基于超聲表面波原理的彈簧表面缺陷檢測

張 環(huán)，張新菊

（西安航空動(dòng)力控制科技有限公司，西安 710077）

超聲波檢測廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油開采等行業(yè)中金屬及非金屬材料缺陷的檢測。超聲波的主要類型有縱波、橫波、表面波、板波，其中超聲表面波檢測的應(yīng)用較少。

在筆者公司，柱塞彈簧是比較重要的零件。柱塞彈簧表面坑點(diǎn)、鉗傷等缺陷都會(huì)威脅到飛行安全，而彈簧表面缺陷大多呈開口大、深度淺的形狀，不宜使用滲透檢測，而其材質(zhì)為非鐵磁性材料，所以也不適用于磁粉檢測，筆者采用超聲表面波檢測的方法可有效地檢測出彈簧表面缺陷。

1 超聲表面波檢測原理

1.1 表面波的產(chǎn)生

當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，又稱瑞利波，常用R 表示［1］。

當(dāng)兩種介質(zhì)聲速不同時(shí)，透射部分的聲波會(huì)發(fā)生反射、折射及波形轉(zhuǎn)換的特性。當(dāng)入射波為縱波，從第一介質(zhì)傾斜入射到工件時(shí)，第二介質(zhì)為固體，且橫波在介質(zhì)2中的聲速CS2大于縱波在介質(zhì)1中的速度CL1時(shí)，橫波折射角也大于入射角。當(dāng)入射角大至橫波折射角為90°時(shí)，出現(xiàn)了第二臨界角αⅡ，當(dāng)縱波入射角大于第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中不存在橫波，縱波橫波全部反射，第二介質(zhì)中既無縱波又無折射橫波，只在表面產(chǎn)生表面波［2］。

1.2 表面波的傳播

瑞利波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)沿橢圓軌跡振動(dòng)，是縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)的合成；表面波只能在固體表面?zhèn)鞑?，不能在液體和氣體中傳播；表面波在傳播時(shí)，能量隨傳播深度增加而迅速衰減。

當(dāng)傳播深度超過兩倍波長時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了［3］。故一般認(rèn)為表面波能檢測距工件表面兩倍波長2λ深度內(nèi)的缺陷。

2 超聲表面波檢測儀器調(diào)節(jié)和探頭選擇

2.1 儀器的調(diào)節(jié)

筆者用數(shù)字超聲波探傷儀CTS－3020對柱塞彈簧進(jìn)行檢測前參數(shù)設(shè)置。

（1）檢測范圍為1 000mm；材料聲速為2 900m／s；脈沖移位為82.0mm；探頭零點(diǎn)為0.00μs。

（2）發(fā)射強(qiáng)度強(qiáng)；低雙探頭為off；重復(fù)頻率為6。

（3）角度為62.0°；K值為1.88；角度測量為off。

（4）閘門方式為正；閘門起位為250；閘門寬度為1 000；閘門電平為44%。

（5）增益為83.0dB（±3dB）。

2.2 探頭

探頭為表面波探頭，頻率為5 MHz，晶片尺寸為5mm×7mm。超聲波探傷頻率在0.5～10 MHz之間。

2.2.1 頻率的選擇

對于晶粒較細(xì)的鍛件、軋制件等，一般選用較高的檢測頻率。由于彈簧為精密零件，材質(zhì)較好，經(jīng)過熱處理后晶粒較細(xì)，應(yīng)選擇較高頻率。但頻率過高會(huì)引起嚴(yán)重衰減，出現(xiàn)林狀回波影響檢測。綜合考慮試驗(yàn)選擇5 MHz的探頭。

2.2.2 晶片尺寸的選擇

探頭圓形晶片尺寸一般為φ10～20 mm，晶片大小對聲束指向性，近場區(qū)長度，近距離掃查缺陷和遠(yuǎn)距離缺陷檢出能力有較大影響。晶片尺寸大，波束指向性好，能量集中對探傷有利，遠(yuǎn)距離掃查缺陷能力較強(qiáng)，但是近場區(qū)較大。由于彈簧為小型工件，為了保證較小的近場區(qū)和缺陷定位定量精度，試驗(yàn)選擇較小的晶片，尺寸為5mm×7mm。

