超声波探伤与测厚

超声波探伤与测厚实验

【实验目的】

1、通过实验了解超声波探伤的基本原理，并掌握超声波探伤仪的使用及基本探伤方法。

2、探测不同样块的厚度及不同材料中超声波的传播速度。

【实验原理】

一、超声波探伤原理

1．超声波的传播特性

声波是由物体的机械振动所发出的波动，它在均匀弹性介质中匀速传播，其传播距离与时间成正比。当声波的频率超过20000赫时，人耳已不能感受，即为超声波。声波的频率、波长和声速间的关系

是：

f

c =λ （1）

式中 λ——波长；c ——波速；f ——频率。

由公式可见，声波的波长与频率成反比，超声波则具有很短的波长。

超声波探伤技术，就是利用超声波的高频率和短波长所决定的传播特性。即：

（1）具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介质中是直线传播的，可以定向控制。

（2）具有穿透性，频率越高，波长越短，穿透能力越强，因此可以探测很深（尺寸大）的零件。穿透的介质超致密，能量衰减越小，所以可用于探测金属零件的缺陷。

（3）具有界面反射性、折射性，对质量稀疏的空气将发生全反射。声波频率越高，它的传播特性越和光的传播特性接近。如超声波的反射、折射规律完全符合光的反射、折射规律。

利用超声波在零件中的匀速传播以及在传播中遇到界面时发生反射、折射等特性，即可以发现工件中的缺陷。因为缺陷处介质不再连续，缺陷与金属的界面就要发生反射等。如图1所示超声波在工件中传播，没有伤时，如图1a ，声波直达工件底面，遇界面全反射回来。当工件中有垂直于声波传播方向的伤，声波遇到伤界面也反射回来，如图1b 。当伤的形状和位置决定界面与声波传播方向有角度时，将按光的反射规律产生声波的反射传播。

2．超声波探伤仪的工作原理

图1 超声波在工件中的传播

超声波探伤仪首先是个超声波发生器，它利用交流电源和振荡电路，产生高频电脉冲，并可根据探伤要求调节脉冲的频率及发射能量。超声波探伤仪还具有将接受到的电脉冲依其能量的大小、时间的先后通过荧光显示屏显示出来的功能。其工作原理示于图2。发生器使示波管产生水平扫描线（一条亮线，代表时间轴），接收放大器使接受到的脉冲信号作用于示波管的垂直偏转板，并按信号收到的时间先后将水平扫描线的相应部位拉起脉冲值。始脉冲是仪器发射出去的原始脉冲信号，伤脉冲是超声波自工件内缺陷处返回的脉冲信号，底脉冲则是超声波自工件底部返回来的脉冲信号。由于超声波在工件内是匀速传播的，因此在工件内走过的路程越长，返回的时间越晚，所以底脉冲要比伤脉冲出现的晚，它们在荧光屏上的水平距离反应了超声波在工件内走过的距离。因此有:

a

b b I d = 则 I b b d a

?= （2）

式中:d ——工件表面至缺陷的距离。

I ——沿探测方向的工件厚度。

b ——伤脉冲到始脉冲的扫描刻度。

a b ——底脉冲到始脉冲的扫描刻度。

超声波在介质中传播是有能量衰减的。走过的距离越长，反射回来的能量也越小，表现在接收回来的脉冲高度要减少。如果伤较小，少量超声波自伤处反射回来，将有一个矮的伤脉冲，此时大部分能量抵达工件底面，底脉冲仍较高。如果伤面积很大，则伤脉冲就会高，相应的底脉冲就会很小。如遇到伤很大，或其界面又不垂直于超声波入射的方向（如图1c ），则伤脉冲没有（反射波收不到），底脉冲也可能没有。

超声波探头是超声波探伤仪的重要附件，工程上所用的探头分为直探头和斜探头两种。探头又叫做换能器，探伤仪发射出来的是高频电脉冲，利用探头上的压电晶体（常用锆钛酸图2 探伤仪工作原理示意图

