水浸超声检测技术.ppt

水浸式超声探伤技术,主讲人： 时间：2015.11.01,,目,录,1,2,3,4,5,水浸超声探伤原理及分类,水浸超声探头及仪器,水浸超声检测方法及系统,水浸超声与接触式超声对比,超声检测简史,超声检测简史,利用声响来检测物体的好坏，这种方法早已被人们所采用。例如，用手拍西瓜；用锤子敲铁轨；用筷子敲瓷碗。,声音反映物体内部某些性质,超声检测简史,利用超声波来对固体进行无损检测，则始于20世纪20年代末期。 1929年，前苏联Sokolov首先提出利用超声波探查金属物体内部缺陷的建议，并于1935年发表了用穿透法进行试验的一些结果。 根据Sokolov提出的原理支撑的第一种穿透法检测仪器于二战后出现在市场上。,利用超声波来探查水中物体，是在第一次世界大战后 发展起来的。,超声检测简史,脉冲反射法和仪器的出现，给了超声检测新的生命力,1940年，美国的Firestone首次介绍了基于脉冲反射法的超声检测，并在其后的几年进行了试验和完善。 1946年，英国的D.O.Spronle研制成第一台A型脉冲反射式超声探伤仪，能够较为准确地确定缺陷位置和测量缺陷尺寸。随后，英国和美国分别开发出A型脉冲反射式超声检测仪，并逐步用于锻钢和的检测。 20世纪60年代，随着电子技术的快速发展，仪器的性能得到了大幅度的提升，脉冲反射法成为迄今为止通用性最好、使用最广泛的检测方法之一。 20世纪70年代，TOFD（衍射时差法）也被广泛应用。,超声检测简史,基于超声波在工件中的传播特性:能量损失、反射,超声检测工作原理：,1. 声源产生超声波，采用一定的方式进入工件。 2. 传播、相互作用 传播方向、特性改变。 3. 接收、分析、处理、评估,,超声检测方法分类：,1. 原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法 2. 显示方式: A型、超声成像显示 3. 波型：纵波、横波、表面波、板波、爬波 4.探头数目： 单、双、多 5.探头与工件接触方式：接触法、液浸法、电磁耦合法,水浸超声探伤原理及分类,原理： 超声波水浸法是在探头与工件之间填充一定厚度的水层，声波先经过水层，再入射到试件中的一种非接触式超声检测方法。,特点： 1.能消除直接接触检测中难以控制的因素，使声波的发射与接收比较稳定 2.对试件表面光洁度要求不高，探头也不易磨损，耦合稳定，检测结果重复性好 3.易于实现自动检测，提高检测速度,水浸超声探伤原理及分类,全部浸没式 适用于体积不大、形状简单的工件检测 局部浸没式 适用于大体积工件的检测。 局部浸没法又分为喷液式、通水式和满溢式。,,,水浸超声探头,在超声检测中，超声波的发射和接收都是通过探头实现 的。探头的性能很大程度上决定了超声检测的性能。,水浸超声探头的选择（分类）：,水浸直（平）探头： 相当于可在水中使用的纵波直探头，用于水浸法检测。 当改变探头倾角使声波束从水中倾斜入射至工件表面时，也可通过折射在工件中产生纯横波。 水浸聚焦探头： 一种是将压电晶片做成凹面，直接聚焦 另一种是在水浸直探头前加上声透镜产生聚焦声束,在水浸探伤中,为了克服声束在水中的扩散,改善声束的指向性,提高检测灵敏度和分辨力,尤其是对凸弧面工件,常采用聚焦探头进行检测。,水浸超声探头,设计、研制人员：工作频率、带宽、机电耦合系数、电声效率等。 用户：时间域响应（脉冲宽度）、相对脉冲回波灵敏度、电阻抗（匹配特性）、频率响应、声场分布特性。,性能指标：,声场分布特性 探头的声场分布包括探头的指向性、近场长度、焦距、焦柱直径及长度等。