表面及近表面裂纹的爬波无损检测

　　1　前言

　　在影响材料和构件质量和安全性的诸多因素中,表面裂纹的危害性极大,而隐藏在材料和构件近表面的裂纹往往又是致命裂纹的起点,更具有隐蔽性和危险性,所以作为无损检测技术的一个重要方面就是对材料和构件表面和近表面裂纹的检测。在表面检验中,常规的无损检测方法是磁粉检验、渗透检验、涡流检验。渗透法不受工件几何形状和尺寸大小的限制,操作简便,费用少,可检测除表面多孔材料以外的几乎所有材料,但要求表面光洁度高,表面粗糙时会掩盖细小分散的缺陷,对于严重磨损的工件表面难以发挥作用;磁粉法显示直观,具有很高的检测灵敏度,检测的最小裂纹宽度可达0.1μm,检测速度快、工艺简单,但只适合铁磁材料的检验,在检测焊接接头焊趾部位的缺陷也存在困难,检测后常需退磁或清洗,而且工件表面不得有油脂或其他粘附磁粉的物质;涡流法使用范围广,不需要耦合剂,适用于在高温下对工件进行检测,但是只适合导电材料,而且干扰因素多,需要特殊的信号处理,对形状复杂的零件检测效率较低。对于表面下裂纹,渗透法无能为力,磁粉法根据所采用的检验方法、电流类型以及缺陷的特性,可探测表面下埋深一般不超过1 mm～2 mm的裂纹。另外,这几种方法也只能定性地检测出裂纹缺陷,而不能比较准确的定量确定裂纹的深度。

　　在这种情况下,超声检测就发挥出了作用。对于表面开口裂纹的检测可以采用瑞利波和兰姆波。如果在材料中的声损失可以忽略,瑞利波可以沿光滑固体表面无衰减地以恒速(瑞利波速)传播,然而瑞利波声能量仅集中在表面以下一个波长的范围内(发射频率为4 MHz时,大约0.75 mm),当深度达到两个波长时,其波幅降至最大波幅的0.37倍,如果工件表面粗糙(例如存在焊缝余高,飞溅等),可能阻止瑞利波的传播,造成误检。兰姆波只适合几个波长厚板材的检验,采取两种基本传播形式;对称式和反对称式,产生何种形式取决于入射角、发射频率及被检工件的弹性性能。在高频的情况下,容易产生混合模式,发生频散现象,导致回波信号在探伤仪上无法辨认。

　　爬波,其名称涵义出自德国1898年的专利。超声爬波探头用于产生折射角为90°的压缩波(纵波),对于表面粗糙度不敏感,这种探头对检测奥氏体粗晶材料表面和近表面缺陷特别有效。

　　2　爬波的产生及爬波探头

　　2.1　爬波的产生

　　实验研究爬波最早是由Harbold和Steinberg进行,Gruber等利用环向爬波来估测孔洞的直径。当斜探头以第一临界角(在有机玻璃/钢界面,约为27°)入射时,纵波以平行于界面沿表面下传播,为了与体纵波和横波区别,把横波和纵波叠加后能量最集中的前沿称为纵爬波,简称爬波。爬波的产生是利用超声波传播到两种异质界面处发生的波形转变。根据超声波的传播特性,当超声波从一种介质传播到另一种介质界面时,垂直入射时,只有反射和透射;倾斜入射时,除反射外,透射波还会发生折射现象,同时伴随着波形转变。入射波速和折射波速满足下列关系: