超声波检测基本知识

特种设备无损检测相关知识超声波检测基本知识第1页第九章超声波检测基础知识超声波检测基本知识第2页第九章、超声检测一、超声波性质1、声波次声波超声波声波、次声波、超声波都是机械波，有声速、频率、波长、声压、声强等参数，在界面也会发生反射、折射。我们能够听到声音是因为声波传到了我们耳内，声波频率在20HZ～0HZ，频率低于或超出上述范围时人们无法听到声音，频率低于20HZ声波称为次声波，频率超出0HZ声波称为超声波。工业探伤上惯用超声波范围是：0.5～20MHz;其中金属探伤最惯用频率是：1～5MHz；探水泥构建用频率是：<0.5MHz,如100KHz,200KHz;探测玻璃陶瓷中μm级小缺点用频率是100MHz～200MHz,甚至更高。超声波检测基本知识第3页一、超声波性质2、超声波特点（1）有良好指向性：（2）能量高

因为能量（声强）与频率平方成正比，故超声波能量远大于声波能量I1/I2=1MHz2/1KHz2=100万倍。超声波检测基本知识第4页一、超声波性质（3）能像光线一样呈直线传输，并在界面上产生反射、折射和波型转换，在传输过程中还有干涉、叠加、绕射现象，故能够充分利用这些几何、物理特征进行探伤。（4）在金属材料中传输速度很快，穿透能力强、衰减小，如对一些金属穿透能力可达数米，其它检测伎俩无法相比。超声波检测基本知识第5页一、超声波性质3、超声波波型与声速（1）纵波（L）质点振动方向与波传输方向相平行。纵波在固、液、气三种介质中均能传输。（2）横波（S）质点振动方向与传输方向相垂直，质点受到是交变剪切应力作用，故亦称切变波。液体和气体不能够承受剪切应力，故无横波传输。（3）表面波，在固体表面传输。

材料纵波声速米每秒横波声速米每秒钢59003230水1400-----有机玻璃27201460铝62603080铜47002260超声波检测基本知识第6页一、超声波性质4、超声波反射折射波型转换（1）入射纵波反射折射波型转换纵波倾斜入射到不一样介质表面时会产生反射纵波反射横折射纵波折射横波，反射、折射角度符合普通反射折射定律。介质1介质2αβLβSαS’αL’SinαC1LC1SC2LC2S=SinβSSinβL==SinαS’超声波检测基本知识第7页一、超声波性质(2)第一临界角当在第二介质中折射纵波角等于90度时，称这时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。焊缝探伤用横波就是，经过界面波型转换得到。（3）第二临界角当纵波入射角继续增大时，在第二介质中横波折射角也增大，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。介质1介质2α介质1介质2αβLβS超声波检测基本知识第8页一、超声波性质在有机玻璃与钢介面，第一临界角为α1=27.60βS=33.20第二临界角为57.70，用于焊缝检测超声波斜探头入射角必须大于第一临界角而小于第二临界角。我国习惯：斜探头横波折射角用横波折射角度正切值表示，如K=2S超声波检测基本知识第9页二、超声波发射与接收1、压电效应与逆压电效应一些晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场效应称为压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形效应称为逆压电效应。超声波检测基本知识第10页二、超声波发射与接收2、超声波发射与接收用有压电效应晶体材料做晶片，在高频电压激励下在产生厚度方向伸缩，这么产生振动传出就成超声波。假如晶片在超声波声压作下，在晶片两侧产生电荷，产生一个小电信号，经放大器放大后可识别。超声波发射与接收是由超声波探头完成，有是一个晶片（单晶探头）完成发射与接收超声波，有是两块晶片（双晶探头）分别完成发射与接收超声波超声波检测基本知识第11页二、超声波发射与接收3、纵波发射声场圆盘声源辐射纵波声场，晶片为圆形，在高频激励下产生振动，晶片上每个小区域都辐射超声波，这些波某处叠加会加强，另一处会减弱。超声波检测基本知识第12页二、超声波发射与接收（1）超声场形状如图指向性用半扩散角表示，θ＝Sin-11.22λ/D。（λ是波长，D是晶片直径）半扩散角θ副声束瓣超声波检测基本知识第13页二、超声波发射与接收（2）中线轴线上声压分布情况在靠晶片一个范围内，因为波干涉，出现声压为“0”点，从晶片至最终一个声压最大值距离称为近场距离，此区域称近场区。N近场长度计算N=(D2-λ2)/4λ探伤时缺点在声场中才能被发觉，如在近场区声压为零处也不能发觉。在距晶片三倍近场区以外，声压随距离下降情况与球面波相同，与理论计算值基本相同。超声波检测基本知识第14页二、超声波发射与接收在声束径向上声压分布情况：分别是N1、3N和6N处声压分布在声束径向上声压分布情况：分别是晶片附近、1/2N和1N处声压分布超声波检测基本知识第15页二、超声波发射与接收4）横波发射声场惯用横波探头，是使纵波倾斜入射到界面上，经过波型转换来实现横波探伤。纵波入射角应在第一临界角与第二临界角之间，纵波全反射，在工件中只有横波存在。超声波检测基本知识第16页三、超声波探伤原理

