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北京時代山峰科技有限公司作者
| 無損檢測技術(shù)的基礎(chǔ)是物質(zhì)的各種物理性質(zhì)或它們的組合以及與物質(zhì)相互作用的物理現(xiàn)象。迄今為止，包括在工業(yè)領(lǐng)域已獲得實際應(yīng)用的和已在實驗室階段獲得成功的無損檢測方法已達五、六十種甚至更多，隨著工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還將會出現(xiàn)更多的無損檢測方法與種類。本書僅能就幾個主要方面作簡單扼要的介紹。除了對于工業(yè)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用的五大常規(guī)無損檢測技術(shù)（超聲波檢測、磁粉檢測、渦流檢測、滲透檢測和射線照相檢測）給予一定的工藝介紹外，對其他方法僅作概念性介紹。若需對其中某項方法作深入了解時，應(yīng)查閱相應(yīng)方法的專業(yè)技術(shù)介紹資料。 | ||
| §2.1 利用聲學(xué)特性的無損檢測技術(shù) | ||
| §2.1.1 超聲波檢測技術(shù) | ||
| 什么是超聲波？超聲波有什么特性？ | ||
| 聲波是指人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為16Hz~2KHz。當(dāng)聲波的頻率低于16Hz時就叫做次聲波，高于2KHz則稱為超聲波。一般把頻率在2KHz到25MHz范圍的聲波叫做超聲波。它是由機械振動源在彈性介質(zhì)中激發(fā)的一種機械振動波，其實質(zhì)是以應(yīng)力波的形式傳遞振動能量，其必要條件是要有振動源和能傳遞機械振動的彈性介質(zhì)（實際上包括了幾乎所有的氣體、液體和固體），它能透入物體內(nèi)部并可以在物體中傳播。利用超聲波在物體中的多種傳播特性，例如反射與折射、衍射與散射、衰減、諧振以及聲速等的變化，可以測知許多物體的尺寸、表面與內(nèi)部缺陷、組織變化等等，因此是應(yīng)用zui廣泛的一種重要的無損檢測技術(shù)--超聲檢測技術(shù)。例如用于醫(yī)療上的超聲診斷（如B超）、海洋學(xué)中的聲納、魚群探測、海底形貌探測、海洋測深、地質(zhì)構(gòu)造探測、工業(yè)材料及制品上的缺陷探測、硬度測量、測厚、顯微組織評價、混凝土構(gòu)件檢測、陶瓷土坯的濕度測定、氣體介質(zhì)特性分析、密度測定……等等。 | ||
| 超聲波具有如下特性： | ||
| 1）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 | ||
| 2）超聲波可傳遞很強的能量。 | ||
| 3）超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 | ||
| 4）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，達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。 | ||
| 5）利用強功率超聲波的振動作用，還可用于例如塑料等材料的“超聲波焊接”。 | ||
| 工業(yè)無損檢測技術(shù)中應(yīng)用的超聲波檢測（Ultrasonic Testing，簡稱UT）是無損檢測技術(shù)中發(fā)展zui快、應(yīng)用zui廣泛的無損檢測技術(shù)，占有非常重要的地位。 | ||