,水浸超声探头,（1）水浸直探头（圆盘波源）,近场长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离,,水浸超声探头,整个圆盘波源在M点处的总声压值为：,指向性系数 ：,当指向性系数为0时：,声束指向性：,点波源ds在任意一点引起的声压为：,水浸超声探头,（2）聚焦探头,焦距： 聚焦探头的焦距F与声透镜的曲率半径r之间的关系为：,式中： n—透镜与耦合介质波速比，,在实际检测过程中，实际焦距F'为：,式中： L—工件中焦点至工件表面的距离,水浸聚焦探头示意图,水浸超声探头,焦柱直径及长度 焦柱直径 是一个距离参数，当与焦点处的距离为的任意一点处的声压与焦点本身位置的声压之比为-6dB时，表示小球偏离了轴线两倍的距离。,焦点周围任意点的声压分布,焦柱直径和焦柱长度 示意图,焦柱长度L为焦线上任一点处的声压与焦点位置处声压之比为-6dB时，表示小球偏离了焦点两倍的距离。,水浸超声设备,北京双河理声TLL-16铁道车轮轮辋超声自动探伤机 1．TLL-16型铁道车辆车轮轮辋超声自动探伤机，主要由机械部分（水槽、上下料、探头跟踪、扫描驱动、转轮器等）、控制部分（控制箱、计算机及软件）、探头、专用多通道数字超声探伤仪，数据采集、数据处理和数字成像系统组成。 2．该设备具有A扫描、B扫描和3D图像显示功能。A扫描用于快速普查缺陷，当发现缺陷时，采用数字成像技术和图像处理技术，形成C扫描、B扫描图像和三维图像，直观地给出缺陷平面、断面和立体图像，达到对车轮轮辋内部缺陷的准确定位、定量判断，探伤可靠。 3．该设备采用水浸式超声波探伤方法和探头跟踪定位方法，使超声波探头与轮辋探测面达到了最佳耦合条件，提高了探头与车轮内外侧相对位置的准确性，使探伤质量得到保证，探头与轮辋不接触式探伤，降低了探头消耗及探伤成本。,水浸超声设备,GE公司超声相控阵车轮检测系统 GE的超声相控阵车轮检测系统采用的是水浸模式。该系统检测对象是新造车轮和镟修后车轮的轮辋和轮缘。每轮检测时间只需一分钟，检测结果稳定性好和重复性好。另外该系统根据客户的要求可以提供不同的配置： （1）仅提供电子单元以融入到现有机械控制系统中； （2）提供电子单元和机械装置； （3）提供不需操作员控制的系统； （4）在必须操作员控制的情况下提供操作人员控制系统； （5）自动识别车轮尺寸的系统。,水浸超声检测方法,径向纵波反射法 工件在滚轮上以一定的速度匀速旋转,同时其上面的聚焦水浸探头沿工件轴心线匀速移动。从而实现对工件内部除近表面以外的部分进行扫查。当遇到一定当量的缺 陷时，在屏幕上相应位置就会出现一定幅度缺陷回波,探伤仪上的警报器可发生警报。,1.线聚焦水浸探头 2.被检工件 3.内部缺陷 4.（主动）工作滚轮 5.（被动）滚轮 6.水槽,这种方法的优点是：工件内声能量大,有利于提高探伤灵敏度和分辨力。探伤波形稳定、清晰、再现性好；缺点是在工件表面存在左右的盲区。,水浸超声检测方法,周向横波反射法 根据工件半径，调整工件轴心线与探头中心的距离（偏心距）如图（左）所示，使超声波进入工件表面时纵波入射角大于第一临界角，这样进入工件的超声波转换为单一的横波。由于声束是斜入射到工件中，所以折射横波是在工件表面附近的一个环状区域内传播，从而实现对工件表面及近表面的扫查。当遇到一定当量大小的缺陷时，在屏幕上相应位置出现缺陷回波，报警时发生警报，波形如图（右）。,这种方法的优点是适合探测工件表面及近表面缺陷；缺点是进入工件内声能量低，无法对距表面较深的缺陷进行探伤。,水浸超声检测系统,根据超声水浸检测的特点，结合超声水浸检测技术对扫描平台的需求特点，得出对水浸扫描平台的设计要求如下： （1） 探头扫描移动速度高，以减少扫描时间，提高工作效率。 （2） 探头扫描移动精度高，对于正确判断缺陷的位置和大小意义重大。 （3） 扫描平台机械结构设计合理、可以实现最大范围的探头移动。 （4） 扫描平台整体美观。 （5） 在满足速度、精度要求的基础上，减少设计、加工、采购方面的成本。,超声水浸 A、B、C 扫描的实现必须借助数控扫描系统完成，数控扫描系统运动带动超声探头对扫描区域进行扫查，从而发现缺陷。,水浸超声检测系统,用超声水浸自动化检测代替传统的手动扫描方式时，首先应该考虑满足三个原则：,数控扫描系统,一、保证被检测件的整个检查区有足够的声束覆盖以避免漏检；,二、扫查过程中声束入射方向始终符合预定的要求。一般情况下进给速度v应满足下式：,式中：f——超声脉冲重复频率 D——探头直径 N——扫描重复次数（一般N>3）,水浸超声检测系统,三、最佳距离——指探头底端到工件表面的距离，用h表示：,确定最佳距离的原则是使一次表面回波和缺陷回波清晰可辨 ,缺陷回波和二次表面回波不重叠 ,二次表面回波位于工件底面回波之后 。,水浸聚焦探头示意图,水浸探伤回波关系图,水浸超声与接触式超声对比,案例——火车车轮超声检测水浸法与接触法的对比试验 对比参数为仪器增益数、信噪比、灵敏度余量,一、试验条件： (1)实验仪器：BUT301型超声波C扫描探伤仪，参数如表1所示 (2)探头：3种纵波直探头，参数如表2所示,(3)参考试块：截取某规格车轮的一段轮辋，加工成带 的平底孔试块，参数如表3所示,水浸超声与接触式超声对比,二、试验方法： 接触法时，试块与探头之间耦合一层油膜；而水浸法超声波检测时，探头与试块之间的水层厚度Ｈ为45mm。 采用焦距F为200mm的水浸聚焦探头时，根据公式,得到焦点到工件表面的距离为39mm。,水浸超声与接触式超声对比,(1) 仪器增益数测试方法。调节增益大小，使声程为30mm的 平底孔反射波高达到满屏的50%，记录此时的仪器增益数。,仪器的统一设置：声速设为5850m/s，抑制设为0%，重复频率设为100HZ。,(2) 信噪比测量方法。调节增益大小，使声程为30ｍｍ的 平底孔反射波高达到满屏的50%,然后按照 式计算噪声波与信号波的dB差，得到信噪比。,(3)灵敏度余量测试方法。调节增益大小，使声程为30mm的 平底孔反射波高达到50%，记录此时增益数 dB，如果不到20%，记录最大值。然后增大增益直到噪声波高达到20%，记录此时增益数 dB. dB差 ，即为灵敏度余量。,水浸超声与接触式超声对比,三、试验结果 １）仪器增益数 采用聚焦水浸探头时，系统灵敏度有所提高.,水浸超声与接触式超声对比,２）信噪比,水浸超声与接触式超声对比,采用非聚焦探头时，虽然水浸法的信噪比低于接触法的原因是水浸法系统灵敏度相对较低，但二者的差异要小于相同探伤灵敏度下仪器增益数的差异，因为水浸法的噪声水平要比接触法低17dB左右。,3)灵敏度余量,同信噪比一样，水浸法的灵敏度余量要小于接触法，但使用聚焦水浸探头时，系统灵敏度余量明显提高，与同频率探头接触法的灵敏度基本相同。,水浸超声与接触式超声对比,四、结论 １)相同探伤灵敏度下，非聚焦探头水浸法的仪器增益数高于接触法的仪器增益数，主要原因是非聚焦探头水浸法探伤时声能在水和钢中存在更大的扩散衰减。,2)相同探伤灵敏度下，非聚焦探头水浸法的系统信噪比和灵敏度余量均低于接触法，但二者的差异小于相同探伤灵敏度下仪器增益数的差异，这是因为水浸法噪声水平高于接触法的缘故。,3)当采用聚焦水浸探头时，水浸法的系统信噪比和灵敏度余量可以提高到同频率探头接触法的水平。,THANKS,,谢谢聆听,,,,