文章詳情
表面波探傷法
日期：2025-10-20 15:02
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摘要：
對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個波長之內，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方向的振動，即縱波與橫波所組成的橢圓形振動。表面下2個波長深度范圍之內集中總能量的99%（40dB）。
表面波的聲速約為縱波的1/2，比橫波稍小（見表1）。
1、表面波的產生
表面波產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，當橫波折射角為90°時，即產生表面波（見圖1）。
2、表面波在表面的傳播規律
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。這是因為理論上在試件的一側為真空下求解，而有液體處理方法截然不同。另一種觀點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。同時也說明，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產生反射。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。（見圖2）。
刻槽深度與回波高度關系繪于圖3中。
（2）棱邊反射
如表面波傳播中遇到工件的棱邊會產生反射波，也有一部能量超過棱邊繼續傳播（見圖4）。
表面波在棱邊上的反射理論上無法解釋，但實驗卻十分簡單。棱邊為直角時，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系。從圖中可以看出直角邊（r=0）反射率52%；r=5時，反射率約為6%。即可以有更多能量通過圓弧面。
在A、D棱邊反射信號中間，有時會出現其他回波信號B、C。這可能是入射波與回波干涉的結果。改變探傷頻率，結果會不同。
2.1.3、表面波所產生的變型波
（1）表面波在邊角處會產生的變型橫波（S），如圖7所示。其表面有一定曲率時，表面波的產生是逐點進行的（如圖C所示）。產生變型波會使表面波產生衰減，變型波也會影響回波波形判斷。有時也可加以利用。
2.1.4、橫波所產生的變型表面波
當橫波傳播過程中，主聲束與內孔或圓角相切時會產生變型表面波。變型表面波強度較大。
變型表面波的產生會影響探傷波型的判斷。圖8是利用變型表面波探傷的實例。汽輪機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，此時會產生較強的表面波，表面波沿表面傳播，這樣檢測出F1、F2處裂紋就成為可能。我們在實驗室中試驗和現場應用均取得較理想的效果。
3、表面波探傷時儀器調整
3.1、掃描速度調整
掃描速度調整方法與普通斜探頭不一樣。入射點按探頭前沿（即探頭端頭）計算。調掃描速度時，將探頭對準試塊棱邊，回波信號按水平距離調節成一定比例，一般前后移動探頭，改變L值。例如L1=20mm，L2=40mm等，利用深度旋鈕，水平旋鈕，當L1=20mm調節水平刻度20位置；L2=40mm，調整水平刻度40位置，即完成1：1調整。也可利用棱邊A、B一次調整完成。
3.2、探傷靈敏度調整
探頭對準直角棱邊，調整棱邊回波高度達到標準值，例如滿屏的60%，再增益21dB作為探傷靈敏度。
對于5MHz的探頭，此靈敏度相當于發現0.1mm深的裂紋。
4、應用實例
4.1、深度1mm以下裂紋測深度
在探傷靈敏度下，當回波高度等于21dB時，說明裂紋深度大于1mm。此時裂紋再深，回波不會再增加。當回波幅度小于21dB時，可查曲線（見圖10）得知裂紋深度。例如回波幅度10dB（5MHz）探頭，裂紋深度為0.3mm。實用證明此法測深較準確。
4.2、深度大于1mm裂紋測深
深度大于1mm，回波已飽和，不再隨裂紋深度增加而增加，此時裂紋測深方法有兩種。4.2.1、單探頭法
測深原理如圖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，人工裂紋測量精度可達±1mm。
實用上，裂紋表面不平，回波B可能觀察不出來。
4.2.2、雙探頭法
雙探頭法探頭放置如圖12所示。無裂紋時，表面波直達接收探頭（單程）；有裂紋時，真實裂紋直達波仍存在。繞過裂紋波為雙程，裂紋深度t=L/2。
此法比單探頭有效。
4.3、橫波產生的變型波的利用
在一些特殊場合，使用各種探頭均達不到檢測裂紋的目的，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，選用一定角度的斜探頭，在葉根側面，前后移動探頭，使主聲束與圓弧面r角相切。這時，會產生變型表面波。變型表面波沿表面傳播就可檢查出裂紋F1或F2。
F1處于r角陰影處（盲區），橫波檢查不出，實驗證明，變型表面波具有很高靈敏度。
4.4、非平面探傷技術
(1)圖14中畫出汽輪機葉片葉根探傷中的一種常見情況。
探傷面高出葉根平面，高度為h0。表面波傳播中必須越過棱邊A、B才能檢出裂紋F。如前所述，表面波越過A邊，聲能損失較小（約衰減6dB），但越過B角，會產生變型橫波，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h0≤0.5mm時，就有足夠的表面波能量達到F處，即可檢出裂紋F。討論其原因，頻率為5MHz的表面波波長為0.65mm。這時，會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
如圖15所示畫出汽輪機葉片探傷的另一種情況。
表面波探頭放置在葉片側面，表面波越過棱邊A繼續傳播，達到倒角B處（弧面）時，由于曲率半徑較大，可以檢查出裂紋F1，靈敏度較高。
圓弧處會產生波型轉換。因此，無裂紋時，固有波形較雜（在F1之后），會影響裂紋F2的判傷。改變探頭頻率固有回波會發生位置幅度變化。在試塊上試驗，選擇哪種探傷頻率固有波形*少，效果**。
5、對表面波探頭的要求
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。為擴大表面波應用范圍，關鍵是減小探頭前沿尺寸。
我們研制生產的表面波探頭技術指標如下：