| 在超聲波檢測技術(shù)中用以產(chǎn)生和接收超聲波的方法zui主要利用的是某些晶體的壓電效應(yīng)，即壓電晶體（例如石英晶體、鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷）在外力作用下發(fā)生變形時，將有電極化現(xiàn)象產(chǎn)生，即其電荷分布將發(fā)生變化（正壓電效應(yīng)），反之，當(dāng)向壓電晶體施加電荷時，壓電晶體將會發(fā)生應(yīng)變，亦即彈性變形（逆壓電效應(yīng)）。因此，利用壓電晶體制成超聲波換能器（探頭），對其輸入高頻電脈沖，則探頭將以相同頻率產(chǎn)生超聲波發(fā)射到被檢物體中去，在接收超聲波時，探頭則產(chǎn)生相同頻率的高頻電信號用于檢測顯示。 | ||
| 除了利用壓電效應(yīng)以外，在某些情況下也利用磁致伸縮效應(yīng)（強磁材料在磁化時會發(fā)生變形的現(xiàn)象，可用作振源或用于應(yīng)變測量），也有利用電動力學(xué)方法（例如本章后面敘述的電磁-聲或渦流-聲方法）。 | ||
| 超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時，視介質(zhì)支點的振動型式與超聲波傳播方向的關(guān)系，可以把超聲波分為以下幾種波型： | ||
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| 測頭中的傳感器桿一端和一個大質(zhì)量剛體固定在一起，另一端鑲有金剛石壓頭，當(dāng)壓頭與試件不接觸時（左圖a），壓頭處于自由狀態(tài)。在形成縱向振動后，傳感器桿的固定端是振動的波節(jié)點，壓頭端由于振幅zui大而成為振動的波腹點，因此桿的長度等于振動波長的1/4，此時的頻率是傳感器處于自由狀態(tài)下的諧振頻率。 當(dāng)傳感器的壓頭端*被試件與大質(zhì)量剛體緊固地夾住時（左圖c），這是理想情況下，傳感器桿的兩端都將成為振動的波節(jié)點，則桿的長度等于振動波長的1/2，這時的諧振頻率等于壓頭端處于自由狀態(tài)時起始頻率的兩倍。 當(dāng)壓頭被壓到試件上，一般是介于上述兩者之間（左圖1），在固定負荷作用下，對于彈性模量相同的試件來說，若試件的硬度越低，則壓頭與其表面的接觸面積愈大，使傳感器桿的壓頭端被夾緊的程度也愈大，于是此端振動幅度也愈小，相應(yīng)的振動波腹點愈向桿的固定端方向移動，因此振動波長就愈小，即桿的諧振頻率也就愈高。通過測量傳感器桿諧振頻率的變化，就可確定試件的硬度。 試件的彈性模量不同，也會影響接觸面積的大小，即影響傳感器桿諧振頻率的變化。因此，超聲硬度試驗法是一種比較測量的方法，需要以彈性模量和被測試件相同的試塊作為校準(zhǔn)試塊來消除這種影響。 在測頭中有一個具有磁致伸縮效應(yīng)的傳感器桿，一端焊到一個鋼圓柱體上，此圓柱體質(zhì)量要比傳感器大得多，另一端鑲有136金剛石角錐壓頭，激勵線圈繞在傳感器桿上，在靠近傳感器桿與圓柱體的連接處固定上壓電晶體片。 傳感器桿作為一個機械諧振子，插入到激勵放大器的反饋電路中，在激勵線圈的 |
| 作用下，使傳感器桿產(chǎn)生縱向超聲振動，由壓電晶片檢出這個信號，正反饋到激勵放大器的輸入端，構(gòu)成一個自激振蕩器，其振蕩頻率就是傳感器桿的諧振頻率，反映了試件的硬度。 從激勵放大器輸出一個信號，饋送到脈沖電路中，形成一個重復(fù)頻率，是上述振蕩頻率1/2的方波脈沖，經(jīng)脈沖功率放大器放大，啟動鑒頻器。在鑒頻器中，把反映不同硬度的頻率變化轉(zhuǎn)換成直流電流的變化，然后用一個直接用硬度單位標(biāo)度的直流微安表指示出來。在硬度刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)后，就可從指示表上直接讀出試件的硬度值。 作為該型超聲硬度計還采用充電裝置來直接由220V交流電對電池組充電，用穩(wěn)壓器消除工作過程中電池組電壓下降對示值穩(wěn)定性的影響。 按照目前的電子技術(shù)發(fā)展而言，以上的超聲硬度計應(yīng)該可以實現(xiàn)數(shù)字化，從而進一步提高測量的精度、穩(wěn)定性與可靠性。 |
