超声检测 基本原理ppt课件.pptx
钢结构焊缝超声检测基本原理,目录第一章 超声波物理基础第二章 检测设备与器材第三章 探伤方法第四章 检测技术第五章 超声波检测的优点与局限性,第一章 超声波物理基础,超声波物理基础,什么是超声波,超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中传播而形成的波动，通常以其波动频率 f 和人的可闻频率加以区分超声波与其它声波种类：,超声波物理基础,超声波的产生与接收,目前金属探伤中最常用的产生超声波的方法是压电法。超声波的产生与接收是利用超声波探头中压电晶片的压电效应来实现的。超声波是由压电晶片的逆压电效应产生的。探伤使用的超声波频率一般为0.510MHz，其中以25MHz最为常用。,超声波物理基础,1、超声波具有良好的指向性；2、超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播；3、异质界面上的透射、反射、折射和波形转换；4、具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性。,超声波的性质,超声波物理基础,束射特性,反射特性,传播特性,波型转换特性,人们正是利用了超声波的这些特性，发展了超声波探伤技术。,超声波物理基础,超声波的波型,纵波（压缩波）,横波（剪切波）,板波（兰姆波）,表面波（瑞利波）,超声波物理基础,表32 常见固体材料的声速,超声波物理基础,波型转换纵波倾斜入射到不同介质的表面时会产生反射纵波反射横折射纵波折射横波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。,超声波的波型转换,超声波物理基础,第一临界角 当在第二介质中的折射纵波角等于90度时称这时的纵波入射角为第一临界角 I。这时在第二介质中已没有纵波，只有横波。焊缝探伤用的横波就是，经过界面波型转换得到的。第二临界角 当纵波入射角继续增大时，在第二介质中的横波折射角也增大，当S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。,临界角,超声波物理基础,在有机玻璃与钢的界面：第一临界角为=27.2，S=33.3第二临界角为=56.7，S=90,用于焊缝检测的超声波斜探头的入射角必须大于第一临界角而小于第二临界角,超声波的横波检测原理,超声波物理基础,超声波在材料中传播时，质点在某一瞬间的压力与静压之差称为声压。常用P表示，声压单位为Pa。,式中：P声压 介质密度 c声速 A介质振幅 V质点振动速度 0角频率,声压,超声波物理基础,声强是超声波的能流密度，指单位时间内在垂直声波传播方向上的单位面积内所通过的声能，常用I表示，单位为W/mm2。声强与声压的平方成正比：,式中：I声强 P声压 介质密度 c声速,声强,超声波物理基础,声阻抗是介质中某一质点的声压P与该处质点振动速度V之比，是描述介质传播声波特性的一个物理量，表示超声场中介质对质点振动速度的阻碍作用，常用Z表示，单位为kg/m2s。,式中：Z介质的声阻抗 P声压 V质点振动速度 介质密度 c声速,声阻抗,超声波物理基础,通常规定引起听觉的最弱声强为I0=10-16W/cm2作为声强的标准，另一声强I1与标准声强I0之比的对数称为声强级，单位为贝尔（B）。而实际应用中贝尔太大，故常取其十分之一即分贝（dB）为单位，即：,式中：I0标准声强，又称为初始声强 I1比较声强 P0初始声压 P1比较声压,分贝,超声波物理基础,在超声波检测中，常以dB为单位来测量任意两个回波的大小和表示反射脉冲波幅度。当超声检测仪的垂直线性较好时，仪器显示屏上的波高与其声压成正比，这时有：,当h1的高度是h0的2倍时：=20lg（h1/h0）=20lg（2）=6dB，h1比h0高6dB当h1和h0高度相同时:=20lg（h1/h0）=20lg（1）=0dB，二者分贝差为0dB当h1的高度是h0的一半时:=20lg（h1/h0）=20lg（1/2）=-6dB，h1比h0低6dB,超声波物理基础,异质界面的垂直入射：当声波从一种介质（A）进入另一种介质（B）时，传播特性产生变化。声波在两种不同介质的结合面（界面）上可分为反射声波与透射声波两种。反射和透射声波的比例，与组成界面的两种介质声阻抗有关。,传播规律,超声波物理基础,当入射介质（A）的声阻抗等于或近似另一介质（B）的声阻抗时，不产生或基本不产生反射波，所以当超声波垂直入射到两种声阻抗差很小的介质组成的界面时，几乎全透射，无反射。因此在焊缝探伤中，若母材与焊缝金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界面回波，这是直探头探伤的原理。