超聲波探傷試驗

1、實驗66超聲波探傷實驗【實驗?zāi)康摹?深入了解超聲波的產(chǎn)生及在介質(zhì)中的傳播規(guī)律。. 了解超聲波探傷儀的工作原理。.掌握超聲波探傷儀的使用方法。.掌握縱波探傷缺陷的識別和定位方法?！緦嶒炘怼吭诔暡ㄌ絺校芏鄨龊隙夹枰啦牧现新暡▊鞑サ乃俣?。對于超聲波探傷人員來 說，測定聲速最簡單的方法是用超聲波探傷儀來測定，由于現(xiàn)在的超聲波探傷儀都是工作在 脈沖波狀態(tài)下，因此這種方法也可歸結(jié)為脈沖測量方法。采用這種方法測量時，可用單探頭 方式，也可用雙探頭方式；能用于縱波聲速的測量，也能用于橫波聲速的測量，只是兩者在 材料中激發(fā)超聲波的類型和接收超聲波的方式方面有所不同。脈沖反射法是運用最廣泛的一種超聲波

2、探傷法。它使用的不是連續(xù)波，而是有一定持續(xù) 時間按一定頻率間隔發(fā)射的超聲脈沖。探傷結(jié)果可以用示波器顯示。發(fā)生器在一定時間間隔 內(nèi)發(fā)射一個觸發(fā)脈沖信號， 通過專用壓電換能器的作用， 使得信號以相同的頻率作機(jī)械振動， 這個高頻脈沖信號相應(yīng)地在示波器熒光屏上形成一個起始脈沖信號。當(dāng)探頭接觸到所要探測 的工件面時，超聲波以一定的速度在其內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到缺陷或工件底面時，就會引起反射,反射后的超聲波返回到探頭。此時，壓電換能器又將聲脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖并將訊號再次傳送 到示波器，形成一個反射脈沖信號。由于電子束在熒光屏上的移動與超聲波在均勻物質(zhì)中傳播過程都是勻速的，所以來自缺 陷或底面的反射脈沖信號距起始脈

3、沖的距離與探頭距缺陷或底面的距離是成正比的。脈沖反 射法就是根據(jù)缺陷及底面反射信號的有無，反射信號幅度的高低及其反射信號在熒光屏上的 位置來判斷有無缺陷、缺陷的大小以及缺陷的深度的。脈沖反射法可以分為直接接觸縱波脈沖反射法和斜角探傷法，這里我們主要介紹直接接 觸縱波脈沖反射法。我們知道縱波是指材料中質(zhì)點振動方向與聲波傳播方向一致的波型。探 傷時，當(dāng)探頭垂直地或以不大于第一臨界角的角度耦合到工件上時，在工件內(nèi)部都能獲得縱 波。直接接觸縱波脈沖反射法通常分為一次脈沖反射法、多次脈沖反射法及組合雙探頭脈沖 反射法。.聲波、超聲波、脈沖波機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播過程稱為機(jī)械波；機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播

4、就稱為彈性波 （即聲波）一它是一種重要的機(jī)械波。聲波產(chǎn)生的條件是首先要有一個作機(jī)械振動的質(zhì)點作231大學(xué)物理實驗231振源，其次要有傳播振動的彈性介質(zhì)。此外，當(dāng)振動傳播時，振動的質(zhì)點并不隨波而移動， 只是在自己的平衡位置附近振動而已，這與電磁波（交變電場以光速在空間傳播）是完全不 相同的。圖6-6-1圖6-6-1脈沖波示意圖Tr.重復(fù)周期；重復(fù)頻率fR=1/ Tr ; TP.脈沖持續(xù)時間（脈沖寬度）Tw與工作頻率對應(yīng)的振動周期；工作頻率fw=1/Tw如果以頻率f來表征聲波，并以人的可感覺頻率為分界線，則可把聲波劃分為次聲波（ f 20kHz）。在超聲波檢測中最常使用的頻 率范圍為 0.5MHz

