其它超聲檢測(cè)課件

2-3超聲檢測(cè)新技術(shù)2-3-1電磁超聲檢測(cè)當(dāng)金屬材料處于毛面狀態(tài)、高溫狀態(tài)以及具有氧化皮表面時(shí)，采用常用的壓電換能器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)比較困難，這是由于很難實(shí)現(xiàn)正常的耦合。在接觸法超聲檢測(cè)時(shí)，毛面需要加工打磨，以符合一定表面粗糙度的要求。而高溫狀態(tài)又往往使壓電晶片即使在居里點(diǎn)以下也很難正常工作。液浸法雖對(duì)部分毛面探傷有所改善廣但對(duì)高溫狀態(tài)由于工件使液體汽化也難以應(yīng)用。接觸法也難以實(shí)觀高速探傷，特別對(duì)有氧化皮覆蓋的材料，不但耦合時(shí)損耗能量極大，而且也不穩(wěn)定。對(duì)橫波換能器來(lái)說(shuō)，由于難以與工件耦合，使它在超聲檢測(cè)中的應(yīng)用大大受到限制。在理論上，SH橫波對(duì)檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫有效，但液體耦合劑傳播橫波有困難。因此，希望能有一種非接觸式的、損耗比較低的超聲檢測(cè)方法。任何一個(gè)載有電流的導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中都將受到力的作用，力的大小與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、導(dǎo)體中電流、導(dǎo)體所處位置磁場(chǎng)以及導(dǎo)體與磁場(chǎng)的夾角的正弦成正比，如下式所示式中A-常數(shù)，F(xiàn)-導(dǎo)體所受力，I導(dǎo)體中電流，H-導(dǎo)體所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，L-導(dǎo)體長(zhǎng)度，α-導(dǎo)體和磁場(chǎng)間的夾角力F的方向垂直于電流I和磁場(chǎng)H所決定的平面，可用左手法則來(lái)確定。如果磁場(chǎng)H的方向不變，那末線圈上所受力的變化完全由線圈中電流的方向而定。當(dāng)線圈通過(guò)交變電流時(shí)，此力也將是交變的，而且其頻率與線圈中電流的頻率一樣。由此可知，在交變的磁場(chǎng)中，金屬導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流。在產(chǎn)生渦流的同時(shí)，任何一個(gè)電流在磁場(chǎng)中都將受到力的作用。因此金屬介質(zhì)在交變應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力波，超聲頻范圍的應(yīng)力波即為超聲波?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)慕邮昭b置進(jìn)行接收，然后經(jīng)過(guò)放大進(jìn)行顯示，用這種方法激發(fā)和接收的超聲波稱(chēng)為電磁超聲。在此方法中，超聲換能器已不單是通有交變電流的線圈以及外部固定磁場(chǎng)的組合體。而金屬表面也是換能器的一個(gè)組成部分，電聲的轉(zhuǎn)換是靠金屬表面來(lái)完成的。由于電磁超聲只能在導(dǎo)電介質(zhì)中才能產(chǎn)生，因此它也只能用于導(dǎo)電材料工件。根據(jù)上述原理，可以在金屬材料中激發(fā)出不同波型的超聲波。因?yàn)楫?dāng)改變線圈內(nèi)電流方向時(shí)，放在固體磁場(chǎng)中的線圈各部分的受力方向發(fā)生改變。而同一線圈放在不同取向的磁場(chǎng)中時(shí)，線圈的受力方向又會(huì)發(fā)生變化。(1)金屬中縱波的產(chǎn)生

圖a是一種激發(fā)縱波的示意圖，扁平的渦流線圈貼近于金屬表面，磁鐵放置位置促使金屬內(nèi)的磁力線平行于金屬表面。例如某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)受力向上，半個(gè)周期后受力向下。質(zhì)點(diǎn)在此力作用下產(chǎn)生一個(gè)與作用力方向一致的彈性波，該彈性波為縱波。(2)金屬中橫波的產(chǎn)生圖b是一種激發(fā)橫波的示意圖，磁力線垂直于金屬表面，當(dāng)渦流線圈通以高頻電流時(shí)，作用在渦流上的力平行于金屬表面。某時(shí)刻渦流如圖，此時(shí)質(zhì)點(diǎn)受力向右，半個(gè)周期后受力向左。質(zhì)點(diǎn)在此力的作用下產(chǎn)生與作用力垂直的彈性波，該彈性波為橫波。改變小線圈之間位置(間距)、幾何尺寸和延遲時(shí)間，就可以改變聲束入射角大小。當(dāng)這一角度大到一定程度時(shí)，也可以對(duì)不同被檢對(duì)象激發(fā)出板波和表面波。(4)聚焦聲束的激發(fā)在平的金屬表面上，電磁超聲方法一般很難激發(fā)聚焦聲束，但當(dāng)金屬面是圓弧形時(shí)，很容易獲得聚焦聲束。這是因?yàn)闇u流在金屬圓弧表面各點(diǎn)所受的力將不在同一個(gè)方向上，所產(chǎn)生的超聲波束將出現(xiàn)聚焦。并且這一聚焦聲束的焦距為曲率半徑R，即焦點(diǎn)落在圓心上。因此，用這種方法產(chǎn)生的聚焦聲束的聚焦情況和焦點(diǎn)都是由工件的表面曲率所決定的。因此，當(dāng)接收金屬中的返回超聲波時(shí)，電磁接收探頭將不是“接收”某一給定的波型的波。而是接收金屬表面上由超聲波所引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、在某一給定方向上的分量。(6)影響電磁超聲系統(tǒng)靈敏度的因素電磁超聲系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜，影響因素很多，一般認(rèn)為影響電磁超聲系統(tǒng)的因素與線圈兩端輸出電壓U有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)公式為式中I-發(fā)射線圈電流，n1-發(fā)射線圈匝數(shù)，n2-接收線圈的匝數(shù)，B-外磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，σ-金屬表面電導(dǎo)率，D-線圈幾何因素，h-線圈與工件間距離，Z-工件特性阻抗從上式可見(jiàn)，電磁超聲系統(tǒng)的靈敏度不但受發(fā)射功率、接收線圈匝數(shù)和恒定外磁場(chǎng)的影響，也與工件電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和聲阻抗等有關(guān)。因此，電磁超聲對(duì)不同工件有不同的靈敏度。電磁超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是能激發(fā)出SH橫波，對(duì)核電站中用得比較多的奧氏體不銹鋼焊縫特別合適，是一般超聲換能器不可能做到的。目前用得比較好的電磁超聲換能器的頻率為2MHz，發(fā)出SH橫波，折射角為45o，采用信號(hào)均值法來(lái)降低噪聲、提高信噪比。2-3-2奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大和各向異性，不能采用一般的超聲方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。但是由于奧氏體不銹鋼的斷裂韌性高、抗蠕變和抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。在核電站和化工廠，奧氏體不銹鋼焊縫用在重要的部位。為確保安全，超聲檢測(cè)必不可少。降低橫波頻率，從2MHz降低到1MHz，雖然超聲波長(zhǎng)相對(duì)晶粒直徑有所改善，但聲束容易發(fā)散和造成假信號(hào)。分割型雙晶片探頭的聚焦作用有利于提高信噪比，最先被用于粗晶材料的檢測(cè)。但該探頭覆蓋深度僅約15mm，超過(guò)此范圍聲束很快發(fā)散。例如對(duì)厚60mm奧氏體不銹鋼焊縫，需要四個(gè)探頭，表面區(qū)采用70o折射角探頭，后面依次為65o、60o和45o折射角探頭。粗晶材料超聲檢測(cè)中經(jīng)常遇到的另一個(gè)問(wèn)題是出現(xiàn)假信號(hào)，這是由于工件內(nèi)部粗晶晶粒的界面反射回波疊加累積而成。采用高阻尼窄脈沖探頭，可降低探頭的信噪比即改善粗晶材料散射，同時(shí)還能消除假信號(hào)。高阻尼窄脈沖探頭的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有非常好的近場(chǎng)分辨率。