无损检测第四部分:超声波检测

基本工作原理包括传感器、校准的必要性、参考标准的局限性以及工艺的优缺点。

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在我以前的文章中,我讨论了染色渗透检验和磁粉检验。在本文中,我将简要概述超声波检测。

基本原则

超声波检测使用高频声波来检测缺陷或异常,表征材料,并在材料测试以外的领域有应用。例如,成像技术使用超声波检测来捕捉子宫内婴儿的图像。它还可以用炸药来寻找石油来源。同样的基本原理也适用于主动声纳。声速因材料的不同而不同。声音在金属中传播比在空气中传播快。

在其基本形式中,超声波检测由待测零件、发射和收听超声波的换能器、信号源和接收器组成。信号源向传感器发送超声波脉冲,然后传感器通过零件传输超声波脉冲。声波从零件背面或内部缺陷反射。反射波由传感器拾取,并转换为信号,显示在接收器的屏幕上。屏幕显示接收回波时信号强度随时间的变化。信号传播时间与超声波传播的距离成正比。通过该信号,可以获得有关指示的信息,例如尺寸和与表面的距离。这如图1所示。

图1:超声检测原理图,显示了从缺陷和零件反射出来的时间差异。

当换能器被放置在零件表面时,零件和换能器之间会有一层空气薄膜。一个固体-空气界面提供百分之百的反射,所以有必要排除空气从换能器表面。可以使用多种液体耦合剂,使声音能够传输到部件。耦合器背后的想法是允许尽可能多的信号被传输到部件。常用的偶联剂有水、油、甘油和专用凝胶[1]。

在检查零件时,NDT技术人员必须决定使用什么频率。随着频率的增加,灵敏度也随之增加。然而,颗粒大小会导致声波散射。铸件通常需要较低的频率,而锻件或锻造产品可以使用较高的频率进行检查。另一件需要考虑的是穿透力随着频率的增加而减小。

分辨率(或分辨相邻不连续点的能力)也随着频率的增加而增加。分辨力和灵敏度在确定是否检测到缺陷或不连续方面起着重要作用。一个经验法则是不连续必须大于被探测波长的1/2[2]。

传感器

根据应用情况,传感器制造有许多不同的配置。这些传感器具有不同的频率、带宽和焦点,以确保不连续性检测。传感器有两种类型:接触式和浸入式。

接触式传感器通常握在检查员手中,并在使用耦合剂后与零件紧密接触。由于传感器沿零件表面移动,它们通常具有可更换的耐磨板,以保护传感器表面。传感器的设计也使其易于被NDT技术人员抓住,使用舒适。

这些传感器可以有多种配置(图2),以提高灵敏度和分辨率。当零件为平面时,使用平面传感器。当表面为圆形或弯曲时,使用弯曲传感器。传感器可以使声波垂直于零件表面,也可以使用角波束。

图2:许多不同类型的接触式超声波换能器的例子。(提供:德国巴登Novotest GmbH)

传感器可以有两个元件来提高灵敏度和分辨率。当一个元素传播时,另一个元素接收声波。这些类型的元素是有用的测量涂层的表面厚度或检测近表面缺陷。

与垂直于表面的声波相反,角度传感器以一定角度将声波引入材料中。角度声波允许从后壁反射,以检测焊接表面的缺陷或检测近表面的不连续性。

浸入式传感器不接触部件。这些传感器浸没在耦合装置(通常是水)中。他们是水密和设计完全沉浸在耦合。换能器通常是专门设计来聚焦声波以提高分辨率或灵敏度的。用于检查大型部件(如管道)的大型自动化系统使用浸入式传感器来检查管道的完整性。

校准

在超声波检测中,参考标准用于根据材料类型校准换能器,并检查换能器的灵敏度。这些标准包含已知尺寸的缺陷。这些标准确保了测量的准确性,并有助于评估测量不连续的大小。这些参考标准还允许设置设备,以产生相同的读数,而不考虑检查员。根据应用的不同,有许多不同类型的参考标准。

试块中引入的缺陷通常是钻孔或缺口。不幸的是,这种类型的缺陷可能无法准确表示实际缺陷。参考支架中人工产生的缺陷通常比实际缺陷更有效地反射能量,因为其表面更好、更平滑。这限制了检查员准确获取实际零件不连续尺寸的能力。

优势和缺点

没有一种完美的无损检测方法。每种方法都有自己的优点和缺点。

超声波检测对于从单个表面发现非常小的不连续性是很好的。测试方法本身对测试变量有广泛的控制。有许多传感器可用于检查不同类型的缺陷或配置。测试方法可靠,重复性好。用于超声波检测的设备非常便携,通常是手持的。根据零件配置,可以通过3D信号处理实现自动化,以确定不连续点的位置和形状,从而形成不连续点的地图。唯一的消耗品是耦合剂。

超声波检测需要大量的培训和技能,以准确地确定不连续。例如,不均匀的扫描可能使测试毫无价值。

重要的是,任何预期的不连续都要垂直于传入的声波。如果与光束平行,则不可能检测到不连续性。如果缺陷与母材非常相似,则可能无法检测到。如果零件很薄,则需要特殊的技术(如时间延迟)来防止信号几乎瞬时返回。因为超声波检测需要加强训练和技能,所以很有可能对信号产生误解。

结论

在这篇短文中,我描述了超声波检测的基本工作原理。我已经描述了传感器的操作,以及可用的不同类型。对标准品的校准要求和局限性进行了讨论。最后讨论了超声无损检测的优缺点。

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参考文献

  1. C. J. Hellier,无损评估手册,纽约,纽约:McGraw-Hill, 2003,第5.50页。
  2. NDT资源中心,“波长和缺陷检测”,[联机]。可用:https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/Physics/defectdetect.htm