文章詳情
表面波探傷法
日期：2025-09-09 07:40
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摘要：
對(duì)于近表面缺陷的檢查，表面波十分有效。正如理論論述的那樣，由于表面波的能量集中于表面下2個(gè)波長(zhǎng)之內(nèi)，檢查表面裂紋靈敏度極高。
表面波的位置分布可分解為與表面垂直和平行兩個(gè)方向的振動(dòng)，即縱波與橫波所組成的橢圓形振動(dòng)。表面下2個(gè)波長(zhǎng)深度范圍之內(nèi)集中總能量的99%（40dB）。
表面波的聲速約為縱波的1/2，比橫波稍小（見(jiàn)表1）。
1、表面波的產(chǎn)生
表面波產(chǎn)生方法有著原理不同的兩種方法。即Y切割石英晶體和透聲楔方法。
常用的表面波探頭采用與斜探頭相似的楔塊，當(dāng)橫波折射角為90°時(shí)，即產(chǎn)生表面波（見(jiàn)圖1）。
2、表面波在表面的傳播規(guī)律
2.1、在平面上的傳播
2.1.1、油的影響
若在反射波傳播的表面上涂上油，那么所傳播的波幾乎完全衰減。用手壓也一樣。這是因?yàn)槔碚撋显谠嚰囊粋?cè)為真空下求解，而有液體處理方法截然不同。另一種觀點(diǎn)可以理解為表面波的垂直分量在液體層中引起衰減所致。用手按傳播表面可以判斷表面是否是裂紋或棱邊的反射。同時(shí)也說(shuō)明，探傷中探頭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會(huì)產(chǎn)生反射。作為缺陷，有裂紋或體積狀缺陷（氣孔、夾渣）。表面波重點(diǎn)檢查裂紋。這里不討論體積型缺陷。
(1)槽矩形槽的反射（裂紋）
與裂紋相似的人工傷，一般刻矩形槽缺陷。（見(jiàn)圖2）。
刻槽深度與回波高度關(guān)系繪于圖3中。
（2）棱邊反射
如表面波傳播中遇到工件的棱邊會(huì)產(chǎn)生反射波，也有一部能量超過(guò)棱邊繼續(xù)傳播（見(jiàn)圖4）。
表面波在棱邊上的反射理論上無(wú)法解釋，但實(shí)驗(yàn)卻十分簡(jiǎn)單。棱邊為直角時(shí)，反射率**。
（3）帶曲率的棱邊反射
如果棱邊倒角，其曲率半徑為r，反射回波降低。圖5畫出反射率與曲率半徑的關(guān)系。從圖中可以看出直角邊（r=0）反射率52%；r=5時(shí)，反射率約為6%。即可以有更多能量通過(guò)圓弧面。
在A、D棱邊反射信號(hào)中間，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)其他回波信號(hào)B、C。這可能是入射波與回波干涉的結(jié)果。改變探傷頻率，結(jié)果會(huì)不同。
2.1.3、表面波所產(chǎn)生的變型波
（1）表面波在邊角處會(huì)產(chǎn)生的變型橫波（S），如圖7所示。其表面有一定曲率時(shí)，表面波的產(chǎn)生是逐點(diǎn)進(jìn)行的（如圖C所示）。產(chǎn)生變型波會(huì)使表面波產(chǎn)生衰減，變型波也會(huì)影響回波波形判斷。有時(shí)也可加以利用。
2.1.4、橫波所產(chǎn)生的變型表面波
當(dāng)橫波傳播過(guò)程中，主聲束與內(nèi)孔或圓角相切時(shí)會(huì)產(chǎn)生變型表面波。變型表面波強(qiáng)度較大。
變型表面波的產(chǎn)生會(huì)影響探傷波型的判斷。圖8是利用變型表面波探傷的實(shí)例。汽輪機(jī)葉片的葉根可利用的探傷面較少，也較窄。利用合適角度的斜探頭，使之聲束與圓弧面相切，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的表面波，表面波沿表面?zhèn)鞑ィ@樣檢測(cè)出F1、F2處裂紋就成為可能。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均取得較理想的效果。
3、表面波探傷時(shí)儀器調(diào)整
3.1、掃描速度調(diào)整
