超声波探伤实验 一、实验目的 1.了解超声波探伤的原理及其优缺点： 2.学习使用直探头、斜探头对试件探伤： 3.学习使用超声波探伤仪。 二、超声波探伤仪的基本原理及使用方法 1.超声波探伤仪的基本原理 脉冲反射式超声波探伤仪的电路方框图如图1。它主要由同步电路、时基电 路（即扫描电路）、发射电路、接收电路、探头和示波管电路，时标电路等儿部分 组成，其工作原理简述如下。 时标电路 r 同步电路 人时基电路 发射电路 接收心路 电源电路 探头 工件 图1脉冲反射式超声波探伤仪方框图 同步电路产生周期性的同步脉冲信号，同步脉冲的作用是控制发射电路、时 基电路等步调一致地工作。当稍加延迟后的同步信号反馈至发射电路时，发射电 路立刻产生一个上升时间很短、脉冲很窄、幅度很大的电脉冲一发射脉冲。发 射脉冲加到探头上，激励探头产生脉冲超声波，超声波透过耦合剂射入工件。在 工件内传播的超声波，当其遇到工件界面或缺陷时，即产生反射。反射波经探头 接收后转变成电脉冲，电脉冲经放大器放大（检波）后送至示波管，轴进行显示。 另一方面，当同步脉冲反馈至时基电路时，时基电路立刻产生一个线性较好的锯 齿波，锯齿波加到示波管X偏转板上，则产生一个从左至右的水平扫描线，即 时基线。扫描光点的位移与时间成正比。因此从示波管荧光屏上反射波信号的位 置，即可确定超声波传播至工件底面或缺陷处的距离。荧光屏上显示的波高与探
超声波探伤实验 一、实验目的 1．了解超声波探伤的原理及其优缺点； 2．学习使用直探头、斜探头对试件探伤； 3．学习使用超声波探伤仪。 二、超声波探伤仪的基本原理及使用方法 1. 超声波探伤仪的基本原理 脉冲反射式超声波探伤仪的电路方框图如图 1。它主要由同步电路、时基电 路(即扫描电路)、发射电路、接收电路、探头和示波管电路，时标电路等几部分 组成，其工作原理简述如下。 图 1 脉冲反射式超声波探伤仪方框图 同步电路产生周期性的同步脉冲信号，同步脉冲的作用是控制发射电路、时 基电路等步调一致地工作。当稍加延迟后的同步信号反馈至发射电路时，发射电 路立刻产生一个上升时间很短、脉冲很窄、幅度很大的电脉冲——发射脉冲。发 射脉冲加到探头上，激励探头产生脉冲超声波，超声波透过耦合剂射入工件。在 工件内传播的超声波，当其遇到工件界面或缺陷时，即产生反射。反射波经探头 接收后转变成电脉冲，电脉冲经放大器放大(检波)后送至示波管 r 轴进行显示。 另一方面，当同步脉冲反馈至时基电路时，时基电路立刻产生一个线性较好的锯 齿波，锯齿波加到示波管 X 偏转板上，则产生一个从左至右的水平扫描线，即 时基线。扫描光点的位移与时间成正比。因此从示波管荧光屏上反射波信号的位 置，即可确定超声波传播至工件底面或缺陷处的距离。荧光屏上显示的波高与探
头接收到的超声波声压成正比，故可根据反射波波高对缺陷定量。 2.超声波探伤仪使用方法 (1)探伤准备 1)试件表面的处理 被探伤的表面不允许有锈蚀、斑点、氧化层、油漆和焊接溅射物等污物存在， 表面光洁度通常要求在76以上，表面光滑，探伤再现性好，准确度也高：表面 粗糙则易磨损探头，且探伤不稳定，还会使始波后沿的杂乱反射增多。在实际探 伤中，若表面光洁度确实无法达到要求时，应进行转换损失测量并予以补偿。 2)耦合剂 空气是高频超声波的不良介质，因此探头与工件之间不允许有空气层存在。 在探伤中，应保证探头与工件有良好的耦合，使超声波能量得以顺利通过。