当入射介质（A）的声阻抗远大于另一介质（B）的声阻抗时，声压反射趋于100%，透射趋于0，即声压几乎全反射，无透射。因此，检测中如探头与工件间不施加耦合剂，则形成固/气界面，超声波将无法进入工件。,超声波物理基础,超声波的衰减,1散射引起的衰减 超声波在传播过程中，遇到不均匀的和各向异性的金属晶粒时则会在界面上发生散乱反射、折射和波形转换，从而消耗超声波的能量，这种衰减称为散射衰减。2介质吸收引起的衰减 由于质点之间的相对运动和相互摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减，这种衰减称为介质吸收引起的衰减。3声束扩散引起的衰减 超声波在传播过程中会发生扩散，且随传播距离的增加，扩散程度也将会增大。声束扩散导致声束的截面增大，从而使单位面积上的声能减小。这种形式引起的超声波能量衰减称为扩散衰减。,第二章 检测设备与器材,检测设备及器材,超声波探伤仪,检测设备及器材,超声波探伤仪有多种分类方式：按超声波的连续性可分为脉冲波探伤仪、连续波探伤仪、调频波探伤仪；按仪器的信号处理方式可分为模拟型探伤仪和数字型探伤仪；按缺陷显示方式分为A型显示、B型显示、C型显示和3D型显示超声波探伤仪，按超声波的通道数目分为单通道和多通道探伤仪两种。目前应用较广的是数字式A型显示脉冲反射式单通道超声波探伤仪。,检测设备及器材,超声波探头,检测设备及器材,超声波探头,检测设备及器材,超声波探头参数,基本频率,晶片材料,晶片尺寸,探头种类,特征,2.5 20,直探头,园晶片直径20,钛酸钡陶瓷,频率2.5MHz,5 P 66 3,表示折射角,矩形晶片66,钛酸铅陶瓷,频率5MHz,值为3,检测设备及器材,超声波探伤用试块,检测设备及器材,超声波探伤用试块,CSK-IA,检测设备及器材,调节：探头的前沿、K值、声速,超声波探伤用试块,检测设备及器材,CSK-IIIA,超声波探伤用对比试块,检测设备及器材,距离-波幅（DAC)曲线,检测设备及器材,超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合好。当探头和工件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100%，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入工件。因此，排除探头和工件之间的空气非常重要。耦合剂可以填充探头与工件间的空气间隙，使超声波能够传入工件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减小探头和工件之间的摩擦，防止工件表面磨损探头，并使探头便于移动。,超声波探伤用耦合剂,检测设备及器材,影响耦合剂的主要因素有：耦合层厚度、表面粗糙度、耦合剂声阻抗及工件表面形状的影响等。一般耦合剂应满足以下要求：能润湿工件和探头表面，流动性、黏度和附着力适当，不难清洗。声阻抗高，透声性好。来源广，价格便宜。对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。性能稳定，不易变质，能长期保存。,超声波探伤用耦合剂,第三章 探伤方法,探伤方法,超声波探伤方法按探伤原理分为脉冲反射法、衍射法、穿透法和共振法。其中脉冲反射法应用最广泛，也是钢结构超声波探伤中的主要方法。脉冲反射法是超声波仪间断发射一定频率的超声波（脉冲波），通过耦合剂的耦合传入工件，当遇到异质界面（缺陷或工件底面）时，一部分超声波将发生反射，反射回波被仪器接收并以电脉冲信号在示波屏显示出来，由此判断缺陷的有无，以及进行定位、定量和评定。,探伤方法,1.回波方式 根据回波的表示方式不同，脉冲反射法分为A型显示、B型显示、C型显示和D型显示等。A型显示超声波检测：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表波的传播时间（或距离），纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷的大小。,2.入射方式 利用探头与工件的直接接触（忽略探头与工件间很薄的耦合剂层）进行超声波探伤的方法属于直接接触法。通过超声波入角方式的不同，直接接触法可分为垂直入射法和斜角入射法。,探伤方法,垂直入射法采用直探头将声束垂直入射工 件探伤面进行探伤的方法。,探伤方法,斜角入射法是采用斜探头将声束倾斜入射 工件探伤面进行探伤的方法。,探伤方法,采用二次波探伤，探测面修整宽度为：S 2KT+50(mm)采用一次波探伤，探测面修整宽度为：SKT+50(mm)式中:K-探头的K值；T-工件厚度。