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表面波探伤法

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
Cr	2980	2975
Cs	3200	3100
Cl	5900	6300

1、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*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
    ��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（盲区），横波检查不出，实验证明，变型表面波具有很高灵敏度。
4.4、非平面探伤技术
    (1)图14中画出汽轮机叶片叶根探伤中的一种常见情况。
    探伤面高出叶根平面，高度为h0。表面波传播中必须越过棱边A、B才能检出裂纹F。如前所述，表面波越过A边，声能损失较小（约衰减6dB），但越过B角，会产生变型横波，声能损失极大。这样传播到裂纹F处声能很小，也就检不出裂纹F。
    当h0≤0.5mm时，就有足够的表面波能量达到F处，即可检出裂纹F。讨论其原因，频率为5MHz的表面波波长为0.65mm。这时，会有足够的表面波能量直射到裂纹F处。
(2)圆弧后裂纹的检测
    如图15所示画出汽轮机叶片探伤的另一种情况。
    表面波探头放置在叶片侧面，表面波越过棱边A继续传播，达到倒角B处（弧面）时，由于曲率半径较大，可以检查出裂纹F1，灵敏度较高。
    圆弧处会产生波型转换。因此，无裂纹时，固有波形较杂（在F1之后），会影响裂纹F2的判伤。改变探头频率固有回波会发生位置幅度变化。在试块上试验，选择哪种探伤频率固有波形*少，效果*好。
5、对表面波探头的要求
    表面波探头探伤灵敏度较高，一般5×5mm晶片就有足够的灵敏度。为扩大表面波应用范围，关键是减小探头前沿尺寸。
    我们研制生产的表面波探头技术指标如下：
    频率：2.5MHz、5MHz;
    晶片尺寸：5×5、6×6、8×8、10×10mm；
    探头前沿：≤3mm；
    外型尺寸：长：宽：高=18：10：15（通用型）；
    灵敏度：≥40dB(前沿距棱边20mm)；
    晶片尺寸、外型也可根据用户要求生产。

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