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超聲波探傷時耦合劑的選用原則 超聲波探頭與被檢工件之間存在空氣時，超聲波將被反射而無法進(jìn)入被檢工件，為了使超聲波能順利透射進(jìn)入被檢工件，在超聲波探頭與被檢工件檢測面之間需要施加能透聲的耦合介質(zhì)，也就是俗稱的耦合劑，并且要排除此間的空氣。視耦合方式的不同，可以分為： 1.接觸法：超聲波探頭與工件檢測面直接接觸，其間施以耦合劑。耦合劑一般為液體或流質(zhì)，它的作用是填平表面上的凹凸不平，便于探頭在工件檢測面上移動掃查，并且排除（取代）探頭與檢測面之間的空氣。 耦合劑的選用原則主要有以下六個方面： 1）耦合劑的聲阻抗應(yīng)盡量與工件的聲阻抗接近以提高透聲性； 2）潤濕性好，在工件表面易于鋪展并與工件表面結(jié)合，以利排除空氣與異物的干擾； 3）粘度適當(dāng)，便于探頭在檢測面上的移動掃查，也要易于清洗或清除； 4）對工件無腐蝕，對操作人員無毒、無損害； 5）價格便宜； 6）來源方便； 工業(yè)超聲波檢測中常用的耦合劑有： 1）機(jī)油：多使用20~40號機(jī)油，呈液體狀，易流動，應(yīng)當(dāng)注意不同編號的機(jī)油有不同的粘度（編號越大，粘度越高），當(dāng)環(huán)境溫度不同時其粘度也有一定變化。 用機(jī)油作耦合劑，多用于一般的毛糙表面和機(jī)械加工零部件的超聲檢測。由于機(jī)油的價格相對比較便宜，來源方便，對工件無腐蝕，對操作人員無害，因此是廣泛應(yīng)用的耦合劑。但是，利用機(jī)油作耦合劑的缺點(diǎn)是對聲接觸壓力比較敏感，即施加在探頭上的壓力不同時，接收到的超聲回波幅度變化比較顯著，因此對操作人員的操作技能（保持接觸耦合力度的穩(wěn)定性）要求高一些。 2）潤滑油：這里特指如壓縮機(jī)潤滑油、蒸汽機(jī)潤滑油、錠子油、工業(yè)凡士林、黃油、潤滑脂等粘度較高的、流動性較差的潤滑油，適用于表面較粗糙的工件以及用于仰探或立探（側(cè)探）等場合。 3）甘油（丙三醇，C3H5(OH)3）：這是一種透聲效果很好，并且對聲接觸壓力不敏感的耦合介質(zhì)，以化學(xué)分析純的等級為，適用于表面光潔度較高的工件。缺點(diǎn)是價格較高，而且它所具有的吸水性強(qiáng)的特點(diǎn)容易導(dǎo)致在敞開的容器中放置一段時間后就會因?yàn)槲湛諝庵械乃侄贡旧頋舛劝l(fā)生變化-粘度變化，影響作為耦合劑的性能一致性。 應(yīng)當(dāng)注意正是它所具有的這種吸濕性，使得被檢驗(yàn)過的工件需要用水及時清洗，防止殘留的甘油吸濕引起工件的銹蝕，濃度高的甘油也會對操作人員的皮膚吸濕導(dǎo)致皮膚干裂，因此應(yīng)戴塑膠手套或者工作后及時用清水洗凈。此外，甘油對工件表面的潤濕性不夠好也是其缺點(diǎn)。 4）水玻璃（硅酸鈉，Na2SiO3）：水玻璃的透聲效果也是較好的，而且價格較便宜，但是和甘油具有相同的吸水性強(qiáng)的特點(diǎn)，在敞開的容器中放置一段時間后就會因?yàn)槲湛諝庵械乃侄節(jié)舛热菀装l(fā)生變化。在實(shí)際應(yīng)用中為了保持聲耦合效果的穩(wěn)定，要求在每個工作班使用前用波美比重計測試其比重，在必要時進(jìn)行濃度調(diào)整以保持耦合效果時的比重。水玻璃有弱堿性，對操作人員的皮膚及被檢工件（特別是鋁、鎂合金）有一定的腐蝕性，使用后必須及時用清水沖洗干凈。 