表面SH波探伤法的开发及其应用

　　1　前言

　　焊缝的超声波探伤一般都是采用横波斜探头,这种横波多数是用PZT系列压电陶瓷经过有机玻璃楔块将纵波在探测面上转换成垂直振动的横波(SV波),因为纵波能够在液体中传播,所以界面上的耦合介质可以选用各种液体。但是,在现代钢结构建筑中多采用L型坡口带垫板的T型接头,船闸、水库中使用的弧形闸门和启闭门也多是由T型焊缝和十字接头角焊缝焊接而成,薄板对接焊缝根部的Ⅰ型未焊透用一般斜探头不易检查,形状回波和缺陷回波难以区别。如果在腹梁上还有铆接之类的障碍物存在,更是妨碍斜探头的探伤,我国水电部门对T型焊缝根部未焊透间隙还有特殊要求。为解决此类问题本文介绍声波仅在近表层一定深度与表面平行传播的表面SH波探伤法,该方法与折射横波在第二介质产生大于或等于90°折射的表面波不同,表面波仅在近表层和表面上传播,传播厚度在1/4以下波长已经很弱。它与折射纵波在第二介质产生大于或等于90°折射的爬波也不同,爬波不适合于远距离探测。

　　2　SH波的产生和界面耦合

　　SH波是由晶片横波入射又经楔块和界面横波折射而成,它不同于一般的斜探头纵波入射及横波折射,而在界面上作为耦合介质的液体又不能传播横波,所以耦合剂的选择是一大难题。另一个问题是:为使用方便,要求像一般斜探头那样在被检工件接触面倾斜声波射入,这个问题用一定声速和衰减小的材料做楔块即可解决。第三个问题是如何选用切变模式振动的晶片,在压电材料中选择合适的极化方向,极化后的晶片产生切变模式的振动,构成切变模式的换能器件。这方面的材料在单晶材料中有铌酸锂(LiNb03),它具有很高的居里点(1210℃),能在高温下工作,具有良好的机械性能,机械品质因数QM很高,不溶于水,化学稳定性好,在超声技术中得到广泛的应用。它是无色或略带淡绿色的透明晶体,它有4种主要切割方式,按切变模式振动的有2种:X切割和163°Y切割,有高的机电耦合系数,分别达到0.68和0.62,虽然夹在厚度方向的电场能激发2个厚度切变模式,但其中的一个比另一个强得多。这方面材料在压电陶瓷中更富有多方面的适应性,因为压电陶瓷物理性质坚硬,能够施加或承受很大应力,化学性质稳定,不受潮湿或其它大气条件的影响,制作方法压电陶瓷与绝缘陶瓷相似,几乎可以制成任何需要的形状和大小,并且极化时可以自由选择极化方向。例如锆钛酸铅系列PZT-7A相对介电常数小、老化小,选择合适的极化方向后适合于制造切变模式的换能器件。

　　3　表面SH波探伤法和探头

　　3.1　表面SH波探伤法

　　如图1所示为表面SH波探伤法的概略示意图。由探头产生横波,横波在楔块中传播至试块,在试块中一如原样的向前传播。在试块中传播的横波主要是沿试块的表面正下方与表面平行向前传播。因此对于垂直于试块表面的裂纹将有较大的回波出现。