| 超聲檢測技術(shù)應(yīng)用的方法是多種多樣的，并且還在不斷探索和發(fā)展新的應(yīng)用方法和開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，如現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展的超聲頻譜分析法，這是根據(jù)超聲反射回波的頻譜特性分析，用以檢查評估材料的顯微組織形態(tài)，評估缺陷的形狀、種類和性質(zhì)，以及評定膠接結(jié)構(gòu)的膠接質(zhì)量等等。此外還有超聲波計算機層析掃描技術(shù)、超聲全息技術(shù)等等。特別應(yīng)該指出，隨著計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展，超聲檢測信號的數(shù)字化處理、分析與顯示，更為超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用與拓展提供了更大的空間，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/font> |
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| （3）表面波（Surface Wave）-在工業(yè)超聲檢測中應(yīng)用的表面波主要是指超聲波沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而傳聲介質(zhì)的質(zhì)點沿橢圓形軌跡振動的瑞利波（Rayleigh Wave，簡稱R波，如左圖所示），瑞利波在介質(zhì)上的有效透入深度只有一個波長的范圍，因此只能用于檢查介質(zhì)表面的缺陷，不能像縱波與橫波那樣 |
| （4）蘭姆波（Lamb Wave）-這是一種由縱波與橫波疊加合成，以特定頻率被封閉在特定有限空間時產(chǎn)生的制導(dǎo)波（guide Wave）。在工業(yè)超聲檢測中，主要利用蘭姆波來檢測厚度與波長相當(dāng)?shù)谋〗饘侔宀?，因此也稱為板波（Plate Wave，簡稱P波）。蘭姆波在薄板中傳遞時，薄板上下表面層質(zhì)點沿橢圓形軌跡振動，而薄板中層的質(zhì)點將以縱波分量或橫波分量形式振動，從而構(gòu)成全板振動，這是蘭姆波檢測的顯著特征。根據(jù)薄板中層的質(zhì)點是以縱波分量或橫波分量形式振動，可以分為S模式（對稱型）和A模式（非對稱型）兩種模式的蘭姆波（如右圖所示）。 在細棒和薄壁管中也能激發(fā)出蘭姆波，此時稱為扭曲波、膨脹波等。 |
| 除了上述四種主要的應(yīng)用波型外，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展應(yīng)用的還有頭波（Head Wave）和爬波（Creeping Longitudional Wave，又稱作爬行縱波），特別是后者能夠以縱波的速度在介質(zhì)表面下傳遞，適合用于檢測表面特別粗糙，或者表面存在不銹鋼堆焊層等情況下的近表層缺陷檢測。 |
| 在超聲波檢測中利用超聲波在界面上的折射特性主要用于達到波型轉(zhuǎn)換的目的，例如把一般壓電晶體產(chǎn)生的縱波轉(zhuǎn)換成橫波、瑞利波、蘭姆波等，以適應(yīng)不同工件及不同情況下的檢測，其轉(zhuǎn)換條件與界面兩側(cè)解職的聲速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函數(shù)）相關(guān)：sinα/C1=sinβ/C2（見右圖所示：α為入射角，C1為*介質(zhì)中入射超聲波的速度；β為反射或折射角，C2為在*介質(zhì)中反射或者在第二介質(zhì)中折射超聲波的速度。在相同介質(zhì)中相同波型有相同的波速，因此對于L反的反射角β與L的入射角α相同，在同一介質(zhì)中橫波的速度小于縱波速度，因此對于反射橫波S反的反射角β小于L的入射角α；從折射情況來看，也同樣是由于在同一介質(zhì)中橫波的速度小于縱波速度，因此折射橫波S折的折射角小于折射縱波L折的折射角，上面所述的數(shù)學(xué)式也稱為斯涅爾定律-折射定律）。 在超聲波檢測中利用超聲波的反射特性主要用于探測材料中的缺陷。下面以zui常用的A型顯示（波形顯示）的超聲脈沖反射法探測為例： |
