超聲波檢測技術(shù)及應(yīng)用

1、超聲波檢測技術(shù)及應(yīng)用劉贛（青島濱海學(xué)院，山東省青島市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)266000） 摘 要：無損檢測(nondestructive test)簡稱 NDT。無損檢測就是不破壞和不損傷受檢物體，對(duì)它的性能、質(zhì)量、有無內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測的一種技術(shù)。本文主要講的是超聲波檢測（UT）的工作原理以及在現(xiàn)在工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。 關(guān)鍵詞：超聲波檢測；縱波；工業(yè)應(yīng)用；無損檢測1. 超聲波檢測介紹1.1超聲波的發(fā)展史 聲學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)分支, 是研究聲波的發(fā)生、傳播、接收和效應(yīng)的一門科學(xué)。在1940 年以前只有單晶壓電材料, 使得超聲波未能得到廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)70 年代, 人們又研制出了PLZT 透明壓電陶瓷,

2、壓電材料的發(fā)展大大地促進(jìn)了超聲波領(lǐng)域的發(fā)展。聲波的全部頻率為10- 4Hz1014Hz, 通常把頻率為2104Hz2109Hz 的聲波稱為超聲波。超聲波作為聲波的一部分, 遵循聲波傳播的基本定律,1.2超聲波的性質(zhì)1） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，達(dá)到一定程度的聲功率就可在液體中的物體界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊（基于“空化現(xiàn)象”）。從而引出了“功率超聲應(yīng)用技術(shù)“例如“超聲波清洗”、“超聲波鉆孔”、“超聲波去毛刺”（統(tǒng)稱“超聲波加工”）等。 2） 超聲波具有良好的指向性3） 超聲波只能在彈性介質(zhì)中傳播，不能再真空中傳播。一般檢測中通常把空氣介質(zhì)作為真空處理，所以認(rèn)為超聲波也不能通過空氣進(jìn)行傳播。4） 超

3、聲波可以在異質(zhì)界面透射、反射、折射和波型轉(zhuǎn)化。5） 超聲波具有可穿透物質(zhì)和在物質(zhì)中衰減的特性。6） 利用強(qiáng)功率超聲波的振動(dòng)作用，還可用于例如塑料等材料的“超聲波焊接”。1.2超聲波的產(chǎn)生與接收 超聲波的產(chǎn)生和接收是利用超聲波探頭中壓電晶體片的壓電效應(yīng)來說實(shí)現(xiàn)的。由超聲波探傷儀產(chǎn)生的電振蕩，以高頻電壓形式加載于探頭中壓電晶體片的兩面電極上時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)的結(jié)果，壓電晶體片會(huì)在厚度方向上產(chǎn)生持續(xù)的伸縮變形，形成了機(jī)械振動(dòng)。弱壓電晶體片與焊件表面有良好的耦合時(shí)，機(jī)械振動(dòng)就以超聲波形式傳播進(jìn)入被檢工件，這就是超聲波的產(chǎn)生。反之，當(dāng)壓電晶體片收到超聲波作用而發(fā)生伸縮變形時(shí)，正壓電效應(yīng)的結(jié)果會(huì)使壓電晶體

4、片兩面產(chǎn)生不同極性的電荷，形成超聲頻率的高頻電壓，以回波電信號(hào)的形勢經(jīng)探傷儀顯示，這就是超聲波的接收。1.3超聲波無損檢測的原理超聲波探傷儀的種類繁多，但在實(shí)際的探傷過程，脈沖反射式超聲波探傷儀應(yīng)用的最為廣泛。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。目前便攜式的脈沖反射式超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被檢測材料中

5、的傳播時(shí)間或者傳播距離，縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個(gè)鋼工件中存在一個(gè)缺陷，由于這個(gè)缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個(gè)界面之后，就會(huì)發(fā)生反射，反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會(huì)顯示出來一個(gè)反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個(gè)位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。這個(gè)反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。1.4超聲波無損檢測的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1） 探傷速度快，效率高2） 設(shè)備簡單輕巧，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，野外及高空作業(yè)方便，實(shí)用3） 探測結(jié)果不受焊接接頭形式的影響，除對(duì)焊接縫外，還能檢查T

6、形接頭及所有角焊縫。4） 對(duì)焊縫內(nèi)危險(xiǎn)性缺陷（包括裂縫、未焊透、未熔合）檢測靈敏度高5） 易耗品極少，檢查成本低缺點(diǎn)：1） 若工件表面粗糙，需磨平，人工多2） 探測結(jié)果判定困難，操作人員需經(jīng)專門培訓(xùn)并經(jīng)考核幾個(gè)3） 缺陷定型及定量困難4） 探測結(jié)果的正確評(píng)定收人為思想束縛的影響較大5） 探測結(jié)果不能直接記錄存檔6） 對(duì)于形狀復(fù)雜、表面粗糙、內(nèi)部存在粗晶組織與奧氏體焊縫，探傷困難2. 超聲波檢測的應(yīng)用2.1陶瓷的無損檢測2.1.1陶瓷氣孔率的檢測 陶瓷的強(qiáng)度、彈性模量、密度等直接和氣孔率有關(guān), 有些構(gòu)件的氣孔率決定了它能否使用。陶瓷中超聲波的傳遞速度和氣孔率（或密度） 之間也存在某種關(guān)系, 可以