水玻璃主要用于表面粗糙的工件，特別是可以采用所謂“地毯法”耦合，即在被檢工件粗糙的檢測表面上先均勻涂布一層濃度較高的水玻璃，待其干涸后即已將粗糙表面填平為平整表面，再在上面涂布較稀的水玻璃或機(jī)油耦合進(jìn)行檢測，可以獲得較好的耦合效果。 5）的超聲波檢測耦合劑：這是綜合考慮了耦合劑所需要的透聲性（聲阻抗）、潤濕性、粘度等要求而專門配制的超聲波檢測耦合劑，目前已有商品化產(chǎn)品出售，耦合效果較好，但價格較高。 6）化學(xué)漿糊（羧甲基纖維素，又稱強(qiáng)力CMC、糊精或化學(xué)漿糊）：這是一種由淀粉（如玉米等）提煉而成的食品添加劑，其應(yīng)用范圍極廣，如食品增稠劑，藥物輔料等。它是優(yōu)良的水溶性膠料，一般可以1:10左右的比例與自來水調(diào)配成“工業(yè)膠水”用作超聲波檢測的耦合劑，適用于一般粗糙度表面的工件，價格很便宜（工業(yè)純的等級即可），對工件無腐蝕，對人體無害，但是由于其干涸后黏附在工件表面會影響工件外觀以及后續(xù)表面處理，因此檢測后也要求及時用清水沖洗干凈。 7）高溫耦合劑：這也是專門配制的商品化超聲波檢測耦合劑，具有較好的隔熱性能，適用于處在較高溫度（例如100℃甚至更高）的工件的在役超聲波檢測。 在采用接觸法檢測表面粗糙的工件時，還可以在檢測表面鋪放細(xì)棉布或的確良布，甚至紗布等，用干凈的水浸潤，探頭則在布上移動掃查，也能得到較好的耦合效果（相當(dāng)于水間隙耦合）。對毛糙表面的接觸法檢測中的耦合方法還有采用潤滑油作底層，上面鋪設(shè)膠片（如廢的X光膠片）或金屬箔，再涂布機(jī)油，或者用機(jī)油作底層，上面鋪設(shè)塑料薄膜等等，不過這些耦合方法的檢測靈敏度通常較低。 在以接觸法檢測時，要特別注意考慮工件的表面光潔度，表面光潔度越高，界面上因漫散射造成的聲能損失越少，透入工件的聲能就越多，檢測靈敏度也就越高，越有利于發(fā)現(xiàn)較小的缺陷，這時的耦合劑粘度可不必太大。當(dāng)工件表面粗糙時，毛糙界面對入射超聲波的漫散射干擾使得透入工件的聲能減小，而且始波占寬加大，降低了近表面分辨率和檢測靈敏度，為此而需要提高儀器的增益和發(fā)射強(qiáng)度，犧牲信噪比，而且也需要采用粘度較大的耦合劑為宜。此外，被檢工件的表面應(yīng)該是清潔的，沒有妨礙檢測的污物、浮銹（松動的氧化皮）等，至于鍛件上常見的致密細(xì)薄的氧化層，以及像精密鑄件、冷軋鋼板表面所呈現(xiàn)的黑皮狀態(tài)等，由于它們與基體結(jié)合很緊密而且比較平整，在接觸法超聲波檢測時基本上不會影響耦合效果，有時甚至比經(jīng)過機(jī)械粗加工狀態(tài)還好，因此不必除去。 還有一個要考慮的因素是耦合層的厚度，因?yàn)轳詈蠈拥拇嬖跇?gòu)成了中間透聲層，為了提高透聲效果，不僅要考慮聲能在耦合層中的衰減和多次反射干擾造成的始波占寬加大、近表面分辨率降低，還要考慮超聲波在多薄層介質(zhì)中透過時的匹配，這 與耦合劑、被檢介質(zhì)、探頭的壓電晶片、保護(hù)膜，或者斜探頭的斜楔材料的聲阻抗， 以及耦合層中的超聲波長等諸多因素有關(guān)。在連續(xù)波理論中推導(dǎo)的匹配層厚度（λ/2）是指單一波長（單一頻率）的情況，工業(yè)超聲波檢測中使用的是有一定頻帶寬 度的脈沖波，因此應(yīng)主要考慮聲能衰減及多次反射干擾的影響，通過實(shí)驗(yàn)證明，在 滿足檢測靈敏度要求的條件下應(yīng)使耦合層越薄越好。