把1-5兆赫（1－5MHZ）高频超声波入射到被检物中，如碰到缺点（界面）则一部分入射超声波被反射，并利用探头接收反射信号性能，可不损坏工件检出缺点大小（尺寸）和位置，这种方法叫UT检测。超声波检测能发觉最小缺点尺寸a≥λ/2，当a＜λ/2时，超声波会产生绕射，超声波在介质中反射率：空气是100%，夹渣为46%，水为88%。超声波检测基本知识第17页三、超声波探伤原理探伤方法分类①按波型分：a纵波探伤：垂直探伤法b横波探伤：斜射探伤法c表面波探伤②按耦合方式分a直接耦合接触法，又称接触法。b水浸法超声波检测基本知识第18页三）超声波探伤原理1）纵波探伤示意图探头发射和接收超声波，发射超声波是脉冲波，脉冲超声在工件中遇界面反射超声波，超声再在探头中换成电信号经放大后显示，显示器上横座标表示超声波在工件中传输时间，纵座标表示反射超声波声压，与反射面积大小对应。超声波检测基本知识第19页三、超声波探伤原理2、横波探伤示意图超声波检测基本知识第20页超声波横波探伤水平定位超声波检测基本知识第21页超声波横波探伤深度定位超声波检测基本知识第22页四、仪器探头试块1、仪器按缺点显示方式分为A型B型还有C型，普遍使用A型显示。仪器上荧光屏横轴表示超声波在工件中传输时间，纵轴表示反射体反射回来声压大小，能够比较缺点大小。为使进入放大器中信号在一定范围，仪器上有一衰减器。当前主要有两类,早期是模拟机,现在许多单位有数字机。超声波检测基本知识第23页仪器显示方式超声波检测基本知识第24页仪器主要性能指标（含与探头后）：水平线性、垂直线性、灵敏度、盲区、始脉冲宽度、分辨力等超声波检测基本知识第25页四、仪器探头试块2、探头依据波型，探头可分为有纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头等。依据波束能够分为聚焦探头与非聚焦探头。依据晶片数可分为单晶片、双晶片。惯用主要是直探头与斜探头超声波检测基本知识第26页四、仪器探头试块（1）直探头结构主要有压电晶片、保护膜、电缆线、阻尼块、外壳、接头。阻尼块作用是：晶片在受激励振荡后马上停下来，使脉冲宽度变小，分辨力提升。吸收后面杂波，支撑固定晶片。探头主要参数有：晶片材料、直径、频率、保护膜如PZT2.5Φ20超声波检测基本知识第27页四、仪器探头试块（2）斜探头结构主要有压电晶片、斜楔、电缆线、阻尼块、吸声材料、外壳、接头。斜楔作用是实现波型转换,使被探工件中只存在折射横波。斜楔纵波声速必须小于工件中纵波波速,要耐磨、易加工,对超声波衰减系数小。探头主要参数有：晶片尺寸、频率、K值如2.5P13×13K2超声波检测基本知识第28页3、试块按一用途设计制作含有简单人工几何反射体试样。（1）作用a确定探伤灵敏度；b测试仪器和探头一些主要性能如放大线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头入射点、K值等；c调时间扫描线百分比C评判缺点大小（2）分类一类是由权威机构制订试块，称为标准试块如CSK-IA一类是按详细探伤对象制订试块，如CSK-IIIA、CS-1四、仪器探头试块超声波检测基本知识第29页四、仪器探头试块CSK-IA超声波检测基本知识第30页四、仪器探头试块CSK-IIIA超声波检测基本知识第31页四、仪器探头试块CSK-IIACSK-IVA超声波检测基本知识第32页四、仪器探头试块平底孔试块超声波检测基本知识第33页五、影响探伤结果原因1）仪器与探头组合性能垂直线性－－会影响缺点当量大小判定水平线性－－影响缺点定位，非缺点波识别盲区－－影响近表面缺点检测2）探头频率－－理论上能够发觉最小缺点是波长1/2，在能确保穿透前提下，选高一些频率直径－－直径大，发射功率大，能探厚度大工件，工作效率高，但近场区长度增加，近场区内易漏缺点，波高不稳。K值－－依据厚度和焊缝宽度选择，应一次波越过后面对过焊缝边缘，薄板选大一些，厚板选小一些，确保扫查到整个面。超声波检测基本知识第34页五、影响探伤结果原因a超声波检测基本知识第35页五）影响探伤结果原因3）耦合超声波探伤时在探头与工件之间如存在空气，因为空气声阻抗比较大，超声波不能被导入工件，必须使用一个液体消除间隙，在探头与件之间起透声作用，这就是耦合剂。耦合剂－－应选取声阻抗（密度与声速乘积）比较大，惯用有机油、水玻璃、甘油、水、化学浆糊耦合层厚度－－理论上耦合层厚度为波长1/2整数倍时透声效果最好，耦合层厚度为波长1/4奇数倍时透声效果最差，实际工作中普通尽可能使耦合层薄一些。工件表面粗糙影响，要求工件表面粗糙度不高于6.3μm超声波检测基本知识第36页五、影响探伤结果原因4)探伤灵敏度灵敏度选择过高时探伤时反射杂波太多,影响缺点波识别,灵敏度过低时会遗漏缺点。5）仪器时间扫描线调试正确性，斜探头K值测试正确性会影响缺点定位或对非缺点信号判别。6）手工探伤时探头移动速度过快，缺点波显示不够亮，易遗漏缺点。超声波检测基本知识第37页六、超声波探伤工艺1、探伤准备（1）技术等级、检测区、工件表面准备(对接焊接接头检测)检测技术等级a技术等级分为A、B、C三级，C级，依据压力容器产品主要程度进行选取。b选取标准：A级检测适合用于承压设备相关支承件和结构件焊缝检测；B级检测适合用于普通承压设备对接焊缝检测；C级检测适合用于主要承压设备对接焊缝检测。超声波检测基本知识第38页六、超声波探伤工艺c详细要求：A级要求：母材厚度为8～46㎜，用一个K值探头在工件单面单侧进行检测，普通不要求进行横向裂纹检测；B级要求：母材厚度为8～46㎜，用一个K值探头在工件单面双侧进行检测；母材厚度为46～120㎜，采取一个K值在工件双面双侧进行检测，条件不允许时可在工件双面单侧或单面双侧采取两种K值探头检测；母材厚度>120㎜，用两种K值在工件双面双侧检测，两种K值探头折射角相差大于100；应进行横向缺点检测。焊缝余高要磨平。超声波检测基本知识第39页六、超声波探伤工艺C级要求：采取C级检测时应将焊缝余高磨平，探头扫查经过区要用直探头检测；母材厚度为8～46㎜，普通用两种K值探头在在工件单面双侧进行检测，两探头折射角相差大于100，其中一个为450母材厚度为46～400㎜，普通用两种K值探头在在工件双面双侧进行检测，两探头折射角相差大于100，对单侧坡口角度小于50窄间隙焊缝，增加对与坡口表面平行缺点有效方法；应进行横向缺点检测，检测时将探头放在焊缝及热影响区上作两个方向平行扫查。超声波检测基本知识第40页六、超声波探伤工艺检测区

