一种无损检测方法_超声波探伤

J- 2008年第11期 总第71期26现代焊接 国外技术OverseasTechnology 一种无损检测方法：超声波探伤 超声波的发展历程 物理本质 超声波形成机理的研究始于19世 纪初，但它在无损检测中的应用大约 是从20世纪20年代才开始。在30年 代，超声波技术才广泛应用于无损检 测。在随后的1955年，超声波技术发 展迅速，技术的进步促进了超声波设 备的快速发展。从20世纪80年代直到 今天，计算机技术的进步使得超声波 设备体积更小、性能更稳定、功能更 强大。 最近几年，超声波测绘技术得到 了极大的发展。超声波探测试验中需 要采集精确的数据，这种需求进一步 推动了定量测量技术的发展。同时， 基于超声波能量形成和非接触检测技 术的发展也促进了激光器和电磁传感 器的技术进步。如今，便携式设备中 已经运用了相控阵式激光技术。采用 这种技术，单一发生器定时或定相发 射的超声波元素阵列，能够精确截取 被测对象的超声波波形。 超声波探伤是基于在材料上引入 超声波能量束（通常为0.1~25MHz的 高频声波）并检测材料表面和次表面 缺陷的能量干扰。声波穿过物体时会 产生线能量损失（衰减）并在分界面 Selecting a nondestructive testing method: Ultrasonic testing 上发生反射。然后对反射波束，或在 某些条件下的传输波束进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，进 而确定是否存在裂缝或缺陷以及缺陷 的大小、位置等。 脉冲超声波探测的主要电子设备 包括一个电压电源（用于激发压电式 换能器〔脉冲器〕）和一个显示装置 （用于分析接收超声波的脉冲）。图1 所示为超声波探伤基本装置系统的典 型框图。 普通光波和X光波产生的是电磁能 量，而超声波产生的却是包括物体分 子或原子振动或振荡的机械能。超声 波的行为与可听声音相似：它们能通 过固体、液体和气体传播，但不能通 过真空传播。目前，超声波在材料和 裂缝间的相互作用可以通过各种模拟 技术成功建立模型。 多数情况下，用于无损检测的超 声波是采用压电转换器产生和检测试 波形的产生和检测 件的。压电转换器需要一个耦合器在 转换器和试件间传输超声波。压电转 换器具有一个压电晶体（比如钛酸钡、 锆酸铅、钛酸铅等），当通电后能迅 速改变形状。当它们被快速加压时会 发生相反的变化，产生一个电磁场。 用于无损检测超声波的产生和检测也 可通过其它方法实现。其中之一是利 用非接触空气耦合转换器，它是基于 微电子机械系统（简称MEMS）的基础； 另一种方法是通过试件表面的快速热 膨胀和融蚀产生非接触激光超声波， 采用激光干涉仪或空气耦合换能器检 测产生的超声波。此外，磁性金属也 能通过超声波探伤，主要采用非接触 电子机械声波转换器（简称EMATS） 同时产生和检测超声波。超声波通常 通过以下一种或几种方法检查裂纹和 缺陷。 ●通过材料边界或缺陷处分界面 的反射声波检测。 ●通过超声波的切换时间或传播 时间检测。 ●通过超声波的衰减程度检测。 ●通过透射信号或折射信号的频 谱响应特征检测。 图2所示为超声波探伤质量控制系 统。 M O D E R N W E L D I N G T E C H N O L O G Y 现代焊接 2008年第11期 总第71期 J-27 国外技术OverseasTechnology 超声波的类型 超声波探伤要求 超声波的类型很多，有纵波、横 波、表面波和平面波等。纵波传导时, 每个粒子都在平行于波动前进方向上 振动，呈现交替密集或稀疏的变化， 在超声波探伤中最常用。横波也在超 声波探伤中有广泛的应用，它的传播 有点类似于在绳子一端有规律地抖动 所形成的绳子的振动形式，分子和原 子在一个平面上垂直于波浪传播方向 上下振动；表面波只是有时才用在超 声波探伤中，它沿着平面或相对较厚 的曲面传播；平面波只是应用于超声 波探伤的某些场合，仅在厚度只有几 个波长大小的材料表面传播。界面处 超声波的反射与材料的物理状态关联 较大，而与材料本身的物理性能关联 较小。表1和表2列出了超声波探伤的 主要优缺点。 超声波探伤方法主要应用于检测 各种材料特性和状态。它适用于试样 表面缺陷和内部异常的检测。试样必 须能够传播超声波能量并具有引入和 检测反射、透射、散射声波能量的几 何结构。总的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 步骤如下： 1、将超声波转换器固定或靠近于 被测物体。 2、以脉冲方式激发转换器，对准 被测物体并将超声波能量传入。 3、超声波能量在被测物体中传导、 反射和散射。 4、超声波能量在物体的内部的分 界面上继续传输或改变方向（检查被 测物体的几何特征或内部异常）。 5、定位在或靠近被测物体的转换 器检测物体中传输或改变后的能量。 6、传导和反射的能量反应在时间 /频率图上，通过波形和波幅特征分析 和推测物体内部情况。 检测过程需要专用的设备和探针。 