超聲探傷技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用

時(shí)間：2015-04-25作者：南昌星楓儀器有限公司瀏覽：133

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，超聲探傷技術(shù)對(duì)超聲檢測技術(shù)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。為了了解超聲探傷技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用，通過介紹超聲探傷技術(shù)的基本原理，采用分類的方法，研究其在建筑、土木、焊接、機(jī)車等方面無損檢測中的各種應(yīng)用，得到如下結(jié)論，超聲探傷存在一些優(yōu)點(diǎn)，它能夠提高檢測精度，減少檢測時(shí)間，因此，具有很好的發(fā)展前景。

　　0 ?引 言

　　無損檢測( No ndest ruct ive test ，NDT ) 是指不破壞和損傷受檢物體，對(duì)其性能、質(zhì)量、有無內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測的一種技術(shù)。無損檢測技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步不可缺少的手段，特別隨著新材料、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各種結(jié)構(gòu)零件向高參量、大容量方向發(fā)展，不僅要提高缺陷檢測的準(zhǔn)確率和可靠性，而且要把傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無損檢測的數(shù)字化、圖像化、實(shí)時(shí)化、智能化。

　　工業(yè)上常用的無損檢測方法有五種：超聲檢測( UT ) 、射線探傷( RT) 、滲透探查( PT) 、磁粉檢測( MT )和渦流檢測( ET ) 。其中超聲檢測是利用超聲波的透射和反射進(jìn)行檢測的。超聲波可以穿透無線電波、光波無法穿過的物體，同時(shí)又能在兩種特性阻抗不同的物質(zhì)交界面上反射，當(dāng)物體內(nèi)部存在不均勻性時(shí)，會(huì)使超聲波衰減改變，從而可區(qū)分物體內(nèi)部的缺陷。因此，在超聲檢測中，**器**超聲波的目的是超聲波在物體遇到缺陷時(shí)，一部分聲波會(huì)產(chǎn)生反射，**和接收器可對(duì)反射波進(jìn)行分析，精確地測出缺陷來，并顯示出內(nèi)部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。

　　超聲檢測作為一種重要的無損檢測技術(shù)不僅具有穿透能力強(qiáng)、設(shè)備簡單、使用條件和安全性好、檢測范圍廣等根本性的優(yōu)點(diǎn)外，而且其輸出信號(hào)是以波形的方式體現(xiàn)。使得當(dāng)前飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)信號(hào)處理、模式識(shí)別和人工智能等**能被方便地應(yīng)用于檢測過程，從而提高檢測的精確度和可靠性。

　　超聲波無損探傷( NDI) 是超聲無損檢測的一種發(fā)展與應(yīng)用，其設(shè)備有：超聲探傷儀、探頭、藕合劑及標(biāo)準(zhǔn)試塊等。其用途是檢測鑄件縮孔、氣泡、焊接裂紋、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度測定。

　　超聲無損檢測在較近幾十年中得到了較大的進(jìn)展,它已成為材料或結(jié)構(gòu)的無損檢測中常用的手段。由于超聲檢測可以在線進(jìn)行、超聲波對(duì)人體無害又不改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，因此，在材料或結(jié)構(gòu)的無損檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　1 ?超聲探傷原理

　　超聲探傷是無損檢測的主要方法之一。它能非破壞性地探測材料性質(zhì)及內(nèi)部和表面缺陷( 如裂紋、氣泡、夾渣等) 的大小、形成和分布情況，具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢測速度快和設(shè)備簡單、成本低等一系列特點(diǎn)。

　　1. 1 ?基本原理

　　超聲波探傷具有反射和透射兩種方法。其中反射方法精確度較高。圖1 是脈沖回波探傷儀原理圖。脈沖**器通過探頭將超聲波短脈沖送入試件，當(dāng)回波從試件的缺陷或邊界返回時(shí)，通過信號(hào)處理系統(tǒng)，在示波器上加以顯示，并將其幅度和傳播時(shí)間顯示出來。如果已知試件中的聲速，則根據(jù)示波器上的讀數(shù)所獲得的脈沖間的傳輸時(shí)間即可獲得缺陷的深度。

