面双侧检验.其他附加要求是:对接焊缝余高要磨平,以便探头在焊缝上作平行扫查;焊缝两侧斜探头扫查经过的母材部分要用直探头作检查;受焊缝母材厚度大于等于100mm,窄间隙焊缝母材厚度大于等于40mm时,一般要增加串列式扫查。检验等级检测技术在对待检焊缝进行探伤检测前，必须先要确定待检焊缝的验收等级和检测等级，方能对该焊缝进行相应的探伤操作并判定合格与否。《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》GB/T11345-2013中的检测等级与《焊缝无损检测超声检测验收等级》GB/T29712-2013中的验收等级关系见下表。确定待检焊缝的验收等级和检测等级检测技术焊缝的检测区域是指焊缝及焊缝两侧至少10mm宽母材或热影响区宽度（取二者较大值）的内部区域。任何情况下，声速扫查都应覆盖整个检测区域，如无法满足要求时，应确定更换超声检测技术或者增加其他无损检测方法。如有可能，宜磨平焊缝余高。检测区域及探头移动区检测技术在钢结构焊缝超声波探伤检测中，将斜探头垂直于焊缝中心线放置在探伤面上，从焊缝的一端以锯齿形扫查方式行进到焊缝的另一端，相邻两次探头移动间隔保证至少有探头宽度10%的重叠，扫查速度不应大于150mm/s。在探测焊缝及热影响区的横向缺陷时，可将探头与焊缝中心线成10°～20°斜平行扫查或平行扫查。检测技术在发现缺陷或