爬波检测及其应用

　　检测表面开口裂纹的常用无损检测方法是渗透和磁力探伤法^[1]。渗透法要求表面光洁度高,因粗糙表面会掩盖细小分散的缺陷,难以检测表面严重磨损的工件和多孔材料;磁力探伤法只适合检测铁磁材料,但难以检出焊接接头焊趾部位的缺陷和宽而浅的裂纹,且检测后常需退磁或清洗以清除工件表面油脂或其它粘附磁粉的物质。两种方法均只能定性地检出裂纹,还不能定量确定裂纹的深度。

　　表面开口裂纹还可采用超声瑞利波和兰姆波检测。瑞利波能够在光滑工件表面下一个波长的深度(发射频率为4 MHz时,深度约为0.75 mm)内向前传播,当深度达到两个波长时,波幅降至最大波幅的0.37倍^[2]。但是如果工件表面粗糙(如有焊缝余高、焊接飞溅等),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测,具有对称式和反对称式两种基本波型,产生何种波型取决于被检工件的弹性性能、入射角和发射频率。在高频情况下,容易产生混合模式,使裂纹引起的回波信号无法辨认。

　　超声爬波是折射角为90°的压缩纵波,对表面粗糙度不敏感,特别适于检测奥氏体粗晶材料表面和近表面缺陷。随着爬波探头性能的不断改进,爬波检测在粗晶材料、焊接接头以及陶瓷材料无损检测中正在发挥越来越大的作用。

　　1　爬波的产生及爬波探头

　　1.1　爬波的产生

　　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,会发生反射和折射现象,倾斜入射时,会伴随波型转变。如果入射波速和折射波速满足下列关系

　　式中　C^_1L———入射声波在第一介质中的纵波声速

　　C^_2L———入射声波在第二介质中的纵波声速

　　C_^2T———入射声波在第二介质中的横波声速

　　即超声纵波从波速小的介质入射到波速大的介质时,随入射角的增大,折射角也增大,当入射角α=时,即纵波的折射角等于90°时,就会在第二种介质中激发爬波,此时的入射角α1就称为第一临界角。爬波的产生和声场特性如图1所示。图1a中的α1为第一临界角,β1为横波折射角,β2为纵波折射角,其指向即为爬波光束方向。图1b是频率f=1.8 MHz,晶片直径D=18 mm,距入射点距离r=150 mm处,且入射角为第一临界角时质点位移的幅值A分布(以极坐标表示的指向性图)。

　　由图1a可以看出,爬波理论上是平行于表面传播的纵波,但是从图1b的实际主声束特性可以看出,最大能量方向并不是平行于表面,而是与表面成一角度,该角度大小与纵波入射角有关。

　　1.2　爬波的特性