铅）将电脉冲转换成机械振动——超声波。探头又可以将由工件上接收到的超声波转换成电脉冲，输给接收放大电路，再加于示波管上。

直探头表面向工件发射的是垂直于工件表面的超声波。斜探头是在压电晶体表面上嵌有具一定倾角的有机玻璃块而构成。斜探头向工件表面发射的是倾斜入射的超声波，探头上均应标明其倾角数值，以便于计算其在工件内的折射角。但在工程上不需要计算，它可以通过试验显示出来。如对于焊缝的检验，多利用斜探头探伤，如图3所示。探头在位置I 处，声波恰传播到钢板（焊缝）底部， 1L 叫一次声程。探头在位置II 处，声波经一次反射后抵达钢板（焊缝）顶部，2L 为二次声程。对于壁厚为b 的钢板，1L 、2L 为:

βcos 1b

L = （3）

βcos 22b

L =

（4）

式中 1L ——一次声程；

2L ——二次声程；

b ——钢板厚度； β——与斜探头的角度有关，此处视为在钢板内的折射角。

实际上， 1L 与2L 的数值不需要操作者计算，它可以借助一个具有β为顶角的三角标准样块来确定。当将斜探头自钢板边缘向后移动到I 位置时，荧光屏上出现一个底脉冲，记住它的扫描刻度。再将斜探头沿三角标准样块的斜边自上而下移动时，底脉冲沿荧光屏的扫描线自左向右移动。当移至刚才的扫描刻度上时，测读该处样块的长度即可得知1L （或2L ）的实际值。

图3 二次声程法

当钢板或焊缝内有缺陷时，如图4所示，必在荧光屏 (见图3) I 及II 之间有伤脉冲出现，根据伤脉冲的扫描刻度，按比例可计算出S 值，并可依下式确定伤的位置，

βcos 2?-=S d h

（5）

βsin ?=S l

（6）

二、超声波测厚原理

超声波测量厚度的原理与光波测量原理相似。探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

【实验内容与步骤】

一、超声波探伤实验内容：

1．探测一块无缺陷的试块，分别从试块的两个不同厚度方向进行探测，观察其始脉冲与底脉冲扫描刻度值的差异，建立起扫描时间与超声波传播距离成正比的概念。见图6。由于l ＞l 1则：t 必大于t 1，且11t l =。如果不成比例，应查找原因。

根据同一原理（又称图象比例法）测定人工试样内平底孔到探测面的距离，如图7。

图4 利用二次声程法探伤

图5 探测一个样块的两个不同厚度方向

图6 图象比例法

2．探测同一样块上同一深度的不同直径的平底孔，比较其各孔伤脉冲的高低，从而建立起在探伤条件（材料、仪器灵敏度、表面粗糙度等）相同情况下，伤脉冲的高低与伤的面积大小成正比的概念。见图8。

3．探测同一样块上相同深度位置直径大小相等的平底孔和横通孔，比较它们的伤脉冲高低，建立起在探测条件相同情况下，伤脉冲的高低与伤的表面形状有关的概念。见图9。 4．探测样块中细长孔的长度，验证采用半波高度法确定伤的范围的准确性。见图10。

5．在直角三角标准试块上测定钢板的声程

取斜探头自钢板的一个边缘向后滑移，如图3所示，当探头在

I 位置时，荧光屏上出现有最高的脉冲值，记录其对应的扫描刻度值。然后将探头置于三角试块的斜边上，并沿斜边自上向下移动，当底脉冲停在刻度t 1位置时，测量1L 值，1L 即是一次声程的大小。同样可以确定二次声程2L 的大小。

6．探测一块单面V 型坡口的焊缝试块，令斜探头在距焊缝中心距离为S 1至S 2（见图3）之间走“之”字形路线，观察有无缺陷，如图11。

图7 探测样块底面的不同孔径图 图8 同一深度下横孔和平底孔的探测图

图9 细长小孔探测图

图10 焊缝探伤示意图

超声波探伤实验步骤：

实验所用的设备如图11所示。探伤仪内部由“同步发生器”、“高频发生器”、“扫描发生器”、“示波管”等电路构成。在探伤仪面板上有许多工作旋钮，应根据被测零件的材料、形状选择适当的“频率”、“探伤距离”、“工作方式”，并根据荧光屏上的波形显示，调整始脉冲位置、底脉冲位置及高度。（选择及调整过程中请根据指导教师的指导及要

