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1、第四章 超声波探伤 教学目标：一、 了解超声波检测的基础知识，熟悉各种规则反射体回波声压的规律；二、 了解超声波检测的设备，熟悉超声波检测仪和探头性能的测定方法；三、 了解超声波检测的一般工艺，掌握对接焊缝超声波检测工艺及焊缝质量的评定方法；四、 能够依据相关标准对焊缝质量做出评定。一、 任务导入： 超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种无损检测方法。它可以检查金属材料、部分非金属材料的表面和内部缺陷，如焊缝中裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔等缺陷。超声波探伤具有灵敏度高、设备轻巧、操作方便、探测速度快、成本低、对人体无害等优点，但对缺陷进行定性和定量的准确
2、判定方面还存在着一定的困难。二、 相关知识知识点一：超声波的产生及其性质 超声波是频率大于20000Hz的声波，它属于机械波。在金属探伤中使用的超声波，其频率为0.510MHz，其中以25MHz最为常用。1. 超声波的产生与接收 探伤中采用压电法来产生超声波。压电法是利用压电晶体片来产生超声波的。压电晶体片是一种特殊的晶体材料，当压电晶体片受拉应力或压应力的作用产生变形时，会在晶片表面出现电荷；反之，其在电荷或电场作用下，会发生变形，前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应。超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来实现的。由超声波探伤仪产生的电振荡，以高频电压形式加载于探头中的
3、压电晶体片的两面上，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。若压电晶体片与工件表面有良好的耦合时，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。反之，当压电晶体片受到超声波作用而发生伸缩变形时，正压电效应的结果会使压电晶体片两表面产生具有不同极性的电荷，形成超声频率的高频电压，以回波电信号的形式经探伤仪显示，这就是超声波的接收。2. 超声波的性质 （1）超声波具有良好的指向性 由于超声波的波长非常短，因此，它在弹性介质中能象光波一样沿直线传播。而且超声波在固定的介质中传播速度是个常数，所以，根据传播时间就能求得其传播距离，这样就为探伤中缺
4、陷的定位提供了依据。（2）超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播 一般探伤中通常把空气介质作为真空处理，所以认为超声波也不能通过空气进行传播。 （3）超声波如同声波一样，通过介质时，根据介质质点的振动方向与波的传播方向之间的相互关系的不同，有不同的波型3. 超声波的类型（1）纵波（L） 声波在介质中传播时，介质质点的振动方向和波的传播方向相同的波，称之为纵波。它能在固体、液体和气体中传播。（2）横波（S） 声波在介质中传播时，介质质点的振动方向和波的传播 方向相互垂直的波，称之为横波。横波只能在固体中传播。横波探伤有独特的优点，如灵敏度较高，分辨率较好等，在探伤中常用于焊缝及纵波难以探测的
5、场合，应用比较广泛。（3）表面波（R） 仅在固体表面传播且介质表面质点做椭圆运动的声波，称之表面波。在实际探伤中，表面波常用来检验工件表面裂纹及渗碳层或覆盖层的表面质量。 对于普通钢材，超声波在其中传播的纵波速度最快，横波速度次之，表面波速度最慢。因此，对同一频率超声波来说纵波的波长最长，横波次之，表面波最短。由于探测缺陷的分辨力与波长有关，波长短的分辨力高，因此表面波的探测分辨力优于横波，横波优于纵波。综上所述，由于超声波在金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型，因此对金属焊缝进行探伤时必须选定所需超声波的波型，否则会使回波信号发生混乱从而得不到正确的探伤结果。 4. 超声波入射异质界面时
6、的透射、反射、折射和波型转换（1）超声波垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射 当超声波从一种介质垂直入射到第二种介质上时，其能量的一部分被反射而形成与入射波方向相反的反射波，其余能量则透过界面产生与入射波方向相同的透射波。超声波反射能量W反与入射能量W入之比称之为超声波能量的反射系数K，即K=W反/W入。超声波在异质界面上的反射是很严重的，尤其在固气界面上K1，因此探伤中良好的耦合是一个必要条件。当然，焊缝与其中的缺陷构成的异质界面，也正因为有极大的反射才使探伤成为可能。当界面尺寸很小时，超声波能绕过其边缘继续前进，即产生波的绕射。由于绕射使反射回波减弱，一般认为超声波探伤中能探测到的缺陷尺寸
7、为/2，这是一个重要原因。显然，要想能探测到更小的缺陷，就必须提高超声波的频率。 （2）超声波倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦 若超声波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的反射和折射，并产生波型转换。不同波型的入射角、反射角、折射角的关系遵循几何光学的原理。由于超声波通过介质时具有折射的性质，因此如同光线一样，可利用透镜进行聚焦。聚焦所用的声透镜可用液体、金属、有机玻璃和环氧树脂等材料制作。5. 超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性 超声波的这一性质与射线相似，但超声波的能量很大，因而具有更强的穿透能力。超声波在大多数介质中，尤其在钢等金属材料中传播时，