中心頻率2～2.5MHz的窄脈沖探頭適用于壁厚9～60mm粗晶材料，中心頻率0.5～1MHz的窄脈沖探頭可用于壁厚60～90mm奧氏體鋼焊縫。而最重要的措施是改善超聲換能器的性能，也就是上面提到的窄脈沖縱波探頭，對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫則需要采用窄脈沖縱波斜探頭。與一般常用的橫波探頭相比，縱波斜探頭的入射角要小得多，不能采用與普通橫波斜探頭相似的斜楔。否則界面反射波將回到壓電晶片，形成干擾雜波，影響探頭的盲區(qū)和信噪比，一般是采用加高有機(jī)玻璃斜楔來(lái)減小界面反射波的影響。2-5-5超聲成象技術(shù)在超聲檢測(cè)工作中如何能夠直觀地了解缺陷的形狀，用聲來(lái)觀察不透光物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是人們?cè)缫迅信d趣的問(wèn)題。由于微處理機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為超聲成象技術(shù)開(kāi)辟了廣闊前景。(1)P掃描成象P掃描的意思是投影圖象掃描，也就是對(duì)缺陷進(jìn)行三個(gè)方向的投影掃查。正像我們可以從零件的三個(gè)視圖(頂視圖、正視圖和側(cè)視圖)得到零件的正確形狀一樣。可以從三個(gè)方向?qū)θ毕葸M(jìn)行測(cè)定、展現(xiàn)缺陷的形態(tài)，位置和取向等。P掃描技術(shù)已包括B掃描和C掃描技術(shù)，核心部分是P掃描處理器，與掃查器相聯(lián)，是一種可用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的攜帶式裝置。有四通道脈沖接收器，成象液晶顯示，可存貯用于后處理或立即打印存檔。掃查器可以手工操作，也可自動(dòng)檢測(cè)，可對(duì)焊縫位置自動(dòng)跟蹤，特別對(duì)晶界應(yīng)力腐蝕裂紋的檢測(cè)效果很好。常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)都是先測(cè)定特定參考反射體(標(biāo)準(zhǔn)試塊)，來(lái)預(yù)置儀器的檢測(cè)靈敏度，僅當(dāng)回波幅度超過(guò)預(yù)置水平時(shí)才被記錄，檢出缺陷的標(biāo)準(zhǔn)是預(yù)先選定的。而P掃描裝置在檢測(cè)過(guò)程中，把所有反射信號(hào)以及它們相應(yīng)的位置坐標(biāo)都記錄下來(lái)，然后在任何時(shí)候，可采用任何檢測(cè)靈敏度對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理分析。這種后處理系統(tǒng)稱(chēng)做可變顯示水平，是P掃描系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)。對(duì)工件腐蝕坑自動(dòng)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，P掃描系統(tǒng)帶有所謂T掃描的軟件，也即厚度掃描軟件，它能自動(dòng)找到腐蝕坑的最深部位。P掃描系統(tǒng)還具有能數(shù)字化、顯示和記錄原始的A掃描數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)探頭位置，這對(duì)確定缺陷大小，以及對(duì)復(fù)雜形狀工件來(lái)說(shuō)很重要。最近P掃描系統(tǒng)還開(kāi)發(fā)了新軟件，核心部份是采用綜合孔徑成象技術(shù)，它能使非聚焦的超聲換能器的檢測(cè)結(jié)果具有聚焦效應(yīng)。把掃查過(guò)程中不同探頭位置檢測(cè)到的A型信號(hào)進(jìn)行存貯、處理，采用幾何統(tǒng)計(jì)重建方法，獲得比一般成象技術(shù)更高的缺陷定量精度。目前，軟件幾乎可以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，還包括點(diǎn)分析技術(shù)，點(diǎn)分析技術(shù)在回波模型比較復(fù)雜的情況下非常有用，它有利于提高檢測(cè)精度。此外，在新型的P掃描系統(tǒng)中，還采用時(shí)間渡越衍射技術(shù)(TOFD)，對(duì)確定工件內(nèi)裂紋端點(diǎn)的位置非常有效。(2)ALOK成象技術(shù)所謂超聲ALOK成象技術(shù)，即幅度、傳播時(shí)間與位置曲線技術(shù)。用普通換能器在工件上掃查檢測(cè)，發(fā)射和接收脈沖超聲波，接收信號(hào)中既有裂紋缺陷信號(hào)，又有噪聲干擾信號(hào)，兩者互相干涉。

