【正文】 畢業(yè)論文：超聲波探傷在設(shè)備焊接缺陷中的檢測(cè)和分析 1： 電子與信息工程系 專業(yè)名稱： 焊接技術(shù)及自動(dòng)化 論文題目： 超聲波探傷在設(shè)備焊接缺陷中的監(jiān)測(cè)和分析 學(xué)生姓名 楊巖峰 指導(dǎo)老師： 評(píng) 閱 人： 成 績(jī)： 2020 年 6 月 2 日 畢業(yè)論文：超聲波探傷在設(shè)備焊接缺陷中的檢測(cè)和分析 2 七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院 第一章 緒論 超聲波探傷簡(jiǎn)介 超聲波 探傷 也叫 超聲檢測(cè) 、超聲波 檢測(cè) ，是 無(wú)損檢測(cè) 的一種。 無(wú)損檢測(cè)是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，對(duì)被檢驗(yàn)不見(jiàn)的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種檢測(cè)手段， Nondestructive Testing（縮寫 NDT）。 機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程叫做波，人耳能夠感受到頻率高于 16赫茲，低于20200 赫茲的彈性波，所以在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的彈性波又叫聲波。頻率小于 10赫茲的彈性波又叫次聲波，頻率高于 20200 赫茲的彈性波叫做超聲波。次聲波和超聲波人耳都不能感受。 超聲波的特點(diǎn)： 超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質(zhì)中沿直線傳播，具有良好的指向性。 超聲波在介質(zhì)中傳播過(guò)程中，會(huì)發(fā)生衰減和散射。 超聲波在異種介質(zhì)的界面上將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來(lái)的反射波，從而達(dá)到探測(cè)缺陷的目的。 超聲波的能量比聲波大得多。超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測(cè)深度大 ，由于超聲波在異質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，尤其是不能通過(guò)氣體固體界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷（缺陷中有氣體）或夾雜，超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時(shí)，就會(huì)全部或部分反射。反射回來(lái)的超聲波被探頭接收，通過(guò)儀器內(nèi)部的電路處理，在儀器的熒光屏上就會(huì)顯示出不同高度和有一定間距的波形?？梢愿鶕?jù)波形的變化特征判斷缺陷在工件重的深度、位置和形狀。 超聲波探傷優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害，能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。超聲波探傷對(duì)缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主客觀因 素影響，以及探傷結(jié)果不便于保存，超聲波檢測(cè)對(duì)工作表面要求平滑，要求富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類、適合于厚度較大的零件檢驗(yàn)，使超聲波探傷也具有其局限性。 超聲波探傷的基本原理 超聲波是一種機(jī)械波，機(jī)械振動(dòng)與波動(dòng)是超聲波探傷的物理基礎(chǔ)。 物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)的傳播過(guò)程，稱為波動(dòng)。波動(dòng)分為機(jī)械波和電磁波兩大類。機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。超聲波就是一種機(jī)械波。 機(jī)械波主要參數(shù)有波長(zhǎng)、頻率和波速。波長(zhǎng) ?：同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì) 點(diǎn)間的距離稱為波長(zhǎng)，波源或介質(zhì)中任意一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)的距離，常用單位為米 (m)；頻率 f：波動(dòng)過(guò)程中，任一給定點(diǎn)在 1 秒鐘內(nèi)所通過(guò)的完整波的個(gè)數(shù)稱畢業(yè)論文：超聲波探傷在設(shè)備焊接缺陷中的檢測(cè)和分析 3 七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院 為頻率 ，常用單位為赫茲 (Hz)；波速 C：波動(dòng)中，波在單位時(shí)間內(nèi)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(zhǎng)與波速成正比，與頻率成反比；當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)；當(dāng)波速一定時(shí)，頻率愈低，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)。 次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度相同。它們的區(qū)別在主 要在于頻率不同。頻率在 20~20200Hz 之間的能引起人們聽覺(jué)的機(jī)械波稱為聲波，頻率低于 20Hz 的機(jī)械波稱為次聲波，頻率高于 20200Hz 的機(jī)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 ~10MHz 之間，對(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為1~5MHz。超聲波波長(zhǎng)很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛用于無(wú)損探傷。 1. 方向性好：超聲波是頻率很高、波長(zhǎng)很短的機(jī)械波，在無(wú)損探傷中使用的波長(zhǎng)為毫米級(jí)；超聲波象光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射，易于在被檢材料中發(fā)現(xiàn)缺陷 。 2. 能量高：由于能量（聲強(qiáng)）與頻率平方成正比，因此超聲波的能量遠(yuǎn)大于一般聲波的能量。 3. 能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換：超聲波具有幾何聲學(xué)的上一些特點(diǎn)，如在介質(zhì)中直線傳播，遇界面產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等。 