焊接精密度0.01mm

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一文带你了解超声波探伤原理

来源: | 发布日期:2022-03-07

超声波是频率很高的声波,定向性很强,尤如手电筒发出的一束光,射到物体时,会被反射回来。超声波探头内,有个压电晶片,施加一个发射脉冲电压,就会产生超声波脉冲,当把探头压紧在光洁的被测工件上时,超声波束就会传入工件,以每秒数千米的声速前进,当碰到裂缝等缺陷时,从缺陷表面反射回来,传回到探头晶片上,产生回波电压。经仪器处理后,从声波来回所花费时间,再扣除掉晶片到探头表面保护膜所化的时间(称作探头零点),乘上声速就是超声波脉冲走过的路程称作声程,也就是从探头表面,声波入射到工件的点(称作入射点)到缺陷之间的距离,同时从回波电压大小也可推算出缺陷大小。由于发射时晶片强裂振动,震动哀减下来需要一定时间,此期间收到的回波混在余震中无法区别,故最小探测距离一般为5mm以上。如要探测近距离缺陷,需用频率高阻尼好的探头或双晶探头。

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当声波前进到工件底部时,也会产生反射。反射方向同镜子反光规则,即垂直射入时,垂直反射回;斜射时,反射角等于入射角,且在法线两侧。如果工件底面平行于放置探头的探测面,垂直反射的回波仍能被探头接收到,而且工件底面面积一般来说远比缺陷大,故底面回波幅度也远比缺陷波幅度大。

底面回波简称底波。底波回传到探测面时,又会产生反射,又会向底面传播,如此来回反射,形成2次底波,3次底波,4次底波等等。由于存在扩散现象,反射损耗,吸收损耗等,各次底波会越来越小,经过一段时间后,能量就会耗尽,再起动下一次发射。每秒发射次数称发射重复频率,探头移动速度快时,要求较高发射重复频率,否则会造成漏检。

如果工件底面同探测面不平行,根据反射角等于入射角原理,反射波偏向一边,底面反射波就回不到探头,也就收不到底波,故工件的上下面不平行时,是看不到底波的。同理,如工件内部缺陷面平行于波束传播方向,也是收不到缺陷回彼的。如缺陷面垂直于波束传播方向,收到的缺陷回波会最大,所以要根据缺陷最可能的方向,尽量选择探伤灵敏度高的探测面探伤,或选不同方向探测面反复探测,如找不到合适的探测面,也可改用斜探头。

斜探头内的晶片是倾斜安装的,射出的超声波束也是斜线进入工件的。为表明倾斜程度,用工件内波束方向同探测面垂线之间的夹角表示。角度越大,波束越倾斜;声程在水平方向上的分量(也可叫投影)所占比例越大,垂直分量比例越小。常用的60度斜探头,水平同垂直之比为1.73比1(60度正切函数值),也可用这个比值称为K值来表示,故K = 1.73就是60度的斜探头,而K = 0是斜探头的特例,即称为直探头,没有水平分量,垂直分量就是声程。

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斜探头常用于焊缝探伤,因为焊缝表面高低不平,不能用直探头直接在焊缝上探伤,而且缺陷往往平行于焊缝,直探头的声束和缺陷面的夹角很小,也不易发现缺陷。由于斜探头的声束是倾斜进入工件的,可以避开高低不平的焊缝表面,在焊缝一侧探伤,而且声束和缺陷面的夹角比较大,尤其是先入射到底面再斜着反射的声束正好垂直于缺陷表面,能产生比较大的反射波,容易检测到缺陷,这也称为2次波探伤。随着探头朝远离焊缝方向移动,一直可以探到焊缝最上部,不过再移下去声束会先打到上表面,再斜着反射下来,也可打到焊缝,形成3次波探伤。但是路程越远回波强度越弱,应尽量不用。用1次波探到的缺陷深度,就等于声束走过的垂直分量;用2次波探到的缺陷深度不等于垂直分量走过的路程之和。缺陷越浅,垂直分量走过的路程之和反而越大。例如板厚20mm,声束的垂直分量走过35mm(缺陷波出现在刻度垂直分量35mm处),这表明声束的垂直分量走20mm,碰到底面后反射向上走15mm(35 - 20),故缺陷深度为5mm(20 - 15)。

超声波探伤一般只能检测出大于1到2mm的缺陷。由于始波比较宽,故离探头接触面近的缺陷的回波容易被淹没在始波内,因此无法有效检测;用频率较高的探头,能检测较小的缺陷,而且始波也较窄,故能检测较近的缺陷,但高频探头不适合粗晶粒材料和远距离检测。 


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