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无损检测-超声波探伤.ppt

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第三章 焊缝的超声波探伤,一、概念 种用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种探伤方法 二、特点 优点:成本低,操作方便,检测厚度大,对人和环境无害,对裂纹、未熔合等面状缺陷有较高的检测灵敏度 缺点:判伤不直观、探伤结果不便于永久保存,随意性大,三、分类 1 按工作原理分 脉冲反射法 穿透法 共振法 2 按显示缺陷的方式分 A型显示-显示缺陷的脉冲波 B型显示-显示工件的垂直截面 C型显示-显示工件的横截面 3D型显示-显示准三维图像,3 按所使用的波型分 纵波, 横波, 表面波, 板波法 4 按声耦合方式分 直接接触法,浸液法在焊缝超声检测中,广泛使用的是A型脉冲反射式超声检测方法,一、超声波的基本概念超声波是频率大于20000Hz的机械振动在弹性介质中的一种传播过程。 1-5MHz是金属材料探伤常用频率2-2.5MHz是焊缝探伤常用频率1 超声波的波型纵波(L)可在固、液、气介质中传播横波(S) 只能在固体介质中传播,第一节 超声波探伤基本原理,,2 超声波的声速(c)波长(λ)频率(f)以及关系传播介质一定 波型一定 c为常数c =f λ,表3-1 几中材料的声学特性,,,3.2压电晶体产生压电效应的机理,三、超声场声源发出的超声源能集中在一定区域 1 描述超声场的三个物理量 ⑴声压(p) 超声场内某瞬时,某点具有的压强与该点无超声波扰动时所具有的静压强之差 p = ρ cμ 分别是介质密度、声速、质点振动速度,,⑵声阻抗(Z) 介质密度与声速的乘积Z=ρ c ⑶声强(I) 单位时间内通过垂直于超声波传播方向的单位面积的声能量 I=p2/2Z,2 超声场的结构,图3.3 直探头发出的超声波束,一般由主声束和副声束构成 主声束:截面大,能量集中,很好的指向性(θ) 副声束:截面小,能量弱,方向易变⑴主声束轴线上的声压分布 以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例:,,,3.4圆盘源超声场 a 声束未扩散区与扩散区b 轴线上声压分布,a,b,近场:出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。 近场长度:距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离 远场:近场以外的部分 未扩散区:远场中紧靠近场的一段区域内,声压的幅度与声强基本无关 探伤时,一般利用远场中的志学特性来发现缺陷。,⑵近场长度 就直探头纵波而言,N可近似表示为: N=D2/4λ D:直探头压电晶片直径 N:近场长度 λ:波长,⑶ 指向特性 由指向角(半扩散角θ)表征 θ越小则越好 圆形直探头纵波而言: θ =arcsin1.22λ/D θ :半扩散角, λ:波长 D:直径 ∴D↑f↑(λ ↓) 则θ ↓⑷超声波不能在真空中传播,四、超声波在界面上的反射与透射、折射和波型转换,,1 垂直入射异质界面时的透射、反射和波型转换,,pe,3.5 垂直入射超声波在界面两侧声压的分配,界面声压反射率: Rp=pr/pe=(Z2-Z1)/(Z2+Z1) 界面声压透射率: Dp=pd/pe=2Z2/(Z2+Z1) 由上两式可见: ① 如Z1≈Z2 则 Rp ≈0 Dp ≈1 超声波检测无法检出声阻抗与焊缝金属很接近的金属夹杂物的原因。 ②如Z2Z1 则 Rp ≈-1 Dp ≈0 钢中的分层或焊缝中的裂纹被检出的几率会很高。,另一方面,从减小超声波耦合损失的角度考虑,界面的Dp 越大越好。,3.6超声波的绕射现象,超声波探伤中能探测到的最小缺陷尺寸为 df=λ/2,,2 倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦,3.6超声波纵波倾斜入射时的反射与折射(Z1<Z2),①斜探头内压电晶片发出的超声波在有机玻璃/钢界面发生的波形转换,Sinα/CL= SinαL/CL1= SinαS/C S1=SinγL/CL2= Sin γ S/CS2CL,CL1--介质Ⅰ纵波声速 C S1-- Ⅰ横波声速 CL2--Ⅱ纵波 CS2--Ⅱ横波 α αL αS γL γ S 反射,折射角,由几何光学原理:,由于CL2 >CS2 >CL1 所以 γL >γS >α 当纵波折射角γL=90o ,Ⅱ只有横波 此时α称第一临界角,记α1m 当横波折射角γS=90o , Ⅰ Ⅱ介质界面上产生表面波的传播 此时α称第二临界角,记α2m,若Ⅰ是有机玻璃 ,Ⅱ是钢,则有 α1m =arcsin(CL1 SinγL/ CL2)= arcsin(2730* Sin90/ 5900)=27.6oα2m=arcsin(CL1 SinγS/ CS2)= arcsin(2730* Sin90/ 3230)=57.7o,,α1m ,α2m物理意义: ① α <α1m ,Ⅱ中有纵、横波,不采用 ② α =α1m --α2m , Ⅱ中仅有横波,斜探头设计原理。 ③ α >α2m , Ⅱ中无纵、横
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