超声波表面波探伤法.doc

表面波探伤法对于近表面缺陷的检查，表面波十分有效。正如理论论述的那样，由于表面波的能量集中于表面下2个波长之内，检查表面裂纹灵敏度极高。表面波的位置分布可分解为与表面垂直和平行两个方向的振动，即纵波与横波所组成的椭圆形振动。表面下2个波长深度范围之内集中总能量的99%（40dB）。表面波的声速约为纵波的1/2，比横波稍小（见表1）。表1声速m/s钢铝Cr29802975Cs32003100Cl590063001、表面波的产生表面波产生方法有着原理不同的两种方法。即Y切割石英晶体和透声楔方法。常用的表面波探头采用与斜探头相似的楔块，当横波折射角为90°时，即产生表面波（见图1）。2、表面波在表面的传播规律2.1、在平面上的传播2.1.1、油的影响若在反射波传播的表面上涂上油，那么所传播的波几乎完全衰减。用手压也一样。这是因为理论上在试件的一侧为真空下求解，而有液体处理方法截然不同。另一种观点可以理解为表面波的垂直分量在液体层中引起衰减所致。用手按传播表面可以判断表面是否是裂纹或棱边的反射。同时也说明，探伤中探头前面不得有油污的重要性。2.1.2、表面波的反射表面波遇到表面或近表面缺陷会产生反射。作为缺陷，有裂纹或体积状缺陷（气孔、夹渣）。表面波重点检查裂纹。这里不讨论体积型缺陷。(1)槽矩形槽的反射（裂纹）与裂纹相似的人工伤，一般刻矩形槽缺陷。（见图2）。刻槽深度与回波高度关系绘于图3中。（2）棱边反射如表面波传播中遇到工件的棱边会产生反射波，也有一部能量超过棱边继续传播（见图4）。表面波在棱边上的反射理论上无法解释，但实验却十分简单。棱边为直角时，反射率最高。（3）带曲率的棱边反射如果棱边倒角，其曲率半径为r，反射回波降低。图5画出反射率与曲率半径的关系。从图中可以看出直角边（r=0）反射率52%；r=5时，反射率约为6%。即可以有更多能量通过圆弧面。在A、D棱边反射信号中间，有时会出现其他回波信号B、C。这可能是入射波与回波干涉的结果。改变探伤频率，结果会不同。2.1.3、表面波所产生的变型波（1）表面波在边角处会产生的变型横波（S），如图7所示。其表面有一定曲率时，表面波的产生是逐点进行的（如图C所示）。产生变型波会使表面波产生衰减，变型波也会影响回波波形判断。有时也可加以利用。2.1.4、横波所产生的变型表面波当横波传播过程中，主声束与内孔或圆角相切时会产生变型表面波。变型表面波强度较大。变型表面波的产生会影响探伤波型的判断。图8是利用变型表面波探伤的实例。汽轮机叶片的叶根可利用的探伤面较少，也较窄。利用合适角度的斜探头，使之声束与圆弧面相切，此时会产生较强的表面波，表面波沿表面传播，这样检测出F1、F2处裂纹就成为可能。我们在实验室中试验和现场应用均取得较理想的效果。3、表面波探伤时仪器调整3.1、扫描速度调整扫描速度调整方法与普通斜探头不一样。入射点按探头前沿（即探头端头）计算。调扫描速度时，将探头对准试块棱边，回波信号按水平距离调节成一定比例，一般前后移动探头，改变L值。例如L1=20mm，L2=40mm等，利用深度旋钮，水平旋钮，当L1=20mm调节水平刻度20位置；L2=40mm，调整水平刻度40位置，即完成1：1调整。也可利用棱边A、B一次调整完成。3.2、探伤灵敏度调整探头对准直角棱边，调整棱边回波高度达到标准值，例如满屏的60%，再增益21dB作为探伤灵敏度。对于5MHz的探头，此灵敏度相当于发现0.1mm深的裂纹。4、应用实例4.1、深度1mm以下裂纹测深度在探伤灵敏度下，当回波高度等于21dB时，说明裂纹深度大于1mm。此时裂纹再深，回波不会再增加。当回波幅度小于21dB时，可查曲线（见图10）得知裂纹深度。例如回波幅度10dB（5MHz）探头，裂纹深度为0.3mm。实用证明此法测深较准确。4.2、深度大于1mm裂纹测深深度大于1mm，回波已饱和，不再随裂纹深度增加而增加，此时裂纹测深方法有两种。4.2.1、单探头法测深原理如图11所示，回波B为裂纹端反射。A、B之间声程差，即为裂纹深度。试块上，切口面平滑，B波清晰可见，人工裂纹测量精度可达±1mm。实用上，裂纹表面不平，回波B可能观察不出来。4.2.2、双探头法双探头法探头放置如图12所示。无裂纹时，表面波直达接收探头（单程）；有裂纹时，真实裂纹直达波仍存在。绕过裂纹波为双程，裂纹深度t=L/2。此法比单探头有效。4.3、横波产生的变型波的利用在一些特殊场合，使用各种探头均达不到检测裂纹的目的，可考虑使用变型表面波。如图13所示。有些T型叶根用其他方法检查叶根裂纹F1、F2十分困难。这时，选用一定角度的斜探头，在叶根侧面，前后移动探头，使主声束与圆弧面r角相切。这时，会产生变型表面波。变型表面波沿表面传播就可检查出裂纹F1或F2。F1处于r角阴影处