《超声波探伤实验指导》校本教材.docx
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《超声波探伤实验指导》校本教材
《超声波探伤》实验指导书
实验一 超声波探伤仪的使用和性能测试
一、实验目的
1、了解A型超声波探伤仪的简单工作原理。
2、掌握A型超声波探伤仪的使用方法。
3、掌握水平线性、垂直线性和动态范围等主要性能的测试方法。
4、掌握盲区、分辨力和灵敏度余量等综合性能的测试方法。
二、超声波探伤仪的工作原理
目前在实际探伤中，广泛应用的是A型脉冲反射式超声波探伤仪。
这种仪器荧光屏横坐标表示超声波在工件中传播时间（或传播距离），纵坐标表示反射回波波高。
根据荧光屏上缺陷波的位置和高度可以判定缺陷的位置和大小。
A型脉冲超声波探伤仪的型号规格较多，线路各异，但它们的基本电路大体相同。
下面以CTS-22型探伤仪为例说明A型脉冲超声波探伤仪的基本电路。
CTS-22型超声探伤仪主要由同步电路、发射电路、接收放大电路、时基电路（又称扫描电路）、显示电路和电源电路组成，如图1.1所示。
各电路的主要功能如下：
（1）同步电路：
产生一系列同步脉冲信号，用以控制整台仪器各电路按统一步调进行工作
（2）发射电路：
在同步脉冲信号触发下，产生高频电脉冲，用以激励探头发射超声波。
（3）接收放大电路：
将探头接收到的信号放大检波后加于示波管垂直偏转板上。
（4）时基电路：
在同步脉冲信号触发下，产生锯齿波加于示波管水平偏转板上形成时基线。
（5）显示电路：
显示时基线与探伤波形。
（6）电源电路：
供给仪器各部分所需要的电压。
在实际探伤过程中，各电路按统一步调协调工作。
当电路接通以后，同步电路产生同步脉冲信号，同时触发发射电路和时基电路。
发射电路被触发以后产生高频电脉冲作用于探头，通过探头中压电晶片的逆压电效应将电信号转换为声信号发射超声波。
超声波在传播过程中遇到异质界面（缺陷或底面）反射回来被探头接收，通过探头的正压电效压将声信号转换为电信号送至放大电路被放大检波，然后加到示波管垂直偏转板上，形成重迭的缺陷波F和底波B。
时基电路被触发以后产生锯齿波，加到示波管水平偏转板上，形成一条时基扫描亮线，并将缺陷波F和底波B按时间展开，从而获得波形。
三、仪器的主要性能
仪器性能仅与仪器有关。
仪器主要性能有水平线性、垂直线性和动态范围。
1、水平线性
仪器荧光屏上时基线水平刻度值与实际声程成正比的程度，称为仪器的水平线性或时基线性。
水平线性主要取决于扫描锯齿波的线性。
仪器水平线性的好坏直接影响测距精度，进而影响缺陷定位。
2、垂直线性
仪器荧光屏上的波高与输入信号幅度成正比的程度称为垂直线性或放大线性。
垂直线性主要取决于放大器的性能。
垂直线性的好坏影响应用面板曲线对缺陷定量的精度。
3、动态范围
仪器的动态范围是指反射信号从垂直极限衰减到消失时所需的衰减量，也就是仪器荧光屏容纳信号的能力。
四、仪器与探头的主要综合性能
仪器与探头的综合性能不仅与仪器有关，而且与探头有关。
主爱综合性能有盲区、分辨力、灵敏度余量等。
1、盲区
从探测面到能发现缺陷的最小距离，称为盲区。
盲区内缺陷一概不能发现。
盲区与放大器的阻塞时间和始脉冲宽度有关，阻塞时间长，始脉冲宽，盲区大。
2、分辨力
在荧光屏上区分距离不同的相邻两缺陷的能力称为分辫力。
能区分的两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。
分辨力与脉冲宽度有关，脉冲宽度小，分辨力高。
3、灵敏度余量
灵敏度余量是指仪器与探头组合后，在一定的探测范围内发现微小缺陷的能力。
具体指从一个规定测距孔径的人工试块上获得规定波高时仪器所保留的dB数高，说明灵敏度余量高。
五、实验用品
1、仪器CTS-22、CTS-26等。
2、探头：
2.5P20Z或2.5P14z。
3、试块：
IIW、CSK—IA、200/φ1平底孔试块等。
4、耦合剂：
机油。
5、其他：
压块、坐标纸等。
六、实验内容与步骤
1、水平线性的测试
（1）调有关旋钮使时基线清晰明亮，并与水平刻度线重合。
（2）将探头通过耦合剂置于CSK—IA或IIW试块上，如图1.2A处。
（3）调[微调]、[水平]或[脉冲移位]等旋钮，使荧光屏上出现五次底波B1～B5，且使B1、B5前沿分别对准水平刻度值2.0和10.0，如图1.3。
（4）观察记录B2、B3、B4与水平刻度值4.0、6.0、8.0的偏差值
。
（5）计算水平线性误差：
（1.1）
式中
——
中最大者；
b——荧光屏水平满刻度值。
ZBY230—84标准规定仪器的水平线性误差≤2%。
2、垂直线性的测试
（1）[抑制]至“0”，[衰减器]保留30dB衰减余量。
（2）探头通过耦合剂置于CSK—IA或IIW试块上，如图1.2B处，并用压块恒定压力。
（3）调（增益]使底波达荧光屏满幅度100%，但不饱和，作为0dB。
（4）固定[增益]，调[衰减器]，每次衰减2dB，并记下相应回波高度Hi填入表1.1中，直至消失。
表1.1
衰减量ΔidB
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
回波
高度
实测
绝对波高Hi
相对波高%
理想相对波高%
偏差%
表中：
（1.2）
（1.3）
（5）计算垂直线性误差：
（1.4）
式中
——实测值与理想值的最大正偏差；
——实测值与理想值的最大负偏差；
ZBY230—84标准规定仪器的垂直线性误差≤8%。
3、动态范围的测试
（1）[抑制]至“O”，[衰减器]保留30dB。
（2）探头置于图1.2A处，调[增益]使底波B。
达满幅度100%。
（3）固定[增益]，记录这时衰减余量N1，调[衰减器]使底波B1降至1mm，记录这时的衰减余量N2。
（4）计算动态范围：
△=N2一N1 （dB）
ZBY230—84标准规定仪器的动态范围≥26dB。
4、盲区的测试
盲区的精确测定是在盲区试块上进行的，由于盲区试块加工困难．因此通常利用CSK～IA或IIW试块来估计盲区的范围。
（1）[抑制]至“O”，其他旋钮位置适当。
（2）将直探头置于图1.4所示的I、Ⅱ处。
（3）调[增益]、[水平]等旋钮，观察始波后有无独立的回波。
（4）盲区范围估计：
探头置位I处有独立回波，盲区小于5mm。
探头置于I处无独立回波，于I处有独立回波，盲区在5～10mm之间。
探头置于I处无独立回波，盲区大于10mm。
一般规定盲区不大于7mm。
5、分辨力的测定（直探头）
（1）[抑制]至“0”，其他旋钮位置适当。
（2）探头置于图1．4所示的CSK—IA或IIW块块上m处，前后左右移动探头，使荧光屏上出现声程为85、9l、100的三个反射波A、B、C。
（3）当A、B、C不能分开时，如图1.5（a），则分辨力F1为：
（1.5）
（4）当A、B、C能分开时，如图1.5（b）则分辨力F2为：
（1.6）
一般规定分辨力不大于6mm。
