水浸超聲檢測技術(shù)

1、水浸式超聲探傷技術(shù),主講人：時(shí)間：2015.11.01,,目,錄,1,2,3,4,5,水浸超聲探傷原理及分類,水浸超聲探頭及儀器,水浸超聲檢測方法及系統(tǒng),水浸超聲與接觸式超聲對(duì)比,超聲檢測簡史,超聲檢測簡史,利用聲響來檢測物體的好壞，這種方法早已被人們所采用。例如，用手拍西瓜；用錘子敲鐵軌；用筷子敲瓷碗。,聲音反映物體內(nèi)部某些性質(zhì),超聲檢測簡史,利用超聲波來對(duì)固體進(jìn)行無損檢測，則始于20世紀(jì)20年代末期。 1929年，前

2、蘇聯(lián)Sokolov首先提出利用超聲波探查金屬物體內(nèi)部缺陷的建議，并于1935年發(fā)表了用穿透法進(jìn)行試驗(yàn)的一些結(jié)果。 根據(jù)Sokolov提出的原理支撐的第一種穿透法檢測儀器于二戰(zhàn)后出現(xiàn)在市場上。,利用超聲波來探查水中物體，是在第一次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的。,超聲檢測簡史,脈沖反射法和儀器的出現(xiàn)，給了超聲檢測新的生命力,1940年，美國的Firestone首次介紹了基于脈沖反射法的超聲檢測，并在其后的幾年進(jìn)行了試驗(yàn)和完善。1

3、946年，英國的D.O.Spronle研制成第一臺(tái)A型脈沖反射式超聲探傷儀，能夠較為準(zhǔn)確地確定缺陷位置和測量缺陷尺寸。隨后，英國和美國分別開發(fā)出A型脈沖反射式超聲檢測儀，并逐步用于鍛鋼和的檢測。20世紀(jì)60年代，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，儀器的性能得到了大幅度的提升，脈沖反射法成為迄今為止通用性最好、使用最廣泛的檢測方法之一。20世紀(jì)70年代，TOFD（衍射時(shí)差法）也被廣泛應(yīng)用。,超聲檢測簡史,基于超聲波在工件中的傳播特性:能量損失、

4、反射,超聲檢測工作原理：,1. 聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式進(jìn)入工件。2. 傳播、相互作用 傳播方向、特性改變。3. 接收、分析、處理、評(píng)估,,超聲檢測方法分類：,1. 原理：脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法、共振法2. 顯示方式: A型、超聲成像顯示3. 波型：縱波、橫波、表面波、板波、爬波4.探頭數(shù)目： 單、雙、多5.探頭與工件接觸方式：接觸法、液浸法、電磁耦合法,水浸超聲探傷原理及分類,原理：

5、 超聲波水浸法是在探頭與工件之間填充一定厚度的水層，聲波先經(jīng)過水層，再入射到試件中的一種非接觸式超聲檢測方法。,特點(diǎn)： 1.能消除直接接觸檢測中難以控制的因素，使聲波的發(fā)射與接收比較穩(wěn)定 2.對(duì)試件表面光潔度要求不高，探頭也不易磨損，耦合穩(wěn)定，檢測結(jié)果重復(fù)性好 3.易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測，提高檢測速度,水浸超聲探傷原理及分類,全部浸沒式適用于體積不大、形狀簡單的工件檢測局部浸沒式適用于大體積工件的檢測。局部浸沒法又分為噴液式、

6、通水式和滿溢式。,,,水浸超聲探頭,在超聲檢測中，超聲波的發(fā)射和接收都是通過探頭實(shí)現(xiàn) 的。探頭的性能很大程度上決定了超聲檢測的性能。,水浸超聲探頭的選擇（分類）：,水浸直（平）探頭： 相當(dāng)于可在水中使用的縱波直探頭，用于水浸法檢測。 當(dāng)改變探頭傾角使聲波束從水中傾斜入射至工件表面時(shí)，也可通過折射在工件中產(chǎn)生純橫波。水浸聚焦探頭： 一種是將壓電晶片做成凹面，直接聚焦 另一種是在水浸直探頭前加上聲透鏡產(chǎn)生聚焦聲束,

