【文章內(nèi)容簡介】 進行檢測，可進行整個試件體積的掃查。如對金屬材料，既可檢測厚度 1~2mm 的薄壁管材和板材，也可檢測幾米長 的鋼鍛件。 3）靈敏度高，可檢測材料內(nèi)部尺寸很小的缺陷。 4）可較準確地測定缺陷的深度位置，這在很多情況下是十分需要的。 5）對大多數(shù)超聲技術(shù)的應(yīng)用來說，僅需從一側(cè)接近試件。 6）設(shè)備輕便，對人體及環(huán)境無害，可作現(xiàn)場檢測。 超聲波檢測方法的局限性 1）由于縱波脈沖反射法存在的盲區(qū)，以及缺陷取向?qū)z測靈敏度的影響，對位于表面和非常近表面的延伸方向平行于表面的缺陷常常難于檢測。 2）試件形狀的復(fù)雜性，如小尺寸、不規(guī)則形狀、粗糙表面、小曲率半徑等，對超聲檢測的可實施性有較大影響。 3）材料的某些內(nèi)部結(jié)構(gòu) ，如晶粒度、相組成、非均勻性、非致密性等，會使小缺陷的檢測靈敏度和信噪比變差。 4）對材料及制件中的缺陷作定性、定量表征，需要檢驗者較豐富的經(jīng)驗，且常常是不準確的。 5）以常用的壓電換能器為聲源時，為使超聲波有效地進入試件一般需要有耦合劑。 世界各國出版的無損檢測書籍、資料文獻中 , 超聲探傷所占的數(shù)量都是首屈一指的。有關(guān)資料表明 ,國外每年大約發(fā)表 3000 篇涉及無損檢測的文獻資料，全部文獻資料中有關(guān)超聲無損檢測的內(nèi)容約占 45%，特別是 2021 年 10 月在羅馬召開的第十五屆世界無損檢測會議(WCNDT)收錄的 663 篇論文中，超聲檢測就占 250 篇。以上這些都說明超聲檢測在無損檢測中的突出貢獻與重要地位和研究勢頭 , 所以超聲檢測一直以來都是研究的熱點。超聲波探傷以其探傷距離大、探傷裝置體積小、重量輕、便于攜帶、檢測速度快、檢測費用低等優(yōu)勢，在壓力容器制造和在役檢測工作中得到越來越多的應(yīng)用。 2021屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 超聲波檢測原理 超聲檢測技術(shù)中對缺陷評定的三大關(guān)鍵內(nèi)容是缺陷的定位、定量和定性。缺陷定位與定量方法已較成熟 ,而對缺陷定性仍存在許多實際困難。目前 ,在原位檢測中應(yīng)用最廣泛的是 A型超聲脈沖反射式檢測儀 ,根據(jù)其示波屏顯示的缺陷回波靜 態(tài)波形與動態(tài)波形 ,再結(jié)合具體產(chǎn)品或材料特點和制造工藝等來評估缺陷的性質(zhì)。缺陷的超聲波反射特性取決于缺陷的取向和幾何形狀、相對超聲波傳播方向的長度和厚度、缺陷的表面粗糙度、缺陷內(nèi)含物以及缺陷性質(zhì)等 ,還與所用超聲檢測系統(tǒng)特性有關(guān) ,因此 ,超聲檢測中獲得缺陷的超聲響應(yīng)是一個綜合響應(yīng)。如何觀察波形并把反映缺陷性質(zhì)的有用信息從綜合響應(yīng)中分離出來 ,這對缺陷的定性評定尤為重要。 超聲波探傷的原理是通過對被測物體發(fā)射超聲，然后利用其反射、多普勒效應(yīng)、透射等來獲取被測物體內(nèi)部的信息并經(jīng)過處理形成圖像。目前應(yīng)用最多的是反射法。 反射法是基于超聲波在通過不同聲阻抗組織界面時發(fā)生較強反射的原理工作的，聲波在從一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)的時候在兩者之間的界面處會發(fā)生反射，而且介質(zhì)之間的差別越大反射就會越大，所以對一個物體發(fā)射出穿透力強、能夠直線傳播的超聲波， 然后對反射回來的超聲波進行接收并根據(jù)這些反射回來的超聲波的先后、幅度等情況就可以判斷出這個組織中含有的各種缺陷的大小、分布情況以及各種介質(zhì)之間的對比差別程度等信息，從而判斷出該被測物體是否有異常。 超聲波垂直入射到界面的反射和透射 超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)中，在 兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量返回原介質(zhì)內(nèi)，稱為反射波。另一部分能量透過界面在另一種介質(zhì)中傳播，稱為透射波。在界面上聲能（聲壓、聲強）的分配和傳播方向的變化都遵循一定的規(guī)律。 單一界面的反射率和透射率 當(dāng)超聲波垂直入射到光滑平界面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。反射波與透射波的聲壓是按一定規(guī)律分配的。這個分配比例由聲壓反射率和透射率來表示。