一般 的耦合剂是机油、柴油、变压器油等，有时也有用水、甘油和浆糊 (2)选择工作频率 工作频率的选择是由被测材料的性质和探伤要求决定的。对铸铁、未锻件等 可选用较低频率，如1.25MHz:对品粒度细的材料，如锻钢、拉拔铝制件等则用 2.5MHz、5MH甚至1OMHz。工作频率高，则探伤灵敏度高，方向性好，分辨 能力强和始波宽度小等，有利于发现和评定缺陷：但频率高，不易穿透晶粒度较 粗的工件。而工作频率低，则分辩力也较低，但穿透力强，有利于克服材料的衰 减。也就是说，工作频率的选择应视具体的探伤对象而定，一般常用的工作频率 为2.5MHz和5Hz。 (3)正确使用探头 探伤时，除根据确定的探伤方法选择探头的结构形式、晶片尺寸和标称工作 频率等之外，还应对探头和一起配合使用时的回波频率进行实际测试，并以此实 测结果作为判伤和测量自然缺陷长度的重要依据。 (4)衰减器的应用 衰减器的主要用途是测量回波相对幅度的大小及步级调节仪器的探伤灵敏 度。 由于衰减器能用分贝值表示回波的相对波高，因此，利用衰减器就可确定缺 陷的当量大小，测量材质的衰减系数和测试仪器的基本探伤性能。 (5)探伤灵敬度的校准 探伤之前应根据探伤工艺规定需发现的缺陷之大小及深度等，调整仪器的 “衰减器”、“增益”、“工作方式选择”、及“发射强度”等旋钮，这项工作通常 在人工缺陷试块或标准平底试块上进行校核。 (6)显示深度的校准和“脉冲移位”的应用
头接收到的超声波声压成正比，故可根据反射波波高对缺陷定量。 2. 超声波探伤仪使用方法 （1） 探伤准备 1）试件表面的处理 被探伤的表面不允许有锈蚀、斑点、氧化层、油漆和焊接溅射物等污物存在， 表面光洁度通常要求在▽6 以上，表面光滑，探伤再现性好，准确度也高；表面 粗糙则易磨损探头，且探伤不稳定，还会使始波后沿的杂乱反射增多。在实际探 伤中，若表面光洁度确实无法达到要求时，应进行转换损失测量并予以补偿。 2）耦合剂 空气是高频超声波的不良介质，因此探头与工件之间不允许有空气层存在。 在探伤中，应保证探头与工件有良好的耦合，使超声波能量得以顺利通过。一般 的耦合剂是机油、柴油、变压器油等，有时也有用水、甘油和浆糊。 （2）选择工作频率 工作频率的选择是由被测材料的性质和探伤要求决定的。对铸铁、未锻件等 可选用较低频率，如 1.25MHz；对晶粒度细的材料，如锻钢、拉拔铝制件等则用 2.5MHz、5MHz 甚至 10MHz。工作频率高，则探伤灵敏度高，方向性好，分辨 能力强和始波宽度小等，有利于发现和评定缺陷；但频率高，不易穿透晶粒度较 粗的工件。而工作频率低，则分辩力也较低，但穿透力强，有利于克服材料的衰 减。也就是说，工作频率的选择应视具体的探伤对象而定，一般常用的工作频率 为 2.5MHz 和 5Hz。 （3）正确使用探头 探伤时，除根据确定的探伤方法选择探头的结构形式、晶片尺寸和标称工作 频率等之外，还应对探头和一起配合使用时的回波频率进行实际测试，并以此实 测结果作为判伤和测量自然缺陷长度的重要依据。 （4）衰减器的应用 衰减器的主要用途是测量回波相对幅度的大小及步级调节仪器的探伤灵敏 度。 由于衰减器能用分贝值表示回波的相对波高，因此，利用衰减器就可确定缺 陷的当量大小，测量材质的衰减系数和测试仪器的基本探伤性能。 （5）探伤灵敏度的校准 探伤之前应根据探伤工艺规定需发现的缺陷之大小及深度等，调整仪器的 “衰减器”、“增益”、“工作方式选择”、及“发射强度”等旋钮，这项工作通常 在人工缺陷试块或标准平底试块上进行校核。 （6）显示深度的校准和“脉冲移位”的应用