6、灵敏度余量的测试
（1）[抑制]至“O”，[增益]最大，[发射强度]至强。
（2）连接探头，调节[衰减器]使仪器噪声电平为满幅度的10％，记录这时[衰减器]的读数N1。
（3）探头置于图1.6所示的灵敏度余量试块上（200／φ1平底孔试块），调[衰减器]使φl平底孔回波达满幅度的80％。
这时[衰减器]读数为N2。
（4）计算：
灵敏度余量△N=N2—N1。
七、实验报告要求
1、写出实验名称、目的和用品。
2、简要说明仪器性能、仪器与探头综合性能的测试方法及测试结果。
实验二 纵波实用AVG曲线的测试与锻件探伤
一、实验目的
1、掌握纵波探伤时扫描速度的调整方法。
2、掌握纵波探伤时灵敏度的调整方法。
3、掌握纵波探伤时缺陷定位、定量的方法。
4、掌握纵波平底孔AVG曲线的测绘方法。
验证理论回波声压公式。
二、原理
1、纵波发射声场与规则反射体的回波声压
超声振动所波及的部分介质称为超声场，超声场分为近场区和远场区。
近场区波源轴线上声压起伏变化，存在极大极小值，纵波声场的近场区长度N=DS／4λ。
至波源的距离大于近场区长度的区域称为远场区。
远场区内波源轴线上声压随距离χ增加单调减少，当χ≥3N时，声压与距离成反比，符合球面规律：
式中
——波源起始声压；
——波源面积．
在实际探伤中，广泛采用单探头反射法探伤，波高与声压成正比。
平底孔、大平底回波声压：
平底孔：
（2.1）
大平底：
（2.2）
式中
－平底孔面积，
。
由（2.1）式得不同直径、不同距离的平底孔分贝差：
（2.3）
由（2.2）式得不同距离大平底回波分贝差为：
（2.4）
由（2.1）、（2.2）可得，不同距离处大平底与平底孔回波分贝差为：
（2.5）
2、距离－波幅－当量曲线（AVG曲线）
在超声波探伤中，自然缺陷的形状、性质和方向各不相同，回波相同的缺陷实际上往往相差很大，为此特引进“当量尺寸”来衡量缺陷的大小。
在相同探测条件下，当自然缺陷与某形状规则的人工缺陷回波等高时，则该人工缺陷的尺寸就为此自然缺陷的当量尺寸。
描述规则反射体的距离、波幅、当量大小之间的关系曲线称为距离－波幅－当量曲线，德文为AVC；曲线，英文为DGS曲线。
AVG曲线常见形式是横坐标表示反射体至波源的距离，纵坐标表示反射体回波相对于基准波高的分贝差。
每一条曲线对应于一种当量尺寸的规则反射体的回波高随距离而变化的规律。
纵波平底孔AVG曲线如图2.1，图中χ≥3N范围内的曲线可以通过实测CS－2试块得到，也可以通过理论计算公式（2.3）、（2.4）、（2.5）得到。
但χ＜3N区域的曲线只能通过实测CS－2试块得到。
利用AVG曲线可以对缺陷定量和调节探伤灵敏度。
3、扫描速度与探伤灵敏度
（1）扫描速度：
仪器荧光屏上的水平刻度值dB与实际声程之间的比例关系称为扫描速度。
例如扫描速度1:
2，表示荧光屏上水平刻度值1代表实际声程2mm。
探伤前调整扫描速度是为了在规定的范围内发现缺陷并对缺陷定位。
调整扫描速度，是以两次不同声程的反射波分别对准相应的水平刻度值来实现的。
（2）探伤灵敏度：
灵敏度是指发现最小缺陷的能力，探伤灵敏度是通过调节仪器的灵敏度旋钮来调节仪器输出功率，使探伤系统在规定的距离范围内正好能发现规定大小的缺陷。
探伤前调节探伤灵敏度是为了发现规定大小的缺陷，并对缺陷定量。
探伤灵敏度可以利用工件底波或试块来调节。
4、缺陷定位和定量
（1）定位：
工件中缺陷的位置可以根据荧光屏上缺陷波前沿所对的刻度值和扫描速度来确定。