掃描速度調(diào)整方法與普通斜探頭不一樣。入射點(diǎn)按探頭前沿（即探頭端頭）計(jì)算。調(diào)掃描速度時(shí)，將探頭對(duì)準(zhǔn)試塊棱邊，回波信號(hào)按水平距離調(diào)節(jié)成一定比例，一般前后移動(dòng)探頭，改變L值。例如L1=20mm，L2=40mm等，利用深度旋鈕，水平旋鈕，當(dāng)L1=20mm調(diào)節(jié)水平刻度20位置；L2=40mm，調(diào)整水平刻度40位置，即完成1：1調(diào)整。也可利用棱邊A、B一次調(diào)整完成。
3.2、探傷靈敏度調(diào)整
探頭對(duì)準(zhǔn)直角棱邊，調(diào)整棱邊回波高度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，例如滿屏的60%，再增益21dB作為探傷靈敏度。
對(duì)于5MHz的探頭，此靈敏度相當(dāng)于發(fā)現(xiàn)0.1mm深的裂紋。
4、應(yīng)用實(shí)例
4.1、深度1mm以下裂紋測(cè)深度
在探傷靈敏度下，當(dāng)回波高度等于21dB時(shí)，說(shuō)明裂紋深度大于1mm。此時(shí)裂紋再深，回波不會(huì)再增加。當(dāng)回波幅度小于21dB時(shí)，可查曲線（見(jiàn)圖10）得知裂紋深度。例如回波幅度10dB（5MHz）探頭，裂紋深度為0.3mm。實(shí)用證明此法測(cè)深較準(zhǔn)確。
4.2、深度大于1mm裂紋測(cè)深
深度大于1mm，回波已飽和，不再隨裂紋深度增加而增加，此時(shí)裂紋測(cè)深方法有兩種。4.2.1、單探頭法
測(cè)深原理如圖11所示，回波B為裂紋端反射。A、B之間聲程差，即為裂紋深度。試塊上，切口面平滑，B波清晰可見(jiàn)，人工裂紋測(cè)量精度可達(dá)±1mm。
實(shí)用上，裂紋表面不平，回波B可能觀察不出來(lái)。
4.2.2、雙探頭法
雙探頭法探頭放置如圖12所示。無(wú)裂紋時(shí)，表面波直達(dá)接收探頭（單程）；有裂紋時(shí)，真實(shí)裂紋直達(dá)波仍存在。繞過(guò)裂紋波為雙程，裂紋深度t=L/2。
此法比單探頭有效。
4.3、橫波產(chǎn)生的變型波的利用
在一些特殊場(chǎng)合，使用各種探頭均達(dá)不到檢測(cè)裂紋的目的，可考慮使用變型表面波。如圖13所示。有些T型葉根用其他方法檢查葉根裂紋F1、F2十分困難。這時(shí)，選用一定角度的斜探頭，在葉根側(cè)面，前后移動(dòng)探頭，使主聲束與圓弧面r角相切。這時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變型表面波。變型表面波沿表面?zhèn)鞑ゾ涂蓹z查出裂紋F1或F2。
F1處于r角陰影處（盲區(qū)），橫波檢查不出，實(shí)驗(yàn)證明，變型表面波具有很高靈敏度。
4.4、非平面探傷技術(shù)
(1)圖14中畫出汽輪機(jī)葉片葉根探傷中的一種常見(jiàn)情況。
探傷面高出葉根平面，高度為h0。表面波傳播中必須越過(guò)棱邊A、B才能檢出裂紋F。如前所述，表面波越過(guò)A邊，聲能損失較小（約衰減6dB），但越過(guò)B角，會(huì)產(chǎn)生變型橫波，聲能損失極大。這樣傳播到裂紋F處聲能很小，也就檢不出裂紋F。
當(dāng)h0≤0.5mm時(shí)，就有足夠的表面波能量達(dá)到F處，即可檢出裂紋F。討論其原因，頻率為5MHz的表面波波長(zhǎng)為0.65mm。這時(shí)，會(huì)有足夠的表面波能量直射到裂紋F處。
(2)圓弧后裂紋的檢測(cè)
如圖15所示畫出汽輪機(jī)葉片探傷的另一種情況。
表面波探頭放置在葉片側(cè)面，表面波越過(guò)棱邊A繼續(xù)傳播，達(dá)到倒角B處（弧面）時(shí)，由于曲率半徑較大，可以檢查出裂紋F1，靈敏度較高。
圓弧處會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。因此，無(wú)裂紋時(shí)，固有波形較雜（在F1之后），會(huì)影響裂紋F2的判傷。改變探頭頻率固有回波會(huì)發(fā)生位置幅度變化。在試塊上試驗(yàn)，選擇哪種探傷頻率固有波形*少，效果**。
5、對(duì)表面波探頭的要求
表面波探頭探傷靈敏度較高，一般5×5mm晶片就有足夠的靈敏度。為擴(kuò)大表面波應(yīng)用范圍，關(guān)鍵是減小探頭前沿尺寸。
我們研制生產(chǎn)的表面波探頭技術(shù)指標(biāo)如下：
