超聲波探傷培訓教程

2022-03-24 18:21:35 字數 5036 閱讀 9882

培訓教材

第一章無損檢測概述

無損檢測包括射線檢測(rt)、超聲檢測(ut)、磁粉檢測(mt)、滲透檢測(pt)和渦流檢測(et)等五種檢測方法。主要應用於金屬材料製造的機械、器件等的原材料、零部件和焊縫,也可用於玻璃等其它製品。

射線檢測適用於碳素鋼、低合金鋼、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金材料制機械、器件等的焊縫及鋼管對接環縫。射線對人體不利,應儘量避免射線的直接照射和散射線的影響。

超聲檢測係指用a型脈衝反射超聲波探傷儀檢測缺陷,適用於金屬製品原材料、零部件和焊縫的超聲檢測以及超聲測厚。

磁粉檢測適用於鐵磁性材料製品及其零部件表面、近表面缺陷的檢測,包括幹磁粉、溼磁粉、熒光和非熒光磁粉檢測方法。

滲透檢測適用於金屬製品及其零部件表面開口缺陷的檢測,包括熒光和著色滲透檢測。

渦流檢測適用於管材檢測,如圓形無縫鋼管及焊接鋼管、鋁及鋁合金拉薄壁管等。

磁粉、滲透和渦流統稱為表面檢測。

第二章超聲波探傷的物理基礎

第一節基本知識

超聲波是一種機械波,機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。

物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復週期性的運動,稱為機械振動。振動的傳播過程,稱為波動。波動分為機械波和電磁波兩大類。

機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程。超聲波就是一種機械波。

機械波主要引數有波長、頻率和波速。波長:同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點間的距離稱為波長,波源或介質中任意一質點完成一次全振動,波正好前進一個波長的距離,常用單位為米(m);頻率f:

波動過程中,任一給定點在1秒鐘內所通過的完整波的個數稱為頻率 ,常用單位為赫茲(hz);波速c:波動中,波在單位時間內所傳播的距離稱為波速,常用單位為米/秒(m/s)。

由上述定義可得:c= f ,即波長與波速成正比,與頻率成反比;當頻率一定時,波速愈大,波長就愈長;當波速一定時,頻率愈低,波長就愈長。

次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質中傳播的機械波,在同一介質中的傳播速度相同。它們的區別在主要在於頻率不同。頻率在20~20000hz之間的能引起人們聽覺的機械波稱為聲波,頻率低於20hz的機械波稱為次聲波,頻率高於20000hz的機械波稱為超聲波。

次聲波、超聲波不可聞。

超聲探傷所用的頻率一般在0.5~10mhz之間,對鋼等金屬材料的檢驗,常用的頻率為1~5mhz。超聲波波長很短,由此決定了超聲波具有一些重要特性,使其能廣泛用於無損探傷。

1. 方向性好:超聲波是頻率很高、波長很短的機械波,在無損探傷中使用的波長為毫米級;超聲波象光波一樣具有良好的方向性,可以定向發射,易於在被檢材料中發現缺陷。

2. 能量高:由於能量(聲強)與頻率平方成正比,因此超聲波的能量遠大於一般聲波的能量。

3. 能在介面上產生反射、折射和波型轉換:超聲波具有幾何聲學的上一些特點,如在介質中直線傳播,遇介面產生反射、折射和波型轉換等。

4. 穿透能力強:超聲波在大多數介質中傳播時,傳播能量損失小,傳播距離大,穿透能力強,在一些金屬材料中其穿透能力可達數米。

第二節波的型別及波速測量

一.波的型別

根據波動傳播時介質質點的振動方向相對於波的傳播方向的不同,可將波動分為縱波、橫波、表面波和板波等。

1. 縱波l

介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相平行的波,稱為縱波,用l表示。

當介質質點受到交變拉壓應力作用時,質點之間產生相應的伸縮形變,從而形成縱波;凡能承受拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波。固體介質能承受位伸或壓縮應力;液體和氣體雖不能承受拉伸應力,但能承受壓應力產生容積變化。因此固體、液體和氣體都能傳播縱波。

鋼中縱波聲速一般為5960m/s。縱波一般應用於鋼板、鍛件探傷。

2. 橫波s(t)

介質中質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波,稱為橫波,用s或t表示。

當介質質點受到交變的剪下應力作用時,產生剪下形變,從而形成橫波;只有固體介質才能承受剪下應力,液體和氣體介質不能承受剪下應力,因此橫波只能在固體介質中傳播,不能在液體和氣體介質中傳播。鋼中橫波聲速一般為3230m/s。橫波一般應用於焊縫、鋼管探傷。

3. 表面波r

當介質表面受到交變應力作用時,產生沿介質表面傳播的波,稱為表面波,常用r表示。又稱瑞利波。

表面波在介質表面傳播時,介質表面質點作橢圓運動,橢圓長軸垂直於波的傳播方向,短軸平行於波的傳播方向;橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成,即縱波與橫波的合成,因此表面波只能在固體介質中傳播,不能在液體和氣體介質中傳播。

表面波的能量隨深度增加而迅速減弱,當傳播深度超過兩倍波長時,質點的振幅就已經很小了,因此,一般認為表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。表面波一般應用於鋼管探傷。

4. 板波

在板厚與波長相當的薄板中傳播的波,稱為板波。根據質點的振動方向不同可將板波分為sh波和蘭姆波。板波一般應用於薄板、薄壁鋼管探傷。

二.超聲波聲速測量

對探傷人員來說,用探傷儀測量聲速是最簡便的,用這種方法測聲速,可用單探頭反射法或雙探頭穿透法;可用於測縱波聲速和橫波聲速。

1. 反射法測縱波聲速

聲速按下式計算:

聲速 c=2d/(t1-t); t = 2t1 – t2

式中d工件厚度;

t由探頭晶片至工件表面傳輸時間;

t1 ------ 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時間;

t2由探頭晶片至工件底二次波傳輸時間;

2. 穿透法測縱波聲速

聲速按下式計算:

聲速 c=d/(t1-t); t = 2t1 – t2

式中d工件厚度;

t由探頭晶片至工件表面傳輸時間;

t1 ------ 由探頭晶片至工件底一次波傳輸時間;

t2由探頭晶片至工件底二次波傳輸時間;

3. 反射法測橫波聲速

用半圓弧測橫波聲速,按下式計算:

聲速 c=2d/(t1-t); t = 2t1 – t2

式中d半圓半徑長度;

t由探頭晶片至半圓弧探測面傳輸時間;

t1 ------ 由探頭晶片至圓弧面一次波傳輸時間;

t2由探頭晶片至圓弧面二次波傳輸時間;

第三節波的若干概念

一. 波的迭加與干涉

1. 波的迭加原理

當幾列波在同一介質中傳播時,如果在空間某處相遇,則相遇處質點的振動是各列波引起振動的合成,在任意時刻該質點的位移是各列波引起的位移的向量和。幾列波相遇後仍保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性並按原來的傳播方向繼續前進,好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣,這就是波的迭加原理,又稱波的獨立性原理。

波的迭加現象可以從許多事實觀察到,如兩石子落水,可以看到兩個石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇後的傳播情況。又如樂隊合奏或幾個人談話,人們可以分辨出各種樂器或各人的聲音,這些都可以說明波傳播的獨立性。

2. 波的干涉

兩列頻率相同,振動方向相同,位相相同或位相差恆定的波相遇時,介質中某些地方的振動互相加強,而另一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現象叫做波的干涉現象。

波的迭加原理是波的干涉現象的基礎,波的干涉是波動的重要特徵。在超聲波探傷中,由於波的干涉,使超聲波源附近出現聲壓極大極小值。

二. 惠更斯原理和波的衍射

1.惠更斯原理

如前所述,波動是振動狀態的傳播,如果介質是連續的,那麼介質中任何質點的振動都將引起鄰近質點的振動,鄰近質點的振動又會引起較遠質點的振動,因此波動中任何質點都可以看作是新的波源。據此惠更斯提出了著名的惠更斯原理:介質中波動傳播到的各點都可以看作是發射子波的波源,在其後任意時刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。

2.波的衍射(繞射)

波在傳播過程中遇到與波長相當的障礙物時,能繞過障礙物邊緣改變方向繼續前進的現象,稱為波的衍射或波的繞射。

當d《時,波的繞射強,反射弱,缺陷回波很低,容易漏檢;當d>>時,反射強,繞射弱,聲波幾乎全反射。

波的繞射對探傷即有利又不利。由於波的繞射,使超聲波產生晶料繞射順利地在介質中傳播,這對探傷有利;但同時由於波的繞射,使一些小缺陷回波顯著下降,以致造成漏檢,這對探傷不利。一般超聲波探傷靈敏度約為/2。

三. 超聲場的特徵值

充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質,叫超聲場;超聲場具有一定的空間大小和形狀,只有當缺陷位於超聲場內時,才有可能被發現。描述超聲場的特徵植(即物理量)主要有聲壓、聲強和聲阻抗。

1.聲壓p

超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強p1與沒有超聲波存在時的靜態壓強p0之差,稱為該點的聲壓,用p表示(p = p1 - p0)。

聲壓幅值 p = cu = c(2fa)

其中介質的密度;

c----波速;

u----質點的振動速度;

a----聲壓最大幅值;

f----頻率。

超聲場中某一點的聲壓的幅值與介質的密度、波速和頻率成正比。在超聲波探傷儀上,螢幕上顯示的波高與聲壓成正比。

2.聲阻抗z

超聲場中任一點的聲壓p與該處質點振動速度u之比稱為聲阻抗,常用z表示。

z = p / u = cu / u = c

由上式可知,聲阻抗的大小等於介質的密度與波速的乘積。由u = p/z可知,在同一聲壓下,z增加,質點的振動速度下降。因此聲阻抗z可理解為介質對質點振動的阻礙作用。

超聲波在兩種介質組成的介面上的反射和透射情況與兩種介質的聲阻抗密切相關。

3.聲強i

單位時間內垂直通過單位面積的聲能稱為聲強,常用i表示。

i = z u2/2 = p2/(2z)

當超聲波傳播到介質中某處時,該處原來靜止不動的質點開始振動,因而具有動能;同時該處介質產生彈性變形,因而也具有彈性位能;聲能為兩者之和。

聲波的聲強與頻率平方成正比,而超聲波的頻率遠大於可聞聲波。因此超聲波的聲強也遠大於可聞聲波的聲強。這是超聲波能用於探傷的重要原因。

在同一介質中,超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。

四. 分貝的概念與應用

1. 概念

由於在生產和科學實驗中,所遇到的聲強數量級往往相差懸殊,如引起聽覺的聲強範圍為10- 16 ~ 10– 4 瓦/釐米2,最大值與最小值相差12個數量級。顯然採用絕對量來度量是不方便的,但如果對其比值(相對量)取對數來比較計算則可大簡化運算。分貝就是兩個同量綱的量之比取對數後的單位。

通常規定引起聽覺的最弱聲強為i1 = 10 –16 瓦/釐米2 作為聲強的標準,另一聲強i2與標準聲強i1 之比的常用對數稱為聲強級,單位是貝爾(bel)。實際應用時貝爾太大,故常取1/10貝爾即分貝(db)來作單位。(如取自然對數,則單位為奈培np)