设扫描速度为1:
n，缺陷波所对读数为
，则缺陷至探头距离为：
（2.6）
例如扫描速度为l:
2，缺陷波水平刻度值
=25，则工件中缺陷至探头的距离
=2×25=50（mm）。
（2）定量：
超声波探伤中，对缺陷定量的常用方法有当量法和测长法。
当量法包括当量试块比较法、当量计算法、当量AVG曲线法等。
当量法适用于尺寸小于波束截面的较小缺陷定量。
测长法包括半波高度法、端点半波高度法等。
测长法适用于大于波束截面的缺陷定量。
在锻件纵波探伤中，常用当量计算法对缺陷定量。
先测定缺陷的距离
和缺陷相对波高的dB数，然后代入公式（2.3）、（2.4）来计算缺陷的当量尺寸。
三、实验用品
1、仪器：
CTS-22、CTS-26等。
2、探头：
2.5P20Z或2.5P14Z。
3、试块：
CSK-IA，IIW，CS-2等。
4、耦合剂；机油。
四、实验内容与步骤
1、距离－波幅－当量曲线的测绘
（1）调有关旋钮使时基线清晰明亮并与水平刻度线重合。
（2）调整扫描速度：
CS-2试块的最大声程为525mm，故仪器按1:
6调整扫描速度。
探头置于CSK—IA或IIW试块上，对准100mm平底面，调[深度]、[脉冲移位]、[增益]等旋钮，使荧光屏上出现6次底波，并使B3、B6分别对准水平刻度5.O和10.0，这时仪器1:
6的扫描速度就调好了。
（3）调灵敏度（起始灵敏度）
①[衰减器]位置的确定：
一般以使最低反射波达规定高时衰减量尽可能小为原则。
这里统一以500/φ2为0dB作为超始灵敏度。
500mm处其他平底孔回波高由
等确定。
500mm处大平底回波高由
确定，具体参见表2.1。
②调节方法：
探头对准声程最大的CS-2试块中心，找到规则反射体最高反射波。
衰减表2.1中对应的dB数，调[增益]使规则反射体最高回波达基准（50%）高。
然后使[衰减器]增益△dB，这对起始灵敏度调好，即500mm处φ2平底回波正好达60%高。
表2.1
规则反射体尺寸
与
平底孔分贝差
0
7
12
19
24
45
（4）测试：
固定[增益]、探头置于不同厚度的试块上，前后、左右移动探头，找到规则反射体的最高回波，调[衰减器）使各回波达60%高，记录相应dB值填入表2.2。
对于3N以外的点也可用理论计算公式（2.3）、（2.4）、（2.5）推算得到，但3N以内必须实测。
（5）绘制曲线；以距离χ为横坐标，相对波高（dB）为纵坐标，在坐标纸上根据表2.2中列出的数据绘制平底孔AVG曲线。
图中应注明探测条件：
探头的频率和直径。
2、锻件纵波探伤
任选1～2件厚度χ≥3N的CS-2试块作为锻件。
要求探伤灵敏度为φ2。
（1）调扫描速度t据所选锻件的最大探测距离调整扫描速度。
（2）调探伤灵敏度；
①计算：
由理论公式（2.5）确定最大声程处大平底与φ2平底孔的分贝差△为：
（2.7）
表2.2
距离X
平底孔回高dB
大平底波高dB
分贝差△也可从表2.2所列数据查到。
②调节：
探头对准锻件大平底，[衰减器]衰减△dB，调[增益]使底波B1达基准（60%）高，然后用（衰减器）增益△dB。
至此，φ2探伤灵敏度调好。
（3）扫查探测：
固定（增益），探头在探测面上扫查探测。
发现缺陷后，前后左右移动探头找到最高回波，并用[衰减器]调至基准高，记录缺陷波前沿正对的水平刻度值
和缺路波达基准高（60%）时[衰减器]对应的dB值。
（4）缺陷定位：
设扫描速度为d:
n，则缺陷至探测面的距离：
（mm）