頻率：2.5MHz、5MHz;
晶片尺寸：5×5、6×6、8×8、10×10mm；
探頭前沿：≤3mm；
外型尺寸：長(zhǎng)：寬：高=18：10：15（通用型）；
靈敏度：≥40dB(前沿距棱邊20mm)；
晶片尺寸、外型也可根據(jù)用戶要求生產(chǎn)。
表面波的位置分布可分解為與表面垂直和平行兩個(gè)方向的振動(dòng)，即縱波與橫波所組成的橢圓形振動(dòng)。表面下2個(gè)波長(zhǎng)深度范圍之內(nèi)集中總能量的99%（40dB）。
表面波的聲速約為縱波的1/2，比橫波稍小（見(jiàn)表1）。
聲速m/s | 鋼 | 鋁 |
Cr | 2980 | 2975 |
Cs | 3200 | 3100 |
Cl | 5900 | 6300 |
1、表面波的產(chǎn)生
表面波產(chǎn)生方法有著原理不同的兩種方法。即Y切割石英晶體和透聲楔方法。
常用的表面波探頭采用與斜探頭相似的楔塊，當(dāng)橫波折射角為90°時(shí)，即產(chǎn)生表面波（見(jiàn)圖1）。
2、表面波在表面的傳播規(guī)律
2.1、在平面上的傳播
2.1.1、油的影響
若在反射波傳播的表面上涂上油，那么所傳播的波幾乎完全衰減。用手壓也一樣。這是因?yàn)槔碚撋显谠嚰囊粋?cè)為真空下求解，而有液體處理方法截然不同。另一種觀點(diǎn)可以理解為表面波的垂直分量在液體層中引起衰減所致。用手按傳播表面可以判斷表面是否是裂紋或棱邊的反射。同時(shí)也說(shuō)明，探傷中探頭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會(huì)產(chǎn)生反射。作為缺陷，有裂紋或體積狀缺陷（氣孔、夾渣）。表面波重點(diǎn)檢查裂紋。這里不討論體積型缺陷。
(1)槽矩形槽的反射（裂紋）
與裂紋相似的人工傷，一般刻矩形槽缺陷。（見(jiàn)圖2）。
刻槽深度與回波高度關(guān)系繪于圖3中。
如表面波傳播中遇到工件的棱邊會(huì)產(chǎn)生反射波，也有一部能量超過(guò)棱邊繼續(xù)傳播（見(jiàn)圖4）。
表面波在棱邊上的反射理論上無(wú)法解釋，但實(shí)驗(yàn)卻十分簡(jiǎn)單。棱邊為直角時(shí)，反射率**。
（3）帶曲率的棱邊反射
如果棱邊倒角，其曲率半徑為r，反射回波降低。圖5畫出反射率與曲率半徑的關(guān)系。從圖中可以看出直角邊（r=0）反射率52%；r=5時(shí)，反射率約為6%。即可以有更多能量通過(guò)圓弧面。
2.1.3、表面波所產(chǎn)生的變型波
（1）表面波在邊角處會(huì)產(chǎn)生的變型橫波（S），如圖7所示。其表面有一定曲率時(shí)，表面波的產(chǎn)生是逐點(diǎn)進(jìn)行的（如圖C所示）。產(chǎn)生變型波會(huì)使表面波產(chǎn)生衰減，變型波也會(huì)影響回波波形判斷。有時(shí)也可加以利用。
2.1.4、橫波所產(chǎn)生的變型表面波
當(dāng)橫波傳播過(guò)程中，主聲束與內(nèi)孔或圓角相切時(shí)會(huì)產(chǎn)生變型表面波。變型表面波強(qiáng)度較大。
變型表面波的產(chǎn)生會(huì)影響探傷波型的判斷。圖8是利用變型表面波探傷的實(shí)例。汽輪機(jī)葉片的葉根可利用的探傷面較少，也較窄。利用合適角度的斜探頭，使之聲束與圓弧面相切，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的表面波，表面波沿表面?zhèn)鞑ィ@樣檢測(cè)出F1、F2處裂紋就成為可能。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均取得較理想的效果。
3、表面波探傷時(shí)儀器調(diào)整
3.1、掃描速度調(diào)整
掃描速度調(diào)整方法與普通斜探頭不一樣。入射點(diǎn)按探頭前沿（即探頭端頭）計(jì)算。調(diào)掃描速度時(shí)，將探頭對(duì)準(zhǔn)試塊棱邊，回波信號(hào)按水平距離調(diào)節(jié)成一定比例，一般前后移動(dòng)探頭，改變L值。例如L1=20mm，L2=40mm等，利用深度旋鈕，水平旋鈕，當(dāng)L1=20mm調(diào)節(jié)水平刻度20位置；L2=40mm，調(diào)整水平刻度40位置，即完成1：1調(diào)整。也可利用棱邊A、B一次調(diào)整完成。