检测步骤、校准仪器和工艺控制都是 确保超声波在被测物体中的重复再现 所必需的。这种方法是一种表面和批 量检测工艺，根据工件某些特征的敏 感性和分辨率的高低不同，工艺步骤 也相应有所不同。 随着超声波的应用发展，检测有 手动（人工）扫描和自动扫描之分。 人工扫描采用一台具有示波器的设备, 手动和自动化技术 操作者根据图形识别、信号大小、计 时和手动扫描定位等方法进行分析辨 别。但是因为手动扫描的变化不定， 显示器上输出值的变化也很大，手动 检测不能形成永久记录。 自动扫描时采用一个测量扫描仪 跟踪探针位置，并自动监测信号（时 间、相位、幅度等），形成一个能反 应被测物体内部结构的响应图。扫描 系统的分辨率在一定程度上取决于扫 描像素的保真度和检测信号的过滤和 处理情况。超声波扫描系统会自动生 成扫描图像和分析报告。人工和自动 扫描的相对特点在表3中进行了总结 和对比。 超声波探伤是一项成熟的技术， 它有坚实的物理学理论基础和成熟的 结束语 表1 超声波探伤的优点 ·穿透率高，在许多工件中穿透率大小可以达到几米，轴向能达到6米。 ·敏感度高，可以检测极其微小的缺陷。 ·检测工件内部缺陷的位置，估计缺陷大小，以及标识缺陷的取向、形状及其性质时准确度高。 ·只需一个表面接触检测。 ·电子化操作，几乎可以同时显示缺陷，适合于即时分析试验结果，自动化操作，快速扫描，在 线生产监测以及工艺控制。 ·可从工件前表面至后表面进行整体扫描。 ·无损害操作。 ·便携。 ·数字输出，可以利用计算机分析缺陷和材料性质。 表2 超声波探伤的缺点 ·人工操作需要工作人员具备专业技术并且小心仔细进行检测。 ·为制定出恰当的检测步骤需要多方面的技术知识。 ·不能检测表面粗糙、形状不规则，体积太小或材质不均匀的工件。 ·不能检测恰巧发生在紧邻工件表面下的薄层的缺陷。 ·耦合介质通常需要在转换器和工件之间传输超声波能量。 ·需要校准设备和标识缺陷的实际参考标准。 表3 人工（手动）扫描检测与 自动扫描检测的比较 检测成本 设备成本 操作者技术要求 工艺控制要求 工艺偏差要求 人工 低 中 高 中 中 自动 中 高 中 高 低 M O D E R N W E L D I N G T E C H N O L O G Y 液压自动夹具系统 高强铝合金结构件 筒体件焊接现场（内焊式） 筒体焊接样件 飞机结构件 J- 2008年第11期 总第71期28现代焊接 国外技术OverseasTechnology 检测结果模型。操作简单，便于携带 的设备和一切齐全即可使用的计算机 系统都在生产中广泛应用。超声波探 伤设备类型多样，比如手提式设备， 便携且计算机化的多功能设备、工业 生产应用的模块化系统以及研发所用 表4 超声波探伤总结 ·裂纹 ·气孔 ·熔蚀 ·冲击破坏 ·脱层 ·能检测表面积为1.3平方米或0.002平方英寸的嵌入式缺陷 ·不能检测复杂几何形状工件和太小的工件 ·详细的检测步骤 ·在所有介质（固体、液体、气体）中穿透性好 ·敏感性高 ·缺陷定位准确 ·检测工件或系统时只需一个表面接触。 ·能用于确定材料的物理性质（比如结构、晶粒大小、弹性常数等） ·通过ASNT，ASNI等进行培训 ·强烈建议检测人员要进行培训和认证 ·便携式设备 ·检测大型工件的自动化检测系统 ·设备价格相对便宜（10000~50000美元），但系统越大，设备越复杂， 价格就越高 缺陷类型（超声 波探伤能检测的 缺陷类型） 缺陷大小 优点 检测人员培训 检测证书要求 局限性 设备 检测比较成本 实验室设备等，可满足用户不同的需 要。下列超声波电源和检测器可以根 据不同的检测要求进行选择：压电式 转换器、EMATS、激光器和激光干 涉仪、空气耦合转换器等。表4对超 声波探伤的各项性能进行了总结。 超声波无损探伤技术广泛应用于 制造业的质量控制、验收试验和定期 维修检查中，并且适用于各种材料的 缺陷定位和确认，比如金属、复合材 料、陶瓷和聚合物等。超声波探测也 常常用于材料厚度、材料结构质量、 材料的机械模量、材料晶粒大小和排 列方向的材料特性等检测。超声波探 伤在石油和航空航天工业中应用非常 广，也常常应用在核电站和结构混凝 土基本设施上。 （成都奥力焊研公司 李晓娜 翻译） （上接第J-25页） 产功能于一身，采用先进的西门子 WINAC控制系统，具有功能强大、人 性化的操作界面，在保证焊接质量的 附表 悬臂搅拌摩擦焊设备 FSW-2XB-0206 焊接铝及铝合金 20mm 1500mm 300mm 28kW 2000mm×1800mm 西门子WINAC 设备型号 设备用途 最大焊接厚度 有效焊 接行程 主轴电机功率 工作台 控制系统 X（Longitudinal） Z（Plunge） 同时，大大提高了工作效率。 目前，搅拌摩擦焊已为来自航天、 航空、船舶、列车、电力电子、军工 等多家客户加工制造不同类别、不同 用途的搅拌摩擦焊工业产品，成为工 业化铝、镁、钛等轻金属合金的主导 焊接工艺。 （未完待续） （北京赛福斯特技术有限公司） M O D E R N W E L D I N G T E C H N O L O G Y