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| 超聲波探傷儀的高頻脈沖電路產(chǎn)生高頻脈沖振蕩電流施加到*（探頭）中的壓電晶體上，激發(fā)出超聲波并傳入被檢工件，超聲波在被檢工件中傳播時，若在聲路（超聲波的傳播路徑）上遇到缺陷（異質(zhì)）時，將會在界面上產(chǎn)生反射，反射回波被探頭接收轉(zhuǎn)換成高頻脈沖電信號輸入探傷儀的接收放大電路，經(jīng)過處理后在探傷儀的顯示屏上顯示出與回波聲壓大小成正比的回波波形（圖形），根據(jù)顯示的回波幅度大小可以評估缺陷大小，顯示屏上的水平掃描線（時基線）可以調(diào)整為與超聲波在該介質(zhì)中傳播時間（距離）成正比（俗稱“定標(biāo)”），然后就可以根據(jù)回波在顯示屏水平掃描線上的位置判定缺陷在工件中的位置。利用工件底面回波在水平掃描線上的位置，還可用于測定工件的厚度（如左圖所示）。 超聲波所占的空間稱為超聲場，其結(jié)構(gòu)如下右圖所示，它包括近場（N為近場長度）和遠場兩個部分。在近場區(qū)中的聲壓分布是不均勻的，而在遠場區(qū)中的聲壓則隨著距離的增大呈單調(diào)下降變化。近場區(qū)的長度與換能器的晶片直徑和超聲波的波長有關(guān)，在近場區(qū)的超聲波束呈收斂 |
| 狀態(tài)，在近場區(qū)末端，亦即從近場區(qū)進入遠場區(qū)的過渡點上聲束直徑zui?。ü室矊⒋它c稱作自然焦點），進入遠場區(qū)后聲束將以一定角度發(fā)散，聲束邊緣的斜度以半擴散角θ表示，聲束的半擴散角同樣與換能器的晶片直徑和超聲波的波長有關(guān)。 因此，在超聲檢測中為了能根據(jù)回波幅度大小評估缺陷大小，當(dāng)被檢工件尺寸較小，落在近場區(qū)范圍時，通常需要采用參考對比試塊進行比較評定，參考試塊的材料、狀態(tài)（聲學(xué)特性）應(yīng)與被檢物相同或相近，并且含有已知尺寸的特定人工反射體（例如平底孔、橫孔、柱孔、刻槽等），將發(fā)現(xiàn)的缺陷回波幅度與相同聲程（超聲波傳播路程）的人工反射體回波幅度比較，得到以人工反射體尺寸表示的缺陷當(dāng)量大小。 |
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| （1）超聲檢測面的選擇-當(dāng)超聲束與工件中缺陷延伸方向垂直，或者說與缺陷面垂直時，能獲得*反射，此時缺陷檢出率zui高。因此，在被檢工件上應(yīng)選擇能使超聲束盡量與可能存在的缺陷其延伸方向垂直的工件表面作為檢測面，右圖給出了常見工件的超聲檢測面示意圖。 （2）檢測面的制備-超聲波是通過被檢工件表面進入工件內(nèi)部的，檢測面光潔度的優(yōu)劣影響聲能的透射效果并可能產(chǎn)生干擾，因而對超聲檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性有很大影響。下面給出了不同超聲檢測方法對檢測面光潔度的一般要求：
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| 超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到異質(zhì)界面（例如缺陷），根據(jù)惠更斯原理，在其邊緣會有衍射現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生新激發(fā)的衍射波?；蛘邚谋碛^上看，能使原來的超聲波繞過缺陷繼續(xù)前進，但在缺陷后面會形成聲影（沒有超聲波的空間）。