5、10MHz。振動持續(xù)的時間有限 （單個或間發(fā)）時形成的波動，則稱為脈沖波。如圖（6-6-1）所示。. 一次脈沖反射法如圖6-6-2（a）所示，當(dāng)工件中無缺陷時，熒光屏上只有始波T與一次底波Bo當(dāng)工件中有小缺陷存在時，熒光屏上除始波和底波外還有缺陷波F （此時的底波幅度可能會下降），缺陷波位于始波和底波之間，缺陷在工件中的深度與缺陷波在熒光屏上距始波的位置相對應(yīng)， 如圖6-6-2（b）所示。當(dāng)工件的缺陷大于聲束直徑時，熒光屏上將只有始波與缺陷波，如圖 6-6-2（c）所示。.多次脈沖反射法這是以多次底面脈沖反射信號為依據(jù)進(jìn)行探傷的一種方法。超聲波在具有平行表面的工 件中傳播，在無缺陷的情況下，聲

6、波經(jīng)底面反射回探頭時，一部分能量為探頭所接收，在熒 光屏上產(chǎn)生一次底波 Bi,另一部分能量又折回底面再反射回來，其中一部分能量又為探頭所接收產(chǎn)生二次底波 B2,剩余的能量再被折回 。如此往復(fù)直至聲能耗盡為止，這將在示波232實驗6 6超聲波探傷實驗232器熒光屏上出現(xiàn)高度逐次遞減的多次底波，多次反射之間的間距是相等的，如圖6-6-3圖6-6-2直接接觸縱波一次脈沖反射法1圖6-6-2直接接觸縱波一次脈沖反射法1.探頭；2.缺陷；3.被測物體；4.示波器熒光屏;d.被測試塊的厚度；di.缺陷的深度.圖6-6-3標(biāo)準(zhǔn)被測試塊的多次反射脈沖波形圖大學(xué)物理實驗233所示。圖中t大學(xué)物理實驗233所示。

7、圖中tB為超聲波在被測試塊中傳播2d所用的時間。根據(jù)公式v = 2d/tB可計算被測試塊中超聲波的聲速。6-6-4所示，此時缺6-6-4所示，此時缺di =d vti/2求出；若缺對于缺陷的判定大致可以分為兩類：一類是吸收性缺陷（如疏松等）。聲波穿過時不引起反射，但聲能的衰減很大，使聲能在幾次反射、甚至在一次反射后就消耗殆盡；另一類是非 吸收性缺陷。若缺陷較小，在每次反射中缺陷波與底波同時存在，如圖 陷波的峰值小于底面反射脈沖波對應(yīng)的峰值，缺陷深度可由公式 陷面積接近或大于聲束橫截面面積時，底面的一次反射脈沖波就很小或者聲波只在表面與缺234實驗6 6超聲波探傷實驗234陷之間往復(fù)反射，熒光屏

8、上沒有底面反射脈沖波，而只有缺陷的多次反射脈沖波，如圖6-6-5所示，此時缺陷為大缺陷，缺陷深度可由公式di=vt2求出。如果做二維缺陷深度的測試，則可以計算出缺陷的厚度 Ad。本實驗只作非吸收性缺陷實驗，實驗時要注意區(qū)分無缺陷和 大于聲束直徑缺陷的波形（主要看各波之間的間距）。實驗中，若要使探頭有效地向工件中發(fā)射超聲波以及有效地接收到由工件返回來的超聲 波，必須使探頭和工件探測面之間有良好的聲耦合。良好的聲耦合可以通過填充耦合介質(zhì)來 實現(xiàn)（這里我們采用凡士林），以避免其間有空氣層存在， 這是因為空氣層的存在將使聲能幾 乎完全被反射?！緦嶒瀮x器】XYZ-2型超聲波綜合設(shè)計實驗儀，專用探頭一個，