,第四章 检测技术,检测技术,探头K值（角度）使声束能扫查到整个焊缝（检测区）截面使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直保证有足够的探伤灵敏度,注：条件允许时，尽量采用大K值探头。,推荐采用的斜探头K值,检测技术,GB11345 标准规定：检验频率f一般在25MHz范围内选择，推荐选用22.5MHz公称频率检验。,探测频率增高，则其波长减小，可检测的缺陷极限尺寸也小，一般为/2。从这一角度出发，则频率增高，有利于缺陷检出。另一方面，焊缝中的危险性缺陷大都与超声束入射方向成一定角度，在这种情况下，若频率过高，则缺陷的反射指向性也越好，回波反而不易被探头接收，故频率不宜太高。保证有足够的探伤灵敏度。,探头频率的选择,检测技术,A级检验 采用一种角度的探头在焊缝的单面单侧进行检验,只对允许扫查到的焊缝截面进行探测.一般不要求作横向缺陷的检验.母材厚度大于50mm时,不得采用A级检验。,检验等级,检测技术,B级检验原则上采用一种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验,对整个焊缝截面进行探测；母材厚度大于100mm时,采用双面双侧检验；受几何条件的限制,可在焊缝的双面单侧采用两种角度探头进行探伤.条件允许时应作横向缺陷的检验。,检验等级,检测技术,C级检验 至少要采用两种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验.同时要作两个扫查方向和两种探头角度的横向缺陷检验.母材厚度大于100mm时,采用双面双侧检验.其他附加要求是:对接焊缝余高要磨平,以便探头在焊缝上作平行扫查;焊缝两侧斜探头扫查经过的母材部分要用直探头作检查;受焊缝母材厚度大于等于100mm,窄间隙焊缝母材厚度大于等于 40mm时,一般要增加串列式扫查。,检验等级,检测技术,在对待检焊缝进行探伤检测前，必须先要确定待检焊缝的验收等级和检测等级，方能对该焊缝进行相应的探伤操作并判定合格与否。焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定GB/T 11345-2013中的检测等级与焊缝无损检测 超声检测 验收等级GB/T 29712-2013中的验收等级关系见下表。,确定待检焊缝的验收等级和检测等级,检测技术,焊缝的检测区域是指焊缝及焊缝两侧至少10mm宽母材或热影响区宽度（取二者较大值）的内部区域。任何情况下，声速扫查都应覆盖整个检测区域，如无法满足要求时，应确定更换超声检测技术或者增加其他无损检测方法。如有可能，宜磨平焊缝余高。,检测区域及探头移动区,检测技术,在钢结构焊缝超声波探伤检测中，将斜探头垂直于焊缝中心线放置在探伤面上，从焊缝的一端以锯齿形扫查方式行进到焊缝的另一端，相邻两次探头移动间隔保证至少有探头宽度10%的重叠，扫查速度不应大于150mm/s。在探测焊缝及热影响区的横向缺陷时，可将探头与焊缝中心线成1020斜平行扫查或平行扫查。,检测技术,在发现缺陷或疑似缺陷回波显示后，为确定缺陷的位置、方向、形状、观察缺陷动态波形或区分缺陷回波与非缺陷回波，可采用前后、左右、转角、环绕等辅助扫查方式。,检测技术,缺陷的定位至少应包含：缺陷起始处距原点O的水平距离（x）、缺陷最大回波幅度处距焊缝中轴线的距离（y）以及距焊缝表面的距离（深度h）,缺陷定位,检测技术,缺陷指示长度测定,6dB相对灵敏度法,检测技术,测量时，将探头左右移动，测定波幅降低到评定等级时位置1和位置2的水平长度l,即为该缺陷的显示长度。,端点峰值法,缺陷指示长度测定,检测技术,缺陷的评定,焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定GB/T 11345-2013焊缝无损检测 超声检测 验收等级GB/T 29712-2013,检测技术,经无损探伤确定焊缝存在超标缺陷时应进行返修，返修前应由施工单位编写返修方案，返修过程应符合相关标准、规范的有关规定，返修后应采用相同的检测工艺进行复检。焊缝正、反面各作为一个部位，同一部位返修不宜超过两次。对两次返修后仍不合格的部位应重新返修方案，经工程技术负责人审批并报监理工程师认可后方可执行。,返修与复检,第五章 超声波检测的优点和局限性,优点和局限性,面积型缺陷的检出率较高，而体积型缺陷的检出率较低2.适合检测厚度较大的工件，不适合检测较薄的工件3.应用范围广，可用于各种试件4.检测成本低、速度快，仪器体积小，重量轻，现场使用较方便5.对缺陷在工件厚度方向上的定位较准确6.无法得到缺陷直观图像，定性困难，定量精度不高7.检测结果无直接见证记录8.材质、晶粒度对探伤有影响9.工件不规则的外形和一些结构会影响检测10.不平或粗糙的表面会影响耦合和扫查，从而影响检测精度和可靠性,THE END,