通過(guò)脈沖峰值檢測(cè)處理，即可得到與脈沖峰值相對(duì)應(yīng)的波的傳播時(shí)間和幅值。在所有掃描位置上重復(fù)檢測(cè)，可以得到傳播時(shí)間數(shù)據(jù)分布和對(duì)應(yīng)的幅度數(shù)據(jù)分布圖。用三角窗搜索方法，對(duì)傳播時(shí)間數(shù)據(jù)處理，去除噪聲，然后利用幾何重建法或迭代重建法進(jìn)行缺陷成象。

ALOK成象技術(shù)中有幾個(gè)難點(diǎn)，首先三角搜索窗的確定帶有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，其次是幾何重建法雖快但精度差，而疊代法精度高但速度慢，再者整個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜，很難實(shí)時(shí)完成。為了完善ALOK成象系統(tǒng)，需設(shè)計(jì)和研制實(shí)時(shí)多通道檢測(cè)儀器，達(dá)到接受更多信息和縮短檢測(cè)時(shí)間的目的，在檢測(cè)方法上也需要改進(jìn)。(3)SAFT成象技術(shù)超聲SAFT成象技術(shù)，是從綜合孔徑雷達(dá)成象技術(shù)仿照過(guò)來(lái)的。它是參考相位的光處理技術(shù)而實(shí)現(xiàn)，但復(fù)雜的光處理系統(tǒng)限制了它的發(fā)展應(yīng)用。綜合孔徑成象技術(shù)的成象過(guò)程包括三個(gè)基本步驟，即原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及圖象重建和缺陷圖象顯示。SAFT系統(tǒng)中，散射信號(hào)的接受和脈沖波的發(fā)射既可以用一個(gè)換能器完成，也可用兩個(gè)換能器完成。既可用一般探頭，也可用聚焦探頭。當(dāng)探頭收發(fā)兼用時(shí)，聚焦探頭接收的散射能量較少，信噪比低，影響重建圖像的質(zhì)量，而一般探頭檢測(cè)缺陷圖像的橫向分辨力較低。因此，把兩者結(jié)合起來(lái)，即采用一般探頭發(fā)射、聚焦探頭接收，可解決SAFT成象技術(shù)中靈敏度和分辨力的矛盾。綜合孔徑成象技術(shù)，具有分辨力高、與缺陷尺寸無(wú)關(guān)、信噪比高、圖象顯示清楚等優(yōu)點(diǎn)，為定量超聲檢測(cè)提供了一種有效的方法，適用于對(duì)檢測(cè)工作要求較高的場(chǎng)合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及檢測(cè)方法上的不斷改進(jìn)，例如采用串列式探頭等，使SAFT成象技術(shù)大大提高了圖象重建速度。(4)超聲全息成象技術(shù)當(dāng)激光全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)后，又出現(xiàn)了聲全息成像技術(shù)，尤其正面投影技術(shù)獲得迅速發(fā)展。超聲全息技術(shù)發(fā)展很快，比較成功的或接近于實(shí)用的超聲全息方法主要有

A液面法，包括機(jī)械、電子、激光等掃描法B布喇格衍射法，C時(shí)間參考全息法以及掃描全息法等超聲全息技術(shù)的基本原理與光全息類(lèi)似，與一般超聲成象技術(shù)有三個(gè)根本區(qū)別

A采用相干超聲來(lái)“照明”物體

B用參考超聲束和干涉效應(yīng)，與工件信息超聲波相互作用后在成象位置上形成特殊圖形，

C從工件中每一點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息超聲波都“照”到整個(gè)成象位置上，同時(shí)成象位置上的每一點(diǎn)都接收到整個(gè)工件發(fā)來(lái)的信息波。液面法超聲全息是超聲全息技術(shù)中發(fā)展最早的一種方法，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)成象非常簡(jiǎn)便，雖然成象質(zhì)量受一些限制，但仍受到重視。掃描超聲全息是利用聲束在工件內(nèi)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲全息，原理與液面超聲全息相同，但是在全息圖形成和重現(xiàn)方面與液面超聲全息不同。掃描超聲全息探頭在工件上掃描的過(guò)程中，將超聲全息信息記錄在存貯器后完成全息圖。由于掃描超聲全息實(shí)現(xiàn)了脈沖聲信息的逐點(diǎn)記錄，可以通過(guò)電路處理來(lái)提高靈敏度，并且可用電信號(hào)來(lái)代替超聲參考波。2-3-4超聲顯微鏡光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡，把人們的視力擴(kuò)展到微觀世界，但他們無(wú)法對(duì)不透光物體內(nèi)部的細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察。超聲顯微鏡有可能解決這個(gè)問(wèn)題，目前超聲顯微鏡已經(jīng)達(dá)到光學(xué)顯微鏡的分辨率水平。光學(xué)顯微鏡的極限分辨率約為0.3μm，要使聲顯微鏡的分辨率也達(dá)到0.31μm，聲波的頻率必須為2～3GHz，這個(gè)頻率目前可以做到。僅從分辨率一個(gè)方面還不足以說(shuō)明超聲顯微鏡的必要性，因?yàn)槌曪@微鏡不但能夠觀察物體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)(如金相組織等)。更重要的是能夠觀察物質(zhì)的多種力學(xué)性能(如密度、彈性常數(shù)、粘滯系數(shù)及內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)等)的微觀不均勻性，是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的有效手段。超聲顯微鏡可分為以下4種類(lèi)型

