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开放实验室实验讲义（设备表面及内部缺陷检测）实验一 内部缺陷检测-超声波检测(一)、超声波探伤 1.超声波探伤原理 超声波探伤是利用人耳无法感觉到的高频声波(＞20000Hz)射入被检物并用探头接收信号从而检测出材料内部或表面缺陷的方法探伤用超声波频率一般在0.5-25MHz之间 超声波波长与频率f和传播速度c的关系为： 入＝c/f (1-1) 在气体和液体中只有纵波，纵波声速c：为： CL=(K/ρ)1/2 (1-2)式中 ρ-密度(kg／m3);K-体积弹性模量(N／m2) 声阻抗Z为： Z＝ρ·C (1-3) 当声波由介质1垂直入射到介质2时，声能反射率只为： Z=(Z2-Z1)2/(Z1+Z2)2 (1-4)式中Z1与Z2--介质1与介质2的声阻抗。

声能透射率T为： 式中 αl-纵波入射角；βl与βs队-纵波折射角与横波折射角；γL与γS-纵波反射角与横波反射角； cl1与cl2-两种介质户纵波声速；cs1与cs2-两种介质中横波声速 若入射波为横波，有 (1-7)式中 αs-横波入射角第一临界角为使纵波折射角等于90时的纵波入射角(αlI) 有 (1-8)第二临界角为使横波折射角等于90时的纵波入射角(o，n)，有 ； (1-9) 超声波近场区(Fresuel区)长度N为N=D2/4λ (1-10)式中 D-发射体(晶片)直径；λ-波长 远场区(Franhofer区)声束发散，强度与距离平方成反比发射体为圆形时，声束在远场区之半扩散角60(指向角)由下式决定: sinq0=1.22λ/D (1-11) 超声波在介质中传播会发生声强的衰减，、规律为： I=I0e-2αδ (1-12)式中 I。

超声波初始强度；I-超声波透过厚度为6(cm)的介质时的强度；α-线衰减系数(Np/cm，1Np/cm＝868.6dB/m)； 用分贝值Kp(KH)表示衰减变化或放大率，即：Kp＝201gP／Po KH＝201gH／HdB) (1-13)式中 Po或H声压或波高基准值；P或H-声压或波高的测量值(或要求值) 材料厚度等于半波长或其整数倍时，将发生共振，有 t=n·c/2f (1-14)式中 t-共振厚度；c-声速；f-频率；n-整数 表1-1为超声波探伤按不同方式分类简表A型脉冲反射法探伤是目前使用的主要方法表1-1超声波探伤分类简表按原理分类连续探伤(共振式、调频式及穿透式)与脉冲探伤按显示方式分类声响显示与光电显示(A型、B型、C型与3D型)按探头数分类单探头、双探头及多探头探伤按接触方式分类直接接触法与水浸法探伤2.脉冲反射法探伤过程与探伤条件脉冲反射探伤法按超声波在介质中传播方式分类及用途列于表1-2。

表1-2 脉冲反射法分类探伤方法波 型主 要 用 途垂直探伤法纵 波铸件、锻件及轧件等的内部缺陷检测，有时也用于焊缝及管件内部缺陷检测斜角探伤法横 波焊缝及管件等的内部缺陷检测表面波探伤法表面波表面缺陷检测 颁标准板波探伤法板 波 薄板缺陷检测越低2).探头晶片尺寸的选用影响晶片尺寸选用的因素列于表1-3(3).折射角的选用横波探伤用斜探头主要采用35º-70º的折射角管材探伤时，探头折射角β的选定应满足下式：表1-3与晶片尺寸有关的因素名 称状 况影响因素工件厚度可测距离探侧面状况探测面曲率近距离覆盖范围远距离覆盖范围缺陷反射波／底面反射波小小不平整、不光洁大小大大大大平整、光洁小大小小选 用 晶 片 尺 寸小大 β＜arcsin(1-) (1-15)式中 t-管材壁厚； φ-管材外径4).耦合剂的选用 耦合剂的选择以保证良好的透声性为准则，应尽量选用其声阻抗与试件声阻抗相近的介、质为耦合剂5).灵敏度的选择与调节 探伤灵敏度是指“在规定范围内对名 称利用试决的方式利用底面回波的方式确定步骤 选择试块→探头在试决上放置、藕合→探伤仪灵敏度调节控制→试块人工缺陷回波达到规定高度收标准规定的dB值或计算的dB值(当量法)增益或衰减优缺点 可直观比较相互探伤的结果当采用材质、厚度或表面粗糙度与试件不同之试块时需进行灵敏度调节修正 不用试块； 厚度不足近场长度三倍、倾斜凹凸不平底面及截面小于波束截面的试件均不宜采用此法应用范围用于难以找到底面回波的探伤，斜角探伤 用于银件等工件探伤，垂直探伤 底面反射波与同深度平底孔反射波分贝差值为： (1-16)式中 L-波长； s-声程；φ-要求发现的平底孔型缺陷的最小直径。