7、在水浸探傷中,為了克服聲束在水中的擴(kuò)散,改善聲束的指向性,提高檢測靈敏度和分辨力,尤其是對(duì)凸弧面工件,常采用聚焦探頭進(jìn)行檢測。,水浸超聲探頭,設(shè)計(jì)、研制人員：工作頻率、帶寬、機(jī)電耦合系數(shù)、電聲效率等。 用戶：時(shí)間域響應(yīng)（脈沖寬度）、相對(duì)脈沖回波靈敏度、電阻抗（匹配特性）、頻率響應(yīng)、聲場分布特性。,性能指標(biāo)：,聲場分布特性 探頭的聲場分布包括探頭的指向性、近場長度、焦距、焦柱直徑及長度等。,水浸超聲探頭,（1）水浸直探

8、頭（圓盤波源）,近場長度：波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離,,水浸超聲探頭,整個(gè)圓盤波源在M點(diǎn)處的總聲壓值為：,指向性系數(shù) ：,當(dāng)指向性系數(shù)為0時(shí)：,聲束指向性：,點(diǎn)波源ds在任意一點(diǎn)引起的聲壓為：,水浸超聲探頭,（2）聚焦探頭,焦距： 聚焦探頭的焦距F與聲透鏡的曲率半徑r之間的關(guān)系為：,式中： n—透鏡與耦合介質(zhì)波速比，,在實(shí)際檢測過程中，實(shí)際焦距F'為：,式中： L—工件中焦點(diǎn)至工件表面的距離,水浸聚焦探

9、頭示意圖,水浸超聲探頭,焦柱直徑及長度 焦柱直徑 是一個(gè)距離參數(shù)，當(dāng)與焦點(diǎn)處的距離為的任意一點(diǎn)處的聲壓與焦點(diǎn)本身位置的聲壓之比為-6dB時(shí)，表示小球偏離了軸線兩倍的距離。,焦點(diǎn)周圍任意點(diǎn)的聲壓分布,焦柱直徑和焦柱長度 示意圖,焦柱長度L為焦線上任一點(diǎn)處的聲壓與焦點(diǎn)位置處聲壓之比為-6dB時(shí)，表示小球偏離了焦點(diǎn)兩倍的距離。,水浸超聲設(shè)備,北京雙河理聲TLL-16鐵道車輪輪輞超聲自動(dòng)探傷機(jī) 1．TLL-16型鐵道

10、車輛車輪輪輞超聲自動(dòng)探傷機(jī)，主要由機(jī)械部分（水槽、上下料、探頭跟蹤、掃描驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)輪器等）、控制部分（控制箱、計(jì)算機(jī)及軟件）、探頭、專用多通道數(shù)字超聲探傷儀，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)字成像系統(tǒng)組成。 2．該設(shè)備具有A掃描、B掃描和3D圖像顯示功能。A掃描用于快速普查缺陷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，采用數(shù)字成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)，形成C掃描、B掃描圖像和三維圖像，直觀地給出缺陷平面、斷面和立體圖像，達(dá)到對(duì)車輪輪輞內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)確定位、定量判斷，探

11、傷可靠。 3．該設(shè)備采用水浸式超聲波探傷方法和探頭跟蹤定位方法，使超聲波探頭與輪輞探測面達(dá)到了最佳耦合條件，提高了探頭與車輪內(nèi)外側(cè)相對(duì)位置的準(zhǔn)確性，使探傷質(zhì)量得到保證，探頭與輪輞不接觸式探傷，降低了探頭消耗及探傷成本。,水浸超聲設(shè)備,GE公司超聲相控陣車輪檢測系統(tǒng) GE的超聲相控陣車輪檢測系統(tǒng)采用的是水浸模式。該系統(tǒng)檢測對(duì)象是新造車輪和鏇修后車輪的輪輞和輪緣。每輪檢測時(shí)間只需一分鐘，檢測結(jié)果穩(wěn)定性好和重復(fù)性好。另外該系統(tǒng)根