脈沖回波探傷儀原理圖。

　　1. 2 ?探傷分類

　　超聲探傷方法很多，可以按不同的方式進(jìn)行分類。

　　現(xiàn)將幾種常用的分類方法介紹如下。

　　( 1) 按原理分類

　　按探傷原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭**脈沖到被檢測試塊內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試件缺陷的方法。脈沖反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等。

　　( 2) 按耦合方式分類

　　按耦合方式分類。

?按耦合方式探傷分類圖。

　　( 3) 按探傷顯示方法分類

　　按探傷顯示方法分類可分為A 型顯示，B 型顯示與C 型顯示。其中A 型顯示只顯示缺陷的深度： B 型顯示探傷儀，可顯示工件內(nèi)部缺陷的橫斷面形狀，此時(shí)示波器橫坐標(biāo)代表探頭在工件面上的位置，縱坐標(biāo)代表缺陷的深度。探頭沿工件移動(dòng)與示波管掃描線的水平移動(dòng)是同步的，為使圖象保留在熒光屏上，應(yīng)選用長余輝示波管，且探頭移動(dòng)速度不能太快： C 型顯示探傷儀,可以顯示工件內(nèi)部缺陷的平面圖形。

　　( 4) 按智能方式分類

　　上述探傷方法如由人工操作，則為人工探傷。如使試樣或探頭移動(dòng)，在它的移動(dòng)中利用超聲波自動(dòng)地檢測缺陷并予以顯示或指示( 噴色) 的方式，稱為超聲自動(dòng)探傷。自動(dòng)探傷要有探傷儀( 帶閘門裝置) ，顯示裝置，探頭及其夾持機(jī)構(gòu)。根據(jù)探頭設(shè)置方式的不同還可大致分為如下幾種探傷方式：直接接觸方式，此方式只用在探傷速度不高且表面光滑的場合，如軌道、無縫鋼管和軸等： 局部水浸方式是超聲探傷中較適用的方式，還可細(xì)分為其他方式，但原理是同樣的： 全水浸方式用于工件的某部分( 如粘結(jié)層) 或管類的精密探傷，當(dāng)水槽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以進(jìn)行自動(dòng)探傷的情況下，除去工件的裝卸以外，探傷可以全部自動(dòng)化，如果工件加工精度高，而且水槽內(nèi)架設(shè)的探頭夾持機(jī)構(gòu)、移動(dòng)架的精度也高，則探傷的精度也高 。

　　2 ?超聲探傷技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用

　　2. 1 ?機(jī)車檢測方面的應(yīng)用

　　2. 1. 1 ?在高速鋼軌檢測中的應(yīng)用

　　我國鐵路運(yùn)營線路近七萬公里，而且鐵路正在向高速、重載的方向發(fā)展。**期服役的鋼軌數(shù)量很大，線路上的鋼軌在承擔(dān)繁重的運(yùn)輸任務(wù)過程中，不免要產(chǎn)生各種肉眼能看見及看不見的損傷如側(cè)磨、軌頭壓潰、剝離掉塊、銹蝕、核傷、水平裂紋、垂直裂紋、周邊裂紋等。

　　如圖3 所示，當(dāng)被檢鋼軌內(nèi)部有一個(gè)裂紋缺陷( 或其他缺陷) ，將超聲波探頭放在被檢鋼軌的某一表面部位( 該面稱作探傷面、檢測面) ，探頭向被檢鋼軌**超聲波信號(hào)，超聲波穿過界面進(jìn)入被檢鋼軌內(nèi)部，在遇到缺陷和兩介質(zhì)的界面時(shí)都會(huì)有反射，反射信號(hào)被探頭接收后，通過探傷儀內(nèi)部的電路轉(zhuǎn)換，就可以把缺陷信號(hào)和底波信號(hào)形象地顯示出來，如圖4 所示。根據(jù)超聲波的聲程推算，就可以輕易地將缺陷信號(hào)和底波信號(hào)區(qū)分開，然后通過超聲波試塊進(jìn)行定標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌缺陷的定位和定量。