這也是接觸法探傷時要求探頭 對檢測面的接觸壓力達(dá)到 1.5~2.5kg 的原因。 在用平面探頭探測曲表面工件時，應(yīng)當(dāng)注意到耦合劑在邊緣形成 厚度不均勻的情況，相當(dāng)于形成斜楔，有可能會產(chǎn)生變型波（特別是 變型表面波）的干擾。 為了提高水對超聲波探頭和工件表面的潤濕性，可在水中適當(dāng)加入潤濕劑（如 洗滌劑、洗衣粉、洗潔精等），還可適當(dāng)加入防銹劑（如油酸、三乙醇胺混合液，四 硼酸鈉-俗稱硼砂等），以防止水對被檢工件產(chǎn)生的銹蝕作用。例如可按每噸水加入1公斤硫代硫酸鈉和1公斤亞硝酸鈉，可以消除水中氣泡和提高防腐蝕能力。 在水浸法檢測時，應(yīng)注意下面幾個主要問題： 1）在水中垂直入射或傾斜入射（用于在工件中激發(fā)折射橫波或小角度折射縱波等） 時，應(yīng)特別注意入射角度的準(zhǔn)確性。因?yàn)樗目v波聲速約為鋼中縱波聲速的四分之 一左右，當(dāng)水中入射角有 1°的變化時，在鋼制工件中將有約 4°的變化，這是必須 注意的。此外，水的聲速會隨溫度變化，以及有溫差存在時，水會發(fā)生對流，也將 會影響檢測靈敏度并導(dǎo)致聲路彎曲。 3）水距的選擇：一般的水浸法檢測是指探頭發(fā)出的超聲波經(jīng)過一定厚度的水層再進(jìn) 入被檢工件。理想的情況是將近場區(qū)置于水中，使靈敏度且聲壓分布有規(guī)律的 區(qū)域落入被檢工件內(nèi)，并應(yīng)保證被檢工件的第二次界面回波落在工件次底面回 波之后，以免造成干擾。 水浸法檢測的水距確定原則是： ①水距應(yīng)為水中距離-振幅曲線上近場末端 N 點(diǎn)左邊下降 6 分貝處到探頭輻射 面的距離，即圖中的 OA 段，此時聲壓的區(qū)域?qū)⒙湓诒粰z工件內(nèi)，從而可以保 證較高的檢測靈敏度； ②為了保證工件上第二次界面回波落在次底面回波之后，水距的大小h應(yīng)至少滿 足：h≥(C水/C工件)•t，式中t為工件厚度，C水為水中縱波速度，C工件為工件中縱波聲 速。在使用水浸聚焦探頭檢測時，由于水中聲速低于工件中的聲速，在水中聚焦的聲束進(jìn)入工件后將會再次聚焦（二次聚焦），故其水距的選擇應(yīng)按下式計算： H=F-δ(C工件/C水)，式中F為探頭在水中的焦距，δ為工件中二次聚焦焦點(diǎn)到工件探測 面（界面）的距離。茲證明如下： ∴按正弦定理有b/sinα=S2/sin[180°-α-(β-α)]=S2/sinβ ∵(F-H)/S2=cosα，δ/b=cosβ ∴S2=(F-H)/cosα，b=δ/cosβ ∴b/sinα=S2/sinβ 變成 δ/sinα·cosβ=(F-H)/sinβ·cosα， 即H=F-δ(sinβ·cosα/sinα·cosβ)=F-(C工件/C水)δ(cosα/cosβ) ∵α 角很小，故 cosα≈1，cosβ≈1，∴cosα/cosβ≈1 原式變成H=F-δ(C工件/C水)（近似式） 其他水浸檢測方法還有局部水浸法，如噴水柱法、溢水法、水間隙法等。 綜上所述，聲耦合的方式方法是多種多樣的，具體選用何種耦合方式，要視具體條件、要求和情況決定，概括起來有以下選擇原則： ②便于操作； ③應(yīng)考慮滿足檢測效率的要求，特別是在大批量檢測時更要重視這一問題； ④能夠減輕檢測人員的勞動強(qiáng)度； ⑤具有低廉的成本。 |
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