水浸超聲檢測技術(shù)

1、水浸式超聲探傷技術(shù),主講人：時間：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,利用超聲波來對固體進行無損檢測，則始于20世紀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)表了用穿透法進行試驗的一些結(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，并在其后的幾年進行了試驗和完善。1

3、946年，英國的D.O.Spronle研制成第一臺A型脈沖反射式超聲探傷儀，能夠較為準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70年代，TOFD（衍射時差法）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、評估,,超聲檢測方法分類：,1. 原理：脈沖反射法、衍射時差法、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： 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.易于實現(xiàn)自動檢測，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： 相當于可在水中使用的縱波直探頭，用于水浸法檢測。 當改變探頭傾角使聲波束從水中傾斜入射至工件表面時，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散,改善聲束的指向性,提高檢測靈敏度和分辨力,尤其是對凸弧面工件,常采用聚焦探頭進行檢測。,水浸超聲探頭,設(shè)計、研制人員：工作頻率、帶寬、機電耦合系數(shù)、電聲效率等。 用戶：時間域響應(yīng)（脈沖寬度）、相對脈沖回波靈敏度、電阻抗（匹配特性）、頻率響應(yīng)、聲場分布特性。,性能指標：,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聲壓極大值至波源的距離,,水浸超聲探頭,整個圓盤波源在M點處的總聲壓值為：,指向性系數(shù) ：,當指向性系數(shù)為0時：,聲束指向性：,點波源ds在任意一點引起的聲壓為：,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，,在實際檢測過程中，實際焦距F'為：,式中： L—工件中焦點至工件表面的距離,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 是一個距離參數(shù)，當與焦點處的距離為的任意一點處的聲壓與焦點本身位置的聲壓之比為-6dB時，表示小球偏離了軸線兩倍的距離。,焦點周圍任意點的聲壓分布,焦柱直徑和焦柱長度 示意圖,焦柱長度L為焦線上任一點處的聲壓與焦點位置處聲壓之比為-6dB時，表示小球偏離了焦點兩倍的距離。,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探傷機 1．TLL-16型鐵道

10、車輛車輪輪輞超聲自動探傷機，主要由機械部分（水槽、上下料、探頭跟蹤、掃描驅(qū)動、轉(zhuǎn)輪器等）、控制部分（控制箱、計算機及軟件）、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，當發(fā)現(xiàn)缺陷時，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，達到對車輪輪輞內(nèi)部缺陷的準確定位、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到了最佳耦合條件，提高了探頭與車輪內(nèi)外側(cè)相對位置的準確性，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)檢測對象是新造車輪和鏇修后車輪的輪輞和輪緣。每輪檢測時間只需一分鐘，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)有機械控制系統(tǒng)中；（2）提供電子單元和機械裝置；（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）自動識別車輪尺寸的系統(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),同時其上面的聚焦水浸探頭沿工件軸心線勻速移動。從而實現(xiàn)對工件內(nèi)部除近表面以外的部分進行掃查。當遇到一定當量的缺 陷時，在屏幕上

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

14、滾輪 5.（被動）滾輪 6.水槽,這種方法的優(yōu)點是：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，使超聲波進入工件表面時縱波入射角大于第一臨界角，這樣進入工件的超聲波轉(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環(huán)狀區(qū)域內(nèi)傳播，從而實現(xiàn)對工件表面及近表面的掃查。當遇到一定當量大小的缺陷時，在屏幕上相應(yīng)位置出現(xiàn)缺陷回波，報警時發(fā)生警報，波形如圖（右）。,這種方法的優(yōu)點是適合探測工件表面及近表面缺陷；缺點是進入工件內(nèi)聲能量低，無法對距表面較深的缺陷進行探傷。,水浸超

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

17、須借助數(shù)控掃描系統(tǒng)完成，數(shù)控掃描系統(tǒng)運動帶動超聲探頭對掃描區(qū)域進行掃查，從而發(fā)現(xiàn)缺陷。,水浸超聲檢測系統(tǒng),用超聲水浸自動化檢測代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動掃描方式時，首先應(yīng)該考慮滿足三個原則：,數(shù)控掃描系統(tǒng),一、保證被檢測件的整個檢查區(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比,案例——火車車輪超聲檢測水浸法與接觸法的對比試驗 對比參數(shù)為儀器增益數(shù)、信噪比、靈敏度余量,一、試驗條件：(1)實驗儀器：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比,二、試驗方法： 接觸法時，試塊與探頭之間耦合一層油膜；而水浸法超聲波檢測時，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，根據(jù)公式,得到焦點到工件表面的距離為39mm。,水浸超聲與接觸式超聲對比,(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 平底孔反射波高達到滿屏的50%，記錄此時的儀器增益數(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到滿屏的50%,然后按照 式計算噪聲波與信號波的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、 平底孔反射波高達到50%，記錄此時增益數(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到20%，記錄此時增益數(shù) dB. dB差 ，即為靈敏度余量。,水浸超聲與接觸式超聲對比,三、試驗結(jié)果 １）儀器增益數(shù) 采用聚焦水浸探頭時，系統(tǒng)靈敏度有所提

22、高.,水浸超聲與接觸式超聲對比,２）信噪比,水浸超聲與接觸式超聲對比,采用非聚焦探頭時，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，因為水浸法的噪聲水平要比接觸法低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，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比,四、結(jié)論 １