图11 实验装置

求进行，不得任意使用旋钮。）

在探伤过程中，为了排除探头与工件之间的空气间隙，使超声波能量尽可能多地入射工件，故在探测时需在工件表面加耦合剂，耦合剂要求具有一定的粘度，流动性好，无害，通常选用机油作耦合剂。

实验步骤如下：

1．检查各接线是否牢固可靠。

2．熟悉探伤仪面板上各个旋钮的作用。

3．根据工件材料选择探头的频率，并接好探头。

4．检查所测工件表面情况，清除锈、污等。

5．准备好耦合剂，毛刷等工具。

6．打开开关，待扫描出现后，调节扫描始点与零刻度值重合。

7．测定时以一定压力缓慢移动探头，使探头与工件表面尽量接触好。

8．记录下所需要的数据。

【数据记录及处理】

1．说明超声波探伤与测厚的基本原理。

2．说明基本探伤方法：图象比例法、半波高度法、二次声程法。并说明其各自用途。

3．按下图格式记录实验内容，“图示”栏内绘出样块及探头的相应位置，并标出需要的尺寸。“显示图形”栏目中应绘出屏幕上显示的脉冲位置或高度。并标出读出的刻度值。“结论与说明”栏目内应就实测数据进行计算，以计算结果说明其结论。并应对误差进行必要的分析。

建议实验报告实验内容一项采用下列形式：

【思考题】

(1) 通过试样上人工伤的探测实验，你对探伤仪的最小灵敏度是怎样理解的（什么叫灵敏度）？

(2) 当一个零件的厚度尺寸不知道的话，你能通过使用探伤仪判断吗？怎么判断？

(3)探测零件时发现无伤处的底脉冲很高（刻度值为8.9）如果某处底脉冲突然降至2个刻度值时又没有伤脉冲出现，你估计是什么原因？是否底脉冲降低一定是伤脉冲提高？

(4)为什么使用斜探头探测钢板或焊缝时，只需要将探头在一次声程及二次声程之间范围内探测就行？

3、超声波探伤的基本原理是什么？答：超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射(见图1 )，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。

4、超声波探伤与X射线探伤相比较有何优的缺点？

答：超声波探伤比X射线探伤具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等优点；缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性；超声波探伤适合于厚度较大的零件检验。

5、超声波探伤的主要特性有哪些？

答：（1）超声波在介质中传播时，在不同质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声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过射线而不能反射；

（2）波声的方向性好，频率越高，方向性越好，以很窄的波束向介质中辐射，易于确定缺陷的位置。

（3）超声波的传播能量大，如频率为1MHZ（100赫兹）的超生波所传播的能量，相当于振幅相同而频率为1000HZ（赫兹）的声波的100万倍。

6、超生波探伤板厚14毫米时，距离波幅曲线上三条主要曲线的关系怎样？

答：测长线Ф1 х 6 －12dB

定量线Ф1 х 6 －6dB

判度线Ф1 х 6 －2dB

7、用超生波探伤时，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）倾斜大缺陷；（4）氧化皮与钢板结合不好。

8、简述超生波探伤中，超生波在介质中传播时引起衰减的原因是什么？

答：（1）超声波的扩散传播距离增加，波束截面愈来愈大，单位面积上的能量减少。（2）材质衰减一是介质粘滞性引起的吸收；二是介质界面杂乱反射引起的散射。

32.有关超声波探伤的国家标准和行业标准

超声波探伤国家标准和行业标准有：

1、QB/T 12604.1–90 无损检测术语超声检测

2、JB/T 10061-1999 A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件

3、JJG 746-91 超声探伤仪中华人民共和国国家计量检定规程

斜探头K值与角度的对应关系

34.焊缝探伤超声波探头的选择方案参考

注:以上方案仅作参考,各企业可视具体情况稍作改动.