3 影響超聲波檢測的原因

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨傳播距離增加，超聲波的能量會(huì)逐漸減弱。引起超聲波衰減的原因很多，主要有擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減。由于聲波的衰減大，探測時(shí)每根彈簧必須從兩端進(jìn)行探傷［4］。

3.1 熱處理對超聲波衰減的影響

其中散射衰減和吸收衰減是由于介質(zhì)本身的粘滯性和介質(zhì)界面雜亂反射引起的衰減。所以在對彈簧進(jìn)行超聲波檢測時(shí)，彈簧應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，并且將超聲波檢測置于熱處理之后，這樣介質(zhì)本身引起的衰減就會(huì)減少，否則檢測時(shí)超聲波衰減過大，會(huì)造成無底波的現(xiàn)象，無法正常進(jìn)行檢測。如果材料中某些組織存在不均勻性，如碳化物偏析、粗晶區(qū)、表面應(yīng)力等，檢測結(jié)果也會(huì)受到影響。

3.2 表面粗糙度（Ra）對超聲波衰減的影響

粗糙表面容易使表面波散射衰減，順加工刀痕探測比垂直于刀痕方向探測衰減要小。黏在工件表面的水垢、鐵銹對表面波起到強(qiáng)烈衰減作用。檢測之前應(yīng)檢查彈簧表面粗糙度，一般情況下，Ra應(yīng)不大于1.6μm。

3.3 表面清潔對檢測的影響

工件表面水垢、鐵銹、油污液對表面波起強(qiáng)烈衰減作用。若機(jī)油等污物沾染到探頭的非接觸面上，表面波遇到液體液滴時(shí)除產(chǎn)生衰減外，其中與接觸面垂直的表面波進(jìn)入液滴又反射產(chǎn)生回波，影響對缺陷波的判斷，將會(huì)產(chǎn)生偽缺陷的波峰。所以，彈簧在檢測之前必須清洗的十分干凈，表面不得有金屬末、鐵銹、水垢、油垢、氧化皮等。

工件表面如附有油層時(shí)，因表面波垂直向油層輻射，故表面波衰減嚴(yán)重，以至完全消失。因此用沾有油的手指貼在表面波的反射點(diǎn)或其傳播途徑上，表面波也會(huì)立即衰減掉，這個(gè)特點(diǎn)也可以用來判斷缺陷位置。

4 檢測對比試塊和判廢曲線制作

超聲表面波檢測彈簧表面缺陷采用試塊法。檢測應(yīng)定期用試塊校驗(yàn)曲線和靈敏度。

4.1 試驗(yàn)檢測條件

試驗(yàn)檢測不應(yīng)在影響正常工作的強(qiáng)磁、振動(dòng)、高頻、粉塵、有腐蝕性氣體及噪音大的場所進(jìn)行；試驗(yàn)檢測應(yīng)避開或遮住明亮的光線；試驗(yàn)檢測場所的溫度及濕度應(yīng)控制在儀器、設(shè)備及器材所允許的范圍內(nèi)。

4.2 試塊的作用

試塊的作用是確定缺陷反射波的波幅。利用試塊的缺陷反射波的高度作為標(biāo)準(zhǔn)波高，來比較被檢測彈簧中所存在的缺陷與試塊中所存在的缺陷大小，以此標(biāo)準(zhǔn)來判斷缺陷是否超標(biāo)。

4.3 試塊的制作

試塊缺陷大小的確定，是根據(jù)彈簧表面各類缺陷的尺寸經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出的。制作超聲波檢查用的彈簧試塊，應(yīng)先用4倍放大鏡挑選無缺陷的彈簧，再用超聲表面波檢測無缺陷、雜波低的彈簧來制作試塊，將彈簧固定后在外圓的中間位置用一定載荷的表面洛氏硬度計(jì)壓下人工壓坑。

彈簧試件應(yīng)定期校驗(yàn)，在使用之前須用清洗劑清洗干凈并干燥，不得碰傷或與腐蝕性物質(zhì)接觸。使用之后，應(yīng)清洗干燥并放入防銹油中進(jìn)行保護(hù)。

4.4 制作判廢線

根據(jù)表面波檢測的原理，超聲波在傳播過程中隨著傳播距離的增大，其能量不斷衰減，即同樣大小的缺陷，在同一靈敏度下，隨著離入射點(diǎn)距離的增大，其反射波高度隨之下降［5］。