4. 穿透能力強(qiáng)：超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在一些金屬材料中其穿透能力可達(dá)數(shù)米。 超聲波探傷設(shè)備的介紹 超聲波探傷儀是一種便攜式工業(yè)無(wú)損探傷 儀器 ，它能夠快速、便捷、無(wú)損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷（裂紋、疏松、氣孔、夾雜等）的檢測(cè)、定位、評(píng)估和診斷。既可以用于實(shí)驗(yàn)室，也可以用于工程現(xiàn)場(chǎng)。廣泛應(yīng)用在鍋爐、壓力容器、航天、航空、電力、石油、化工、海洋石油、管道、軍工、船舶制造、汽車、機(jī)械制造、冶金、金屬加工業(yè)、鋼結(jié)構(gòu)、鐵路交通、核能電力、高校等行業(yè)。 超聲波探傷儀、探頭和試塊是超聲波探傷的重要設(shè)備，了解這些設(shè)備的原理、構(gòu)造和作用及其主要性能的測(cè)試方法是正確選用探傷設(shè)備進(jìn)行有效探傷的保證。 一． 超聲波探傷儀 超聲波探傷儀的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器（探頭）上，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)一定方式顯示出來(lái)，從而得到被探工件內(nèi)部有無(wú)缺陷及缺陷位置和大小等信息。 畢業(yè)論文：超聲波探傷在設(shè)備焊接缺陷中的檢測(cè)和分析 4 七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院 按缺陷顯示方式分類，超聲波探傷儀分為三種。 A 型： A 型顯示是一種波形顯示，探傷儀的屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播距離，縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。 B 型： B 型顯示是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表探頭的掃查軌跡，縱坐標(biāo)代表聲波的傳播距離，因而可直觀地顯 示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。 C 型： C 型顯示也是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都代表探頭在工件表面的位置，探頭接收信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示，因而當(dāng)探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)，屏上顯示出被探工件內(nèi)部缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。 目前，探傷中廣泛使用的超聲波探傷儀都是 A 型顯示脈沖反射式探傷儀。 二． 探頭 超聲波的發(fā)射和接收是通過(guò)探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下面介紹探頭的工作原理、主要性能及其及結(jié)構(gòu)。 1. 壓電效應(yīng) 某些晶體材料在交變拉壓應(yīng)作用下，產(chǎn)生交變電場(chǎng)的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。 反之當(dāng)晶體材料在交變電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。 超聲波探頭中的壓電晶片具有壓電效應(yīng)，當(dāng)高頻電脈沖激勵(lì)壓電晶片時(shí)，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能 (機(jī)械能 )，探頭發(fā)射超聲波。當(dāng)探頭接收超聲波時(shí)，發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換為電能。不難看出超聲波探頭在工作時(shí)實(shí)現(xiàn)了電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換，因此常把探頭叫做換能器。 2. 探頭的種類和結(jié)構(gòu) 直探頭用于發(fā)射和接收縱波，主要用于探測(cè)與探測(cè)面平行的缺陷，如板材、鍛件探傷等。 斜探頭可分為縱波斜探頭、橫波斜探頭和表面 波斜探頭，常用的是橫波斜探頭。橫波斜探頭主要用于探測(cè)與探測(cè)面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫、汽輪機(jī)葉輪等。 當(dāng)斜探頭的入射角大于或等于第二臨界角時(shí)，在工件中產(chǎn)生表面波，表面波探頭用于探測(cè)表面或近表面缺陷。 雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發(fā)射超聲波，另一塊用于接收超聲波。根據(jù)入射角不同，分為雙晶縱波探頭和雙晶橫波探頭。 雙晶探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 靈敏度高 （ 2） 雜波少盲區(qū)小 （ 3） 工件中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度小 （ 4） 探測(cè)范圍可調(diào) 畢業(yè)論文：超聲波探傷在設(shè)備焊接缺陷中的檢測(cè)和分析 5 七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院 雙晶探頭主要用于探傷近表面缺陷。 聚焦探頭種類較多。 3. 探頭 型號(hào) 探頭型號(hào)的組成項(xiàng)目及排列順序如下： 基本頻率 晶片材料 晶片尺寸 探頭種類 特征 三． 試塊 按一定用途設(shè)計(jì)制作的具有簡(jiǎn)單幾何形狀人工反射體的試樣，通常稱為試塊。試塊和儀器、探頭一樣，是超聲波探傷中的重要工具。 1． 試塊的作用 （ 1） 確定探傷靈敏度 超聲波探傷靈敏度太高或太低都不好，太高雜波多，判傷困難，太低會(huì)引起漏檢。因此在超聲波探傷前，常用試塊上某一特定的人工反射體來(lái)調(diào)整探傷靈敏度。 （ 2） 測(cè)試探頭的性能 超聲波探傷儀和探頭的一些重要性能，如放大線性、水平線性、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度余 量、分辨力、盲區(qū)、探頭的入射點(diǎn)、 K 值等都是利用試塊來(lái)測(cè)試的。 （ 3） 調(diào)整掃描速度 利用試塊可以調(diào)整儀器屏幕上水平刻度值與實(shí)際聲程之間的比例關(guān)系，即掃描速度，以便對(duì)缺陷進(jìn)行定位。 （ 4） 評(píng)判缺陷的大小 利用某些試塊