超声波探伤与测厚 【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。 【实验仪器】 游标卡尺或螺旋测微器(测试块中的声速用) 【实验仪器介绍】 CTS-22A超声探伤仪的性能:CTS-22A型超声探伤仪是按有关标准设计制造的产品,其衰减器采用衰减型。仪器灵敏度高,分辨力好,功耗低,体积小,使用方便,稳定可靠的便携式超声探伤仪,可用于各种钢板焊缝及锻件探伤,尤其适用于机械、能源、交通、石化等工业部门中流动性大的野外或高架空探伤作业;同时也可作为无损检测人员资格考核鉴定用标准化仪器。 ?TT300超声波测厚仪,采用超声波测量原理,适用于能使超声波以一恒定速度在其内部传播,。此仪器可对各种板材和各种加工零件作精确测量,另一重要方面是可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测,监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。 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:??????????????????????????????????????????????????? ?????????? ??????????????????????????????????????????????????(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 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: 则 ????????????? ?????????????????????????? ???(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。 ——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, 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,为二次声程。对于壁厚为b的钢板,、为: ???? ?????????????????????? ??????????????????????????(3) ??? ?????????????????????????????????????????????????(4) 式中? ?——一次声程; ??? ???——二次声程; ????? ?b——钢板厚度; ——与斜探头的角度有关,此处视为在钢板内的折射角。 实际上, 与的数值不需要操作者计算,它可以借助一个具有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(或)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, ?? ???????????????????????????????????????????????(5) ?? ??????????????????????????????????????????? ?????????(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。6。由于l>l1t必大于t1。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。 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
超声波探伤与测厚(取证上机考核焊缝).doc
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