若要求发现横通孔型缺陷，则 (1-17)式中 φ-要求发现的核通孔型缺陷的最小直径3.缺陷定位 缺陷在工件中h-缺陷在试件中的位置 斜角探伤法缺陷定位基本公式如下：h＝s·cosβ (1-19) P＝s·sinβ (1-20)式中 s-声程；β-折射角；k-缺陷至探测面垂直距离；P-缺陷至入射点水平距离斜角探伤，当缺陷位于半跨距以远，则按下述公式定位： h1＝2T一S1·cosβ (1-21) h1,5＝S1,5cosβ-2T (1-22) h2＝4T-S2·cosβ (1-23)h2,5＝S2,5cosβ-4T (1-24)式中 T-试件厚度；h1、h1，5、h2、h2，5-分别为0.5跨距至l跨距内、1跨距外至1.5跨距内、1.5跨距外至- 2跨距内及2跨距外至2.5跨距内缺陷至探测面垂直距离；s1、s1,5、s2、s2,5-分别为与上述各跨距范围相应之声程；β-折射角。

式(1-28)～式(1-33)适用于平板试件4.缺陷方法列于表1-5表1-5 超声波探伤缺陷定量方法分 类方法名称方 法 要 点应 用 特 点波高定量法缺陷回波高度法 以缺陷回波高度(绝对值法)或缺陷回波高度与屏高(饱台点高度值法)表示缺陷大小 不用试块、缺陷大小及探伤灵敏度均可在工件上确定，操作方便，F／B等比值不受探测面状态和但随灵敏度、探头尺寸与频率h缺陷测距等的变化而变化； 仪器垂直线性良好时，距离-波幅曲线可直接绘制在荧光屏上.可直接读出缺陷大小；仪底波高度百分比法 用缺陷回波与同时显示的试件底面回波高度之比(F／B)或缺陷回波与无缺陷部位底面回波高度之比(F／B)表示缺陷大小距离波幅曲线法 用计算法或实测法绘 (dB)“曲线表达反射波高度随距离的变化(反射体一定时)，该曲线一般由定量线、测长钱和判废线组成当量定量法当量试块比较法 相同测试条件下，缺陷回波与同声程的人工缺陷试该人工缺陷尺寸即为缺陷当量 一般用于缺陷尺寸小于声束截面的场合：方法直观试块比较法需制作大量人工缺陷试块，目前已很少使用；AVG法克服了需用大量试块的缺点，但限于测距大于三倍近场长度缺陷、且要求试件裁面尺寸大于声束AVG曲线法 预先利用计算法或实测法制作“标准化距离A、标准化回波高度V及缺陷标准化尺寸G关系曲线。

AVG).按测得的缺陷zE离及回波高度即可由AV0曲线确定缺陷当量位探头移动定量法相对灵敏度测长法 使缺陷回波最大值为基准值，将其增益6dB，使缺陷回波再恢复到基准值的探头移动距离即为“缺陷指示长度”-二6dB测长法若增益为10dBB法等 从缺陷回波高度(最大值)开始到回波高度降低一半为止的探头移动距离作为缺陷指示长度”--半波高度法 适用于缺陷尺寸大于声束截面的场合，相对灵敏度法以缺陷波高为基准，在测量不同长度缺有所变化.增益dB值愈大，愈能将短缺陷评价为长缺陷： 6dB法得到较普遍应用；半波高法与6dB法实质相同，半波高法操作简便，但对于垂直线性误差较大仪器宜用6dB法绝对灵敏度测长法在仪器灵敏度一定的情况下，缺陷回波高度降到规定位置时探头移动距离作为“缺陷指示长度” 绝对灵敏度测长法简单、直观，易用于自动探伤，但易产生缺陷定量过大或过小现象 AVG曲线中标准化距离A为： A＝X/N (1-25)式中 (1-26)式中 d-平底孔当量直径；D-探头晶片直径。

JBll52-81规定A试块上实测数据绘制而成探头移动法定量，平板试件中缺陷倾斜时，缺陷指示长度l按下式修正： L＝l/cosφ 下式修正： L＝l(r十x)/r (1-29)式中 r-试件内孔半径5.超声波探伤方法应用与比较 超声波探伤可检测气孔、夹杂、裂纹、缩孔及未焊透等缺陷，用于锻件、轧制件、焊缝、材及铸件等的检验最易于检出长度方向与超声波束方向垂直的缺陷。