检测区宽度为焊缝本身，再加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%区域，这个区域最小为5㎜，最大为10㎜探头移动区宽度a一次反射法检测时探头移动应大于或等于1.25P,P=2KT检测面位置1位置2检测区超声波检测基本知识第41页六、超声波探伤工艺b直射法检测时探头移动区应大于或等于0.75PP=2KT。检测面位置2检测区位置1（2）工件表面准备探头移动区应去除焊接飞溅、铁屑、油污及其它杂质，检测表面平整，便于探头扫查其表面粗糙度Ra小于6.3μm超声波检测基本知识第42页六、超声波探伤工艺（3）仪器调试（a）时间扫描线（深度、水平）仪器上时间扫描线能够按反射体深度调试，这时显示刻度值即为缺点深度。也可按水平距离调试这时显示值为探头入射点至缺点水平距离。超声波检测基本知识第43页六）超声波探伤工艺(b)灵敏度调试（试块法、工件大平底法、当量计算法）按标准要求，选取一定形状、大小规则反射体，深度与工件厚度相当，使反射体波高到一定高度，如80%显示器。当工件厚度大于三倍近场区长度时，声波衰可按理论计算，计算工件底面与人工反射体差异，调整灵敏度。利用通用规一化处理过曲线来调整灵敏度。

超声波检测基本知识第44页六）超声波探伤工艺其特征量2、缺点大小测量A当量法（比较、计算）探伤中发觉缺点后，测量其波高与试块上同声程规则反射体波高相同，规则反射体大小即为该缺点当量大小。假如声程大于三倍近场区长度可用公式计算缺点当量大小。当量法普通用于缺点小于声束截面时使用，大于声束截面时用测长法。超声波检测基本知识第45页六、超声波探伤工艺B测长法（半波高度法端点半波高度法）当缺点尺寸大于声束截面时，探头移动，当缺点波高降至二分之一时，认为声束中心是指向缺点边缘。当缺点波不是一个最高点时，将缺点波边缘某高度波下降二分之一时，探头位置为缺点边缘。C底波高度法用缺点波高度与工件完好处底波或与缺点处底波进行比较。超声波检测基本知识第46页六、超声波探伤工艺3、非缺点信号识别A工件侧壁回波纵波检测细长工件时,因为扩散波束在侧壁产生波型转换,由纵波转换为横波,此横波在另一面又转换为纵波,最终经底面反射回到探头