3.2、探傷靈敏度調(diào)整
探頭對(duì)準(zhǔn)直角棱邊，調(diào)整棱邊回波高度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，例如滿屏的60%，再增益21dB作為探傷靈敏度。
對(duì)于5MHz的探頭，此靈敏度相當(dāng)于發(fā)現(xiàn)0.1mm深的裂紋。
4、應(yīng)用實(shí)例
4.1、深度1mm以下裂紋測(cè)深度
在探傷靈敏度下，當(dāng)回波高度等于21dB時(shí)，說(shuō)明裂紋深度大于1mm。此時(shí)裂紋再深，回波不會(huì)再增加。當(dāng)回波幅度小于21dB時(shí)，可查曲線（見(jiàn)圖10）得知裂紋深度。例如回波幅度10dB（5MHz）探頭，裂紋深度為0.3mm。實(shí)用證明此法測(cè)深較準(zhǔn)確。
深度大于1mm，回波已飽和，不再隨裂紋深度增加而增加，此時(shí)裂紋測(cè)深方法有兩種。4.2.1、單探頭法
測(cè)深原理如圖11所示，回波B為裂紋端反射。A、B之間聲程差，即為裂紋深度。試塊上，切口面平滑，B波清晰可見(jiàn)，人工裂紋測(cè)量精度可達(dá)±1mm。
4.2.2、雙探頭法
雙探頭法探頭放置如圖12所示。無(wú)裂紋時(shí)，表面波直達(dá)接收探頭（單程）；有裂紋時(shí)，真實(shí)裂紋直達(dá)波仍存在。繞過(guò)裂紋波為雙程，裂紋深度t=L/2。
此法比單探頭有效。
4.3、橫波產(chǎn)生的變型波的利用
在一些特殊場(chǎng)合，使用各種探頭均達(dá)不到檢測(cè)裂紋的目的，可考慮使用變型表面波。如圖13所示。有些T型葉根用其他方法檢查葉根裂紋F1、F2十分困難。這時(shí)，選用一定角度的斜探頭，在葉根側(cè)面，前后移動(dòng)探頭，使主聲束與圓弧面r角相切。這時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變型表面波。變型表面波沿表面?zhèn)鞑ゾ涂蓹z查出裂紋F1或F2。
F1處于r角陰影處（盲區(qū)），橫波檢查不出，實(shí)驗(yàn)證明，變型表面波具有很高靈敏度。
4.4、非平面探傷技術(shù)
(1)圖14中畫出汽輪機(jī)葉片葉根探傷中的一種常見(jiàn)情況。
探傷面高出葉根平面，高度為h0。表面波傳播中必須越過(guò)棱邊A、B才能檢出裂紋F。如前所述，表面波越過(guò)A邊，聲能損失較小（約衰減6dB），但越過(guò)B角，會(huì)產(chǎn)生變型橫波，聲能損失極大。這樣傳播到裂紋F處聲能很小，也就檢不出裂紋F。
當(dāng)h0≤0.5mm時(shí)，就有足夠的表面波能量達(dá)到F處，即可檢出裂紋F。討論其原因，頻率為5MHz的表面波波長(zhǎng)為0.65mm。這時(shí)，會(huì)有足夠的表面波能量直射到裂紋F處。
(2)圓弧后裂紋的檢測(cè)
如圖15所示畫出汽輪機(jī)葉片探傷的另一種情況。
表面波探頭放置在葉片側(cè)面，表面波越過(guò)棱邊A繼續(xù)傳播，達(dá)到倒角B處（弧面）時(shí)，由于曲率半徑較大，可以檢查出裂紋F1，靈敏度較高。
圓弧處會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。因此，無(wú)裂紋時(shí)，固有波形較雜（在F1之后），會(huì)影響裂紋F2的判傷。改變探頭頻率固有回波會(huì)發(fā)生位置幅度變化。在試塊上試驗(yàn)，選擇哪種探傷頻率固有波形*少，效果**。
5、對(duì)表面波探頭的要求
表面波探頭探傷靈敏度較高，一般5×5mm晶片就有足夠的靈敏度。為擴(kuò)大表面波應(yīng)用范圍，關(guān)鍵是減小探頭前沿尺寸。
我們研制生產(chǎn)的表面波探頭技術(shù)指標(biāo)如下：
頻率：2.5MHz、5MHz;
晶片尺寸：5×5、6×6、8×8、10×10mm；
探頭前沿：≤3mm；
外型尺寸：長(zhǎng)：寬：高=18：10：15（通用型）；
靈敏度：≥40dB(前沿距棱邊20mm)；
晶片尺寸、外型也可根據(jù)用戶要求生產(chǎn)。