1)显示深度的校准 探伤之前，为方便探伤缺陷定位，必须进行显示深度的校准，校准的方法， 一般是根据被测工件的大小、形态、缺陷距离和所使用的探头种类等，先选好“深 度范围”档级，然后反复调节“深度微调”和“脉冲移位”旋钮，使选定的回波 处于基线适当的位置上。 对于本次实验使用的CTS-22型仪器，采用参考块多次底波与显示深度成比 例的校准方法较之用始波前沿对准水平刻度“0”，而将第一次底波对准某一水平 刻度的办法为好。这是因为始波前沿是一“电”信号，它比探头“声”讯号超前 一段时间，即始波前沿到第一次底波前沿和第一次底波前沿到第二次底波前沿， 两者在时间上是不相等的，应予注意。事实上，正确校准显示深度后，即使在直 探头的情况下，始波前沿也应处于水平刻度“0”的左方，这点在深度较小时尤 其明显。 2)“脉冲移位”的使用 “脉冲移位”包括“水平移位”和“扫描延迟”的两种功能，并且有调节平 稳和范围较大的特点，因之除便于进行深度校准之处，若与“深度范围”配合， 还有将脉冲波形“放大”以利观测的特殊用途，这在对回波形状和相位进行分析 时是十分方便的 7、斜探头的使用 斜探头探伤是常用的探伤方法，他能够发现某些直探头难以发现的缺陷如裂 纹等，故常用于对焊缝、曲轴、弧形工件等的探伤。 斜探头是将声波以一定角度入射工件，并在其中以横波声速传播，如图2。 斜探头的入射角和折射角的关系按式(1)计算 Barcsinsind) (10 式中：B—折射角，度： 一入射角，度： V1一斜探头中有机玻璃斜块的纵波声速（约2700m/s),m/s: V2一工件材料的横波声速（钢中横波声速取为3230ms),m/s 第一介质有机玻璃 第二介质钢试件
1）显示深度的校准 探伤之前，为方便探伤缺陷定位，必须进行显示深度的校准，校准的方法， 一般是根据被测工件的大小、形态、缺陷距离和所使用的探头种类等，先选好“深 度范围”档级，然后反复调节“深度微调”和“脉冲移位”旋钮，使选定的回波 处于基线适当的位置上。 对于本次实验使用的 CTS-22 型仪器，采用参考块多次底波与显示深度成比 例的校准方法较之用始波前沿对准水平刻度“0”，而将第一次底波对准某一水平 刻度的办法为好。这是因为始波前沿是一“电”信号，它比探头“声”讯号超前 一段时间，即始波前沿到第一次底波前沿和第一次底波前沿到第二次底波前沿， 两者在时间上是不相等的，应予注意。事实上，正确校准显示深度后，即使在直 探头的情况下，始波前沿也应处于水平刻度“0”的左方，这点在深度较小时尤 其明显。 2）“脉冲移位”的使用 “脉冲移位”包括“水平移位”和“扫描延迟”的两种功能，并且有调节平 稳和范围较大的特点，因之除便于进行深度校准之处，若与“深度范围”配合， 还有将脉冲波形“放大”以利观测的特殊用途，这在对回波形状和相位进行分析 时是十分方便的。 7、斜探头的使用 斜探头探伤是常用的探伤方法，他能够发现某些直探头难以发现的缺陷如裂 纹等，故常用于对焊缝、曲轴、弧形工件等的探伤。 斜探头是将声波以一定角度入射工件，并在其中以横波声速传播，如图 2。 斜探头的入射角和折射角的关系按式（1）计算： arcsin( sin ) 1 2 β α v v = （1） 式中：β——折射角，度； α——入射角，度； V1——斜探头中有机玻璃斜块的纵波声速（约 2700m/s），m/s； V2——工件材料的横波声速（钢中横波声速取为 3230m/s），m/s
