《超聲波探傷基礎(chǔ)》課件

超聲波探傷基礎(chǔ)工業(yè)檢測技術(shù)的關(guān)鍵工具確保結(jié)構(gòu)安全的重要方法課程概述基礎(chǔ)理論聲波特性與傳播原理設(shè)備使用探傷儀操作與探頭選擇檢測技術(shù)多種探傷方法與應(yīng)用場景結(jié)果分析第一章：超聲波探傷概述發(fā)展歷程從二戰(zhàn)后開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍航空、核電、石化、機械制造等檢測目的1.1無損檢測的定義和意義定義在不破壞被檢材料或構(gòu)件功能的情況下進行的檢測經(jīng)濟意義降低生產(chǎn)成本，避免廢品損失安全意義預(yù)防事故，保障人身和財產(chǎn)安全質(zhì)量意義提高產(chǎn)品可靠性，延長使用壽命1.2常見的無損檢測方法超聲波檢測利用聲波反射識別內(nèi)部缺陷磁粉檢測適用于鐵磁性材料表面和近表面缺陷射線檢測利用X射線或γ射線穿透能力滲透檢測檢測表面開口缺陷渦流檢測適用于導(dǎo)電材料表面缺陷檢測1.3超聲波探傷的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢檢測深度大靈敏度高便攜性好無輻射危害實時成像可能應(yīng)用領(lǐng)域焊縫檢測鑄鍛件檢驗復(fù)合材料評估壁厚測量航空航天構(gòu)件核電站關(guān)鍵部件第二章：聲波基礎(chǔ)知識機械波需要介質(zhì)傳播，無法在真空中傳播振動特性具有振幅、頻率、波長和相位特征傳播速度與介質(zhì)的彈性和密度相關(guān)能量傳遞通過粒子振動而非粒子位移傳遞2.1聲波的定義和特性1定義介質(zhì)中的機械振動波，傳遞能量而非物質(zhì)2傳播方式粒子振動形成疏密變化3頻率范圍超聲波：頻率>20kHz，人耳不可聽4工業(yè)應(yīng)用探傷頻率通常為0.5-25MHz2.2聲波的種類1按傳播介質(zhì)固體、液體、氣體中的聲波2按頻率范圍次聲波、可聽聲波、超聲波3按振動方向縱波、橫波、表面波、板波2.3縱波定義粒子振動方向與波傳播方向平行的聲波傳播介質(zhì)可在固體、液體和氣體中傳播傳播速度同一介質(zhì)中速度最快的波探傷應(yīng)用直探頭檢測常用縱波2.4橫波振動特性粒子振動方向與波傳播方向垂直傳播介質(zhì)只能在固體中傳播，液體和氣體無法支持探傷應(yīng)用斜探頭檢測常用橫波2.5表面波和板波表面波（瑞利波）沿材料表面?zhèn)鞑チＷ幼鰴E圓運動檢測表面缺陷傳播距離長板波（蘭姆波）在薄板材料中傳播分對稱和反對稱模式檢測大面積結(jié)構(gòu)存在色散現(xiàn)象2.6聲速、波長和頻率的關(guān)系基本關(guān)系c=λ×f波長意義決定可探測的最小缺陷尺寸聲速因素僅與材料性質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)頻率選擇高頻：分辨率高，穿透能力弱第三章：超聲波的產(chǎn)生與接收電能脈沖電信號壓電換能壓電材料形變超聲波機械振動波3.1壓電效應(yīng)原理正壓電效應(yīng)機械壓力→電極化用于接收超聲波1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)逆壓電效應(yīng)電場作用→機械形變用于產(chǎn)生超聲波GabrielLippmann預(yù)測3.2常見壓電材料材料類型特點應(yīng)用場景石英晶體穩(wěn)定性高高精度測量PZT陶瓷壓電系數(shù)大常規(guī)探傷PVDF聚合物柔性好特殊形狀表面鈮酸鋰高溫穩(wěn)定高溫環(huán)境3.3超聲波換能器的結(jié)構(gòu)壓電晶片將電能轉(zhuǎn)換為機械振動匹配層改善聲能從晶片到被檢材料的傳遞背襯材料吸收向后的聲能，提高分辨率保護層防止晶片磨損和腐蝕3.4直探頭和斜探頭直探頭聲束垂直入射，主要產(chǎn)生縱波斜探頭聲束傾斜入射，主要利用橫波楔塊改變?nèi)肷浣嵌?，產(chǎn)生模式轉(zhuǎn)換3.5雙晶探頭的特點和應(yīng)用結(jié)構(gòu)特點發(fā)射和接收晶片分離近場特性檢測近表面缺陷能力強聚焦效應(yīng)自然聚焦提高靈敏度典型應(yīng)用腐蝕測厚和近表面檢測第四章：超聲波在介質(zhì)中的傳播343m/s空氣中聲速20℃條件下1480m/s水中聲速20℃條件下5900m/s鋼中縱波聲速常溫條件下3200m/s鋼中橫波聲速約為縱波的0.54倍4.1聲阻抗的概念定義Z=ρ×cZ：聲阻抗ρ：材料密度c：聲速物理意義表征材料對聲波傳播的阻礙程度單位：kg/(m2·s)聲阻抗差異大：界面反射強聲阻抗差異?。