超声波探伤试验

1、实验66超声波探伤实验【实验目的】.深入了解超声波的产生及在介质中的传播规律。. 了解超声波探伤仪的工作原理。.掌握超声波探伤仪的使用方法。.掌握纵波探伤缺陷的识别和定位方法。【实验原理】在超声波探伤中，很多场合都需要知道材料中声波传播的速度。对于超声波探伤人员来 说，测定声速最简单的方法是用超声波探伤仪来测定，由于现在的超声波探伤仪都是工作在 脉冲波状态下，因此这种方法也可归结为脉冲测量方法。采用这种方法测量时，可用单探头 方式，也可用双探头方式；能用于纵波声速的测量，也能用于横波声速的测量，只是两者在 材料中激发超声波的类型和接收超声波的方式方面有所不同。脉冲反射法是运用最广泛的一种超声波

2、探伤法。它使用的不是连续波，而是有一定持续 时间按一定频率间隔发射的超声脉冲。探伤结果可以用示波器显示。发生器在一定时间间隔 内发射一个触发脉冲信号， 通过专用压电换能器的作用， 使得信号以相同的频率作机械振动， 这个高频脉冲信号相应地在示波器荧光屏上形成一个起始脉冲信号。当探头接触到所要探测 的工件面时，超声波以一定的速度在其内部传播，当遇到缺陷或工件底面时，就会引起反射,反射后的超声波返回到探头。此时，压电换能器又将声脉冲转换成电脉冲并将讯号再次传送 到示波器，形成一个反射脉冲信号。由于电子束在荧光屏上的移动与超声波在均匀物质中传播过程都是匀速的，所以来自缺 陷或底面的反射脉冲信号距起始脉

3、冲的距离与探头距缺陷或底面的距离是成正比的。脉冲反 射法就是根据缺陷及底面反射信号的有无，反射信号幅度的高低及其反射信号在荧光屏上的 位置来判断有无缺陷、缺陷的大小以及缺陷的深度的。脉冲反射法可以分为直接接触纵波脉冲反射法和斜角探伤法，这里我们主要介绍直接接 触纵波脉冲反射法。我们知道纵波是指材料中质点振动方向与声波传播方向一致的波型。探 伤时，当探头垂直地或以不大于第一临界角的角度耦合到工件上时，在工件内部都能获得纵 波。直接接触纵波脉冲反射法通常分为一次脉冲反射法、多次脉冲反射法及组合双探头脉冲 反射法。.声波、超声波、脉冲波机械振动在介质中的传播过程称为机械波；机械振动在弹性介质中的传播

4、就称为弹性波 （即声波）一它是一种重要的机械波。声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作231大学物理实验231振源，其次要有传播振动的弹性介质。此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移动， 只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波（交变电场以光速在空间传播）是完全不 相同的。图6-6-1图6-6-1脉冲波示意图Tr.重复周期；重复频率fR=1/ Tr ; TP.脉冲持续时间（脉冲宽度）Tw与工作频率对应的振动周期；工作频率fw=1/Tw如果以频率f来表征声波，并以人的可感觉频率为分界线，则可把声波划分为次声波（ f 20kHz）。在超声波检测中最常使用的频 率范围为 0.5MHz

5、10MHz。振动持续的时间有限 （单个或间发）时形成的波动，则称为脉冲波。如图（6-6-1）所示。. 一次脉冲反射法如图6-6-2（a）所示，当工件中无缺陷时，荧光屏上只有始波T与一次底波Bo当工件中有小缺陷存在时，荧光屏上除始波和底波外还有缺陷波F （此时的底波幅度可能会下降），缺陷波位于始波和底波之间，缺陷在工件中的深度与缺陷波在荧光屏上距始波的位置相对应， 如图6-6-2（b）所示。当工件的缺陷大于声束直径时，荧光屏上将只有始波与缺陷波，如图 6-6-2（c）所示。.多次脉冲反射法这是以多次底面脉冲反射信号为依据进行探伤的一种方法。超声波在具有平行表面的工 件中传播，在无缺陷的情况下，声

6、波经底面反射回探头时，一部分能量为探头所接收，在荧 光屏上产生一次底波 Bi,另一部分能量又折回底面再反射回来，其中一部分能量又为探头所接收产生二次底波 B2,剩余的能量再被折回 。如此往复直至声能耗尽为止，这将在示波232实验6 6超声波探伤实验232器荧光屏上出现高度逐次递减的多次底波，多次反射之间的间距是相等的，如图6-6-3图6-6-2直接接触纵波一次脉冲反射法1图6-6-2直接接触纵波一次脉冲反射法1.探头；2.缺陷；3.被测物体；4.示波器荧光屏;d.被测试块的厚度；di.缺陷的深度.图6-6-3标准被测试块的多次反射脉冲波形图大学物理实验233所示。图中t大学物理实验233所示。

