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从检测对象的尺寸来说,厚度可小至1mm,也可大至几米;
从缺陷部位来说,既可以是表面缺陷,也可以是内部缺陷。
第一章超声波检测的物理基础
1、机械振动:
物体(或质点)在某一平衡位置附近作来回往复的运动(A、T、f)。
2、波动:
振动的传播过程,称为波动。
波动分为机械波和电磁波两大类。
3、机械波:
是机械振动在弹性介质中的传播。
产生机械波的两个基本条件
(1)要有作机械振动的波源。
(2)要有能传播机械振动的弹性介质
4、主要物理量:
T、f、λ、c
5、超声波类型:
L、S、R、板波
波的类型
质点振动特点
传播介质
应 用
纵波
质点振动方向平行于波传播方向
固、液、气体
钢板、锻件检测等
横波
质点振动方向垂直于波传播方向
固体、特别粘的薄液层
焊缝、钢管检测等
表面波
质点作椭圆运动,
椭圆长轴垂直波传播方向,短轴平行于波传播方向
固体表面,且固体的厚度远大于波长
钢管检测等
板波
对称型
(S型)
上下表面:
椭圆运动,
中心:
纵向振动
固体介质(厚度为几个波长的的薄板)
薄板、薄壁钢管<
6mm)
非对称型
(A型)
横向振动
6、超声波波形:
波阵面、波前、波线;
根据波阵面形状不同,可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。
7、超声脉冲:
根据波源振动的持续时间长短,连续波(穿透法)、脉冲波(脉冲越短频带越宽)
8、波的叠加原理:
当几列波在同一介质中传播时,如果在空间某处相遇,则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成,在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。
几列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进,好象在各自的途中没有遇到其他波一样,这就是波的叠加原理,又称波的独立性原理。
9、波的干涉:
两列频率相同,振动方向相同,位相相同或位相差恒定的波相遇时,介质中某些地方的振动互相加强,而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。
产生干涉现象的波叫相干波,其波源称为相干波源。
波的叠加原理是波的干涉现象的基础,波的干涉是波动的重要特征。
在超声检测中,由于波的干涉,使超声波源附近出现声压极大极小值。
(δ波程差什么情况下合振幅最大、最小)
10、惠更斯原理:
波阵面上的任何一点都可看作新的次波源,从波阵面上各点发出的许多次波形成的包络就是新的波阵面。
作用:
确定波前的几何形状和波的传播方向,解释波的反射、折射和衍射。
11、波的衍射(绕射):
当Df<<λ时,波的绕射强,反射弱,(UT检测灵敏度?
晶片厚度?
)
当Df>>λ时,反射强,绕射弱。
波的衍射对检测既有利又不利。
由于波的绕射,使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播;
由于波的衍射,可以采用衍射波检测缺陷,这是有利的。
但同时由于波的绕射,使一些小缺陷回波显著下降,以致造成漏检,这又是不利的。
12、固体声速:
超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关(关系?
