粗糙表面超聲探傷耦合劑的研究

摘要：在超聲探傷中，經常遇到測試面較粗糙。如用常規耦合劑時，其耦合劑損耗大，聲能透過率低，探傷效果較差。本文介紹了一種適合在粗糙表面上進行超聲探傷的耦合劑，其聲學性能優于其他類型的耦合劑，應用到球墨鑄鐵曲軸超聲探傷中，效果很好，由于其制備方法簡單，成本低，使用損耗小，可較大地提高超聲探傷靈敏度，具有很好的應用前景。
關鍵詞：粗糙表面；超聲探傷；耦合劑

前言

　　在常規超聲檢測中，探頭聲源與工件之間必須填充耦合介質以實現聲能的傳遞。它在工件與探頭接觸面上具有排除空氣，充填不平的凹坑和間隙并兼有防磨方便移動的功能。通常在檢測部位先涂耦合劑，再放上探頭進行檢測。在對粗糙表面、斜面、頂部、彎曲表面及垂直平面檢測時，一般的耦合劑流失嚴重，耦合損耗大，聲能透過率減小，從而使檢測靈敏度降低，若使用潤滑脂、黃油等，又會給涂沫、回收帶來麻煩，清洗也不方便。
　　粗糙表面耦合劑是采用親水性的聚合物，用甘油或水作載體配制而成的。它的聲阻抗與透聲性均有較大的提高，從而提高了檢測靈敏度，由于該耦合劑制備簡單，使用損耗少，因此成本較低，在粗糙表面狀態上超聲波檢測中可保證耦合損耗小，聲能通過率增加，提高檢測靈敏度，具有很好的應用前景。

1　粗糙表面耦合劑的研制

　　耦合劑在工件表面的流失損耗主要取決于它的濕潤性。從減少流失損耗的角度考慮應減少耦合劑與工件的濕潤性^［1］，因此選用表面張力較大的水與甘油作載體制備粗糙表面耦合劑，其表面張力分別為72.68×10^-5N/cm和69.9×10^-5N/cm，而水的成本低廉，可大大降低耦合劑成本，甘油的透聲性較好，可制備高靈敏度的耦合劑。粗糙表面耦合劑是不溶于有機溶劑親水性強的聚合物。在制備表面張力較大的粗糙表面耦合劑時，聚合物雖然是親水性的，但它與甘油等載體的親和力較弱，配制有一定難度，需改進常規溶劑的配制方法。除嚴格控制化學反應溫度、濃度、pH值等因素外，還需改變其作用條件、攪拌方式。本方法采用功率超聲振動乳化裝置來配制溶液的新方法，使行溶液里的顆粒非常細小，可使載體與聚合物產生穩定的化合態。放置較長時間也不會產生沉淀現象。從而保證耦合劑的穩定。
　　實驗中采用江蘇張家港市港威超聲儀器廠生產的CG-60型超聲振動乳化機，該機帶有一容量為2升的不銹鋼容器，功率可達60W。它采用自激式電路選頻調節回路，具有結構合理、體積小、重量輕、工作穩定、價格比高等特點，非常適合化學試劑的配制。粗糙表面超聲探傷用耦合劑具體配制過程如下：
　　用海藻酸鈉5份，加蒸水80℃100份，純甘油30份，放入超聲乳化機容器內，再加入甲醛(防腐劑)0.1份，啟動超聲乳化機，容器下放置的大功率即將超聲波振動能量引入溶液中，使溶液中產生“空化”作用，將溶液中的顆粒破碎得非常細小，達到乳化的目的。所謂“空化”作用是指當超聲波這種交變聲壓在液體中傳播時出現稀疏密集狀態。在密集狀態時，液體受到正壓力(約幾個大氣壓)，而在稀疏狀態時，液體受到拉力即負壓力。一般液體都含有一定的氣體，在稀疏狀態時，氣泡增長，并吸收更多的液體中分離出來的氣體，而當再壓縮時，氣泡不斷縮小，在此過程中，液體質點的運動是與逐漸減小的氣泡半徑成反比的，因此，當半徑趨于零時，質量運動速度在理論中應趨于無窮大，如果這一快速度運動的氣泡閉合時突然停止，則集中微小容器內的動能就要釋放出來，一部分變為壓縮能。此時，從閉合泡的中心向外傳播一個球形沖突波，在這一點壓力下有數十個大氣壓，若超聲頻率為20kHz左右時，這種空化作用也是每秒鐘進行兩萬次左右。儀器設置有0～1小時連續可調的定時器，一般設置15～20分鐘即可，*后加入硝酸鈉(防銹劑)0.03份，再通電作用5～10分鐘即成。