图2横波传播 为方便在实际探伤中进行定位，采用其钢中折射角的正切值K表示。K值 与折射角B的对应值如表1。 表1K值与折射角B的对应值 K 0.81.0152.02.53.0 a31293614444482350°545228 B383945056°196326680127134 根据三角函数关系，缺陷到探测面的垂直距离Y和缺陷到探头入射点的水平 距离X可分别由式(3)、(4)计算： Y=- √K2+1 X=K灯=K+ KS (4) 式中：S一缺陷至探头入射点的声程，mm。 缺陷的定位：利用K值斜探头探伤，可以很方便地定位出缺陷的声程S、缺 陷据探测面的垂直距离Y和缺陷到探头入射点的水平距离X,这只要将显示深 度按要求的比例预先校准即可。 用不同的比例校准显示深度，可从水平刻度上直接读出各种缺陷到探测面的 垂直距离Y。同样，使显示深度与水平距离X或声程S成比例，也可直接读出 相应的数值来。 通常，采用K值斜探头时，为方面缺陷定位，在中厚板焊缝探伤中多采用Y 值与显示深度成比例的校准方法，而在薄板探伤中多采用X值与显示深度成比 例的方法。 三、实验装置 如图4所示，使用CTS-22型超声波探伤仪 四、实验内容及步骤 (1)显示深度校准 1)检查电源CTS-22型仪器适用10.5~14.5V的各种直流电源，工作电流
图 2 横波传播 为方便在实际探伤中进行定位，采用其钢中折射角的正切值 K 表示。K 值 与折射角β的对应值如表 1。 表 1 K 值与折射角β的对应值 根据三角函数关系，缺陷到探测面的垂直距离 Y 和缺陷到探头入射点的水平 距离 X 可分别由式（3）、（4）计算： 1 2 + = K S Y (3) 1 2 + = = K KS X KY (4) 式中：S——缺陷至探头入射点的声程，mm。 缺陷的定位：利用 K 值斜探头探伤，可以很方便地定位出缺陷的声程 S、缺 陷据探测面的垂直距离 Y 和缺陷到探头入射点的水平距离 X，这只要将显示深 度按要求的比例预先校准即可。 用不同的比例校准显示深度，可从水平刻度上直接读出各种缺陷到探测面的 垂直距离 Y。同样，使显示深度与水平距离 X 或声程 S 成比例，也可直接读出 相应的数值来。 通常，采用 K 值斜探头时，为方面缺陷定位，在中厚板焊缝探伤中多采用 Y 值与显示深度成比例的校准方法，而在薄板探伤中多采用 X 值与显示深度成比 例的方法。 三、实验装置 如图 4 所示，使用 CTS-22 型超声波探伤仪 四、实验内容及步骤 （1）显示深度校准 1）检查电源 CTS-22 型仪器适用 10.5～14.5V 的各种直流电源，工作电流
约0.6A:也可通过充电器用220V交流电源工作，交流电流约80mA,本次实验 采用后种。 2)接通电源开启面板上的电源开关，可听到仪器内部发出频率约2Kz的 微弱音响，表示仪器的直流变换器工作正常，这时面板右下方电压指示器的表针 应稳定地指示在红区，约一分钟后，荧光屏即会出现扫描基线。如电压指示器的 表针指示在黑区，则表示电压过低，应予检查。 3)聚焦调节面板上的“聚焦”旋钮，使波形聚焦最清晰为止。 4)“工作方式选择”对于试验中所使用SHN-D系列探头对一般工件进行探 伤时使用“单”的工作状态，此时插座“收”“发”连通，为固定的中等发射强 度档，此时仪器具有较高的探伤灵敏度和分辩力。 5)用2.5P13×13K1.5一D斜探头和CSK一1A标准试块进行显示深度校准 首先要计算： R50弧面上声波反射点到探测面的垂直距离YI: 50 ““527m R1O0弧面上声波反射点到探测面的垂直距离Y2: S. Y2= 100_=55.5(mm） √K2+11.52+ CSK-1 a 4 (e) 图3深度校准 然后，在试块上涂上一定量的耦合剂，将探头置于CSK一1A试块上，深度