12、據(jù)客戶的要求可以提供不同的配置：（1）僅提供電子單元以融入到現(xiàn)有機(jī)械控制系統(tǒng)中；（2）提供電子單元和機(jī)械裝置；（3）提供不需操作員控制的系統(tǒng)；（4）在必須操作員控制的情況下提供操作人員控制系統(tǒng)；（5）自動(dòng)識(shí)別車輪尺寸的系統(tǒng)。,水浸超聲檢測方法,徑向縱波反射法 工件在滾輪上以一定的速度勻速旋轉(zhuǎn),同時(shí)其上面的聚焦水浸探頭沿工件軸心線勻速移動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件內(nèi)部除近表面以外的部分進(jìn)行掃查。當(dāng)遇到一定當(dāng)量的缺 陷時(shí)，在屏幕上

13、相應(yīng)位置就會(huì)出現(xiàn)一定幅度缺陷回波,探傷儀上的警報(bào)器可發(fā)生警報(bào)。,1.線聚焦水浸探頭 2.被檢工件 3.內(nèi)部缺陷 4.（主動(dòng)）工作

14、滾輪 5.（被動(dòng)）滾輪 6.水槽,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：工件內(nèi)聲能量大,有利于提高探傷靈敏度和分辨力。探傷波形穩(wěn)定、清晰、再現(xiàn)性好；缺點(diǎn)是在工件表面存在左右的盲區(qū)。,水浸超聲檢測方法,周向橫波反射法 根據(jù)工件半徑，調(diào)整工件軸心線與

15、探頭中心的距離（偏心距）如圖（左）所示，使超聲波進(jìn)入工件表面時(shí)縱波入射角大于第一臨界角，這樣進(jìn)入工件的超聲波轉(zhuǎn)換為單一的橫波。由于聲束是斜入射到工件中，所以折射橫波是在工件表面附近的一個(gè)環(huán)狀區(qū)域內(nèi)傳播，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面及近表面的掃查。當(dāng)遇到一定當(dāng)量大小的缺陷時(shí)，在屏幕上相應(yīng)位置出現(xiàn)缺陷回波，報(bào)警時(shí)發(fā)生警報(bào)，波形如圖（右）。,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是適合探測工件表面及近表面缺陷；缺點(diǎn)是進(jìn)入工件內(nèi)聲能量低，無法對(duì)距表面較深的缺陷進(jìn)行探傷。,水浸超

16、聲檢測系統(tǒng),根據(jù)超聲水浸檢測的特點(diǎn)，結(jié)合超聲水浸檢測技術(shù)對(duì)掃描平臺(tái)的需求特點(diǎn)，得出對(duì)水浸掃描平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求如下：（1） 探頭掃描移動(dòng)速度高，以減少掃描時(shí)間，提高工作效率。（2） 探頭掃描移動(dòng)精度高，對(duì)于正確判斷缺陷的位置和大小意義重大。（3） 掃描平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可以實(shí)現(xiàn)最大范圍的探頭移動(dòng)。（4） 掃描平臺(tái)整體美觀。（5） 在滿足速度、精度要求的基礎(chǔ)上，減少設(shè)計(jì)、加工、采購方面的成本。,超聲水浸 A、B、C 掃描的實(shí)現(xiàn)必

17、須借助數(shù)控掃描系統(tǒng)完成，數(shù)控掃描系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)超聲探頭對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行掃查，從而發(fā)現(xiàn)缺陷。,水浸超聲檢測系統(tǒng),用超聲水浸自動(dòng)化檢測代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)掃描方式時(shí)，首先應(yīng)該考慮滿足三個(gè)原則：,數(shù)控掃描系統(tǒng),一、保證被檢測件的整個(gè)檢查區(qū)有足夠的聲束覆蓋以避免漏檢；,二、掃查過程中聲束入射方向始終符合預(yù)定的要求。一般情況下進(jìn)給速度v應(yīng)滿足下式：,式中：f——超聲脈沖重復(fù)頻率 D——探頭直徑 N——掃描重復(fù)次數(shù)（一

