談機(jī)械零件檢測中的超聲波探傷技術(shù)

鄭立文　趙麗華

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

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件；檢測；超聲波；探傷

中圖分類號：TH17 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)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(dāng)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(shù)特點

超聲波探傷能對金屬和非金屬內(nèi)部的缺陷進(jìn)行非破壞性檢查。它的速度快、穿透能力強(qiáng)、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(shè)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(yīng)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(shè)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(bǔ)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(jī)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(dá)到探傷目的。當(dāng)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(dāng)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(jié)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(qiáng)，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(qiáng)，在熒光屏上出現(xiàn)一個小而獨(dú)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(xì)小和顯微性縮孔密集所造成，對聲能吸收大，嚴(yán)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(xì)的內(nèi)部裂紋，系在熱加工后冷卻較快，由于氫的擴(kuò)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(dú)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(dāng)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(jī)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(dāng)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(yīng)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。