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：寬：高=18：10：15（通用型）；
靈敏度：≥40dB(前沿距棱邊20mm)；
晶片尺寸、外型也可根據用戶要求生產。
表面波的位置分布可分解為與表面垂直和平行兩個方向的振動，即縱波與橫波所組成的橢圓形振動。表面下2個波長深度范圍之內集中總能量的99%（40dB）。
表面波的聲速約為縱波的1/2，比橫波稍小（見表1）。
聲速m/s | 鋼 | 鋁 |
Cr | 2980 | 2975 |
Cs | 3200 | 3100 |
Cl | 5900 | 6300 |
1、表面波的產生
表面波產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，當橫波折射角為90°時，即產生表面波（見圖1）。
2、表面波在表面的傳播規律
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。這是因為理論上在試件的一側為真空下求解，而有液體處理方法截然不同。另一種觀點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。同時也說明，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產生反射。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。（見圖2）。
刻槽深度與回波高度關系繪于圖3中。
如表面波傳播中遇到工件的棱邊會產生反射波，也有一部能量超過棱邊繼續傳播（見圖4）。
表面波在棱邊上的反射理論上無法解釋，但實驗卻十分簡單。棱邊為直角時，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系。從圖中可以看出直角邊（r=0）反射率52%；r=5時，反射率約為6%。即可以有更多能量通過圓弧面。
2.1.3、表面波所產生的變型波
（1）表面波在邊角處會產生的變型橫波（S），如圖7所示。其表面有一定曲率時，表面波的產生是逐點進行的（如圖C所示）。產生變型波會使表面波產生衰減，變型波也會影響回波波形判斷。有時也可加以利用。
2.1.4、橫波所產生的變型表面波
當橫波傳播過程中，主聲束與內孔或圓角相切時會產生變型表面波。變型表面波強度較大。
變型表面波的產生會影響探傷波型的判斷。圖8是利用變型表面波探傷的實例。汽輪機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，此時會產生較強的表面波，表面波沿表面傳播，這樣檢測出F1、F2處裂紋就成為可能。我們在實驗室中試驗和現場應用均取得較理想的效果。
3、表面波探傷時儀器調整
3.1、掃描速度調整
掃描速度調整方法與普通斜探頭不一樣。入射點按探頭前沿（即探頭端頭）計算。調掃描速度時，將探頭對準試塊棱邊，回波信號按水平距離調節成一定比例，一般前后移動探頭，改變L值。例如L1=20mm，L2=40mm等，利用深度旋鈕，水平旋鈕，當L1=20mm調節水平刻度20位置；L2=40mm，調整水平刻度40位置，即完成1：1調整。也可利用棱邊A、B一次調整完成。
3.2、探傷靈敏度調整
探頭對準直角棱邊，調整棱邊回波高度達到標準值，例如滿屏的60%，再增益21dB作為探傷靈敏度。
對于5MHz的探頭，此靈敏度相當于發現0.1mm深的裂紋。
4、應用實例
4.1、深度1mm以下裂紋測深度
在探傷靈敏度下，當回波高度等于21dB時，說明裂紋深度大于1mm。此時裂紋再深，回波不會再增加。當回波幅度小于21dB時，可查曲線（見圖10）得知裂紋深度。例如回波幅度10dB（5MHz）探頭，裂紋深度為0.3mm。實用證明此法測深較準確。
深度大于1mm，回波已飽和，不再隨裂紋深度增加而增加，此時裂紋測深方法有兩種。4.2.1、單探頭法
測深原理如圖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，人工裂紋測量精度可達±1mm。
4.2.2、雙探頭法
雙探頭法探頭放置如圖12所示。無裂紋時，表面波直達接收探頭（單程）；有裂紋時，真實裂紋直達波仍存在。繞過裂紋波為雙程，裂紋深度t=L/2。
此法比單探頭有效。
4.3、橫波產生的變型波的利用
在一些特殊場合，使用各種探頭均達不到檢測裂紋的目的，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，選用一定角度的斜探頭，在葉根側面，前后移動探頭，使主聲束與圓弧面r角相切。這時，會產生變型表面波。變型表面波沿表面傳播就可檢查出裂紋F1或F2。
F1處于r角陰影處（盲區），橫波檢查不出，實驗證明，變型表面波具有很高靈敏度。
4.4、非平面探傷技術
(1)圖14中畫出汽輪機葉片葉根探傷中的一種常見情況。
探傷面高出葉根平面，高度為h0。表面波傳播中必須越過棱邊A、B才能檢出裂紋F。如前所述，表面波越過A邊，聲能損失較小（約衰減6dB），但越過B角，會產生變型橫波，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h0≤0.5mm時，就有足夠的表面波能量達到F處，即可檢出裂紋F。討論其原因，頻率為5MHz的表面波波長為0.65mm。這時，會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
如圖15所示畫出汽輪機葉片探傷的另一種情況。
表面波探頭放置在葉片側面，表面波越過棱邊A繼續傳播，達到倒角B處（弧面）時，由于曲率半徑較大，可以檢查出裂紋F1，靈敏度較高。
圓弧處會產生波型轉換。因此，無裂紋時，固有波形較雜（在F1之后），會影響裂紋F2的判傷。改變探頭頻率固有回波會發生位置幅度變化。在試塊上試驗，選擇哪種探傷頻率固有波形*少，效果**。
5、對表面波探頭的要求
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。為擴大表面波應用范圍，關鍵是減小探頭前沿尺寸。
我們研制生產的表面波探頭技術指標如下：
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：寬：高=18：10：15（通用型）；
靈敏度：≥40dB(前沿距棱邊20mm)；
晶片尺寸、外型也可根據用戶要求生產。
