第四章 超声波探伤.ppt

焊接检验 第四章 超声波探伤 第四章 超声波探伤 超声波探伤(ultrasonic testing)是利用超声波能在弹性介质中的传播、衰减，在界面上反射、折射等物理特性来探测材料内部或表面缺陷的一种探伤方法，简称UT。 超声波探伤不但检测厚度大，而且灵敏度高，速度快，成本低，能对缺陷定位和定量，同时对人体无害。然而超声波探伤缺陷显示不直观，探伤技术难度大，易受主、客观条件的影响，探伤结果不便保存。 第一节 超声波探伤基本原理 波动分为机械波和电磁波两大类 机械波是机械振动在弹性介质中的传播。如水波、声波、超声波 电磁波是交变电磁场在空间的传播过程。如无线电波、光线、X射线等 声波是在弹性介质中的传播的机械纵波，频率在20~20000Hz 频率低于20Hz的声波不能被人听到，称为次声波 频率高于20000Hz的声波人耳也听不到，称为超声波。探伤用超声波频率在(0.5~10)MHz 超声波应用探测技术示例 声波雷达（声纳）探测深水潜航（艇），海洋鱼群、海底深度等 医用B超 利用超声波在缺陷表面的显著反射特性，可探测工件焊缝内部的气孔、裂纹、夹渣等缺陷 超声波也可用于超声波焊接，如薄板、塑料等 一、超声波的产生和接收 1.压电效应 某些晶体材料在交变应力作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之，当晶体材料在交变电场下，产生伸缩变形称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。 超声波探伤中的压电晶片具有压电效应。当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应；当探头接收超声波时，发生正压电效应。 超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转换，因此被称为换能器。 具有压电效应的材料称为压电材料。 2.超声波探头结构 （1）压电晶片 （2）吸收块 （3）保护膜 （4）匹配电感 超声波探头结构 （1）压电晶片：单晶材料如SiO2、Li2SO4等；多晶材料（压电陶瓷）如BaTiO3、PbZrTiO3等。 （2）吸收块：阻尼作用（阻尼块）、吸收杂波、支撑晶片 （3）保护膜：保护压电晶片不致损坏或磨损，分软、硬两类 （4）匹配电感：电气阻抗匹配作用 探头的工作原理： 高频电压→压电晶片→逆压电效应→伸缩变形→振动→超声波 超声波→机械振动→压电晶片拉压→正压电效应→高频电压 超声波探头结构 二、超声波的性质 有关机械波的基本概念： 纵波和横波 波线和波阵面：波射线、波面 点波源——球面波 波沿同一方向传播——平面波 波速：大小由介质决定 横波 G—介质切变弹性模量，ρ—介质密度 横波 只能在固体中传播 有关机械波的基本概念： 纵波：在弹性细棒中 Y—介质的杨氏弹性模量 波长λ：两个相邻的完全振动相同的点的距离 波的周期T和波的频率ν： 波速 波的频率等于单位时间内通过介质中任一定点的完整波的个数。 波长λ 纵波 横波 超声波的性质 1.有良好的指向性 (1)直线性：超声波沿直线传播，波速取决于弹性介质，在钢中的纵波波速5880~5950m/s，横波3230m/s 反射波的时间——缺陷深度定位 (2)束射性：充满超声波的空间或超声振动所涉及的部分介质叫超声场。圆性压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声波为锥形。 超声波的性质 超声波的性质 1）超声波的能量主要集中在2θ以内的锥形区域内 可以看出波长越短（频率越高），压电晶片尺寸越大，波束扩散角θ越小，超声波能量越集中，探伤灵敏度、分辨率和定位精确度都会提高。 2）近场区中由于波的干涉声压起伏很大 近场区长度 超声波探伤尽量避免在近场区定量 超声波的性质 3）超声场中波源距离不同的横截面上各点的声压是不同的，在远场区（X7N）以轴线上的声压为最高 4）未扩散区（b=1.64N），波阵面近似平面；扩散区其主波束可视为底面直径为D的截头圆锥体，当X3N可看成球面波。 实际金属介质焊缝探伤为脉冲波横波声场 超声波的性质 2.超声波能在介质中传播，不能在真空中传播 5MHz超声波透过0.046m的空气其声强衰减为原来的1%，而达到同样衰减程度的钢板厚度为1.15m。 3.界面的透射、反射、折射和波型转换 （1）垂直入射异质介面时的透射、反射和绕射 入射波与反射波、透射波 反射系数K=W反/W入，钢—空气K=100% 反射与耦合剂 反射与缺陷显示 波的绕射（衍射）与探伤灵敏度（λ/2）提高超声波的频率，有利于提高探伤灵敏度 透射、反射和绕射 反射系数 （2）倾斜入射异质界面的反射、折射、波型转换和聚焦 波型转换：当超声波由一种介质入射到另一种介质时，除产生同种波型的反射和折射外，还会产生不同类型的反射波和折射波，这种现象称为波型转换。 如纵波L入射，产生反射纵波L1、折射纵波波L2；同时产生反射横波S1、折