（5）缺陷定量：
根据缺陷的距离
和缺陷波与最大声程处φ2平底孔的分贝差△（即[衰减器]所对dB值）利用公式（1.3）计算确定其当量尺寸：
（2.8）
也可根据AVG曲线来确定缺陷的当量尺寸。
五、实验报告要
1、写出实验名称、目的和用品。
2、说明AVG曲线的测试方法，记录测试数据，绘制曲线。
3、说明锻件探伤步骤，确定缺陷的位置和当量大小（当量计算法），注明所探锻件（CS-2试块）的序号。
实验三 钢板探伤
一、实验目的
1、掌握钢板接触探伤的方法。
2、掌握钢板板水浸探伤的方法。
二、原理
钢板是经轧制而成的，钢板中的大部分缺陷与板面平行。
因此一般采用垂直于板面的纵波探伤法。
根据耦合方式不同，分为接触法和水浸法。
接触法常用于单件小面积钢板探伤和某些厚度很大的钢板探伤。
水浸法常用于批量大面积钢板探伤。
钢板探伤时，一般用2.5～5MHz，φ10～φ30mm的探头探伤，采用全面或列线扫查。
探伤钢板调节灵敏度的方法有两种：
一种是利用φ5平底孔试块来调，这时一般不测缺陷的当量，只测缺陷的面积。
另一种是利用钢板多次底波来调，这时可根据缺陷波和底波次数及高度来评价钢板质量。
用接触法探伤厚度较小的钢板时，要注意叠加效应的影响。
若在探伤过程中出现叠加效应，应根据F1来评价缺陷，只有当T＜20mm时，才以F2来评价缺陷。
在水浸探伤钢板中，要注意调整水层厚度。
实行多次底波重合法探伤，水层厚度H与钢板厚度的关系为；
（3.1）
式中 n——重合次数。
一般采用四次重合法，即钢板第四次底波B4与第二次界面回波S2重合。
这时，n=4，H=T。
四次重合法的优点在于可以避免近场区探伤，另外，还可以根据底波高度和次数变化来判定钢板中的缺陷情况。
在钢板探伤中，以下几种情况记录缺陷面积。
（1）无底波，只有缺陷波的多次反射。
（2）缺陷波与底波同时存在。
（3）无底波，只有多个紊乱的缺陷波。
（4）既无缺陷波，又无底波。
三、实验用品
1、仪器：
CTS-26或CTS-22型探伤仪。
2、探头：
2.5P20Z、2.5P20SJ。
3、试块：
l00×l00×46和100×100×22φ5平底孔试块各一块。
4、耦合剂：
机油、水。
5、其他：
T=20mm和50mm的钢板试样各一块，并且都带有人工缺陷或自然缺陷。
还有水槽和探头位置调节机构等。
四、实验内容与步骤
1、钢板接触法探伤
用2.5P20Z探头探伤T=50mm的钢板试样。
（1）清除钢板表面的氧化皮、锈蚀和油污。
（2）调节仪器，使时基扫描线清晰明亮，并与水平刻度线重合。
（3）调扫描速度：
探头对准T=50mm的钢板，调整[微调]和[脉冲移位]使底波B1、B2分别对准50和100，这时扫描速度为1:
1。
（4）调灵敏度：
探头对准100×100×46试块上φ5平底孔，调节[增益]使φ5平底孔的第一次回波达满幅度的60％即可。
（5）扫查探测：
探头置于钢板上作100%的全面扫查，探头移动间距小于晶片尺寸，移动速度不大于O.15m/s。
（6）缺陷测定：
扫查过程中发现缺陷后，先用半波高度法（或6dB法）测定缺陷的面积范围。
缺陷波高下降一半（相对φ5回波）时探头中心的轨迹线作为缺陷的轮廓线。
这种轮廓线一般不规则，可用方格法确定缺陷面积。
然后再根据扫描速度和缺陷波所对的刻度值确定缺陷的深度。
对于较小的缺陷也可测定缺陷的当量。
（7）记录：
在钢板上或记录纸上标出缺陷的位置、深度和面积。
（8）评级：
根据钢板验收标准评定级别。