?超聲探傷示意圖。

　　2. 1. 2 ?在車輪缺陷檢測中的應(yīng)用

　　輪對(duì)是車輛走行部中較重要的部件之一，對(duì)軌道車輛輪對(duì)的檢測并準(zhǔn)確地判斷其缺陷位置一直是鐵道運(yùn)輸部門非常重視的問題。該系統(tǒng)采用電磁超聲探傷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)踏面的缺陷檢測，包括：踏面剝離及剝離前期檢測： 踏面表面及近表面裂紋檢測。

超聲波探傷儀顯示缺陷示意圖。

　　電磁超聲探傷系統(tǒng)利用超聲表面波的脈沖反射原理進(jìn)行缺陷檢測。當(dāng)輪對(duì)沿鋼軌運(yùn)行到探頭位置，輪對(duì)踏面接觸探頭的瞬間，EMAT ( 電磁超聲探傷技術(shù)) 在車輪踏面表面及近表面激發(fā)出電磁超聲表面波脈沖，超聲表面波將沿踏面表面及近表面圓周以很小的損耗傳播。如圖5 所示，超聲表面波在踏面雙向傳播( 順時(shí)針和逆時(shí)針) ，沿車輪表面及近表面?zhèn)鞑? 周后回到探頭位置，EMAT 探頭檢測到返回的超聲表面波后形成*1 次周期回波( 圖5 中RT 波) ： 未衰減的超聲波繼續(xù)沿踏面?zhèn)鞑ィ来涡纬?2 次、*3 次周期回波，,直到能量衰減到設(shè)備無法檢測為止。

探頭在踏面激發(fā)的超聲表面波。

　　當(dāng)車輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷存在時(shí)，超聲波在缺陷端面處一部分能量被反射，沿原傳播路徑返回并被探頭檢測到，形成缺陷回波( 圖6 中E波) ： 另一部分能量繞過缺陷端面繼續(xù)傳播，形成周期性回波( 圖6 中RT 波) 。通過正常的周期回波( RT) 與缺陷回波( E) 的對(duì)比分析，可以定性分析當(dāng)前輪對(duì)的踏面缺陷狀況。

　　2. 1. 3 ?在輪輞缺陷檢測中的應(yīng)用

　　隨著我國鐵路行車速度的提高，尤其是動(dòng)車組的開行給行車安全提出新的考驗(yàn)，轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件如輪輞、車軸、軸承等局部位置承受較大的應(yīng)力，要求檢測過程速度加快、檢測時(shí)間間隔變小、檢測范圍擴(kuò)大，給鐵路無損檢測領(lǐng)域提出較高的技術(shù)要求。

　　根據(jù)輪輞缺陷裂紋的走向特點(diǎn)，將輪輞缺陷分為三類。

?表面波傳播原理

　　( 1) 周向缺陷：沿車輪踏面圓周方向并與踏面圓周方向平行：( 2) 徑向缺陷：方向垂直踏面，與車輪直徑方向平行：( 3) 軸向缺陷：輪輞內(nèi)部與車軸方向平行。

　　在探傷實(shí)驗(yàn)中，通過在樣板輪上打平底孔、刻槽的方式形成人工缺陷模擬輪輞的實(shí)際缺陷，平底孔的直徑或刻槽的寬度與實(shí)際裂紋尺寸成當(dāng)量關(guān)系，相控陣探頭分別置于踏面( I) 和輪緣內(nèi)側(cè)( II) 進(jìn)行掃查，樣板輪工缺陷如圖7 所示，缺陷# 為距輪緣*40 mm且垂直輪輞側(cè)面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷? 為距踏面10 mm 垂直輪輞側(cè)面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷% 為距踏面50 mm 垂直輪輞側(cè)面 3 mm 深90 mm 的平底孔： 缺陷&為輪輞與輪輻交接區(qū)域，朝踏面方向3 mm、孔底距踏面40 mm 的平底孔： 缺陷? 為輪緣根部靠踏面?zhèn)? mm 深周向刻槽，槽寬小于等于2 mm。