據(jù)此原理，對多個(gè)相同尺寸不同距離的缺陷分別進(jìn)行檢測，將其波峰依次連接起來，即得到判廢曲線（距離－波幅曲線），如圖1所示。首先調(diào)節(jié)掃描速度為1…10，然后在1＃試塊上檢測，找到缺陷波最高反射點(diǎn)，調(diào)節(jié)衰減器使缺陷波高度為滿波高度的80%找到一個(gè)點(diǎn)，依次在2＃、3＃、4＃、5＃標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行檢測，找到缺陷波最高反射點(diǎn)，此五點(diǎn)連接成的線為判廢線。

圖1 判廢曲線（距離－波幅曲線）

檢測彈簧時(shí)，如果熒光屏上出現(xiàn)有缺陷波高度超過曲線的，則該彈簧視為不合格，每次檢測前應(yīng)用試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，檢測過程中也應(yīng)定時(shí)用試塊對探傷儀和探頭的綜合性能進(jìn)行校準(zhǔn)。

5 檢測注意事項(xiàng)

（1）調(diào)整好探頭與儀器后，先將探頭緊靠彈簧一端的支撐圈表面進(jìn)行檢測，觀察檢測儀屏幕時(shí)基線上的缺陷波情況；用同樣的方法對另一端進(jìn)行檢測。檢測時(shí)應(yīng)找準(zhǔn)入射點(diǎn)，應(yīng)如圖2所示放置探頭，找到缺陷的最高反射波再進(jìn)行判斷，超聲波入射方向應(yīng)與彈簧繞制方向一致。

（2）檢測時(shí)耦合劑應(yīng)使用油類耦合劑，用探頭粘少許耦合油，涂在支撐圈上，切忌涂油太多，因?yàn)楫?dāng)耦合層厚度為λ／4時(shí)的奇數(shù)倍時(shí)，透聲效果差，反射回波低；當(dāng)耦合層厚度為λ／2時(shí)的整數(shù)倍或很薄時(shí)，透聲效果最好，反射回波最高。檢測時(shí)應(yīng)盡量避免手或油污觸碰到零件。

圖2 超聲表面波檢測示意圖

（3）當(dāng)試件與被檢測彈簧組織和表面狀態(tài)有差異而影響檢測靈敏度時(shí)，可使用本批彈簧制作試件，用此試件做為此批彈簧檢測的對比試塊。

（4）超聲波檢測不應(yīng)在強(qiáng)磁、高頻、高溫、震動(dòng)、灰塵或者有腐蝕性氣體的環(huán)境下進(jìn)行。

（5）判斷缺陷位置時(shí)可使用細(xì)棒蘸取一點(diǎn)機(jī)油，在接觸彈簧后屏幕上會(huì)多出一個(gè)波峰，此波峰為細(xì)棒觸到的位置；慢慢移動(dòng)細(xì)棒在彈簧上的位置，使此波峰接近缺陷波的位置，當(dāng)兩波峰重合時(shí)，細(xì)棒觸到的位置就是缺陷的大致位置。

6 結(jié)論

超聲表面波技術(shù)利用瑞利波在固體表面?zhèn)鞑サ奶攸c(diǎn)，檢測彈簧零件表面及近表面的缺陷，用對比試塊法判斷缺陷是否超標(biāo)，再利用彈簧對比試塊制作評(píng)估缺陷的距離波幅曲線能有效提高工作效率。此方法對柱塞彈簧表面缺陷進(jìn)行檢測，能有效地檢測出彈簧的表面缺陷，該檢測方法對于其他材料或零件表面缺陷的檢測也有明顯的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測分會(huì).超聲波檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］孫朝明.超聲波檢測中波形轉(zhuǎn)換的計(jì)算分析［J］.無損檢測，2014，36（2）：10－12.

［3］郭偉.超聲波檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］馮婒妮，祿芳菊，龐虎平，等.聲發(fā)射波在不同復(fù)合材料容器表面的衰減特性［J］.無損檢測，2014，36（12）：69－72.

［5］王晨，右方芳，李世忠，等.超聲波檢測鋼鍛件材料衰減系數(shù)的誤差分析及解決方法［J］.無損檢測，2014，36（6）：29－31.