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什么是超聲波探傷儀？
閱讀：1662 發(fā)布時(shí)間：2020-7-14
什么是重的缺陷，為什么檢測(cè)呢？
缺陷會(huì)造成應(yīng)力集中，并可能損害結(jié)構(gòu)部件的完整性，從而導(dǎo)致低于設(shè)計(jì)應(yīng)力的過(guò)早失效。根據(jù)尺寸，形狀(圓形與尖銳的缺口)和缺陷的數(shù)量，可以降低靜態(tài)機(jī)械性能(拉伸強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率，韌性)。少量的細(xì)孔可能不會(huì)顯著降低靜態(tài)性能。但是，即使是少量的孔隙也可以顯著降低諸如疲勞強(qiáng)度之類的動(dòng)態(tài)性能，因此，在維修前和維修期間，應(yīng)對(duì)高循環(huán)載荷下的組件進(jìn)行缺陷檢查。
缺陷和不連續(xù)點(diǎn)為疲勞裂紋提供了起點(diǎn)。表面缺陷也使材料更容易受到腐蝕。超聲波探傷在航空航天，汽車，基礎(chǔ)設(shè)施(橋梁，塔樓等)，制造業(yè)，船舶，油氣和發(fā)電行業(yè)中都很重要。諸如橋梁，機(jī)身，壓力容器，反應(yīng)堆和輪船之類的老化結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以確保材料的完整性，適航性和對(duì)人類的整體安全，以及保護(hù)環(huán)境和防止主要資本設(shè)備的損失。在復(fù)合材料，焊縫，金屬合金板或軋機(jī)庫(kù)存產(chǎn)品的制造過(guò)程中使用超聲波測(cè)試或監(jiān)視來(lái)檢測(cè)空隙，夾雜物和缺陷，并調(diào)整工藝參數(shù)以消除這些制造缺陷。
超聲波探傷在航空航天，汽車，基礎(chǔ)設(shè)施(橋梁，塔樓等)，制造業(yè)，船舶，油氣和發(fā)電行業(yè)中都很重要。諸如橋梁，機(jī)身，壓力容器，反應(yīng)堆和輪船之類的老化結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以確保材料的完整性，適航性和對(duì)人類的整體安全，以及保護(hù)環(huán)境和防止主要資本設(shè)備的損失。在復(fù)合材料，焊縫，金屬合金板或軋機(jī)庫(kù)存產(chǎn)品的制造過(guò)程中使用超聲波測(cè)試或監(jiān)視來(lái)檢測(cè)空隙，夾雜物和缺陷，并調(diào)整工藝參數(shù)以消除這些制造缺陷。
在制造過(guò)程中或由于現(xiàn)場(chǎng)的老化效應(yīng)，材料和零件中會(huì)發(fā)生多種缺陷：
空洞/毛孔
內(nèi)含物
裂縫(地下或表面)
焊縫缺陷(不*熔化，熱影響區(qū)，圖1-帶有中心孔的板的應(yīng)力集中系數(shù)。由Vable提供，M。材料力學(xué)。
圖1-帶有中心孔的板的應(yīng)力集中系數(shù)。由Vable提供，M。材料力學(xué)。
夾雜物，孔隙率，凹槽形狀)
腐蝕/氧化
磨損/侵蝕
機(jī)加工或磨削損壞
鍛造缺陷
鑄造缺陷
成型/軋機(jī)缺陷
膠粘劑/密封膠剝離
復(fù)合材料/蜂窩分層
鋼絲繩/電纜夾
管道/管子缺陷
什么是UT？
超聲波探傷儀是無(wú)損檢測(cè)(NDT)工程師，檢驗(yàn)人員或技術(shù)人員，冶金學(xué)家和材料工程師使用的工具庫(kù)的一部分，以確保零件和材料的完整性。超聲測(cè)試(UT)是無(wú)損測(cè)試中使用的主要方法之一。
電磁或渦流(ET)，X射線或射線照相檢查(RT)，目測(cè)(VT)，計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT，又名數(shù)字成像或計(jì)算機(jī)射線照相[CR])，磁粉探傷(MT)，液體滲透劑(LP)和硬度測(cè)試(HD)也是著名的NDE技術(shù)。盡管渦流和電磁方法廣泛用于檢查金屬和合金，但是當(dāng)需要檢查電絕緣或非鐵磁材料或零件時(shí)，這些方法就不可行。UT可用于檢查非導(dǎo)電材料，例如復(fù)合材料，塑料，木材和陶瓷。根據(jù)具體產(chǎn)品，超聲儀器還可指示材料厚度，材料中的聲速，彈性模量，泄漏檢測(cè)和故障檢測(cè)。
