五大常規無損檢測技術之一:超聲檢測(UT)的原理和特點

1 超聲檢測(Ultrasonic Testing),業內人士簡稱UT,是工業無損檢測(Nondestructive Testing)中應用最廣泛、使用頻率最高且發展較快的一種無損檢測技術,可以用于產品制造中質量控制、原材料檢驗、改進工藝等多個方面,同時也是設備維護中不可或缺的手段之一。

2 超聲檢測主要的應用是檢測工件內部宏觀缺陷和材料厚度測量。按照不同特征,可將超聲檢測分為多種不同的方法:
2.1 按原理分類:超聲波脈沖反射法、衍射時差法(Time of Flight Diffraction,簡稱TOFD)等。
2.2 按顯示方式分類:A型顯示、超聲成像顯示(B、C、D、P掃描成像、雙控陣成像等)。A型顯示的超聲波脈沖反射法是五大常規無損檢測技術之一,其他四種是:射線檢測(Radiographic Testing):射線照相法磁粉檢測(Magnetic Particle Testing)滲透檢測(Penetrant Testing)渦流檢測(Eddy Current Testing

3 超聲檢測原理,本質上是利用超聲波與物質的相互作用:反射、折射和衍射。

3.1 什么是超聲波?我們把能引起聽覺的機械波稱為聲波,頻率在20-20000Hz之間,而頻率高于20000Hz的機械波稱為超聲波,人類是聽不到超聲波的。對于鋼等金屬材料的檢測,我們常用頻率為0.5~10MHz的超聲波。(1MHz=10的六次方Hz)

3.2 如何發出和接收超聲波?超聲檢測用探頭的核心元件是壓電晶片,其具有壓電效應:在交變拉壓應力的作用下,晶體可以產生交變電場。當高頻電脈沖激勵壓電晶片時,發生逆壓電效應,將電能轉換成聲能(機械能),探頭以脈沖的方式間歇發射超聲波,即脈沖波當探頭接受超聲波時,發生正壓電效應,將聲能轉換成電能。

3.3超聲檢測所用的常規探頭,一般由壓電晶片、阻尼塊、接頭、電纜線、保護膜和外殼組成,一般分為直探頭和斜探頭兩個類別,后者的話通常還有一個使晶片與入射面成一定角度的斜鍥塊。下圖為典型的斜探頭結構圖(圖片來源于網絡)。

下圖為斜探頭的實物圖

3.3.1該探頭型號:2.5P8*12 K2.5,其參數為:
a)2.5代表頻率f2.5MHz
b)P代表晶片材料為:鋯鈦酸鉛陶瓷,具有溫度穩定性好、電性能優異、容易制造而且價格低廉等優點;
c)8*12代表矩形晶片尺寸為:8mm*12mm;
dK2.5代表:斜探頭折射角的正切值為2.5,即tan(68.2°)=2.5,其折射角為68.2°

3.4 A型顯示的超聲波脈沖反射法工作原理:
聲源產生的脈沖波進入到工件中,超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播。當遇到兩側聲阻抗有差異的界面時(聲阻抗存在差異往往是因為材料中某種不連續性造成,如裂紋、氣孔、夾渣等)部分聲波被反射,檢測設備接受和顯示:分析聲波幅度和位置等信息,評估缺陷是否存在或存在缺陷的大小位置等。

4 A型顯示的超聲波脈沖反射法的特點
4.1 適用范圍:適用于金屬、非金屬和復合材料等多種制件。
4.1.1 原材料、零部件檢測:鋼板、鋼鍛件、鋁及鋁合金板材、鈦及鈦合金板材、復合板、無縫鋼管等。
4.1.2 對接焊接接頭檢測:鋼制對接接頭(包括管座角焊縫、T形焊接接頭,支撐架和結構件),鋁及鋁合金對接接頭
下圖為鋼制對接接頭:T形焊接接頭。

5 A型顯示的超聲波脈沖反射法的優點
a)穿透能力強,可對較大厚度范圍內的工件內部缺陷進行檢測。如對于金屬材料,可檢測厚度為1~2mm的薄壁管材和板材,也可檢測幾米長的鋼鍛件。
b)缺陷定位較準確。
c)對面積型缺陷的檢出率較高。
d)靈敏度高,可檢測工件內部尺寸很小的缺陷。超聲檢測理論靈敏度約為超聲波波長的一半,當檢測對象為鋼制件,采用2.5MHz頻率的超聲斜探頭,其靈敏度約為0.65mm。
e)檢測成本低、速度快,設備輕便,對人體及環境無害,現場使用較方便。

6 A型顯示的超聲波脈沖反射法的局限
a)對工件中的缺陷進行精確的定性、定量仍需作深入研究。
b)對具有復雜形狀或不規則外形的工件進行超聲檢測有困難。
c)缺陷的位置、取向和形狀對檢測結果有一定影響。
d)工件材質、晶粒度等對檢測有較大影響。
e)檢測結果顯示不直觀,檢測結果無直接見證記錄


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