18、般N>3）,水浸超聲檢測系統(tǒng),三、最佳距離——指探頭底端到工件表面的距離，用h表示：,確定最佳距離的原則是使一次表面回波和缺陷回波清晰可辨 ,缺陷回波和二次表面回波不重疊 ,二次表面回波位于工件底面回波之后 。,水浸聚焦探頭示意圖,水浸探傷回波關(guān)系圖,水浸超聲與接觸式超聲對(duì)比,案例——火車車輪超聲檢測水浸法與接觸法的對(duì)比試驗(yàn) 對(duì)比參數(shù)為儀器增益數(shù)、信噪比、靈敏度余量,一、試驗(yàn)條件：(1)實(shí)驗(yàn)儀器：BUT301型超聲波C

19、掃描探傷儀，參數(shù)如表1所示(2)探頭：3種縱波直探頭，參數(shù)如表2所示,(3)參考試塊：截取某規(guī)格車輪的一段輪輞，加工成帶 的平底孔試塊，參數(shù)如表3所示,水浸超聲與接觸式超聲對(duì)比,二、試驗(yàn)方法： 接觸法時(shí)，試塊與探頭之間耦合一層油膜；而水浸法超聲波檢測時(shí)，探頭與試塊之間的水層厚度Ｈ為45mm。 采用焦距F為200mm的水浸聚焦探頭時(shí)，根據(jù)公式,得到焦點(diǎn)到工件表面的距離為39mm。,水浸超聲與接觸式超聲對(duì)比,(1) 儀

20、器增益數(shù)測試方法。調(diào)節(jié)增益大小，使聲程為30mm的 平底孔反射波高達(dá)到滿屏的50%，記錄此時(shí)的儀器增益數(shù)。,儀器的統(tǒng)一設(shè)置：聲速設(shè)為5850m/s，抑制設(shè)為0%，重復(fù)頻率設(shè)為100HZ。,(2) 信噪比測量方法。調(diào)節(jié)增益大小，使聲程為30ｍｍ的平底孔反射波高達(dá)到滿屏的50%,然后按照 式計(jì)算噪聲波與信號(hào)波的dB差，得到信噪比。,(3)靈敏度余量測試方法。調(diào)節(jié)增益大小，使聲程為30mm的

21、 平底孔反射波高達(dá)到50%，記錄此時(shí)增益數(shù) dB，如果不到20%，記錄最大值。然后增大增益直到噪聲波高達(dá)到20%，記錄此時(shí)增益數(shù) dB. dB差 ，即為靈敏度余量。,水浸超聲與接觸式超聲對(duì)比,三、試驗(yàn)結(jié)果 １）儀器增益數(shù) 采用聚焦水浸探頭時(shí)，系統(tǒng)靈敏度有所提

22、高.,水浸超聲與接觸式超聲對(duì)比,２）信噪比,水浸超聲與接觸式超聲對(duì)比,采用非聚焦探頭時(shí)，雖然水浸法的信噪比低于接觸法的原因是水浸法系統(tǒng)靈敏度相對(duì)較低，但二者的差異要小于相同探傷靈敏度下儀器增益數(shù)的差異，因?yàn)樗ǖ脑肼曀揭冉佑|法低17dB左右。,3)靈敏度余量,同信噪比一樣，水浸法的靈敏度余量要小于接觸法，但使用聚焦水浸探頭時(shí)，系統(tǒng)靈敏度余量明顯提高，與同頻率探頭接觸法的靈敏度基本相同。,水浸超聲與接觸式超聲對(duì)比,四、結(jié)論 １