7、通過實(shí)測得到, 再利用式（1）、式（2） 求出陶瓷的氣孔率:（1）（2）式中: 陶瓷的氣孔率為零時(shí)的理論聲速;陶瓷的氣孔率;陶瓷的彈性模量; 陶瓷的密度。將氣孔簡化為隨機(jī)取向的橢球, 均勻分布在各向同性的基體中, 用復(fù)合微觀力學(xué)模型計(jì)算聲速并和實(shí)測值進(jìn)行比較, 由式（1）計(jì)算得到氣孔率。當(dāng)陶瓷材料的理論密度已知時(shí), 氣孔率可由體密度計(jì)算而來。體密度的測量方法很多, 常用的有阿基米德法。陶瓷的內(nèi)部缺陷也可以采用水浸探傷法來檢測, 以水浸縱波垂直探傷法檢測缺陷時(shí), 波束路程可以直接讀出。要檢出微小缺陷時(shí), 可以改用較低頻率的探頭。2.1.2陶瓷表面缺陷檢測對(duì)于陶瓷而言, 同一形狀和尺寸的表面缺陷比

8、內(nèi)部缺陷更容易引起破壞, 因此表面缺陷的檢測特別重要。通常用水浸表面波法檢測陶瓷的表面缺陷, 其原理見圖1。將超聲波( 縱波) 傾斜入射到浸入水中的被檢物表面, 當(dāng)入射角大于第二臨界角時(shí), 折射聲波全部沿著工件表面?zhèn)鞑? 形成表面波, 表示為:（3）式中: 水中的縱波聲速;工件水浸表面波聲速。 圖1水浸表面波法原理表面波波長比橫波波長短, 衰減也大于橫波。同時(shí), 它僅沿表面?zhèn)鞑? 遇到尖銳轉(zhuǎn)角或棱角時(shí)將有強(qiáng)烈反射回波, 曲率越大反射越強(qiáng)。水浸表面波在試塊表面?zhèn)鞑r(shí), 能量可泄漏到水中, 故僅僅傳播數(shù)毫米后, 水浸表面波的反射波高度就顯著降低。鑒于反射波傳遞距離較小的振幅特性, 應(yīng)盡可能使探頭靠

9、近缺陷處。2.2鉆孔灌注樁的無損檢測2.2.1檢測原理采用超聲脈沖檢測混凝土缺陷的基本依據(jù)是，利用脈沖波在技術(shù)條件相同 （指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致） 的混凝土中傳播的時(shí)間 （或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化來判定混凝土的缺陷。超聲脈沖波在混凝土中傳播速度的快慢，與混凝土的密實(shí)度有直接關(guān)系，對(duì)于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說，聲速高則混凝土密實(shí)，相反則混凝土不密實(shí)。當(dāng)有空洞或裂縫存在時(shí)，便破壞了混凝土的整體性，超聲脈沖波只能繞過空洞或裂縫傳播到接收換能器，因此傳播的路程增大，測得的聲時(shí)必然偏長或聲速降低。另外，由于空氣的聲阻抗率遠(yuǎn)小于混凝土的聲

10、阻抗率，脈沖波在混凝土中傳播時(shí)，遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷，便在缺陷界面發(fā)生反射和散射，聲能被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，因此接收信號(hào)的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少。再者經(jīng)過缺陷反射或繞過缺陷傳播的脈沖波信號(hào)與直達(dá)波信號(hào)之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號(hào)的波形發(fā)生畸變。根據(jù)上述原理，可以利用混凝土聲學(xué)參數(shù)測量值和相對(duì)變化綜合分析，判別其缺陷的位置和范圍，或估算缺陷的尺寸。2.2.2適用范圍基樁超聲波檢測法是一種檢測混凝土灌注樁完整性的有效手段，它是利用聲波的透射原理對(duì)樁身混凝土介質(zhì)狀況進(jìn)行檢測，因此僅適用于在灌注成型過程中已經(jīng)埋了兩根或兩根以上聲測

11、管的基樁。在樁身預(yù)埋一定數(shù)量的聲測管，通過水的耦合，超聲波從一根聲測管中發(fā)射，在另一根聲測管中接收，可以測出被測混凝土介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射、反射和折射，因而到達(dá)接收換能器的聲時(shí)、波幅及主頻發(fā)生改變。超聲波法就是利用這些聲波特征參數(shù)來判別樁身的完整性。對(duì)跨孔透射法，當(dāng)樁徑較小時(shí)，聲測管間距也較小，其測試誤差相對(duì)較大，同時(shí)預(yù)埋聲測管可能引起附加的灌注樁施工質(zhì)量問題。因此，超聲波檢測方法適用于檢測直徑不小于 800mm 的混凝土灌注樁的完整性。3. 超聲波檢測的發(fā)展前景無損檢測與評(píng)價(jià)技術(shù)在我國日常產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)和大量在用工業(yè)和民用設(shè)備的檢驗(yàn)中發(fā)揮了十分重要的作用。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，我國擁有近17萬無損檢測人員和2000多家無損