A用高頻聲波照射試樣，激光系統(tǒng)檢測(cè)信息的聲光顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)SLAM)

B用光波照射試樣，用聲學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)信息的光聲顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)SPAM)

C用電子束照射試樣，用聲學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)信息的聲顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)SEAM)

D用聲波照射試樣，用聲學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)信息的聲學(xué)顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)SAM)其中以SAM發(fā)展最快，SAM的極限分辨率為0.6～0.8λ，當(dāng)采用頻率1GHZ超聲波時(shí)，水中聲波波長(zhǎng)為1.5μm，超聲顯微鏡的分辨率為0.9～1.2μm超聲顯微鏡結(jié)構(gòu)與掃描電子顯微鏡類(lèi)似，主要包括電路、聲路和機(jī)械結(jié)構(gòu)幾部分。由信號(hào)源發(fā)出的電磁波經(jīng)換能器變換成高頻聲波，通過(guò)聲鏡聚焦，試樣置于聲鏡焦面，接收聲鏡收到由試樣反射或透射的聲波。再由換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理后，送到熒光屏上顯示出試樣的圖象。為了用超聲顯微鏡實(shí)現(xiàn)高分辨率，采用了比一般超聲無(wú)損檢測(cè)裝置高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的高頻超聲波，必然增大了試樣內(nèi)部超聲波的衰減。故實(shí)際可檢測(cè)深度僅限于試件的表面和亞表面層。若要檢測(cè)更大深度，須采較的頻率。超聲顯微鏡可用以檢測(cè)集成電路中存在的微細(xì)缺陷(裂紋、雜質(zhì)、脫粘等)，大功率晶體管管芯與管殼的粘結(jié)質(zhì)量，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的熱壓焊質(zhì)量等。也可在無(wú)需拋光、腐蝕試樣時(shí)就可清晰地觀察到金屬的金相組織等方面已達(dá)實(shí)用階段。2-5-5激光超聲檢測(cè)技術(shù)用脈沖激光照射工件表面，可以產(chǎn)生超聲波脈沖，激光超聲波具有縱波、橫波和表面波型?？梢詫?shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離遙控、快速全方位掃描、穩(wěn)定性重復(fù)性好以及不需耦合劑等，因此可在高溫、高壓、有毒等惡劣環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)。將波長(zhǎng)短、能量高的光脈沖照射金屬表面，激光導(dǎo)致金屬表面下溫度升高、體積膨脹，在材料中形成激波陣面，材料表面激發(fā)出頻率很高的超聲波，可達(dá)幾十兆赫。這種低功率密度激光使金屬表面成為熱彈性狀態(tài)，可以發(fā)生超聲，而不會(huì)發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，也就是說(shuō)不會(huì)對(duì)工件表面造成損傷。如果激光束所激發(fā)的熱彈性形變處在材料內(nèi)部，這種形變屬伸縮形式產(chǎn)生縱波，但靠近材料表面，發(fā)生波型轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生一些橫波。除了縱波和橫波外，脈沖激光也可以產(chǎn)生表面波，它是由固體表面介質(zhì)產(chǎn)生的橫向和縱向振動(dòng)合成并沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?。激光超聲源輻射的方向性與壓電超聲源輻射的方向性完全不同，激光超聲源將輻射能量分布在一個(gè)很寬的角度范圍內(nèi)，在實(shí)際檢測(cè)中不