超聲波探傷與測(cè)厚

超聲波探傷與測(cè)厚實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解超聲波探傷的基本原理，并掌握超聲波探傷儀的使用及基本探傷方法。2、探測(cè)不同樣塊的厚度及不同材料中超聲波的傳播速度?！緦?shí)驗(yàn)原理】一、超聲波探傷原理1．超聲波的傳播特性聲波是由物體的機(jī)械振動(dòng)所發(fā)出的波動(dòng)，它在均勻彈性介質(zhì)中勻速傳播，其傳播距離與時(shí)間成正比。當(dāng)聲波的頻率超過(guò)20000赫時(shí)，人耳已不能感受，即為超聲波。聲波的頻率波長(zhǎng)和聲速間的關(guān)系是：1）式中 波長(zhǎng)；C——波速；f――頻率。由公式可見(jiàn)，聲波的波長(zhǎng)與頻率成反比，超聲波則具有很短的波長(zhǎng)。超聲波探傷技術(shù)，就是利用超聲波的高頻率和短波長(zhǎng)所決定的傳播特性。即：（1） 具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介質(zhì)中是直線傳播的，可以定向控制。（2） 具有穿透性，頻率越高，波長(zhǎng)越短，穿透能力越強(qiáng)，因此可以探測(cè)很深（尺寸大）的零件。穿透的介質(zhì)超致密，能量衰減越小，所以可用于探測(cè)金屬零件的缺陷。（3） 具有界面反射性、折射性，對(duì)質(zhì)量稀疏的空氣將發(fā)生全反射。聲波頻率越高，它的傳播特性越和光的傳播特性接近。如超聲波的反射、折射規(guī)律完全符合光的反射、折射規(guī)律。利用超聲波在零件中的勻速傳播以及在傳播中遇到界面時(shí)發(fā)生反射、折射等特性，即可以發(fā)現(xiàn)工件中的缺陷。因?yàn)槿毕萏幗橘|(zhì)不再連續(xù)，缺陷與金屬的界面就要發(fā)生反射等。如圖1所示超聲波在工件中傳播，沒(méi)有傷時(shí)，如圖la,聲波直達(dá)工件底面，遇界面全反射回來(lái)。當(dāng)工件中有垂直于聲波傳播方向的傷，聲波遇到傷界面也反射回來(lái)，如圖lb。當(dāng)傷的形狀和位置決定界面與聲波傳播方向有角度時(shí)，將按光的反射規(guī)律產(chǎn)生聲波的反射傳播。2．超聲波探傷儀的工作原理

超聲波探傷儀首先是個(gè)超聲波發(fā)生器，它利用交流電源和振蕩電路，產(chǎn)生高頻電脈沖并可根據(jù)探傷要求調(diào)節(jié)脈沖的頻率及發(fā)射能量。超聲波探傷儀還具有將接受到的電脈沖依其能量的大小、時(shí)間的先后通過(guò)熒光顯示屏顯示出來(lái)的功能。其工作原理示于圖2。發(fā)生器使示波管產(chǎn)生水平掃描線（一條亮線，代表時(shí)間軸），接收放大器使接受到的脈沖信號(hào)作用于示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板，并按信號(hào)收到的時(shí)間先后將水平掃描線的相應(yīng)部位拉起脈沖值。始脈沖是儀器發(fā)射出去的原始脈沖信號(hào)，傷脈沖是超聲波自工件內(nèi)缺陷處返回的脈沖信號(hào)，底脈沖則是超聲波自工件底部返回來(lái)的脈沖信號(hào)。由于超聲波在工件內(nèi)是勻速傳播的，因此在工件內(nèi)走過(guò)的路程越長(zhǎng)，返回的時(shí)間越晚，所以底脈沖要比傷脈沖出現(xiàn)的晚，它們?cè)跓晒馄辽系乃骄嚯x反應(yīng)了超聲波在工件內(nèi)走過(guò)的距離。因此有:db7~~ba2）式中:d——工件表面至缺陷的距離。I――沿探測(cè)方向的工件厚度。b——傷脈沖到始脈沖的掃描刻度。b――底脈沖到始脈沖的掃描刻度a掃櫛發(fā)生器—d—1掃櫛發(fā)生器—d—1圖2探傷儀工作原理示意圖超聲波在介質(zhì)中傳播是有能量衰減的。走過(guò)的距離越長(zhǎng)，反射回來(lái)的能量也越小，表現(xiàn)在接收回來(lái)的脈沖高度要減少。如果傷較小，少量超聲波自傷處反射回來(lái)，將有一個(gè)矮的傷脈沖，此時(shí)大部分能量抵達(dá)工件底面，底脈沖仍較高。如果傷面積很大，則傷脈沖就會(huì)高，相應(yīng)的底脈沖就會(huì)很小。如遇到傷很大，或其界面又不垂直于超聲波入射的方向（如圖1c），則傷脈沖沒(méi)有（反射波收不到），底脈沖也可能沒(méi)有。