基于超聲表面波原理的彈簧表面缺陷檢測

張 環，張新菊

（西安航空動力控制科技有限公司，西安 710077）

超聲波檢測廣泛應用于航空、航天、石油開采等行業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、鉗傷等缺陷都會威脅到飛行安全，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 表面波的產生

當介質表面受到交變應力作用時，產生沿介質表面傳播的波，稱為表面波，又稱瑞利波，常用R 表示［1］。

當兩種介質聲速不同時，透射部分的聲波會發生反射、折射及波形轉換的特性。當入射波為縱波，從第一介質傾斜入射到工件時，第二介質為固體，且橫波在介質2中的聲速CS2大于縱波在介質1中的速度CL1時，橫波折射角也大于入射角。當入射角大至橫波折射角為90°時，出現了第二臨界角αⅡ，當縱波入射角大于第二臨界角時，第二介質中不存在橫波，縱波橫波全部反射，第二介質中既無縱波又無折射橫波，只在表面產生表面波［2］。

1.2 表面波的傳播

瑞利波傳播時，質點沿橢圓軌跡振動，是縱向振動和橫向振動的合成；表面波只能在固體表面傳播，不能在液體和氣體中傳播；表面波在傳播時，能量隨傳播深度增加而迅速衰減。

當傳播深度超過兩倍波長時，質點的振幅就已經很小了［3］。故一般認為表面波能檢測距工件表面兩倍波長2λ深度內的缺陷。

2 超聲表面波檢測儀器調節和探頭選擇

2.1 儀器的調節

筆者用數字超聲波探傷儀CTS－3020對柱塞彈簧進行檢測前參數設置。

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

（2）發射強度強；低雙探頭為off；重復頻率為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，材質較好，經過熱處理后晶粒較細，應選擇較高頻率。但頻率過高會引起嚴重衰減，出現林狀回波影響檢測。綜合考慮試驗選擇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，近場區長度，近距離掃查缺陷和遠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，遠距離掃查缺陷能力較強，但是近場區較大。由于彈簧為小型工件，為了保證較小的近場區和缺陷定位定量精度，試驗選擇較小的晶片，尺寸為5mm×7mm。

3 影響超聲波檢測的原因

超聲波在介質中傳播時，隨傳播距離增加，超聲波的能量會逐漸減弱。引起超聲波衰減的原因很多，主要有擴散衰減、散射衰減和吸收衰減。由于聲波的衰減大，探測時每根彈簧必須從兩端進行探傷［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本身的粘滯性和介質界面雜亂反射引起的衰減。所以在對彈簧進行超聲波檢測時，彈簧應進行適當的熱處理，并且將超聲波檢測置于熱處理之后，這樣介質本身引起的衰減就會減少，否則檢測時超聲波衰減過大，會造成無底波的現象，無法正常進行檢測。如果材料中某些組織存在不均勻性，如碳化物偏析、粗晶區、表面應力等，檢測結果也會受到影響。

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烈衰減作用。檢測之前應檢查彈簧表面粗糙度，一般情況下，Ra應不大于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烈衰減作用。若機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除產生衰減外，其中與接觸面垂直的表面波進入液滴又反射產生回波，影響對缺陷波的判斷，將會產生偽缺陷的波峰。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，因表面波垂直向油層輻射，故表面波衰減嚴重，以至完全消失。因此用沾有油的手指貼在表面波的反射點或其傳播途徑上，表面波也會立即衰減掉，這個特點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。檢測應定期用試塊校驗曲線和靈敏度。

4.1 試驗檢測條件

試驗檢測不應在影響正常工作的強磁、振動、高頻、粉塵、有腐蝕性氣體及噪音大的場所進行；試驗檢測應避開或遮住明亮的光線；試驗檢測場所的溫度及濕度應控制在儀器、設備及器材所允許的范圍內。

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準波高，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，以此標準來判斷缺陷是否超標。

4.3 試塊的制作

試塊缺陷大小的確定，是根據彈簧表面各類缺陷的尺寸經統計分析得出的。制作超聲波檢查用的彈簧試塊，應先用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壓下人工壓坑。

彈簧試件應定期校驗，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接觸。使用之后，應清洗干燥并放入防銹油中進行保護。

4.4 制作判廢線

根據表面波檢測的原理，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，隨著離入射點距離的增大，其反射波高度隨之下降［5］。

據此原理，對多個相同尺寸不同距離的缺陷分別進行檢測，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。首先調節掃描速度為1…10，然后在1＃試塊上檢測，找到缺陷波最高反射點，調節衰減器使缺陷波高度為滿波高度的80%找到一個點，依次在2＃、3＃、4＃、5＃標準試塊進行檢測，找到缺陷波最高反射點，此五點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，如果熒光屏上出現有缺陷波高度超過曲線的，則該彈簧視為不合格，每次檢測前應用試塊進行校準，檢測過程中也應定時用試塊對探傷儀和探頭的綜合性能進行校準。

5 檢測注意事項

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

（2）檢測時耦合劑應使用油類耦合劑，用探頭粘少許耦合油，涂在支撐圈上，切忌涂油太多，因為當耦合層厚度為λ／4時的奇數倍時，透聲效果差，反射回波低；當耦合層厚度為λ／2時的整數倍或很薄時，透聲效果最好，反射回波最高。檢測時應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）當試件與被檢測彈簧組織和表面狀態有差異而影響檢測靈敏度時，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）超聲波檢測不應在強磁、高頻、高溫、震動、灰塵或者有腐蝕性氣體的環境下進行。

（5）判斷缺陷位置時可使用細棒蘸取一點機油，在接觸彈簧后屏幕上會多出一個波峰，此波峰為細棒觸到的位置；慢慢移動細棒在彈簧上的位置，使此波峰接近缺陷波的位置，當兩波峰重合時，細棒觸到的位置就是缺陷的大致位置。

6 結論

超聲表面波技術利用瑞利波在固體表面傳播的特點，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，再利用彈簧對比試塊制作評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勢和應用前景。

［1］中國機械工程學會無損檢測分會.超聲波檢測［M］.北京：機械工業出版社，2004.

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

［3］郭偉.超聲波檢測［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］馮婒妮，祿芳菊，龐虎平，等.聲發射波在不同復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的誤差分析及解決方法［J］.無損檢測，2014，36（6）：29－31.