)。
对特定的介质,弹性模量和密度为常数,故声速也是常数。
不同的介质,有不同的声速。
超声波波型不同时,介质弹性变形型式不同,声速也不一样。
在同一种固体材料中,纵波声速大于横波声速,横波声速又大于表面波声速。
13、声速与温度、应力、均匀性的关系:
一般固体中的声速随介质温度升高而降低。
一般应力增加,压应力-c↑,拉应力-c↓。
晶粒细,声速大;
晶粒粗,声速小。
石墨含量和尺寸增加,声速减少。
14、液体声速:
液体、气体介质中的纵波声速与其容变弹性模量和密度有关,介质的容变弹性模量愈大、密度愈小,声速就愈大。
几乎除水以外的所有液体,当温度升高时,容变弹性模量减小,声速降低。
水74°
15、声速测量:
超声检测仪器测量法、测厚仪测量法、示波器测量法
16、声压P:
介质中有声波和没有声波传导时某点的压强之差。
P=ρcμ。
超声检测仪器显示的信号幅度的本质就是声压P,示波屏上的波高与声压成正比。
在超声检测中,就缺陷而论,声压值反映缺陷的大小。
17、声阻抗Z:
声场中任意一点的声压域该点质点振动速度之比。
Z=ρc。
随T↑Z↓
超声波的反射和透射取决于声阻抗。
18、声强I:
在垂直于声波传播方向上单位面积上的声能。
I=P²
/2Z
19、分贝与奈培:
△=20lg(P2/P1)=20lg(H2/H1)dB
20、单一平界面的反射率与透射率:
超声波垂直入射到某界面时的R与T与从何种介质入射无关。
当Z1>
>
Z2时,(如钢/空气界面)几乎全反射,无透射
当Z1≈Z2时,如普通碳钢焊缝的母材与填充金属之间,几乎全透射,无反射。
横波S(固液、固气界面的反射)
21、薄层界面的反射和透射:
当超声波脉冲宽度小于薄层厚度时,反射波和透射波不干涉;
否则,相互干涉。
均匀介质中的异质薄层(Z1=Z3≠Z2)
(1)当d2=n×
λ2/2(n为整数)时,r≈0、t≈1。
这说明当薄层两侧介质声阻抗相等,薄层厚度为其半波长的整数倍时,超声波全透射,几乎无反射,好象不存在异质薄层一样。
这种透声层常称为半波透声层。
(2)当d2=(2n+1)×
λ2/4(n为整数)时,即异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇数倍时,声压透射率最低,声压反射率最高。
薄层两侧介质不同的双界面(Z1≠Z3≠Z2)
λ2/2(n为整数)时,超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时,若薄层厚度等于半波长的整数倍,则通过薄层的声强透射率与薄层的性质无关,好象不存在薄层一样。
λ2/4(n为整数)时,且Z2=(Z1Z3)1/2时,此时T=1,即声强透射率等于1,超声波全透射。
直探头保护膜的设计。
22、往复透射率:
声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关,与从何种介质入射到界面无关。
界面两侧介质的声阻抗相差愈小,声压往复透射率就愈高,反之就愈低。
往复透射率高低直接影响检测灵敏度高低,往复透射率高,检测灵敏度高。
反之,检测灵敏度低。
23、波型转换和反射、折射定律
当超声波倾斜入射到界面时,除产生同种类型的反射和折射波外,还会产生不同类型的反射和折射波,这种现象称为波型转换。
⑴纵波斜入射
第一临界角αⅠ,纵波折射角βL=90°
时对应的纵波入射角;
第一临界角αⅡ,横波折射角βS=90°
①α<αⅠ时,第二介质中既有折射纵波L″又有折射横波S″。
②αⅠ~αⅡ时,第二介质中只有折射横波S″,没有折射纵波L″,这就是常用横波探头制作和横波检测的原理。
3α≥αⅡ时,第二介质中既无折射纵波L″,又无折射横波S″。
这时在其介质的表面存在表面波R,这就是常用表面波探头的制作原理。
纵波倾斜入射到有机玻璃/钢界面时αⅠ?
,αⅡ=?
2横波入射
第三临界角αⅢ,,纵波反射角αL=90°
时对应的横波入射角;
αⅢ,≥?
钢中横波全反射。
24、倾斜入射声压反射率:
声压反射率、声压透射率不仅与介质的声阻抗有关,而且还与入射角有关。
25、倾斜入射声压往复透射率:
对水/钢界面:
αL=~°
?
透射率较低,灵敏度较低——采用聚焦技术。
26、端角反射:
超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。
纵波入射时,端角反射率都很低,这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波。
横波入射时,入射角αS=30°
或60°
附近时,端角反射率最低。
根部未焊透K值选择?