航缑嫱干涠?.2反射和透射鋼-空氣界面反射鋼-空氣界面透射鋼-水界面反射鋼-水界面透射鋁-環(huán)氧樹脂反射鋁-環(huán)氧樹脂透射4.3折射和模式轉(zhuǎn)換1斯涅爾定律sinθ?/c?=sinθ?/c?2模式轉(zhuǎn)換縱波斜入射產(chǎn)生縱波和橫波3第一臨界角縱波折射角達90°4第二臨界角橫波折射角達90°4.4衰減和散射吸收衰減聲能轉(zhuǎn)化為熱能散射衰減晶界和雜質(zhì)散射聲波幾何擴散聲束擴散造成能量密度降低4.5聲束的特性近場區(qū)聲場不穩(wěn)定，強度波動遠場區(qū)聲場穩(wěn)定，強度逐漸衰減近遠場分界點N=D2/(4λ)散射角sinα=0.61λ/a第五章：超聲波探傷的基本原理超聲脈沖發(fā)射發(fā)射電路激勵探頭產(chǎn)生聲波聲波在材料中傳播耦合劑確保聲能傳入被檢材料遇缺陷或背壁反射聲阻抗差異導(dǎo)致反射接收反射回波探頭接收回波并轉(zhuǎn)換為電信號信號處理和顯示放大、濾波并顯示缺陷信息5.1脈沖反射法1發(fā)射和接收同一探頭既發(fā)射又接收2回波分析測量回波時間間隔和幅度3缺陷評估通過回波特征判斷缺陷信息5.2透射法工作原理兩個探頭分別位于工件兩側(cè)一個發(fā)射，一個接收缺陷會阻擋聲波透射接收信號減弱表示存在缺陷適用情況復(fù)合材料檢測層間剝離檢測難以獲得回波的材料大衰減材料5.3A掃描顯示發(fā)射脈沖探頭激勵信號缺陷回波內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的反射波底部回波背壁反射信號5.4B掃描和C掃描5.5缺陷定位原理深度計算s=c×t/2水平距離p=s×tanθ尺寸估計基于6dB或20dB波幅降低法聲程修正考慮聲波路徑和折射效應(yīng)第六章：超聲波探傷設(shè)備脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高壓電脈沖激勵探頭接收放大器放大微弱回波信號顯示系統(tǒng)顯示波形和缺陷信息探頭系統(tǒng)發(fā)射和接收超聲波數(shù)據(jù)處理單元信號處理和數(shù)據(jù)分析6.1超聲波探傷儀的組成硬件系統(tǒng)脈沖發(fā)生器接收放大器數(shù)字轉(zhuǎn)換器顯示屏軟件系統(tǒng)操作界面信號處理算法數(shù)據(jù)存儲模塊報告生成功能輔助設(shè)備電池和充電器探頭連接器校準(zhǔn)模塊數(shù)據(jù)傳輸接口6.2發(fā)射電路和接收電路1發(fā)射電路產(chǎn)生高壓短脈沖激勵探頭接收電路放大、濾波微弱回波信號發(fā)收切換控制探頭在發(fā)射和接收狀態(tài)間切換衰減控制調(diào)節(jié)接收靈敏度，防止飽和6.3數(shù)字信號處理技術(shù)數(shù)字濾波提高信噪比，去除干擾信號平均多次采樣平均減少隨機噪聲頻譜分析分析信號頻率特性包絡(luò)檢測提取回波幅度信息6.4探頭的選擇和使用探頭類型頻率選擇適用場景直探頭2.5MHz厚壁粗晶材料直探頭5MHz一般厚度材料直探頭10MHz薄材料，高分辨率斜探頭45°管道環(huán)向焊縫斜探頭60°板焊縫和T型接頭斜探頭70°薄板焊縫檢測6.5耦合劑的作用和選擇水清潔無污染，低溫環(huán)境不適用機油和甘油適中粘度，耦合效果好專用耦合膏粘附性好，適合垂直表面第七章：超聲波探傷技術(shù)2-25MHz工業(yè)探傷頻率根據(jù)被檢材料和缺陷大小選擇0.5-15mm可檢測缺陷尺寸取決于頻率和技術(shù)40dB典型探測信噪比高質(zhì)量探傷系統(tǒng)±0.1mm厚度測量精度現(xiàn)代數(shù)字探傷儀7.1直束法探傷原理使用直探頭，聲束垂直于表面利用縱波檢測平行于表面的缺陷適合檢測層狀缺陷和測量厚度操作步驟設(shè)備校準(zhǔn)探頭耦合觀察回波調(diào)整增益記錄數(shù)據(jù)7.2斜束法探傷1傾斜入射使用斜探頭，聲束傾斜入射2模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生橫波在材料中傳播3多次反射聲波在上下表面反射形成聲程4缺陷定位通過聲程計算缺陷位置7.3水浸法探傷工作原理被檢件浸入水中，聲波通過水傳遞優(yōu)點耦合穩(wěn)定，掃查均勻，適合自動化局限性設(shè)備復