2　粗糙表面耦合劑的性能

2.1　聲學性能
　　由于與工件的聲阻抗較高，因此提高粗糙表面耦合劑的聲阻抗就可改善換能器與工件之間的耦合，即該耦合劑應與工件聲阻抗盡量接近，表1列出幾種常用介質、耦合劑聲阻抗的比較，由表中可見粗糙表面耦合劑，具有較高的聲阻抗，其中“1”樣品聲阻抗*高，耦合效果*好。

表1　某些介質、耦合劑的密度、聲速及聲阻抗比較

2.2　檢測工件表面粗糙度和耦合劑
　　耦合效果除了與耦合材料性質、耦合層厚度及耦合層中超聲波波長λ有關外^［2］，檢測工件表面粗糙度也是影響耦合損耗的重要因素。
　　表2列出厚度80毫米的球墨鑄鐵試樣在使用2.5P14直探頭，并用不同耦合劑測試其底面回波高度(B)的差異比較，測試儀器選用南通友聯PXUT-22型數字超聲波探傷儀。

表2　檢測工件表面粗糙度與底面回波高度比較(分貝)

耦合劑

底波分貝值

檢測表面粗糙度(R_z)

25μm

50μm

砂輪打磨

粗車

100μm

黑皮

毛面
(鑄造表面)

變壓器油

+1

-1

-1

-5

-14

-15

-19

30^＃機油

+1

-2

-1

-6

-15

-16

-20

純甘油(99%)

+4

0

+2

-4

-10

-12

-16

水玻璃(99%)

+3

+1

+0.5

-1

-5

-11

-14

捷力達水基耦合劑(仿德國)

+2

-2

-2

-3

-8

-10

-17

德國KK公司產ZG耦合劑

+3

+1

0

-2

-6

-10

-15

粗糙表面耦合劑1^＃

+3

+1

-1

-2

-4

-9

-13

粗糙表面耦合劑2^＃

+2

+1

-2

-4

-7

-11

-14

粗糙表面耦合劑3^＃

+2

0

-2

-5

-9

-14

-19

　　注：表中以粗糙度R_Z=50μm，純甘油99%耦合劑為基準，測試出的數據。

　　從表中可看出1^＃號粗糙表面耦合劑靈敏度*高，說明其耦合效果*好。

3　粗糙表面耦合劑在球墨鑄鐵曲軸探傷中的應用

　　球墨鑄鐵曲軸是內燃機的關鍵部件，與碳鋼相比，球墨鑄鐵具有加工余量少，制造周期短、造價低，制造同種規格的曲軸所需原料少，可使毛坯成本下降80%，而且屈服極限、耐磨損性、減振性均優于鍛鋼，所以越來越受到人們重視。但曲軸在鑄造過程中，由于鑄造工藝操作人員素質等因素影響，難免會出現鑄造缺陷，如縮孔、縮松、氣孔、夾雜等缺陷。為此生產廠家一般在曲軸粗加工后進行磁粉和超聲波探傷，如果經探傷發較大缺陷，曲軸需報廢時，為時已晚。因為機械加工費已付出，還延誤工期，所以，廠家迫切希望在曲軸鑄造出來后，即進行探傷也就是在毛面狀態時就進行探傷，這樣就可節省大量人力、物力。

圖1　曲軸扇板試樣

　　由于曲軸的表面較粗糙，造成聲波漫反射，常規液體耦合劑填充效果差，此外，曲軸的探傷表面大多是圓弧表面，一般液體耦合劑易流失，耦合不穩定，如采用潤滑油、黃油等脂類耦合劑，不僅價格高，涂抹也不方便，回收**也麻煩。粗糙表面耦合劑常態下呈糊狀，它可直接對毛面、彎曲表面進行耦合，不僅流失少，而且可保證良好的聲耦合。由于耦合劑本身有較高的聲阻抗，可以較大地提高探傷靈敏度。圖1為毛坯曲軸上切取的扇板試樣，曲率半徑為R115，中心鉆有5mm的通孔，從圓弧面測量中心孔回波信號波高值(dB值80%滿刻度)用機油耦合，其波高值為58dB、黃油為60dB、粗糙表面耦合劑為65dB。可見，采用黃油比機油能更好地填充粗糙表面和彎曲表面的氣隙，透聲性提高2dB，而粗糙表面耦合劑透聲性比黃油提高了5dB，比機油提高7dB，從而大大提高了探傷靈敏度。

4　結束語

　　粗糙表面耦合劑經過現場實地檢驗證明比較實用，效果較好。由于它呈糊狀，即使朝頂面涂抹，也不會往下滴，從而改善了工作環境。它還是不含油的水溶性物質，清洗時用水即可，無需用有機溶劑，也不會產生廢水，所以對環境無污染。該耦合劑還具有防腐性能，不會使工件表面生銹。由于其制備方法簡單、成本低，可較大地提高探傷靈敏度，因此，適宜在超聲探傷或其他聲學檢測領域中應用。