　　根據(jù)超聲檢測脈沖回波反射的特點(diǎn)，周向缺陷采用縱波相控陣直探頭從踏面進(jìn)行掃查： 徑向缺陷采用縱波相控陣直探頭在輪緣內(nèi)側(cè)面進(jìn)行掃查： 軸向缺陷采用縱波相控陣直探頭、橫波相控陣斜探頭均能掃查到 。

輪輞人工模擬缺陷探傷。

　　2. 2 ?建筑和土木方面的應(yīng)用

　　2. 2. 1 ?超聲在測定混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及厚度的應(yīng)用

　　( 1) 強(qiáng)度檢測技術(shù)

　　超聲波檢測是利用混凝土的抗壓強(qiáng)度與超聲波在混凝土中的傳播參數(shù)( 聲速) 之間的相關(guān)性來檢測混凝土強(qiáng)度的?；炷恋膹椥阅Ａ吭酱?，強(qiáng)度越高，超聲波的傳播速度越快。經(jīng)試驗(yàn)，這種相關(guān)關(guān)系可以用非線性數(shù)學(xué)模型來擬合，即通過實(shí)驗(yàn)建立混凝土強(qiáng)度和聲速的關(guān)系曲線?，F(xiàn)場檢測混凝土強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)該選擇澆筑混凝土的模板側(cè)面為測試面，一般以200 mm ( 200 mm 的面積為一測區(qū)。每一試件上相鄰測區(qū)間距不大于2 m。

　　測試面應(yīng)清潔平整，干燥無缺陷和無飾面層。每個(gè)測區(qū)內(nèi)應(yīng)在相對(duì)測試面上對(duì)應(yīng)的輻射和接收換能器應(yīng)在同一軸線上，測試時(shí)必須保持換能器與被測混凝土表面有良好的耦合，并利用黃油或凡士林等耦合劑，以減少聲能的反射損失。按擬定的回歸方程計(jì)算或查表**對(duì)應(yīng)測區(qū)的混凝土強(qiáng)度值。

　　( 2) 聲波反射法測量厚度

　　如圖8 所示，超聲波從一種固體介質(zhì)入射到另一種固體介質(zhì)時(shí)，在兩種不同固體的分界面上會(huì)產(chǎn)生波的反射和折射。聲阻抗率相差越大，則反射系數(shù)也越大，反射信號(hào)就越強(qiáng)。所以只要能從直達(dá)波和反射波混雜的接收波中識(shí)別出反射波的疊加起始點(diǎn)，并測出反射波到時(shí)，就可以由式( 1) 計(jì)算混凝土的厚度:

　　式中：H 為混凝土厚度： C 為混凝土中聲速： T 為反射波走時(shí)： L 為兩換能器間距。由( 1) 式知，要準(zhǔn)確得到厚度,關(guān)鍵是如何設(shè)法測得較準(zhǔn)確的混凝土聲速C 和混凝土結(jié)構(gòu)底面波反射聲時(shí)T。當(dāng)換能器固定時(shí)，L 是一個(gè)常數(shù) 。

反射法測量厚度原理圖。

　　2. 2. 2 ?超聲在橋梁混泥土裂縫檢測中的應(yīng)用

　　橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能及耐久年限，主要由設(shè)計(jì)、施工和所用材料的質(zhì)量等諸多因素共同決定。由于設(shè)計(jì)、施工和材料可能存在某些缺陷，這些缺陷會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)先天存在著某些薄弱之處： 此外，橋梁在營運(yùn)使用中又會(huì)受到不可避免的人為損傷及各種大自然侵蝕，帶來后天病害。

　　，先在與裂縫相鄰的無缺陷混凝土利用*測法計(jì)算出超聲波在測距為2a 的混凝土中的聲時(shí)t0 ：再將超聲換能器置于裂縫兩側(cè)各為a 的距離，計(jì)算出跨縫測試超聲波的聲時(shí)tc ，計(jì)算裂縫深度dc 公式為 :