NDT人員執(zhí)行無(wú)損檢測(cè)(NDT)或無(wú)損評(píng)估，以驗(yàn)證新舊產(chǎn)品，組件和材料的結(jié)構(gòu)完整性。該無(wú)損檢測(cè)協(xié)會(huì)(ASNT)是參與培訓(xùn)和認(rèn)證無(wú)損檢測(cè)人員，開(kāi)發(fā)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)無(wú)損檢測(cè)實(shí)踐使用，鼓勵(lì)探索新的無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)會(huì)議，會(huì)議和出版物分享無(wú)損檢測(cè)專業(yè)知識(shí)和研究的主要組織。在許多行業(yè)應(yīng)用中，需要ASNT級(jí)認(rèn)證。例如，公司經(jīng)常要求檢查人員具有資格，并在超聲測(cè)試(UT)中持有ASNT認(rèn)證。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和通過(guò)的考試，可以提供各種級(jí)別的ANSTNDT認(rèn)證。NDT人員還需要定期重新認(rèn)證。
超聲波探傷儀如何工作？
聲能將傳播到零件的另一端，但是如果出現(xiàn)層狀裂紋或類似的不連續(xù)性，則聲能會(huì)更早地反射。評(píng)估金屬零件或結(jié)構(gòu)零件完整性的自然方法是敲擊并聆聽(tīng)響應(yīng)。高音調(diào)的鈴聲在主觀上表明是固體結(jié)構(gòu)，而低音調(diào)的空心聲音或嘎嘎聲提供了明顯的空隙跡象。超聲波探傷技術(shù)量化并擴(kuò)展了老式的“敲擊測(cè)試方法”或聲波共振方法。抽頭測(cè)試依賴于小于20KHz(每秒20,000個(gè)周期)的可聽(tīng)聲音頻率，而超聲測(cè)試則使用500KHz至10MHz頻率的聲波以及脈沖回波或通過(guò)傳輸方法來(lái)檢測(cè)材料和零件中的缺陷。
超聲測(cè)試使用脈沖接收器生成聲音脈沖或聲波，然后將該信號(hào)發(fā)送到超聲換能器。使用超聲換能器將應(yīng)力波傳播通過(guò)零件，該超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲范圍內(nèi)的高頻聲波?，F(xiàn)代超聲儀器具有附加的信號(hào)處理組件，例如數(shù)字化儀或模數(shù)轉(zhuǎn)換器，信號(hào)放大器和信號(hào)濾波器減少噪聲，改善信號(hào)檢測(cè)并增強(qiáng)解釋能力。然后將這些聲波聚焦在目標(biāo)上，并通過(guò)換能器或其他拾取傳感器或接收器讀取回聲，以確定特定的變量，例如距離和速度。材料中的聲阻抗和聲速隨密度和彈性特性而變化。在由裂紋，接縫，疊片，裂縫或空隙產(chǎn)生的不同材料之間的界面處會(huì)發(fā)生反射。根據(jù)特定的UT技術(shù)和所使用的傳感器，超聲脈沖可以檢測(cè)和確定缺陷深度，缺陷尺寸甚至缺陷成像。反射返回到換能器所花費(fèi)的時(shí)間可以根據(jù)材料中聲音的速度轉(zhuǎn)換為距離或深度。背面反射時(shí)間表示材料的厚度?，F(xiàn)代超聲儀器為用戶將時(shí)間轉(zhuǎn)換為深度。
撞擊，ping或超聲波脈沖會(huì)在材料中引發(fā)S，R和L波。S波和R波從源脈沖沿球面波前傳播出去。S波與剪切應(yīng)力或應(yīng)變相關(guān)，而縱波(P波或L波)與法向應(yīng)力或應(yīng)變相關(guān)。R波沿零件的表面?zhèn)鞑??？v向波適合于檢測(cè)平行于零件表面定向的缺陷，裂紋或分層，而剪切波則更適合于檢測(cè)垂直于材料表面定向的缺陷，焊縫或裂紋。
Krautkramer等。在1990年有關(guān)的彈性模量(E)，剪切模量(G)，泊松比(ν)和密度，P波和S波的速度通過(guò)下式的材料(ρ)：
Çp波=ν)/(ρ(1+ν)(1-2ν)))1/2
Cs波=(G/ρ)1/2(E/2ρ(1+ν))1/2
反射系數(shù)與構(gòu)成界面的材料的特定聲阻抗有關(guān)。
R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)
零件的幾何形狀和聲束相對(duì)于零件表面的角度會(huì)影響超聲測(cè)試結(jié)果。與表面成直角或垂直于表面撞擊的聲束或脈沖將直接向后反射。用換能器施加垂直于零件的脈沖進(jìn)行超聲波測(cè)試稱為直光束測(cè)試。當(dāng)超聲脈沖以一定角度入射到零件中時(shí)，會(huì)發(fā)生角束超聲測(cè)試，然后該超聲脈沖以相同角度向前傳播并以相同角度在平行表面上反射。斯涅耳的折射定律根據(jù)以下公式控制聲音的傳播方式：
(sin?1)/(VL1)=(sin?2)/(VL2)
反射波的信號(hào)所產(chǎn)生的*回波圖或頻譜被記錄并顯示在屏幕上。需要使用標(biāo)準(zhǔn)品和一定程度的知識(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)才能解釋這些模式。時(shí)域頻率分析和頻譜分析用于從記錄的超聲波形式的峰中提取信息。
有哪些類型的超聲波探傷儀可用？
