超声检测之表面波探伤法

声表面波(SAW，Surface Acoustic Wave)是沿物体表面传播的一种弹性波。

声表面波是英国物理学家瑞利(Rayleigh)在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。

(配图)

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)。

声速 m/s

Cr

2980

2975

Cs

3200

3100

Cl

5900

6300

(表1)

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，即产生表面波前边。

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。刻槽深度与回波高度关系绘于(见图3)中

(图3)

（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(见图4)。

(图4)

（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。反射率与曲率半径的关系。从图5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。

(图5)

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)，其表面有一定曲率时，表面波的产生是逐点进行的。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。

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。

(图10)

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。

(图11)

4.2.2 双探头法

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。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

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。

圆弧后裂纹的检测，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最少，效果最好。

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。