约 0.6A；也可通过充电器用 220V 交流电源工作，交流电流约 80mA，本次实验 采用后种。 2）接通电源 开启面板上的电源开关，可听到仪器内部发出频率约 2KHz 的 微弱音响，表示仪器的直流变换器工作正常，这时面板右下方电压指示器的表针 应稳定地指示在红区，约一分钟后，荧光屏即会出现扫描基线。如电压指示器的 表针指示在黑区，则表示电压过低，应予检查。 3）聚焦 调节面板上的“聚焦”旋钮，使波形聚焦最清晰为止。 4）“工作方式选择”对于试验中所使用 SHN-D 系列探头对一般工件进行探 伤时使用“单”的工作状态，此时插座“收”“发”连通，为固定的中等发射强 度档，此时仪器具有较高的探伤灵敏度和分辩力。 5）用 2.5P13 ×13K1.5—D 斜探头和 CSK—1A 标准试块进行显示深度校准 首先要计算： R50 弧面上声波反射点到探测面的垂直距离 Y1： 27.7( ) 1.5 1 50 1 2 2 1 1 mm K S Y = + = + = R100 弧面上声波反射点到探测面的垂直距离 Y2： 55.5( ) 1.5 1 100 1 2 2 2 2 mm K S Y = + = + = 图 3 深度校准 然后，在试块上涂上一定量的耦合剂，将探头置于 CSK—1A 试块上，深度
范围置于1000mm档，调节衰减器及增益使回波按分贝进行衰减，如图3(a) 如R50弧面的回波最高然后调节“显示深度”和“脉冲移位”，使回波Y1在水 平刻度2.77，Y2在5.55处，则深度按1：1校准，如图3b)。若探伤中，图中的 缺陷回波在水平刻度6.0处，如图3（©），则可直接读得缺陷到探测面的垂直距离 Y=60mm。 此时，根据X=KY,还可方便的算出缺陷到探头入射点的水平距离X=90mm (2)工件探伤 深度校准后，在待测工件表面涂上耦合剂，往复移动探头，对于焊缝的探伤 斜探头进行锯齿型往复移动，观察回波最高时，读出回波前沿水平刻度的读数 及缺陷到探测面的垂直距离。（注意：校准后不可再动“深度微调”“脉冲移位” 旋钮)
范围置于 1000mm 档，调节衰减器及增益使回波按分贝进行衰减，如图 3（a）, 如 R50 弧面的回波最高然后调节“显示深度”和“脉冲移位”，使回波 Y1 在水 平刻度 2.77,Y2 在 5.55 处，则深度按 1：1 校准，如图 3(b)。若探伤中，图中的 缺陷回波在水平刻度 6.0 处，如图 3(c),则可直接读得缺陷到探测面的垂直距离 Y=60mm。 此时，根据 X=KY，还可方便的算出缺陷到探头入射点的水平距离 X=90mm （2）工件探伤 深度校准后，在待测工件表面涂上耦合剂，往复移动探头，对于焊缝的探伤， 斜探头进行锯齿型往复移动，观察回波最高时，读出回波前沿水平刻度的读数， 及缺陷到探测面的垂直距离。（注意：校准后不可再动“深度微调”“脉冲移位” 旋钮）
著 15-22 翠萄 充度电用
图 4