8、传输损失少，传播距离最大可以达到数米远。所以，超声波探伤能够有较大的探测深度，这一优势是其他探伤方法没有的。 超声波在介质中传播时，其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。在金属材料的超声波探伤中，引起超声波衰减的原因主要是散射，其声压按负指数规律衰减，其规律如下： PX=P0e-x （41）式中 Px离压电晶体片表面为X处的声压（Pa）； P0超声波原始声压（Pa）； e自然对数的底； 金属材料的衰减系数（dB/m）； X超声波在金属材料中传播的距离（m）。 知识点二：超声波探伤设备简介 超声波探伤设备主要由超声波探头及其附属部件组成，评判调整超声波探伤仪的性能，一般采用标
9、准试块。 1、超声波探头 超声波探头又称压电超声换能器，是实现电一声能量相互转换的能量转换器件。 （1）探头的种类 1）直探头 声束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头。它可发射和接收纵波。由压电元件、吸收块、保护膜和壳体等组成。 2）斜探头 利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面入射工件的探头称为斜探头。它可发射和接收横波。 典型的斜探头结构如图4-1所示，它由探头、斜楔块、吸收块和壳体等组成。探头与直探头相似，也是由电压元件和吸收块组成。斜楔块用有机玻璃制作，它与工件组成固定倾斜的异质界面，使探头中压电元件发射的纵波通过波型转换，以折射横波在工件中传播。通常横波斜探头以钢中折射角标称：有=4
10、0、45、50、60、70等几种；有时也以折射角的正切值标称：k=tg=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。 图8-1 斜探头结构 1-吸收块 2-斜楔块 3-压电晶片4-内部电源线 5-外壳 6-接头 水浸聚焦探头 一种由超声探头和声透镜组合而成的探头。声透镜由环氧树脂浇铸成球形或圆柱形凹透镜，类似光学透镜能使光线聚焦一样，它可使超声波束集聚成一点或一条线。由于聚焦探头的声束变细，声能集中，从而大幅度改善了超声波的指向性，提高了灵敏度和分辨力。双晶探头 为了弥补普通直探头探测近表面缺陷时存在着盲区大、分辨力低的缺点而设计的探头。探头内含两个压电元件，分别是发射晶片和接收晶片，中间用隔声层
11、分开。双晶探头又称为分割式TR探头，主要用于探测近表面缺陷和薄工件的测厚。2探头的主要参数探头性能的好坏，直接影响着探伤结果的可靠性和准确性。因此，对探头性能的有关指标，国家规定了基本的要求，生产中需定期测试以保证探伤质量。焊缝超声波探伤常用斜探头。斜探头的主要性能参数如下：折射角或k值 或K值大小决定了声束入射工件的方向和声波传播途径，是为缺陷定位计算提供的一个有用数据，因此探头使用磨损后均需测量或k值。前沿长度 声束入射点至探头前端面的距离称为前沿长度，又称为接近长度。它反映了探头对有余高的焊缝接近的程度。入射点是探头声束轴线与楔块底面的交点。探头在使用前和使用过程中要经常要测定入射点位置
12、，以便对缺陷进行准确定位。声轴偏离角 它反映了主声束中心轴线与晶片中心法线的重合程度。声轴偏离角除直接影响缺陷定位和指示长度的测量精度外，还会导致探伤者对缺陷方向产生误判，从而影响对探伤结果的分析。3探头型号 探头型号由五部分组成，用一组数字和字母表示，其排列顺序如下：一二三四五基本频率晶片材料晶片尺寸探头种类探头特征 探头基本频率 单位为MHz。 压电晶片材料 常用的压电晶片材料及其代号见表8-1所示。 压电晶片尺寸 单位为mm。圆形晶片为晶片直径；方形晶片长度宽度，分割探头晶片为分割前的尺寸。 探头种类 用汉语拼音缩写字母表示，见表8-1所示。表 8-1 常用压电晶片材料和探头的代号 压电
13、晶片材料代 号探 头 种 类代 号锆钛酸铅陶瓷P直探头Z钛酸钡陶瓷B斜探头（用K值表示）K钛酸铅陶瓷T斜探头（用表示）X铌酸锂单晶L分割探头FG碘酸锂单晶I水浸探头SJ石英单晶Q表面波探头BM其它材料N可变角探头KB 探头特征 斜探头用K值或表示，单位为度；分割探头为被探工件中声束交区深度，单位为mm；水浸聚焦探头为水中焦距，单位为mm，DJ表示点聚焦，XJ表示线聚焦。示例 5 P 66 k 3 基本频率为5MHz晶片用锆钛酸铅陶瓷职称方形晶片尺寸6mm6mm以K值表示的斜探头斜探头K3.0 二、超声波探伤仪 超声波探伤仪的主要功能是产生超声频率的电振荡，以此来激励探头发射超声波。同时，它又将
14、探头接收到的回波电信号予以放大、处理，并通过一定方式显示出来。1超声波探伤仪的分类按超声波的连续性可将探伤仪分为脉冲波、连续波和调频波探伤仪三种。其中，后两种探伤仪，由于其探伤灵敏度低，缺陷测定有较大的局限性，所以在焊缝探伤中均不采用。按缺陷显示方式，可将超声波探伤仪为A型 显示（缺陷波幅显示）、B型显示（缺陷俯视图象显示）、C型显示（缺陷侧视图象显示）和3D型显示（缺陷三维图象显示）等。按超声波的通道数目又可将探伤仪分为单通道和多通道探伤仪两种。前者是由一个或一对探头单独工作；后者是由多个或多对探头交替工作，而每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。目前，焊缝超声波探伤中广泛使用A型显示脉冲反射式单通道超声波探伤仪。2A型脉冲反射式超声波探伤仪A型脉冲反射式探伤仪电路框图如图8-2所示。接通电源后，同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路。扫描电路受触发后开始工作，产生的锯齿波电压加至示波管水平（x轴）偏转板上使电子束发生水平偏转，从而在示波屏产生一条水平扫描线（又称时间基线）。与此同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲加至探头，激励压电晶片振动而产生超声波，再通过探测表面的耦合剂将超声波导入工件。超声波在工件中传播遇到缺陷或底面时会发生反射，回波被同一探头或接收探头所接收并被转变