根據(jù)零件的尺寸，幾何形狀和位置(現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室)，有幾種不同類型的超聲波探傷儀可供使用。定義超聲波探傷類型的另一個(gè)因素是所使用的耦合和換能器的類型。
直束超聲測(cè)試使用接觸，延遲線，雙元件或浸入式傳感器。直束超聲波探傷儀可以發(fā)現(xiàn)平行于試樣表面的裂紋或分層。它們還可以檢測(cè)孔隙和孔隙度。
接觸式超聲測(cè)試使用與要檢查的零件或表面接觸的超聲換能器。接觸式超聲換能器和緊湊的便攜式超聲探傷儀有助于對(duì)組件進(jìn)行工廠和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。取決于換能器，耦合劑可能會(huì)或可能不會(huì)應(yīng)用于零件?？諝怦詈铣暅y(cè)試是UT的另一種形式。
雙元件換能器在換能器外殼中具有兩個(gè)元件，允許發(fā)射器和接收器獨(dú)立運(yùn)行。元件彼此成角度以形成反射的發(fā)射/接收路徑。
延遲線傳感器用途廣泛，通常具有可更換的探頭選件，例如隔膜和防磨帽。它們用于測(cè)量或檢測(cè)缺陷，例如薄材料中的分層。
在浸入式超聲測(cè)試(IUT)中，將零件浸入耦合劑浴中，將潛水換能器放置在水箱中，或者通過(guò)指向該零件的耦合劑射流或聲流發(fā)送聲脈沖。浸入式超聲測(cè)試適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試應(yīng)用，其中零件足夠小以適合UT儲(chǔ)罐，或者可以輕松收集耦合劑射流。
角射束超聲波缺陷測(cè)試可用于檢測(cè)垂直于試件表面或與零件表面成一定角度的裂紋，分層或其他缺陷。使用直束UT技術(shù)通?？床坏竭@些方向的缺陷。
在角梁或剪切波UT中，角梁或楔形傳感器安裝在透明的塑料或環(huán)氧樹脂角塊或楔形上。角射束傳感器將剪切波或縱波以相對(duì)于表面的角度引入到測(cè)試件中。它們通常用于焊接檢查。剪切波UT通常用于焊接檢查。折射剪切波用于檢測(cè)整個(gè)焊接區(qū)域深度的缺陷。在不使用角鋼楔的情況下將剪切波引入材料。剪切波分量與縱向分量之比可以超過(guò)30dB。
飛行時(shí)間衍射波(TOFD)傳感器與楔一起使用，并發(fā)射高度衰減的縱波，以產(chǎn)生用于裂紋檢測(cè)和測(cè)量的橫波。使用四種不同的超聲波類型構(gòu)造TOFD圖像：(1)縱向波；(2)接收器和發(fā)送器之間的表面上的側(cè)波；(3)反射的縱向波；(4)在裂紋，缺陷處產(chǎn)生的剪切波或不連續(xù)性。
相控陣測(cè)試(PAUT)使用多個(gè)換能器組成的陣列，這些換能器放置在零件周圍的不同位置作為一個(gè)系統(tǒng)一起工作。相控陣超聲成像系統(tǒng)可對(duì)裂縫，焊縫或缺陷成像。相控陣技術(shù)通過(guò)以內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫截面圖像的彩色圖形表示形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，大大提高了用戶友好性并簡(jiǎn)化了解釋。此外，相控陣超聲探傷儀具有射束轉(zhuǎn)向，快速掃描和動(dòng)態(tài)聚焦功能，可顯著提高在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用。
電磁聲共振(EMAR)使用非接觸式EMAT傳感器來(lái)傳遞信號(hào)以進(jìn)行共振聲分析。電磁聲換能器(EMAT)使用磁致伸縮或渦流效應(yīng)來(lái)發(fā)送和接收超聲信號(hào)。非接觸式EM感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生純諧振響應(yīng)。與傳統(tǒng)的超聲換能器相比，EMAR具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如不需要耦合劑?？捎糜趲в醒趸ぃ繉踊蛑匮趸瘜拥臉悠?；在高溫下起作用；可用于與表面接觸或相距很小的距離；甚至可以檢查小直徑的管道。
非接觸式和無(wú)耦合劑的特征允許在生產(chǎn)過(guò)程中檢查運(yùn)動(dòng)物料。來(lái)自周圍機(jī)械的機(jī)械振動(dòng)不會(huì)影響被檢查材料或零件中的超聲波信號(hào)。根據(jù)需要隔離和測(cè)量哪些功能，可以生成局部或較寬的聲場(chǎng)。也可以隔離小的表面或地下缺陷或異常。具體來(lái)說(shuō)，整個(gè)零件可以產(chǎn)生共振，以進(jìn)行彈性剛度和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估。EMAR的局限性在于，被評(píng)估的零件必須由導(dǎo)電材料制成。