9、標(biāo)準(zhǔn)金屬測試塊（八個），待測缺陷金屬塊，示波器一臺（20MHz以上）。圖6-6-6 XYZ-2型超聲波綜合設(shè)計實驗儀及其附件【實驗內(nèi)容與步驟】.打開XYZ-2型超聲波綜合設(shè)計實驗儀（參見圖6-6-6）和示波器電源，預(yù)熱兩分鐘。.連結(jié)探頭和高頻線，連接好的探頭接入打開的XYZ-2型超聲波綜合設(shè)計實驗儀面板中的收/發(fā)接口，用高頻線連接實驗儀面板中的示波器輸出端和示波器的輸入端口【CHi（X）或 CH2（Y） Y.用探頭緊密接觸標(biāo)準(zhǔn)試塊（注意：一定要涂抹耦合劑凡士林），依次測出超聲波在八個標(biāo)準(zhǔn)試塊中的聲速，用算術(shù)平均值法或逐差法求出平均聲速。八個標(biāo)準(zhǔn)試塊的厚度分別為 20、30、40、50、60、7

10、0、80 和 90mm。.用待測缺陷金屬塊進(jìn)行測量。 同樣用探頭緊密接觸待測缺陷金屬塊，使探頭從缺陷試塊的一端向中心滑動，觀察示波器上脈沖峰的變化， 判斷缺陷反射脈沖波和底面反射脈沖波。 從示波器上讀出時間ti,并根據(jù)相應(yīng)的公式計算缺陷的深度di。最后求出缺B1的厚度 Ad。（待測缺陷試塊的厚度為 40mm）235大學(xué)物理實驗235【思考題】.在測試標(biāo)準(zhǔn)試塊聲速時，我們選擇不同的時間檔位去測量相鄰反射脈沖波相應(yīng)峰之間 的時間，時間的精確度是否改變？.判斷被測試塊是否有缺陷的依據(jù)是什么？是什么缺陷？為什么？【附錄】超聲波的相關(guān)知識.超聲波是頻率高于 20KHz （千赫茲）的聲波。由于超聲波的頻率

11、超過了人耳的聽覺范 圍，因而人耳感覺不到聲音。超聲波具有聲波所有的物理性質(zhì)，但其頻率高，波長短。產(chǎn)生 超聲波的方法有多種，現(xiàn)代超聲波的產(chǎn)生主要是利用某些晶體（如石英，酒石酸鉀鈉、錯鈦 酸鉛等）的特殊物理性質(zhì)一一壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波。當(dāng)超聲波在傳播過程中遇到兩種不同介質(zhì)時，在介質(zhì)分界面將產(chǎn)生反射。超聲波在介面 反射后，剩余的超聲波將進(jìn)入第二介質(zhì)，稱為透射。如果兩種介質(zhì)中的聲速相同，透射聲束 的方向?qū)⑴c入射聲束的方向相同；但如果兩種介質(zhì)中的聲速不同，透射聲束將發(fā)生方向的轉(zhuǎn) 折，稱為折射。剩余的能量將以某一中心向空間各個方向傳播，稱散射，散射后返回探頭的 回聲信號強(qiáng)度明顯減弱。超聲波在傳播過程中的強(qiáng)度

12、將隨著所傳深度的增加而減弱，稱衰減。超聲波的衰減是由于超聲波的反射、散射和吸收而引起的。超聲波探傷是無損檢測的主要方法之一。它是利用材料本身或內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對超 聲波傳播的影響，非破壞性地探測材料內(nèi)部和表面的缺陷（如裂紋、氣泡及夾渣等）的大小、形狀和分布狀況以及測定材料性質(zhì)。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢驗速度快、成 本低、設(shè)備簡單輕便和對人體無害等一系列優(yōu)點。因此，它已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、 電力、石油、化工和國防等各工業(yè)部門，并已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保設(shè)備安全運行的一種 重要手段。.耦合劑的選擇在直接接觸法探傷中，由于聲耦合的好壞直接影響到探傷靈敏度及判傷的準(zhǔn)確性，因此 必須使探頭和工件之間具有良好的聲學(xué)接觸，這主要取決于探測表面的光潔度和耦合劑的性 能。良好的耦合劑應(yīng)具備以下特點：1）應(yīng)具有較高的聲阻抗以改善探頭與工件間的聲耦合，提高透聲性能。2）對工件無腐蝕，對人體無危害，便于清洗。3）來源廣，價格便宜。4）對自動化探傷來說，要求流動性好，便于回收循環(huán)使用。從具有高聲阻抗的觀點來看，水銀和具有懸浮狀金屬粉