利用這種新生的衍射波，可以用來評定工件的表面裂紋深度或內(nèi)部裂紋的高度，在我國把這種方法稱為棱邊再生波法，國外稱作衍射波法（TOFD法），如右面圖左所示。 利用聲影形成的現(xiàn)象，則被用于超聲穿透法檢測，即根據(jù)超聲波在其聲路上遇到缺陷時，由于有反射、衍射、散射等現(xiàn)象發(fā)生，以及因為被檢工件材料顯微組織異常，將造成超聲波傳播能量的衰減，使得在聲路的另一端接收到的聲能低于正常情況下接收到的聲能，利用超聲探傷儀顯示屏或者直接利用電表指示反映這種變化差異，即可用作檢測評定的依據(jù)，如右面圖右所示。 超聲穿透法檢測可用于板材、復(fù)合材料或膠接結(jié)構(gòu)等的缺陷檢測，如分層、脫粘、未粘合等，也可用于小型電器開關(guān)的 | ||
| 利用裂紋的超聲波衍射(棱邊再生波)確定裂紋深度 | 超聲穿透法檢測示意圖 |
Cl/CL=[(1+σ)(1-2σ)/(1-σ)]1/2；Cs/CL={(1-2σ)/[2(1-σ)]}1/2；CR/Cs=(0.87+1.12σ)/(1+σ)；
E=Cl2·ρ·[(1+σ)(1-2σ)/(1-σ)]；G=Cs2·ρ；E=2G(1+σ)；...等等
| （7）測定金屬表面裂紋的深度：利用瑞利波沿金屬表面直接傳遞和存在表面裂紋時瑞利波繞過裂紋傳遞的時間之間存在的差異，根據(jù)瑞利波的傳播速度，可以計算得出裂紋的深度。這種方法稱作時間延遲法或渡越時間法、△t法，見右圖所示。 （8）測量厚度：根據(jù)超聲波傳播距離X與聲速C、傳遞時間t的關(guān)系：X=C·t，例如在采用超聲脈沖反射法測厚時，就有：工件厚度d=C·t/2，這里使用分母2的原因是超聲探頭發(fā)射超聲脈沖至工件底面并反射返回探頭被接收，因此其聲路經(jīng)過了兩倍的工件厚度。 利用超聲波的速度特性，還可應(yīng)用于例如球墨鑄鐵的強度及石墨球化度的測量、確定陶瓷土坯的濕度以確定進窯焙燒的時機、氣體介質(zhì)的特性分析（例如工業(yè)用氧氣及氮氣的純度、動物呼吸的新陳代謝速率、氣體中某一組分的含量變化等），以及測量石油餾分的密度、氯丁橡膠乳 |
超聲時間延遲法測定
表面裂紋深度
| 超聲波是一種機械振動波，我們可以利用超聲諧振儀把頻率可調(diào)的超聲波（主要利用縱波）入射到被檢工件中，當(dāng)超聲波與工件的固有頻率發(fā)生頻率共振時，相向傳播的入射波與反射波互相疊加形成駐波，此即縱波垂直入射的厚度共振，如右圖所示。 利用這種諧振特性，可以應(yīng)用于： （1）測厚： 試樣厚度為d，在其中傳播的超聲波波長為λ，則在發(fā)生諧振時得到：d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2，式中n為任意正整數(shù)，亦即此時被檢工件的厚度等于諧振超聲波半波長的整數(shù)倍。 當(dāng)試件材料的超聲波速C為已知時，根據(jù)聲速、波長和頻率的關(guān)系式：C=λ·f，可以得到在厚度共振時的超聲波頻率：fn=C/λn=n·C/2d，當(dāng)n=1時，f1=C/2d，這f1就是厚度共振的基頻，由于任何兩個相鄰諧波的頻率之差等于基頻，則有：fn-fn-1=nf1-(n-1)f1=f1，因此可以利用諧振儀確定厚度共振時兩個相鄰諧波的頻率，則工件厚度為：d=C/[2(fn-fn-1)]，或者在兩個不相鄰諧波的頻率分別為fm和fn時，由于：fm-fn=(m-n)f1，因此d=(m-n)·C/[2(fm-fn)] （2）檢測缺陷： 當(dāng)被檢工件中存在缺陷時，與無缺陷的相同工件相比，其國有頻率將會發(fā)生改變，因而諧振狀態(tài)也會發(fā)生變化（諧振頻率改變），從而可以據(jù)此檢測出缺陷的存在。例如用于測定金屬的硬度、檢查薄板點焊的質(zhì)量，特別是用于復(fù)合材料及膠接結(jié)構(gòu)的膠接缺陷（如未粘合、脫粘、貧膠等）以及膠接強度的檢測，成為專門用于檢查膠接質(zhì)量的“聲振檢測法”。 |
試件的駐波
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