如圖 所示 2021屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 圖 薄層界面的反射率和透射率 超聲檢測時，經(jīng)常遇到耦合層和 缺陷薄層等問題，這些都可歸結(jié)為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。此時，超聲波是由聲阻抗為 Z1 的第一介質(zhì)入射到 Z1 和 Z2 界面，然后通過聲阻抗為 Z2 的第二介質(zhì)薄層射到 Z2和 Z3界面，最后進入聲阻抗為 Z3 的第三介質(zhì)。 超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同。異質(zhì)薄層很薄，進入薄層內(nèi)的超聲波會在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和折射，形成一系列的反射波和透射波。 聲壓往復(fù)透射率 在超聲波但探頭檢測中，探頭兼做發(fā)射和接受超聲波，探頭發(fā)出的的超聲波透過界面進入工件，在固氣底面產(chǎn)生全反射后再次 通過同一界面被探頭接受。聲壓往復(fù)透射率高低直接影響檢測靈敏度高低，往復(fù)透射率高，檢測靈敏度高，反之，則低。 2021屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第三章 超聲檢測的設(shè)備及器材 超聲檢測的設(shè)備與器材 超聲檢測設(shè)備與器材包括超聲檢測儀、探頭、試塊、耦合劑等，其中儀器和探頭對超聲檢測系統(tǒng)的能力起關(guān)鍵性作用。了解其原理、構(gòu)造和作用及其主要性能，是正確選擇檢測設(shè)備與器材并有效進行檢測的保證。 超聲探傷儀 超聲波探傷儀是超聲檢測的主體設(shè)備，它的主要作用是產(chǎn)生電振蕩并施加于換能器（探頭）上，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時接受 來自探頭的電信號，將其放大后以一定方式顯現(xiàn)出來，從而得到被檢工件中有關(guān)缺陷的信息。超聲檢測儀按其指示參量可以分為三類： 第一類指示聲的穿透能量，稱為穿透視檢測儀。這種儀器發(fā)射頻率不變的超聲連續(xù)波，根據(jù)透過工件的超聲波強度變化判斷工件中有無缺陷及缺陷大小，因其靈敏度低，且不能確定缺陷位置，目前已經(jīng)很少用。 第二類指示頻率可變的超聲連續(xù)波在工件中形成駐波的情況，可用于共振測厚，但由于只適合檢查與檢測面平行的缺陷，目前已經(jīng)很少使用。 第三類指示脈沖波的幅度和運行時間，稱為脈沖波檢測儀。這類儀器通過探頭向工件周期性 的發(fā)射一持續(xù)時間很短的脈沖波，激勵探頭發(fā)射脈沖超聲波，并接收從工件中反射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間和幅度判斷是否存在缺陷和缺陷大小等情況，稱為脈沖反射式超聲檢測儀。目前還出現(xiàn)了采用一發(fā)一收雙探頭方式，接受從工件中衍射回來的脈沖波信號，稱為衍射時差法超聲波檢測。脈沖波檢測儀的信號顯示方式可分為 A型顯示和超聲成像顯示，其中超聲成像顯示又可分為 B、 C、 D、 S、 P型顯示等類。其中 A 型脈沖反射式超聲波檢測儀是使用范圍最廣的，最基本的一種類型。 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，探傷儀的屏幕橫坐標代表聲波的傳播距離，縱坐標代表反射波的幅度。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型顯示是一種圖像顯示，屏幕的橫坐標代表探頭掃查軌跡，縱坐標代表超聲波的傳播距離，因而可直接的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 型顯示也是一種圖像顯示，屏幕的橫坐標和縱坐標都代表探頭在工件表面的位置，探頭接收信號幅度以光點輝度表示，因而當(dāng)探頭在工件表面移動時候，屏幕上顯示出被探工件內(nèi)部缺陷的平面圖像，但不能顯示缺陷的深度。目前，探傷中廣 泛使用的超聲探傷檢測儀都是 A 型顯示脈沖反射式探傷儀。 除了上述按照原理的差異分類外，根據(jù)采用的信號處理技術(shù)，超聲檢測儀還可以分為數(shù)字機和模擬機。目前使用的超聲檢測儀大多數(shù)是數(shù)字機。 2021屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 探頭 超聲波探頭是組成超聲波檢測系統(tǒng)的重要組件之一。探頭的性能直接影響超聲檢測能力和效果。下面介紹探頭的工作原理、主要性能結(jié)構(gòu)及選擇。 