(fù)雜，工件需防水，速度較慢應(yīng)用航空零件、精密鑄件、復(fù)合材料7.4聚焦探傷技術(shù)聲學(xué)聚焦使用聲學(xué)透鏡改變聲波傳播方向幾何聚焦使用弧形壓電晶片自然聚焦電子聚焦通過相控陣元件延時控制實現(xiàn)7.5相控陣超聲探傷技術(shù)簡介多元件陣列16-256個獨立可控壓電元件電子延時控制精確控制各元件發(fā)射和接收時序聲束控制實現(xiàn)聲束掃描、聚焦和偏轉(zhuǎn)第八章：超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)試塊8.1標(biāo)準(zhǔn)試塊的作用設(shè)備校準(zhǔn)校準(zhǔn)聲速、靈敏度和分辨率人員培訓(xùn)熟悉不同缺陷的回波特征比對參考提供已知缺陷的參考回波性能驗證驗證探傷系統(tǒng)性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)8.2常用標(biāo)準(zhǔn)試塊介紹試塊類型標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要用途IIW試塊ISO2400斜探頭校準(zhǔn)V1試塊EN12223直探頭校準(zhǔn)V2試塊EN27963斜探頭靈敏度CSK試塊ASTME428分辨率檢查階梯試塊多種規(guī)范厚度和聲速校準(zhǔn)距離波幅試塊ASTME1158DAC曲線制作8.3DAC曲線的制作和應(yīng)用1定義距離-波幅校正曲線，反映相同大小缺陷在不同深度的回波幅度2制作步驟使用帶有相同大小反射體的試塊，記錄不同深度回波幅度3評定方法實際缺陷回波與DAC曲線比較，超過評定線判為不合格4標(biāo)準(zhǔn)要求不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同的DAC評定線，如50%或80%DAC8.4AVG曲線的原理和應(yīng)用原理距離-增益-尺寸曲線基于超聲理論計算考慮聲束擴散可直接估算缺陷當(dāng)量尺寸優(yōu)點減少試塊需求可評估不同類型缺陷定量評估更準(zhǔn)確適用范圍廣第九章：超聲波探傷的應(yīng)用焊接檢測各類焊縫內(nèi)部缺陷檢測鑄件檢測發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部缺陷2鍛件檢測評估鍛造質(zhì)量3管道檢測確保管道安全運行復(fù)合材料層間剝離和夾雜物檢測9.1焊縫檢測對接焊縫使用斜探頭從兩側(cè)檢測T型接頭采用多角度探頭組合檢測角焊縫使用特殊角度和掃查路徑9.2鑄件檢測常見缺陷氣孔和縮孔夾雜物裂紋疏松檢測挑戰(zhàn)晶粒大而粗幾何形狀復(fù)雜表面粗糙材質(zhì)不均勻技術(shù)應(yīng)對低頻探頭(0.5-2.5MHz)高能量脈沖高增益設(shè)置多角度檢測9.3鍛件檢測1表面處理確保平滑無氧化皮網(wǎng)格劃分系統(tǒng)規(guī)劃掃查區(qū)域全面掃查直探頭和斜探頭結(jié)合4缺陷評定根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定接受性9.4管道檢測常規(guī)超聲檢測相控陣檢測TOFD技術(shù)導(dǎo)波檢測其他技術(shù)9.5復(fù)合材料檢測層間剝離主要缺陷類型，表現(xiàn)為明顯回波孔隙率衰減增加，背壁回波減弱夾雜物產(chǎn)生異常回波和聲阻抗變化皺折纖維排列異常導(dǎo)致聲束偏轉(zhuǎn)第十章：超聲波探傷結(jié)果分析信號識別區(qū)分缺陷回波與幾何回波缺陷定位確定缺陷在工件中的位置缺陷分類根據(jù)回波特征判斷缺陷類型缺陷尺寸測定估算缺陷大小和范圍評定根據(jù)驗收標(biāo)準(zhǔn)判定接受或拒收10.1缺陷類型識別10.2缺陷定量分析方法6dB降幅法探頭移動至回波降低6dB測量兩端位置差適合較大缺陷需波長相當(dāng)于缺陷20dB降幅法探頭移動至回波降低20dB測量距離后乘修正系數(shù)適合小缺陷波長大于缺陷DGS/AVG法基于理論曲線考慮距離和增益直接估算當(dāng)量尺寸需特定校準(zhǔn)10.3探傷報告的編寫基本信息檢測對象和日期檢測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)備型號和校準(zhǔn)檢測人員資質(zhì)檢測參數(shù)探頭類型和頻率增益設(shè)置掃查方法耦合劑類型結(jié)果