鋼焊縫--超聲波探傷培訓(xùn).pdf

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1、焊縫超聲波探傷（一）超聲波探傷基本原理焊接結(jié)構(gòu)件的超聲檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在材料中的傳播特性非破壞性地檢測(cè)焊縫內(nèi)部的各種缺陷的方法。1、超聲波及其波形超聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，頻率超過(guò)人耳能聽(tīng)到的物體振動(dòng)的聲音的頻率范圍，即大于20000Hz。超聲波檢驗(yàn)常用的頻率范圍是0.5～10MHz。超聲波檢驗(yàn)常用的超聲波波形（聲振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的模型）有縱波（壓縮波）、橫波（剪切波）、表面波（瑞利波）和板波（蘭姆波）。（1）縱波（L）當(dāng)彈性介質(zhì)受到交替變化的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用時(shí),就會(huì)產(chǎn)生交替變化的伸長(zhǎng)或壓縮形變，質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生疏密相間的縱向振動(dòng)，并在介質(zhì)

2、中傳播，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同，如圖4-1所示，這種波稱為縱波，又稱壓縮波。固體、液體、氣體能在拉深或壓縮時(shí)均能發(fā)生變形，所以都能傳播縱波。（2）橫波（S）固體介質(zhì)既具有體積彈性，又具有剪切彈性。當(dāng)固體介質(zhì)受到交變剪切應(yīng)力作用時(shí)，將發(fā)生相應(yīng)的剪切形變，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生具有波峰和波谷的橫向振動(dòng)，這時(shí)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直，如圖4-1所示，這種波稱為橫波，又稱為剪切波。由于液體和氣體（統(tǒng)稱流體）中只具有體積彈性，而不具有剪切彈性，所以，在流體中不能傳播橫波。圖4-1縱波、橫波（3）表面波（R）當(dāng)固體介質(zhì)表面受到交替變化的表面張

3、力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的平衡位置附近作橢圓軌跡的振動(dòng)，這種振動(dòng)又作用與相鄰的質(zhì)點(diǎn)而在介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，這種波稱為表面波，又稱為瑞利波，如圖4-2所示。表面波可以看作是一種特殊的“橫波”，僅限于材料的表面?zhèn)鞑?，表面波的能量隨傳播深度的增加而迅速減弱，當(dāng)傳播深度超過(guò)兩個(gè)波長(zhǎng)的深度時(shí)，表面波的能量已經(jīng)很小了，故表面波只能發(fā)現(xiàn)距工作表面2倍波長(zhǎng)深度的缺陷。圖4-2表面波（4）板波板波是在薄板狀固體（含細(xì)棒材等）中傳播的超聲波，聲波的波動(dòng)情況較為復(fù)雜，它包含有縱波和橫波的分量。在板波的傳播中，按板中振動(dòng)波節(jié)的形式分為對(duì)稱型（S型）和非對(duì)稱型（A型）兩種。

4、板波廣泛的應(yīng)用于薄板超聲探傷。2、超聲波的產(chǎn)生和接收產(chǎn)生超聲波的方法有很多種，分為機(jī)械法、熱學(xué)方法、電動(dòng)方法、磁滯伸縮法、壓電法等。壓電方法簡(jiǎn)單，所用功率小，而且能發(fā)生很高頻率的超聲波，儀器結(jié)構(gòu)靈巧、工作方便、工作頻率可調(diào)，是目前常用的一種方法。圖4-3所示為直探頭基本結(jié)構(gòu)，圖4-4所示為斜探頭基本結(jié)構(gòu)。超聲波是由超聲波探傷儀產(chǎn)生電振蕩并施加于探頭，利用其晶片的壓電效應(yīng)而獲得。探頭主要有保護(hù)膜、壓電晶片和吸收塊等組成。當(dāng)高頻電壓加于晶片兩面電極上時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，晶片會(huì)在厚度方向上產(chǎn)生伸縮變形的機(jī)械振動(dòng)。若晶片與工件表面有良好耦合時(shí)，機(jī)械振

5、動(dòng)就以超聲波形式傳播進(jìn)去，這就是發(fā)射。反之，當(dāng)晶片受到超聲波作用（遇到異質(zhì)界面反射回來(lái)）而發(fā)射伸縮變形時(shí)，正壓電效應(yīng)又會(huì)使晶片兩表面產(chǎn)生不同極性電荷，形成超聲頻率的高頻電壓，這就是接收。利用壓電效應(yīng)使探頭（壓電晶片）發(fā)射或是接受超聲波，就使發(fā)現(xiàn)缺陷成為可能。因此，探頭（壓電晶片）是較為理想的電聲能交換能器。圖4-3直探頭基本結(jié)構(gòu)圖4-4斜探頭基本結(jié)構(gòu)1—插座；2—阻尼塊；3—外殼；1—插座；2—外殼；3—阻尼塊；4—壓電晶片；5—保護(hù)膜4—壓電晶片；5—斜楔塊3、超聲波的性質(zhì)探傷中所用超聲波具有良好的指向性，所謂超聲波有良好的指向性，包括直線

6、性和束射性兩個(gè)含義。直線性指超聲波的波長(zhǎng)很短（毫米數(shù)量級(jí)），因此它在彈性介質(zhì)中能像光波一樣沿直線傳播，并符合幾何光學(xué)規(guī)律。由于聲速對(duì)固體介質(zhì)來(lái)講是個(gè)常數(shù)，因此根據(jù)傳播時(shí)間就能求其傳播距離，從而為探傷中缺陷定位提供了依據(jù)。束射性指聲源發(fā)出的超聲波能集中在一定區(qū)域（稱為超聲場(chǎng)）定向輻射（見(jiàn)圖4-5，以圓形壓電晶片在液體介質(zhì)中以脈沖波形式發(fā)射的縱波超聲場(chǎng)為例）。圖4-5圓盤源超聲場(chǎng)超聲波的能量主要集中在2θ以內(nèi)的錐形區(qū)域，如圖4-5（a）所示。θ越小，波束指向性越好，超聲波能量越集中，探傷靈敏度高，分辨能力高且定位精確。λθ=arcsin1.22D

7、式中θ—半擴(kuò)散角，（°）；λ—波長(zhǎng)，mm；D—壓電晶片直徑，mm。從上式中可以看出，聲波頻率越高，波長(zhǎng)越短，壓電晶片尺寸越大，半擴(kuò)散角越小，聲場(chǎng)指向性越好。近場(chǎng)區(qū)中由于波的干涉聲壓起伏很大，如圖4-5（b）所示，這會(huì)使處于聲壓極值處的較小缺陷回波較高，而處于聲壓較小值處的較大缺陷卻回波較小，易引起誤判。因此，超聲波檢測(cè)中總是盡量避免在近場(chǎng)區(qū)定量。2DN≈4λ式中N—近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，mm。（二）探測(cè)條件的選擇1、探測(cè)面的修整工件表面狀況好壞，直接影響探傷結(jié)果。因此，應(yīng)清除焊接工件表面飛濺物、氧化皮、凹坑及銹蝕等。一般使用砂輪機(jī)、銼刀、噴砂機(jī)、鋼絲刷

8、、磨石、砂紙等對(duì)探測(cè)面進(jìn)行修整，表面粗糙度Ra一般不大于6.3μm。要求去除余高的焊縫，應(yīng)將余高打磨到與鄰近木材平齊。而保留余高的焊縫，如焊縫表面有咬邊、較大的隆起