设备表面及内部缺陷检测

-

-页脚-- 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：

C L=(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；c l1与c l2-两种介质户纵波声速；c s1与c s2-两种介质中横波声速。

若入射波为横波，有

s s

s

s

l

l

l

l

s s

2

2

1

1

c

sin

c

sin

c

sin

c sin

αγ

β

β

γ

α=

=

=

=

(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

2l 1l l c /c sin i =α (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 ；

2l 1l lII c /c sin =α (1-9)

超声波近场区(Fresuel 区)长度N 为

N=D 2

/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:

sin θ0=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=I 0e

-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K p (K H )表示衰减变化或放大率，即：K p ＝201gP ／P o

K H ＝201gH ／H 。(dB) (1-13)

式中 P o 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

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

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

β＜arcsin(1-

t

2) (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

底面反射波与同深度平底孔反射波分贝差值为： 2

s

2lg

20G πφλφ= (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。

2

s

2lg 10G πφλφ= (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 ·cos β (1-19)

P ＝s ·sin β (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：

h 1＝2T 一S 1·cos β (1-21) h 1,5＝S 1,5cos β-2T (1-22) h 2＝4T-S 2·cos β (1-23)

h 2,5＝S 2,5cos β-4T (1-24)

式中 T-试件厚度；h 1、h 1，5、h 2、h 2，5-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；s 1、s 1,5、s 2、s 2,5-

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

AVG曲线中标准化距离A为：

A＝X/N (1-25) 式中 (1-26)