7、图中tB为超声波在被测试块中传播2d所用的时间。根据公式v = 2d/tB可计算被测试块中超声波的声速。6-6-4所示，此时缺6-6-4所示，此时缺di =d vti/2求出；若缺对于缺陷的判定大致可以分为两类：一类是吸收性缺陷（如疏松等）。声波穿过时不引起反射，但声能的衰减很大，使声能在几次反射、甚至在一次反射后就消耗殆尽；另一类是非 吸收性缺陷。若缺陷较小，在每次反射中缺陷波与底波同时存在，如图 陷波的峰值小于底面反射脉冲波对应的峰值，缺陷深度可由公式 陷面积接近或大于声束横截面面积时，底面的一次反射脉冲波就很小或者声波只在表面与缺234实验6 6超声波探伤实验234陷之间往复反射，荧光屏

8、上没有底面反射脉冲波，而只有缺陷的多次反射脉冲波，如图6-6-5所示，此时缺陷为大缺陷，缺陷深度可由公式di=vt2求出。如果做二维缺陷深度的测试，则可以计算出缺陷的厚度 Ad。本实验只作非吸收性缺陷实验，实验时要注意区分无缺陷和 大于声束直径缺陷的波形（主要看各波之间的间距）。实验中，若要使探头有效地向工件中发射超声波以及有效地接收到由工件返回来的超声 波，必须使探头和工件探测面之间有良好的声耦合。良好的声耦合可以通过填充耦合介质来 实现（这里我们采用凡士林），以避免其间有空气层存在， 这是因为空气层的存在将使声能几 乎完全被反射。【实验仪器】XYZ-2型超声波综合设计实验仪，专用探头一个，

9、标准金属测试块（八个），待测缺陷金属块，示波器一台（20MHz以上）。图6-6-6 XYZ-2型超声波综合设计实验仪及其附件【实验内容与步骤】.打开XYZ-2型超声波综合设计实验仪（参见图6-6-6）和示波器电源，预热两分钟。.连结探头和高频线，连接好的探头接入打开的XYZ-2型超声波综合设计实验仪面板中的收/发接口，用高频线连接实验仪面板中的示波器输出端和示波器的输入端口【CHi（X）或 CH2（Y） Y.用探头紧密接触标准试块（注意：一定要涂抹耦合剂凡士林），依次测出超声波在八个标准试块中的声速，用算术平均值法或逐差法求出平均声速。八个标准试块的厚度分别为 20、30、40、50、60、7

10、0、80 和 90mm。.用待测缺陷金属块进行测量。 同样用探头紧密接触待测缺陷金属块，使探头从缺陷试块的一端向中心滑动，观察示波器上脉冲峰的变化， 判断缺陷反射脉冲波和底面反射脉冲波。 从示波器上读出时间ti,并根据相应的公式计算缺陷的深度di。最后求出缺B1的厚度 Ad。（待测缺陷试块的厚度为 40mm）235大学物理实验235【思考题】.在测试标准试块声速时，我们选择不同的时间档位去测量相邻反射脉冲波相应峰之间 的时间，时间的精确度是否改变？.判断被测试块是否有缺陷的依据是什么？是什么缺陷？为什么？【附录】超声波的相关知识.超声波是频率高于 20KHz （千赫兹）的声波。由于超声波的频率

11、超过了人耳的听觉范 围，因而人耳感觉不到声音。超声波具有声波所有的物理性质，但其频率高，波长短。产生 超声波的方法有多种，现代超声波的产生主要是利用某些晶体（如石英，酒石酸钾钠、错钛 酸铅等）的特殊物理性质一一压电效应产生超声波。当超声波在传播过程中遇到两种不同介质时，在介质分界面将产生反射。超声波在介面 反射后，剩余的超声波将进入第二介质，称为透射。如果两种介质中的声速相同，透射声束 的方向将与入射声束的方向相同；但如果两种介质中的声速不同，透射声束将发生方向的转 折，称为折射。剩余的能量将以某一中心向空间各个方向传播，称散射，散射后返回探头的 回声信号强度明显减弱。超声波在传播过程中的强度

12、将随着所传深度的增加而减弱，称衰减。超声波的衰减是由于超声波的反射、散射和吸收而引起的。超声波探伤是无损检测的主要方法之一。它是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超 声波传播的影响，非破坏性地探测材料内部和表面的缺陷（如裂纹、气泡及夹渣等）的大小、形状和分布状况以及测定材料性质。超声波探伤具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成 本低、设备简单轻便和对人体无害等一系列优点。因此，它已广泛应用于机械制造、冶金、 电力、石油、化工和国防等各工业部门，并已成为保证产品质量、确保设备安全运行的一种 重要手段。.耦合剂的选择在直接接触法探伤中，由于声耦合的好坏直接影响到探伤灵敏度及判伤的准确性，因此 必须使探头和工件之间具有良好的声学接触，这主要取决于探测表面的光洁度和耦合剂的性 能。良好的耦合剂应具备以下特点：1）应具有较高的声阻抗以改善探头与工件间的声耦合，提高透声性能。2）对工件无腐蚀，对人体无危害，便于清洗。3）来源广，价格便宜。4）对自动化探伤来说，要求流动性好，便于回收循环使用。从具有高声阻抗的观点来看，水银和具有悬浮状金属粉