2、钢板水浸探伤法
用2.5P20SJ探头探伤T=20mm的钢板试样。
（1）清理钢板表面的氧化皮。
（2）调节仪器，使时基扫描线清晰明亮、与水平刻度线重合。
（3）调扫描速度：
考虑用四次重合法探伤，可按1:
2调节扫描速度。
探头对准T=20mm钢板底面，调节[微调]与[脉冲移位]使底波B5、B10。
分别对准50和100。
（4）调灵敏度：
将探头放入水中并对准水中100×100×22试块中的φ5平底孔，调节水层，厚度H，使第一次界面回波S1对准水平刻度40，然后调[增益]使φ5第一次回波达60％即可。
或按接触法调好灵敏度，再提高10dB也可。
（5）调水层厚度：
将T=20mm钢板置于水槽中，探头轴线垂直板面，调节水层厚度H，使钢板底波B4前沿与界面回波S2前沿重合，如图3.1。
（6）扫查探测：
探头沿垂直于钢板压延方向间距为100mm的平行列线移动扫查。
（7）缺陷测定：
扫查过程中发现缺陷后，用接触法测定缺陷的位置和面积。
（8）记录：
在钢板上或记录纸上记录缺陷的位置和面积。
（9）评级：
根据钢板标准评价钢板的级别。
五、实验报告要求
1、写出实验名称、目的和用品。
2、写出实验测试步骤和结果。
实验四 表面声能损失测定
一、实验目的
1、掌握直探头探伤时表面声能损失差的测定方法。
2、掌握斜探头探伤时表面粗糙度不同造成的声能损失差的测定方法。
二、原理概述
在实际探伤中，当调节探伤灵敏度用的试块与工件表面光洁度不同时，往往由于工件表面耦合损失大而使探伤灵敏度下降。
为了弥补耦合损失差，必须增大仪器的输出来进行补偿。
要想恰到好处地进行补偿，首先应测定二者的耦合损失差。
纵波直探头探伤时，一般用一次波探伤，因此只要测定工件与试块探测面的耦合损失就行了。
横波斜探头探伤时，常常采用一、二次波探伤，因此在测定二者探测面耦合损失差的同时，还要测二者底面反射损失差。
三、实验用品
1、仪器：
CTS—22型探伤仪。
2、探头：
2.5P20Z探头一只，2.5P12×12K2探头两只。
3、试块：
（1）如图4.2所示的对比试块和待测试块各一块。
二者材质和底面光洁度相同，探测面光洁度不同。
（2）如图4.3（b）所示的试块一块。
试块材质、厚度、A面粗糙度同焊缝试板，试块B面粗糙度同CSK—ⅢA或CSK—ⅡA试块。
4、耦合剂：
机油、浆糊或甘油。
四、实验内容与步骤
1、直探头探伤时表面耦合损失的测定
①将2.5P20Z探头置于图4.2（a）所示的对比试块上，预衰减N1=20dB，调[增益]使底波B1达满幅度的60%。
②将探头移至图4.1（b）所示的待测试块上，固定[增益]不动。
调[衰减器]使底波B1达60%，记录这时[衰减器]读数N2dB。
③计算二者表面耦合损失差△：
△=N1-N2（dB）
2、斜探头探伤时表面声能损失的测定
（1）一次反射法表面声能损失的测定
①把两个斜探头沿探伤方向置于焊缝两侧的探伤面上，间距约1P，作一发一收测试，如图4.2（a）。
调节[增益]使最大穿透波幅为基准高（60%）。
②按同样方法，把探头置于试块B面上，如图4.2（b）。
调节[衰减器]，使其最丈穿透波幅也为基准高，此时试板与试块的衰减分贝差，即为上表面声能损失差。
③重复1和2项步骤按图4.3测出试板与试块A面的dB差，即为下表面声能损失差。
④因实际二次波探伤时声束两次触及下表面，
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