导读

在对10mm的大口径铝制螺旋管焊缝进行无损检测时，由于此部件是铝制薄板螺旋形长管道，我们采用现阶段掌握成熟的无损检测技术，如射线检测、超声检测、TOFD检测、相控阵检测等无损检测技术对其进行检测时效率不高而且并不实用。

我们首先想到并提出了采用超声导波的检测方法及方案并进行了试验，现予以以下总结。

超声波的技术原理

2.1超声导波的概念

导波是超声波的一种，是由于介质边界的存在而产生的波，导波在传播过程中以反射与折射的方式与边界发生作用，发生横波和纵波间的模态转换，所以导波就呈现出了超声体波所不具有的一些特点。

尽管导波检测通常被认为是远程超声波检测，但是从根本上它与传统的超声波检测并不相同。与传统超声波检测相比，导波检测使用非常低频的超声波，通常在10~100kHZ。

有时也使用更高的频率，但是探测距离会明显减少。

通常的超声波检测中，超声波在无限介质体内传播（波长远远小于工件厚度），远离边界，称之为体波。

导波则通常以反射和折射的形式与边界发生相互作用经介质边界制导传播，传播中纵波与横波相互间进行模态转换。

导波最主要的特征就是频散现象、群速度与相速度不一致、较远的传播距离。

导波传播如下图：

图1  导波传播示意图

群速度与相速度是导波理论中两个最基本的概念，所谓群速度是指脉冲波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度，是波群的能量传播速度。

而相速度是波上相位固定的一点传播方向的传播速度。

群速度与相速度的关系如下图：

Cg=△l1/t1 ，Cg—群速度，△l1—群速度传播距离，t1—群速度传播时间

Cp=△l 2/t2，Cp—相速度，△l2—相速度传播距离，t2—相速度传播时间

图2 群速度与相速度关系图

2.2超声导波的优点

在管道的一端激励超声导波，由于导波的上述特性，它可以沿管道轴向方向传播非常远的距离，最远可达几十米。

探头接收到的信号包含了激励和接收两点间部件整体性的信息。

而且，导波的传播特性决定了在部件整个壁厚方向都存在声场，这意味着部件壁厚方向上的具有反射条件的信号都能被检测到，所以导波无论是对部件的表面缺陷还是内部缺陷都具备一定的检测能力。

因此，超声导波可对管道、管路进行长距离检测，包括10mm大口径铝制螺旋管焊缝等不可攀爬的长距离管道检测。

导波多模态导波接受模型如下图：

图3  多模态导波接收模型图

导波在10mm大口径螺旋管焊缝中的应用分析

3.1制作频散曲线

受到波导几何尺寸的影响，在波导中传播的超声波速度依赖于导波频率，从而产生超声波的几何弥散，即导波的相速度随频率的不同而改变，称之为频散现象。

导波的相速度是导波频率的函数，频散曲线是指频率与相速度的关系曲线。

由于相速度只与材料本身有关系，所以，一定的材质、一定的规格有一条特定的频散曲线。

我们通过软件制作了10mm铝板的频散曲线，如下图：

图4  10mm铝板频散曲线

3.2探头的选择

3.2.1探头频率的选择

我们常用的国产超声脉冲检测探头中心谐振频率档次为0.5、1、1.25、2、2.5、5、6、10、15、25MHZ等。

我们知道，探头频率越高，晶片越薄，灵敏度越高，衰减越大，探头频率越低，晶片越厚，灵敏度越低，衰减越小。

我们通常用的探头的标称频率为1~5MHZ，在考虑到我们所检测的部件为铝制螺旋形管焊缝，需要较远的传播距离，所以我们采用标称频率为1MHZ的探头。

3.2.2探头入射角与晶片尺寸

根据snell定理， Cw/sinα=Cp/sinβ，我们通过上述频散曲线查得相速度Cp =3300m/s，查资料得出有机玻璃中纵波声速Cw =2730m/s，sinβ=1，求得α=55.8°。

我们选取晶片尺寸为13×13的即可。

3.3仪器的调节

因为需要较远的传播距离，我们把仪器的检波模式调节为射频模式。

如下图：

图5  射频模式图形

3.4对比试样

我们从10mm大口径铝制螺旋管焊缝取样一段，人工钻孔Φ2mm通孔。

对比试样如下图：

图6  对比试样图

3.5灵敏度调节

Φ2mm通孔和试样端部的反射波形，如下图：

图7 Φ2mm通孔反射波形

图8 端部反射波形

我们通常以传播速度最快的的波形即最先被探头接受的信号为评判缺陷的依据，如图8所示，用仪器的闸门套住最前面的波。

结语

4.1超声导波可以在10mm大口径铝制螺旋管焊缝内有效传播，并发现一定尺寸的缺陷，所以超声导波可以对10mm大口径铝制螺旋管焊缝进行检测。

4.2超声导波检测10mm大口径铝制螺旋管焊缝的步骤如下：

4.2.1根据被检工件的材质、规格计算出频散曲线；

4.2.2根据工件确定探头频率；

4.2.3根据频率与频散曲线确定相速度，根据snell定理确定探头入射角；

4.2.4根据频率和探头入射角制作探头；

4.2.5制作对比试样确定灵敏度

参考文献：

【1】牛晓光 超声导波技术在电力生产中的应用课件

【2】郑晖，林树青 超声检测 中国劳动出版社 2010年05月

【3】李衍，强天鹏 管道长距离超声导波检测新技术的特性和应用  无损探伤（双月刊） 2002年第4期

【4】周正干，冯占英，高翌飞 超声导波在大型薄铝板缺陷检测中的应用 航空学报 第29卷 第4期 2008年7月

【5】莫润阳，巨西民，杨静 超声检测中的灵敏度、频率和探头K值 无损检测 2006年 第28卷 第3期

【6】刘镇清 超声无损检测中的导波技术 无损检测 1999-08-15