27、声压距离公式:
平面波P=P1;
球面波;
柱面波
28、球面波单一平面折射:
折射波不再是严格的球面波,仅当张角较小时近似为球面波:
29、平面波在曲界面上的反射:
反射波的聚焦或发散与曲面的凹凸(从入射方向看)有关。
凹曲面的反射波聚焦,凸曲面的反射波发散。
30、平面波在曲界面上的折射:
折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关,而且与界面两侧介质的波速有关。
对于凹透镜,当c1<
c2时聚焦,当c1>
c2时发散;
对于凸透镜,当c1>
c2时聚焦,当c1<
c2时发散。
31、球面波在曲界面上的反射:
W反射。
超声波径向检测空心圆柱体的情况,类似于球面波在凸柱面上的反射,反射波发散。
圆柱面上入射点处的反射回波声压总是低于同距离的平底面的反射声压
32、衰减的原因:
波束扩散(取决于波阵面、跟介质无关)、晶粒散射和介质吸收。
通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减,不包括扩散衰减。
33、衰减系数:
介质衰减系数α等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和。
介质的吸收衰减与频率成正比
介质的散射衰减与f、d、F有关在实际检测中,当介质晶粒较粗大时,若采用较高的频率,将会引起严重衰减这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件检测的困难所在。
对于液体介质而言,主要是介质的吸收衰减。
34、衰减系数测定:
薄板:
厚板:
第三章超声波发射声场与规则反射体的回波声压
1、纵波圆盘发射声场:
⑴近场区:
波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度,用N表示。
N=(Ds2-2)/(4)Ds2/(4)(最后一个声压极小值位置?
⑵远场区:
波源轴线上至波源的距离x>N的区域称为远场区。
当x>3N时,声压与距离成反比,近似球面波的规律。
⑶波束指向性和半扩散角:
θ0—圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角,又称半扩散角。
⑷波束未扩散区与扩散区:
在波束未扩散区b内,波束不扩散,不存在扩散衰减,各截面平均声压基本相同。
x>b的区域称为扩散区,存在扩散衰减。
2、纵波矩形波源发声场
⑴半扩散角:
⑵近场区:
3、纵波声场近场区在两种介质中分布:
实际探伤时,有时近场区分布在两种不同的介质中,如水浸探伤,超声波先进入水,然后再进入钢中,当水层厚度较小时,近场区就会分布在水、钢两种介质中。
设水层厚度为L,则钢中剩余近场区长度N为
N=Ds2/(4)–Lc1/c2
式中c1----介质1水中波速;
c2----介质2钢中波速;
----介质2钢中波长。
4、实际声场与理想声场的比较:
在近场区内,实际声场与理想声场存在明显区别,实际声场轴线上声压虽也存在极大极小值,但波动幅度小,极值点的数量也明显减少。
远场相同。
5、横波发射声场:
⑴假想波源:
把第一介质中的纵波声场转换为轴线与横波波束一致的横波声场。
假想横波声源为椭圆,长轴为Ds,短轴为:
⑵近场区:
⑶在第二介质的近场区长度:
横波探头晶片尺寸一定,K值增大,近场区长度?
⑷半扩散角:
上下谁大?
横波垂直入射:
6、规则反射体回波声压:
X≥3N,声束垂直入射、声压全反射,
⑴平底孔回波dB差
⑵大平底回波dB差
⑶长横孔回波dB差
⑷短横孔回波dB差
⑸球孔回波dB差
7、实心圆柱体回波声压:
回波声压与大平底相同
8、空心圆柱体回波声压:
从外圆检测回波?
,从内圆检测回波?
