導波檢測

2024年3月7日發(作者：創業之星)

高頻導波檢測介紹

一、檢測原理

導波是超聲波的一類特殊應用，主要利用波長與聲波角度、工件厚度的特殊關系，由多個不同類型的波組成波群，此波群中包括爬波、縱波、橫波等，以及各波形在工件表面反射時相互轉換所產生的變型波。

爬波系超聲波以縱波臨界角入射時所產生的一種波式，或稱之為沿著次表面行進的縱波，不受表面污垢或耦合劑的影響。單就爬波而言，無法滿足無應力表面之邊界條件，換言之，必同時存在其它的波式始能滿足邊界條件，因此當爬波前進時，會連續泄漏能量轉換為橫波，此稱為頭波。

圖1 探頭在臨界角時所產生的爬波和頭波示意圖，由限定尺寸的探頭所產生。

(C)為爬波，(H)為頭波，(P)為縱波，(S)為橫波

由圖1可以看到，導波波群中包括有爬波、頭波、縱波、橫波等多種型式的波形，由于頭波和爬波的伴生關系，二者在工件內部共同存在。由發射探頭所送出之聲波脈沖引起爬波之生成，爬波遂沿著表面前進，同時沿途泄漏出能量轉換成頭波；接收端接收到一連串的脈沖信號。

圖2 導波信號中所包含的信號

如圖2所示，第一個信號系由原始爬波直接到達接收端，緊接著的信號是頭波經過一個跨距后續以爬波的形式到達接收端，接下來是頭波經過兩個跨距后續以爬波的形式到達接收端，依序得到各個信號；對于信號群前面部份出現較密集的現象所提出的解釋是，因探頭除了產生爬波之外，亦含有其它的波型式，這些波型式復合在爬波的信號之中。

第一次爬波/頭波疊加在一起仍一般相當微弱，然而顯得大的波大多是直接到達接收探頭，在信號的前半部分第一次爬波/頭波與第一次少數頭波/爬波疊加，信號的峰值比較緊密(圖2)。由于頭波是非擴散的波陣面，因此頭波傳播時衰減比較小在信號的 1

后半部分的顯示信號比較高。

因此對于遠距離檢測時，主要利用頭波型式對缺陷進行識別，且由于頭波路徑具有一定的角度，因此對工件表面裂紋、腐蝕等缺陷都有比較好的檢測效果。

導波信號在工件中也會存在衰減，主要受距離、表面形狀、材料晶粒度的影響較大，其受距離影響與普通超聲波原理類似，由于波束的擴散會損失部分聲能量，波群中的各波形之間的轉換也會損失部分能量；其次，由于波群中的一些波的信號多次在工件表面反射，工件表面的耦合狀況和平整度也會損失部分聲能量；第三，材料晶粒也會由于漫反射而損失部分聲能量。在不同工件的傳播，導波信號的衰減特性也不相同，典型的波幅—距離曲線如圖 ：

波幅

距離

圖3 導波DAC曲線

導波檢測儀器可選擇OminScan和Isonic2007，導波探頭由于制造商家的專利技術，具體規格參數不可知，我們根據試驗選擇編號為S0007的探頭進行檢測，檢測對象為304材質的封頭(無介質)，厚度14mm，封頭拼縫已經磨平。圖中縱坐標為檢測距離，橫坐標為探頭平行移動位置。

2

焊縫

圖4 焊縫對導波的衰減

即使余高完全磨平的焊縫，由于晶粒組織的粗大，在導波經過時也會產生明顯的衰減，如圖4所示，在距離探頭1200mm處可以明顯看到焊縫的影像，如果焊縫余高的存在，導波能量的衰減會更加明顯。

光滑表面

圖5 帶防腐層的表面與光滑表面導波衰減

導波在板材上下表面多次反射，由于防腐層的存在，導波部分能量進入防腐層被衰減，在圖5所示的光滑表面區域(水平650~750mm)，其表面防腐層被清除干凈，導波能量在板材表面衰減較少，因而可以傳播更遠，檢測距離更長。

3

焊縫 光滑表面

圖6 同時存在一處焊縫和一處光滑表面區域

在圖6中同時存在一處焊縫和一處光滑表面區域，由于焊縫位置距離探頭較近，因此波幅相對較高，導波經過焊縫后衰減較大(焊縫后面的能量較低)。

二、導波檢測的特點

導波檢測是目前國際上正在大力發展的一項無損檢測技術，其屬于超聲波檢測的一種應用。導波檢測技術具有檢測速度快、檢測結果直觀、應用范圍廣等特點，可在管道、容器、儲罐等特種設備行業有著巨大的應用前景。使用高頻導波技術時，需使用專用探頭，探頭發出超聲組波，其波寬和基本波長與被測板壁厚有關，組波在被測表面之間發生干擾。導波在傳播過程中，充滿整個被檢工件，如果有凹坑及腐蝕缺陷，將產生相應回波，并傳給探頭。導波檢測其特點包括：

1) 高頻導波技術在容器任一表面可以得到雙面的檢測結果，包括板材內部。

2) 對于平板狀工件的導波檢測，一般檢測區域為1~2m扇形或長方形區域，工件厚度一般為薄板至中厚板以下范圍，靈敏度最高可以檢測1%T的線狀缺陷。

3) 高頻導波對在役容器的檢測，可以快速發現板材內表面腐蝕坑、裂紋等缺陷。

4) 檢測速度快，最高可達0.5m2/s。

5) 高頻導波技術不但具有常規超聲檢測技術的高靈敏度，而且導波技術的大面積快速掃查的特點，但是在導波檢測中由于不能區分缺陷的深度信息，也不能區分缺陷位于工件的上表面或是下表面，因此需要通過宏觀或表面檢測、超聲檢測等方法進行確定缺陷在壁厚方向的實際位置。

6) 導波具有快速、大面積、高靈敏度檢測的特點，但一般針對表面平整的板材進行檢測，導波掃查方式根據工件表面條件和被檢對象特征，可分為平行掃查和扇形掃查兩種，如下圖。

4

1

2

掃查方向

旋轉掃查

圖7 導波掃查方式：平行掃查和扇形掃查

試塊邊緣

1mm深缺陷

圖8 試塊中1mm深槽的圖像

圖8是厚度為36mm的16MnR試塊，在距探頭1米處的一端加工有50mm長1mm深的切割槽，如圖8所示，缺陷信號信噪比達10dB以上。

5

圖9

圖9是厚度20mm的鋯材封頭，導波檢測時所發現的缺陷信號和實際裂紋。

0.5mm深槽

1mm深槽

2mm深槽

圖10

圖10是厚度為14mm的不銹鋼試塊，規格為1200×200mm，在其不同位置加工有0.5~2mm的切割槽，0.5mm深切割槽的信噪比達8dB左右，1mm深切割槽的信噪比達12dB左右。

四、結論

高頻導波技術是目前檢測在役板材缺陷比較有效的檢測方法，探頭可以有效發現距離至少1米遠處的線性缺陷和腐蝕坑缺陷，因此在容器不開罐條件下，通過高頻導波檢測技術可以快速地對板材進行檢測，可以有效地發現罐板1mm以上腐蝕坑或線性缺陷。

6