　　2. 3 ?焊接方面的應(yīng)用

　　采用超聲相控陣技術(shù)及B 掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)，通過足夠數(shù)量的探頭排列和觸發(fā)時(shí)間控制，并選用不同頻率范圍，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式電阻絲電熔連接接頭的檢測。

　　通過對(duì)比超聲圖像與接頭實(shí)剖圖，發(fā)現(xiàn)該方法能可靠地檢出物體中的缺陷，并能較精確地確定缺陷位置和大小。在聚乙烯管道安裝工程中的檢測進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性。

　　檢測示意圖如圖10 所示。超聲相控陣檢測結(jié)合B掃描技術(shù)可以判斷檢測截面上電阻絲的位置，從而可以判斷由于管材和套筒配合過緊造成的電阻絲垂直方向的錯(cuò)位情況，從實(shí)剖圖上得到驗(yàn)證如圖11 所示，比較超聲成像圖和實(shí)剖圖可以看出，相控陣超聲方法對(duì)金屬絲有較好的分辨效果，連很微小的位移也能分辨出來，定位精度達(dá)0. 5 mm。

　　超聲相控陣技術(shù)及B 掃描實(shí)時(shí)成像方法對(duì)聚乙烯管電熔接頭各類缺陷有較好的檢出能力。對(duì)大量含缺陷電熔接頭進(jìn)行檢測和試驗(yàn)研究，對(duì)比超聲成像圖和實(shí)剖圖，發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)于聚乙烯電熔接頭的各類缺陷均有較高的檢測靈敏度和檢出精度。通過城鎮(zhèn)聚乙烯燃?xì)夤艿腊惭b工程檢測實(shí)踐，驗(yàn)證該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)嵌入式電阻絲電熔連接接頭的檢測。

　　3 ?結(jié) 語

　　現(xiàn)代意義的無損檢測技術(shù)是隨著各種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。超聲檢測作為無損檢測的一種重要方法和熱點(diǎn)研究，主要集中在研制適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高的探頭： 為判斷缺陷性質(zhì)而對(duì)各種缺陷數(shù)學(xué)模型的建立： 缺陷的檢出和信號(hào)分析技術(shù)： 無損*價(jià)的量化研究以及拓展超聲檢測在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)平面型缺陷十分敏感，一經(jīng)探傷便知結(jié)果，易于攜帶，多數(shù)超聲探傷儀不必外接電源，穿透力強(qiáng)。局限性是藕合傳感器要求被檢表面光滑，難于探出細(xì)小裂縫，要有參考標(biāo)準(zhǔn)，為解釋信號(hào)要求檢驗(yàn)人員素質(zhì)高。

　　超聲檢測技術(shù)未來將會(huì)向著以下幾個(gè)方面發(fā)展:

　　( 1) 向高精度、高分辨率方向發(fā)展。

　　( 2) 高溫條件下的測量明顯增多，在線檢測、動(dòng)態(tài)檢測增多。

　　( 3) 在若干領(lǐng)域向超聲無損*價(jià)發(fā)展，使得超聲檢測內(nèi)容有了新的內(nèi)涵。如超聲檢測技術(shù)與斷裂力學(xué)相結(jié)合，對(duì)重要構(gòu)件進(jìn)行剩余壽命*價(jià)： 超聲檢測技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合，對(duì)材料進(jìn)行物理*價(jià)。

　　( 4) 在無損檢測方面向定量化、圖像化方向發(fā)展,超聲檢測系統(tǒng)將進(jìn)一步數(shù)字化、圖像化、自動(dòng)化、智能化。

　　( 5) 現(xiàn)代信息處理技術(shù)如數(shù)值分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、遺傳算法、虛擬儀器技術(shù)將廣泛應(yīng)用于超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域。

　　隨著各種科學(xué)技術(shù)在超聲檢測及探傷中的不斷深入應(yīng)用，相信超聲檢測作為許多領(lǐng)域產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段之一必將得到更多的關(guān)注與提高。


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