9、AVG曲线:
距离A、回波高度V、当量尺寸G
通用性强,适用于不同探头。
归一化计算复杂。
第四章超声检测设备与器材
1、超声检测仪:
脉冲反射、衍射时差法、穿透
2、模拟式超声检测仪:
同步电路(又称触发电路、幻象波)、扫描电路(时基电路)、发射电路(脉冲波)、显示电路、电源、
接受电路(放大)
由于发射脉冲自身有一定宽度,加上放大器的阻塞现象,在靠近始波的一定时间范围内,所要求的缺陷往往不能发现,具体到被检工件中,这段时间所对应的由入射面进入工件的深度距离,称为盲区。
3、开关旋钮的作用及其调整:
工作方式(单、双)、发射强度(↑、灵敏度↑、脉冲宽度↑、分辨力↓)、衰减器(读数↑-灵敏度↓)、增益(灵敏度)、抑制(垂直线性、动态范围)、深度范围(时间扫描线、扫描范围)、延迟(左右、不改变回波距离)、聚焦、频率(探头)、水平(左右)、重复频率(每秒钟发射脉冲次数)、垂直(上下),辉度(亮度)、深度补偿(回波差异)、显示选择(检波、射频波)。
4、超声波测厚仪:
共振测厚仪,脉冲反射测厚仪、兰姆波测厚仪
5、探头参数:
⑴压电效应(发射是?
、接收是?
⑵压电应变常数d33、压电电压常数g33大
⑶介点常数εε=Ct/A较小
⑷机电耦合系数K较大
⑸机械品质因子θm较小
⑹频率常数Ntt=λL/2=CL/2f0Nt=tf0=CL/2较大(发射频率取决于晶片厚度和晶片中的声速)
⑺居里温度TC较高
6、探头结构:
压电晶片、阻尼块和吸声材料、保护膜(硬、软)、斜锲(前测牛角槽?
)、电缆线、外壳。
7、探头种类:
纵波直探头(f、D)、纵波斜探头、横波斜探头(f、D、K)、表面波探头、双晶探头(f、D、F)优点?
、聚焦探头(球面、柱面、透镜式、反射式、曲面晶片式)、水浸聚焦(F=2.2r,工作时F↓)
8、耦合剂:
声强透射率↑、水、甘油、机油、变压机油、化学浆糊
9、试块:
标准试块、对比试块
10、超声仪器主要性能:
脉冲发射部分、接收部分、时基部分
11、探头主要性能:
响应频率、相对灵敏度、时间域响应、电阻抗、距离幅度特性、声束扩散特性、斜探头的入射点和折射角。
声轴偏斜角和双峰。
12、超声仪器和探头的组合性能:
灵敏度、分辨力、信噪比、频率
第五章超声检测方法分类与特点
1、按原理:
脉冲反射(缺陷回波法、底波高度法、多次底波法)、衍射时差法(TOFD)、穿透法(能量)、共振法(工件测厚)。
2、显示方式:
A(横坐标表示时间,纵坐标表示信号幅度)、超声成像(B-正视、C-俯视、D-侧视、P-投影成像显示C扫和D扫描图像)
3、按波型:
纵波(直探头、斜探头)、横波(斜探头、水浸直探头)、表面波(2λ)、板波、爬波
4、按探头个数:
单(自发自收)、双(一发一收,分并列式、交叉式、V形串列式、K形串列式、串列式)、多(两个以上、通常与多通道仪器和自动扫查装置配合)
5、耦合方式:
直接接触法、液浸法、电测耦合法EMA
6、按人工干预的程度分类:
第六章脉冲反射法超声检测通用技术
1、检测面的选择和准备:
根据被检测缺陷的位置、取向,使入射声束尽可能垂直于缺陷反射面;
缺陷的最大可能取向应根据被检工件材质、坡口形式、焊接工艺等判断。
2、仪器的选择:
主要考虑:
灵敏度、分辨力、定量要求,定位要求和便携、稳定等方面。
⑴对定位要求高时,应选择水平线性误差小的仪器
⑵对定量要求高时,应选择垂直线性误差小,衰减器精度高的仪器,