超聲波探頭是超聲波探傷儀的重要附件，工程上所用的探頭分為直探頭和斜探頭兩種。探頭又叫做換能器，探傷儀發(fā)射出來(lái)的是高頻電脈沖，利用探頭上的壓電晶體（常用鋯鈦酸鉛）將電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)——超聲波。探頭又可以將由工件上接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成電脈沖，輸給接收放大電路，再加于示波管上。直探頭表面向工件發(fā)射的是垂直于工件表面的超聲波。斜探頭是在壓電晶體表面上嵌有具一定傾角的有機(jī)玻璃塊而構(gòu)成。斜探頭向工件表面發(fā)射的是傾斜入射的超聲波，探頭上均應(yīng)標(biāo)明其傾角數(shù)值，以便于計(jì)算其在工件內(nèi)的折射角。但在工程上不需要計(jì)算，它可以通過(guò)試驗(yàn)顯示出來(lái)。如對(duì)于焊縫的檢驗(yàn)，多利用斜探頭探傷，如圖3所示。探頭在位置I處，聲波恰傳播到鋼板（焊縫）底部，L叫一次聲程。探頭在位置II處，聲波經(jīng)一次反射后1抵達(dá)鋼板（焊縫）頂部，L為二次聲程。對(duì)于壁厚為b的鋼板，L、L為：124）式中L——一次聲程；1L——二次聲程；2b鋼板厚度；B——與斜探頭的角度有關(guān)，此處視為在鋼板內(nèi)的折射角實(shí)際上，L與L的數(shù)值不需要操作者計(jì)算，它可以借助一個(gè)具有卩為頂角的三角標(biāo)12準(zhǔn)樣塊來(lái)確定。當(dāng)將斜探頭自鋼板邊緣向后移動(dòng)到I位置時(shí)，熒光屏上出現(xiàn)一個(gè)底脈沖，記住它的掃描刻度。再將斜探頭沿三角標(biāo)準(zhǔn)樣塊的斜邊自上而下移動(dòng)時(shí)，底脈沖沿?zé)晒馄恋膾呙杈€自左向右移動(dòng)。當(dāng)移至剛才的掃描刻度上時(shí)，測(cè)讀該處樣塊的長(zhǎng)度即可得知L（或L）12的實(shí)際值。圖3二次聲程法

當(dāng)鋼板或焊縫內(nèi)有缺陷時(shí)，如圖4所示，必在熒光屏（見(jiàn)圖3）I及II之間有傷脈沖出現(xiàn)，根據(jù)傷脈沖的掃描刻度，按比例可計(jì)算出S值，并可依下式確定傷的位置，h=2d-S-cosB5）rYh/J)5）rYh/J)I. i ■ ■J ■dM IT/圖4利用二次聲程法探傷（6）二、超聲波測(cè)厚原理超聲波測(cè)量厚度的原理與光波測(cè)量原理相似。探頭發(fā)射的超聲波脈沖到達(dá)被測(cè)物體并在物體中傳播，到達(dá)材料分界面時(shí)被反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)材料的厚度?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】一、超聲波探傷實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1．探測(cè)一塊無(wú)缺陷的試塊，分別從試塊的兩個(gè)不同厚度方向進(jìn)行探測(cè)，觀察其始脈沖與底脈沖掃描刻度值的差異，建立起掃描時(shí)間與超聲波傳播距離成正比的概念。見(jiàn)圖6。由于I〉”貝y：t必大于且ini=。如果不成比例，應(yīng)查找原因。圖5探測(cè)一個(gè)樣塊的兩個(gè)不同厚度方向根據(jù)同一原理（又稱(chēng)圖象比例法）測(cè)定人工試樣內(nèi)平底孔到探測(cè)面的距離，如圖7。圖6圖象比例法

2．探測(cè)同一樣塊上同一深度的不同直徑的平底孔，比較其各孔傷脈沖的高低，從而建立起在探傷條件（材料、儀器靈敏度、表面粗糙度等）相同情況下，傷脈沖的高低與傷的面積大小成正比的概念。見(jiàn)圖8。3．探測(cè)同一樣塊上相同深度位置直徑大小相等的平底孔和橫通孔，比較它們的傷脈沖高低，建立起在探測(cè)條件相同情況下，傷脈沖的高低與傷的表面形狀有關(guān)的概念。見(jiàn)圖9。圖7探測(cè)樣塊底面的不同孔徑圖圖7探測(cè)樣塊底面的不同孔徑圖圖8同一深度下橫孔和平底孔的探測(cè)圖4．探測(cè)樣塊中細(xì)長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度，驗(yàn)證采用半波高度法確定傷的范圍的準(zhǔn)確性。見(jiàn)圖10。5.取斜探頭自鋼板的一個(gè)邊緣向后滑移，如圖3所示，當(dāng)探頭在I位置時(shí)，熒光屏上出現(xiàn)有最高的脈沖值，記錄其對(duì)應(yīng)的掃描刻度值耳。然后將探頭置于三角試塊的斜邊上，并沿斜邊自上向下移動(dòng)，當(dāng)?shù)酌}沖停在刻度t｝位置時(shí)，測(cè)量L值，L即是一次聲程的大小。111同樣可以確定二次聲程L2的大小。探測(cè)一塊單面V型坡口的焊縫試塊，令斜探頭在距焊縫中心距離為?至S2（見(jiàn)圖3）之間走“之”字形路線，觀察有無(wú)缺陷，如圖11。

