談機械零件檢測中的超聲波探傷技術

鄭立文　趙麗華

摘 要：介紹了超聲波探傷技術特點，重點闡述了超聲波探傷的技術方法及對探傷結果的分析判斷方法。

關鍵詞：機械零件；檢測；超聲波；探傷

中圖分類號：TH17 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.011

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在截面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法。將超聲儀器探頭（此探頭就是產(chǎn)生和發(fā)射超聲波的）接觸被檢查零件，使超聲波傳至零件。當超聲波遇到缺陷時，就會引起反射，再經(jīng)過探頭的接收和儀器的放大作用而顯示在超聲儀器的熒光屏上，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。

1 超聲波探傷技術特點

超聲波探傷能對金屬和非金屬內(nèi)部的缺陷進行非破壞性檢查。它的速度快、穿透能力強、靈敏度高并且效果好。能探測5～300 mm厚的零件，可以立即判斷出缺陷的深度、位置、范圍和性質(zhì)。此外，它的設備輕巧、操作方便、成本低并且對人體無害。

為了使超聲波盡可能地傳入零件內(nèi)部，要求零件表面應平整光滑，最好零件表面粗糙度Ra不大于3.2 μm，以使零件表面與探頭接觸良好。

在臨近探傷表面的一段距離內(nèi)如有缺陷，其反射波和始波無法分辨出來，因而無法判斷其有無缺陷，故此距離內(nèi)稱為盲區(qū)。盲區(qū)大小是由儀器設計參數(shù)決定的。我國出產(chǎn)的超聲波探傷儀，在鋼材中其盲區(qū)一般為5 mm左右。如果使用能產(chǎn)生表面波的探頭，可以探測零件表面的缺陷，以彌補縱、橫波探傷所難以發(fā)現(xiàn)的“死區(qū)”內(nèi)部缺陷的不足之處。同樣，每一型式的超聲波探傷儀都有一定的分辨率，即對零件內(nèi)部相鄰近兩個缺陷的區(qū)分能力。一般的超聲波探傷儀在鋼材中的分辨率為5 mm左右。超聲波探傷在農(nóng)機修理中主要用于對軸類零件的探傷，但對汽缸套檢查效果不是很好。

2 超聲波探傷的方法

超聲波探傷的方法有穿透法、共振法及脈沖反射法3種，常用的為脈沖反射法。現(xiàn)代超聲波探傷已逐步向顯像法及自動化方向發(fā)展，以下簡單介紹脈沖反射法。

脈沖反射法是利用超聲波在兩種不同的介質(zhì)表面上發(fā)生反射作用，由脈沖反射式超聲波探傷儀發(fā)射超聲波，并將反射回來的超聲波通過接收儀，在熒光屏上以可見光波的形式顯示出來，來達到探傷目的。當零件內(nèi)部有缺陷時，射入的超聲波除碰到零件的底面發(fā)生反射外，碰到缺陷亦會發(fā)生反射。因為缺陷處和底面至零件表面的聲程不同，故在熒光屏上顯示出距離和底面及表面成正比例的缺陷反射波。當零件內(nèi)部沒有缺陷時，則熒光屏上只有底波、始波，而沒有缺陷反射波。

3 超聲波探傷結果的分析判斷

3.1 缺陷性質(zhì)的分析判斷

由于零件內(nèi)部的各種缺陷其形成原因、性質(zhì)、形狀及大小的不同，超聲波反射的波幅高度、波的形狀、波的分布及反射波的次數(shù)等情況也不同。在超聲波探傷過程中，常碰到如圖所示的各種情況：

（1）無缺陷時的正常波。底波反射信號與始波反射信號一樣高，如圖中a所示。

（2）裂紋波。在裂紋內(nèi)一般存在空氣，對超聲波反射較強，通常有較大的反射面積，反射波形狀一般尖銳角多，稍移動探頭，波形不馬上消失，而是慢慢降低，有明顯的方向性，如圖中b所示。

（3）氣孔波。因氣孔形狀較規(guī)則，并充滿氣體，對超聲波反射強，在熒光屏上出現(xiàn)一個小而獨立尖銳的波，因其體積小，稍移動探頭，反射波即會消失，并從不同方向皆可探測，如圖中c所示。

（4）夾渣缺陷波。缺陷形狀不規(guī)則，反射波呈多角較寬，波形較裂紋波遲鈍和矮小，如圖中d所示。

（5）疏松缺陷波。因很多細小和顯微性縮孔密集所造成，對聲能吸收大，嚴重時甚至無缺陷波也無底波，如圖中e所示。

（6）白點缺陷波。白點亦屬鋼中的一種微細的內(nèi)部裂紋，系在熱加工后冷卻較快，由于氫的擴散而形成。一般是多個在一起的，屬于內(nèi)部小裂紋群，分布較均勻，彼此獨立，缺陷波反射數(shù)目較多，比較尖銳，如圖中f所示。

3.2 缺陷位置的判斷

當用超聲波發(fā)現(xiàn)缺陷后，了解缺陷在零件內(nèi)部存在的位置是十分重要的。因為知道其位置后才便于處理。超聲波探傷的缺陷定位方法較多，現(xiàn)就比較常用的幾何刻度法介紹如下：為了便于缺陷定位，在熒光屏或在透明有機玻璃板上刻有十等分刻度線，將始波和底波分別與刻度線0和10對齊，從而就可方便的比較出缺陷的位置。根據(jù)缺陷波出現(xiàn)在幾何刻度上的某一相應位置，便可以定出缺陷位置。如零件在探傷方向上長為100 mm，并與幾何刻度相對應，此時如在刻度5處出現(xiàn)缺陷波，則可得知實際缺陷是被探零件在探測方向上1/2處，即距離探測面50 mm處。

3.3 缺陷大小的判斷

零件經(jīng)超聲波探傷發(fā)現(xiàn)缺陷后，必須確定其大小，以判定零件質(zhì)量情況。確定缺陷大小的方法有試塊比較法、半波高度法及脈沖消失法等。試塊比較法是將缺陷波的幅度與試塊上相應人造平底孔缺陷波的幅度比較，如缺陷波與平底孔波幅度相等時，便可得知缺陷相當于試塊上平底孔的大小。但采用此法時必須做到試塊材料應與被探零件材料一樣，探測時儀器的靈敏度要一樣，也就是用同一臺儀器的同一種靈敏度探測零件和試塊。半波高度法適合于檢查埋藏深度不大，界面整齊的缺陷。此法的實質(zhì)是根據(jù)缺陷反射波能量減半的原理而建立的。脈沖消失法適用探測大面積的缺陷。