⑶对大型工件或粗晶材料工件探伤,可选择功率大,灵敏度余量高,信噪比高,低频性能好的仪器。
⑷对近表面缺陷检测要求高时,可选择盲区小,近区分辨好的仪器。
⑸室外现场检测,重量轻、荧光屏亮度高、抗干扰能力好的仪器。
3、与探头的选择:
探头型式、频率、带宽、晶片尺寸、斜探头K值等
原则为使声束轴线尽量与缺陷垂直
探头型式⑴焊缝——横波斜探头、纵波斜探头
⑵钢板、锻件——纵波直探头
⑶钢管、水浸板材——聚焦探头(线、点聚焦)
⑷近表面缺陷——双晶探头
⑸表面缺陷——表面波探头
⑹螺栓端面检测及检测面较小——小角度纵波斜探头
探头频率⑴超声波检测灵敏度λ/2。
⑵频率高,脉冲宽度小,分辨率高。
⑶频率高,半扩散角小,指向性好,发现小缺陷能力强。
⑷频率高,近场区大,对检测不利。
⑸频率高,衰减大,厚工件、粗晶材料选用低频。
探头频带⑴宽带探头:
脉冲短,即脉冲宽度小,深度分辨率好,盲区小,灵敏度较低,信噪比好,适合粗晶材料探伤。
⑵窄带探头:
脉冲长,即脉冲宽度大,深度分辨率差,盲区大,灵敏度高,穿透力强。
晶片尺寸⑴晶片大,半扩散角小,指向性好,声束轴线附近缺陷检出能力强。
⑵晶片大,近场区大,对检测不利;
辐射的超声波能量大,发现远距离缺陷能力强。
⑶考虑检测面的结构情况如对小型工件,曲率大的工件复杂形状工件为便于耦合要用小晶片,对平面工件,晶片可大一些。
探头K值⑴保证声束扫到整个检测断面,对不同工件形状要具体分析选择。
⑵尽可能使检测声束与缺陷垂直,在条件许可时,尽量用K大些的探头。
薄工件K大些,声程大,避免近场检测;
厚工件K可小些。
⑶根据检测对象选K:
如单面焊根部未焊透,选K=0.7-1.43,检测灵敏度最高。
4、耦合剂的选用:
⑴对工件表面和探头表面有足够浸润性,并有流动性,附着力强,易清洗
⑵声阻抗大,应尽量和被检工件接近
⑶对人体无害,对工件无腐蚀作用
⑷来源广,价格低廉
⑸性能稳定
耦合层厚度d⑴d=nλ/2即半波长整数倍时声压透射率为1,几乎无反射,声能全部透射。
好象耦合层不存在。
⑵d=(2n+1)λ/4即四分之一波长奇数倍时,声压透射率最低,反射率最高。
工件表面⑴同一耦合剂,随粗糙度增大,耦合效果差,反射回波低。
⑵声阻抗低的耦合剂,随粗糙度增大,耦合效果降低的更快。
⑶表面太光滑,耦合效果降不会显著增加,但探头移动困难。
耦合剂声阻抗:
同一检测面,耦合剂声阻抗越大耦合效果越好
工件表面形状:
平面工件耦合最好、凸曲面次之,点或线接触、凹曲面均耦合不好,中心不接触、曲率半径越大,耦合效果越好。
5、纵波直探头检测技术:
⑴时基线的调整:
又叫扫描线比例调节
⑵检测灵敏度调整:
①试块法(一般用于全声程,包括x<3N)将探头对准标准试块上人工缺陷探测,使波高达到某基准波高,再根据工件厚度、要求、调节衰减器达到要求的灵敏度。
②工件底波法调整灵敏度(只能用于x>3N)只要求出底波与要求的检测灵敏度反射体之间回波高度差。
方便、不用试块、不考虑表面补偿、不考虑材质衰减、工件具有平行底面或圆柱曲底面且底面光洁
大平底与平底孔的分贝差:
⑶工件材质衰减系数测定:
①T<3N
②T≥3N
6、扫查:
扫查到整个探伤面;
声束扫查到整个工件检测范围内全体积;
探头移动间距相邻有一定范围覆盖重叠区;
扫查速度满足NB/T47013-2015标准要求;
有效声束范围。
7、缺陷的评定
⑴缺陷位置确定:
找到缺陷最大反射波,缺陷位于探头主声束上,即在探头正下方工件内。