圖10焊縫探傷示意圖超聲波探傷實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備如圖11所示。探傷儀內(nèi)部由“同步發(fā)生器”、“高頻發(fā)生器”、“掃描發(fā)生器”、“示波管”等電路構(gòu)成。在探傷儀面板上有許多工作旋鈕，應(yīng)根據(jù)被測(cè)零件的材料、形狀選擇適當(dāng)?shù)摹邦l率”、“探傷距離”、“工作方式”，并根據(jù)熒光屏上的波形顯示，調(diào)整始脈沖位置、底脈沖位置及高度。（選擇及調(diào)整過(guò)程中請(qǐng)根據(jù)指導(dǎo)教師的指導(dǎo)及要在探傷過(guò)程中，為了排除探頭與工件之間的空氣間隙，使超聲波能量盡可能多地入射工件，故在探測(cè)時(shí)需在工件表面加耦合劑，耦合劑要求具有一定的粘度，流動(dòng)性好，無(wú)害，通常選用機(jī)油作耦合劑。實(shí)驗(yàn)步驟如下：1．檢查各接線是否牢固可靠。2．熟悉探傷儀面板上各個(gè)旋鈕的作用。3．根據(jù)工件材料選擇探頭的頻率，并接好探頭。4．檢查所測(cè)工件表面情況，清除銹、污等。5．準(zhǔn)備好耦合劑，毛刷等工具。6．打開(kāi)開(kāi)關(guān)，待掃描出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)掃描始點(diǎn)與零刻度值重合。7．測(cè)定時(shí)以一定壓力緩慢移動(dòng)探頭，使探頭與工件表面盡量接觸好。8．記錄下所需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄及處理】1．說(shuō)明超聲波探傷與測(cè)厚的基本原理。2．說(shuō)明基本探傷方法：圖象比例法、半波高度法、二次聲程法。并說(shuō)明其各自用途。3．按下圖格式記錄實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，“圖示”欄內(nèi)繪出樣塊及探頭的相應(yīng)位置，并標(biāo)出需要的尺寸?！帮@示圖形”欄目中應(yīng)繪出屏幕上顯示的脈沖位置或高度。并標(biāo)出讀出的刻度值?！敖Y(jié)論與說(shuō)明”欄目?jī)?nèi)應(yīng)就實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以計(jì)算結(jié)果說(shuō)明其結(jié)論。并應(yīng)對(duì)誤差進(jìn)行必要的分析。建議實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一項(xiàng)采用下列形式：序號(hào)圖示顯示圖形12???6【思考題】通過(guò)試樣上人工傷的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，你對(duì)探傷儀的最小靈敏度是怎樣理解的(什么叫靈敏度)？當(dāng)一個(gè)零件的厚度尺寸不知道的話，你能通過(guò)使用探傷儀判斷嗎？怎么判斷？探測(cè)零件時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)傷處的底脈沖很高(刻度值為8.9)如果某處底脈沖突然降至2個(gè)刻度值時(shí)又沒(méi)有傷脈沖出現(xiàn)，你估計(jì)是什么原因？是否底脈沖降低一定是傷脈沖提高？為什么使用斜探頭探測(cè)鋼板或焊縫時(shí)，只需要將探頭在一次聲程及二次聲程之間范圍內(nèi)探測(cè)就行？3、超聲波探傷的基本原理是什么？答：超聲波探傷儀的種類(lèi)繁多，但在實(shí)際的探傷過(guò)程，脈沖反射式超聲波探傷儀應(yīng)用的最為廣泛。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。