壓電效應(yīng) 某些晶體材料在交變拉壓作用下，產(chǎn)生交變電場的效應(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 探頭的壓電晶片具有壓電效應(yīng)，當(dāng)高頻電脈沖激勵壓電晶片時，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能，探頭發(fā)射超聲波。當(dāng)探頭接收超聲波時，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實現(xiàn)了電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換，因此常把探頭叫做換能器。 探頭的種類和結(jié)構(gòu) 直探頭用于發(fā)射和接收縱波，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如板材、鍛件探傷等。 斜探頭分為縱波斜探頭、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與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫、汽輪機葉輪等。當(dāng)斜探頭的入射角大于 或等于第二臨界角時，在工件中產(chǎn)生表面波，表面波探頭用于探測表面或近表面缺陷。 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： 雙晶探頭只要用于探傷近表面缺陷。 聚焦探頭種類較多。 探頭型號 探頭型號的組成項目及排列順序如下： 基本頻率 晶片材料 晶片尺寸 探頭種類 特征 基本頻率：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為 MHz。 晶片材料：用化學(xué)元素縮寫符號 表示。 晶片尺寸：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為 mm。 探頭種類：用漢語拼音縮寫字母表示。 2021屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 探頭特征：斜探頭鋼中折射角正切值（ K值）用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。 探頭的選擇 K 值的選擇 ， 探頭 K 值的選擇應(yīng)從以下三個方面考慮： （ 1） 使聲束能掃查到整個焊縫截面； （ 2） 使聲束中心線盡量與主要危險性缺陷垂直； （ 3） 保證有足夠的探傷靈敏度 。 設(shè)工件厚度為 T，焊縫上下寬度的一半分別為 a 和 b，探頭 K值為 K，探頭前沿長度為 L0，則有： K?（ a+b+L0） /T 一般斜探頭 K 值可根據(jù)工件厚度來選擇，較薄厚度采用較大 K 值，如 8~14 厚度可選~ 探頭 ,以便避免近場區(qū)探傷，提高定位定量精度；較厚工件采用較小 K 值，以便縮短聲程，減小衰減，提高探傷靈敏度。如 15~46 厚度可選 ~ 探頭，同時還可減少打磨寬度。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用大 K 值探頭。 探頭 K 值常因工件中的聲速變化和探頭的磨損而產(chǎn)生變化，所以探傷前必須在試塊上實測 K值，并在以后的探傷中經(jīng)常校驗。 探頭的移動范圍 焊縫兩側(cè) 探測面探頭移動區(qū)的寬度 P一般根據(jù)母材厚度而定 ,如圖 。 圖 探頭移動區(qū)和檢測區(qū) 厚度為 8 ~46mm 的焊縫采用單面兩側(cè)二次波探傷，探頭移動區(qū)寬度為： 2021屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 P ? 2KT+50 (mm) 厚度為大于 46mm 的焊縫采用雙面兩側(cè)一次波探傷，探頭移動區(qū)寬度為： P ? KT+50 (mm) 式中 K探頭的 K值； T工件厚度。 工件表面的粗糙度直接影響探傷結(jié)果，一般要求表面粗糙度不大于 ?m，否則應(yīng)予以修整。 探頭的掃查方式 a．鋸齒型掃查 如圖 頭以鋸齒的路線進行運動，每次前進的齒距不得超過探頭晶片直徑，間距過大會造成漏檢。為發(fā)現(xiàn)與焊縫成一定角度的傾斜缺陷，探頭在做前后鋸齒運動時，可同時作 10186。~15186。轉(zhuǎn)動。 圖 鋸齒型掃查 b．斜平行和平行掃查 為了發(fā)現(xiàn)并檢出焊縫或熱影響區(qū)的橫向缺陷，可將探頭沿焊縫兩側(cè)邊緣與焊縫成一定角度（ 10186。~30186。）做斜平行掃查，見 圖 。對于磨平的焊縫可直接在焊縫及熱影響區(qū)作平行移動，見圖 。 2021屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 斜平行掃查 圖 平行掃查