埋藏深度:
根据缺陷波声程及扫描线比例计算得出。
⑵缺陷尺寸的评定:
回波高度法(缺陷回波高度法、底波高度法)、缺陷当量评定法(适用于小于声场的缺陷的当量测定、实际当量VS理论当量)、缺陷延伸长度的测定(相对灵敏度法、绝对灵敏度法、端点峰值法)。
8、非缺陷回波:
迟到波(细长工件0.76d)、61°
反射(位置固定)三角反射回波(轴、1.3d、1.67d)、探头杂波、工件轮廓波、幻象波(重复频率)、
侧壁干涉波:
侧面
底面
9、横波斜探头检测技术
⑴入射点、折射角测定:
标准试块
⑵扫描线比例调节:
声程比例、水平比例、深度比例调节
⑶灵敏度调节:
对比试块
10、横波缺陷的评定:
⑴按声程调节扫描速度:
⑵按水平调节扫描速度:
⑶圆柱曲面工件的定位:
外圆周向探测,弧长L总比水平距离l值大,但H比d小。
内壁周向探测,弧长L总比水平距离l值小,但H比d大。
11、横波最大探测壁厚:
K越小,Tm就越大;
K越大,Tm就越小。
12、横波缺陷定量:
测长法、缺陷自身高度的测定
13、横波非缺陷回波:
工件轮廓回波、端角反射波、探头杂波、表面波(指按)、幻象波、草状回波(高频、粗晶)、焊缝中变型波、“山”形波(B/L/S)
14、影响缺陷定位的主要因素:
仪器、探头(磨损K值?
)、工件的影响(温度20°
K值)、操作人员
15、影响缺陷定量的主要因素:
仪器、探头性能影响(频率偏差、探头形式、晶片尺寸、探头K偏差);
耦合偏差及材质衰减测量偏差;
传输损失等、工件几何形状和尺寸(曲率变化要补偿);
缺陷的影响(缺陷的形状、方位与入射波夹角、指向性、表面粗糙度、性质、位置等)
16.检测记录:
应满足工艺卡、标准和本单位技术文件要求,还应满足签发检测报告要求。
17、检测报告:
应满足标准、法规和技术文件要求。
第七章板材和管材超声检测
1、钢板制造常见缺陷:
分层(气孔、夹渣)、折叠、白点(轧制冷却过程中)、裂纹。
2、钢板超声检测技术:
针对钢板中常见缺陷,钢板探伤一般采用直探头纵波检测。
直接接触法(薄板叠加效用,F1评价,当板厚小于20mm采用F2评价)
水浸法(水层厚度H=nδ/4);
3、探头的选择:
根据板厚选择探头频率、直径,单晶、双晶。
4、扫查方式选择:
全面扫查、列线扫查、边缘扫查和格子扫查
5、灵敏度调整:
根据钢板厚度
6、缺陷的评定:
依据标准规定
7、复合板超声检测:
两种复合材料声阻抗相近(界面无回波)、两种复合材料声阻抗差较大(界面回波大小对比)
8、管材横波检测条件:
9、小径管检测:
外径小于100mm,直接接触法(横波斜探头)
水浸法:
10、大直径管检测:
外径大于100mm,纵波垂直入射法、横波周向检测法、横波轴向检测法、
水浸聚焦检测法(线聚焦、焦点在管材中心线上)
第八章锻件和铸件超声检测
1.锻件常见缺陷:
缩孔、缩松、夹杂物、裂纹、折叠、白点。
(缺陷一般沿金属流线方向)
2.锻件超声检测方法:
纵波直入射检测、纵波斜入射检测、横波检测。
由于锻件外形可能很复杂,有时为了发现不同取向的缺陷,在同一个锻件上需同时采用纵波和横波检测。
其中纵波直入射检测是最基本的检测方式。
检测原则上在热处理后,冲孔、开槽等精加工工序之前进行。
3.轴类锻件检测:
直探头径向(最佳方向)和
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