目前便攜式的脈沖反射式超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被檢測(cè)材料中的傳播時(shí)間或者傳播距離，縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個(gè)鋼工件中存在一個(gè)缺陷，由于這個(gè)缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個(gè)界面之后，就會(huì)發(fā)生反射(見(jiàn)圖1)，反射回來(lái)的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會(huì)顯示出來(lái)一個(gè)反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個(gè)位置就是缺陷在被檢測(cè)材料中的深度。這個(gè)反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。4、 超聲波探傷與X射線探傷相比較有何優(yōu)的缺點(diǎn)？答：超聲波探傷比X射線探傷具有較高的探傷靈敏度、周期短、成本低、靈活方便、效率高，對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是對(duì)工作表面要求平滑、要求富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類(lèi)、對(duì)缺陷沒(méi)有直觀性；超聲波探傷適合于厚度較大的零件檢驗(yàn)。5、 超聲波探傷的主要特性有哪些？答：(1)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，在不同質(zhì)界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，則超聲波在缺陷上反射回來(lái)，探傷儀可將反射波顯示出來(lái)；如缺陷的尺寸甚至小于波長(zhǎng)時(shí)，聲波將繞過(guò)射線而不能反射；(2)波聲的方向性好，頻率越高，方向性越好，以很窄的波束向介質(zhì)中輻射，易于確定缺陷的位置。(3)超聲波的傳播能量大，如頻率為1MHZ(100赫茲)的超生波所傳播的能量，相當(dāng)于振幅相同而頻率為1000HZ(赫茲)的聲波的100萬(wàn)倍。6、 超生波探傷板厚14毫米時(shí)，距離波幅曲線上三條主要曲線的關(guān)系怎樣？答：測(cè)長(zhǎng)線e1x6—12dB定量線e1x6—6dB判度線e1x6—2dB7、 用超生波探傷時(shí)，底波消失可能是什么原因造成的？答：(1)近表表大缺陷；(2)吸收性缺陷；(3)傾斜大缺陷；(4)氧化皮與鋼板結(jié)合不好。8、 簡(jiǎn)述超生波探傷中，超生波在介質(zhì)中傳播時(shí)引起衰減的原因是什么？答：(1)超聲波的擴(kuò)散傳播距離增加，波束截面愈來(lái)愈大，單位面積上的能量減少。(2)材質(zhì)衰減一是介質(zhì)粘滯性引起的吸收；二是介質(zhì)界面雜亂反射引起的散射。32.有關(guān)超聲波探傷的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)超聲波探傷國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有：1、 QB/T12604.1-90無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)超聲檢測(cè)2、 JB/T10061-1999A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術(shù)條件3、 JJG746-91超聲探傷儀中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程斜探頭K值與角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系NO.K值對(duì)應(yīng)角度1K1對(duì)應(yīng)45度2K1.5對(duì)應(yīng)56.3度

3K2對(duì)應(yīng)63.4度4K2.5對(duì)應(yīng)68.2度5K3對(duì)應(yīng)71.6度34.焊縫探傷超聲波探頭的選擇方