超声波探伤时耦合剂的选用原则

超声波探伤时耦合剂的选用原则

超声波探头与被检工件之间存在空气时，超声波将被反射而无法进入被检工件，为了使超声波能顺利透射进入被检工件，在超声波探头与被检工件检测面之间需要施加能透声的耦合介质，也就是俗称的耦合剂，并且要排除此间的空气。视耦合方式的不同，可以分为：
1.接触法：超声波探头与工件检测面直接接触，其间施以耦合剂。耦合剂一般为液体或流质，它的作用是填平表面上的凹凸不平，便于探头在工件检测面上移动扫查，并且排除（取代）探头与检测面之间的空气。
耦合剂的选用原则主要有以下六个方面：
1）耦合剂的声阻抗应尽量与工件的声阻抗接近以提高透声性；
2）润湿性好，在工件表面易于铺展并与工件表面结合，以利排除空气与异物的干扰；
3）粘度适当，便于探头在检测面上的移动扫查，也要易于清洗或清除；
4）对工件无腐蚀，对操作人员无毒、无损害；
5）价格便宜；
6）来源方便；
工业超声波检测中常用的耦合剂有：
1）机油：多使用20~40号机油，呈液体状，易流动，应当注意不同编号的机油有不同的粘度（编号越大，粘度越高），当环境温度不同时其粘度也有一定变化。
用机油作耦合剂，多用于一般的毛糙表面和机械加工零部件的超声检测。由于机油的价格相对比较便宜，来源方便，对工件无腐蚀，对操作人员无害，因此是最广泛应用的耦合剂。但是，利用机油作耦合剂的缺点是对声接触压力比较敏感，即施加在探头上的压力不同时，接收到的超声回波幅度变化比较显著，因此对操作人员的操作技能（保持接触耦合力度的稳定性）要求高一些。
2）润滑油：这里特指如压缩机润滑油、蒸汽机润滑油、锭子油、工业凡士林、黄油、润滑脂等粘度较高的、流动性较差的润滑油，适用于表面较粗糙的工件以及用于仰探或立探（侧探）等场合。

3）甘油（丙三醇，C3H5(OH)3）：这是一种透声效果很好，并且对声接触压力不敏感的耦合介质，以化学分析纯的等级为最好，适用于表面光洁度较高的工件。缺点是价格较高，而且它所具有的吸水性强的特点容易导致在敞开的容器中放置一段时间后就会因为吸收空气中的水分而使本身浓度发生变化-粘度变化，影响作为耦合剂的性能一致性。

应当注意正是它所具有的这种吸湿性，使得被检验过的工件需要用水及时清洗，防止残留的甘油吸湿引起工件的锈蚀，浓度高的甘油也会对操作人员的皮肤吸湿导致皮肤干裂，因此应戴塑胶手套或者工作后及时用清水洗净。此外，甘油对工件表面的润湿性不够好也是其缺点。

4）水玻璃（硅酸钠，Na2SiO3）：水玻璃的透声效果也是较好的，而且价格较便宜，但是和甘油具有相同的吸水性强的特点，在敞开的容器中放置一段时间后就会因为吸收空气中的水分而使浓度容易发生变化。在实际应用中为了保持声耦合效果的稳定，要求在每个工作班使用前用波美比重计测试其比重，在必要时进行浓度调整以保持最佳耦合效果时的比重。水玻璃有弱碱性，对操作人员的皮肤及被检工件（特别是铝、镁合金）有一定的腐蚀性，使用后必须及时用清水冲洗干净。
水玻璃主要用于表面粗糙的工件，特别是可以采用所谓“地毯法”耦合，即在被检工件粗糙的检测表面上先均匀涂布一层浓度较高的水玻璃，待其干涸后即已将粗糙表面填平为平整表面，再在上面涂布较稀的水玻璃或机油耦合进行检测，可以获得较好的耦合效果。

5）专用的超声波检测耦合剂：这是综合考虑了耦合剂所需要的透声性（声阻抗）、润湿性、粘度等要求而专门配制的超声波检测耦合剂，目前已有商品化产品出售，耦合效果较好，但价格较高。

6）化学浆糊（羧甲基纤维素，又称强力CMC、糊精或化学浆糊）：这是一种由淀粉（如玉米等）提炼而成的食品添加剂，其应用范围极广，如食品增稠剂，药物辅料等。它是优良的水溶性胶料，一般可以1:10左右的比例与自来水调配成“工业胶水”用作超声波检测的耦合剂，适用于一般粗糙度表面的工件，价格很便宜（工业纯的等级即可），对工件无腐蚀，对人体无害，但是由于其干涸后黏附在工件表面会影响工件外观以及后续表面处理，因此检测后也要求及时用清水冲洗干净。

7）高温耦合剂：这也是专门配制的商品化超声波检测耦合剂，具有较好的隔热性能，适用于处在较高温度（例如100℃甚至更高）的工件的在役超声波检测。

在采用接触法检测表面粗糙的工件时，还可以在检测表面铺放细棉布或的确良布，甚至纱布等，用干净的水浸润，探头则在布上移动扫查，也能得到较好的耦合效果（相当于水间隙耦合）。对毛糙表面的接触法检测中的耦合方法还有采用润滑油作底层，上面铺设胶片（如废的X光胶片）或金属箔，再涂布机油，或者用机油作底层，上面铺设塑料薄膜等等，不过这些耦合方法的检测灵敏度通常较低。

在以接触法检测时，要特别注意考虑工件的表面光洁度，表面光洁度越高，界面上因漫散射造成的声能损失越少，透入工件的声能就越多，检测灵敏度也就越高，越有利于发现较小的缺陷，这时的耦合剂粘度可不必太大。当工件表面粗糙时，毛糙界面对入射超声波的漫散射干扰使得透入工件的声能减小，而且始波占宽加大，降低了近表面分辨率和检测灵敏度，为此而需要提高仪器的增益和发射强度，牺牲信噪比，而且也需要采用粘度较大的耦合剂为宜。此外，被检工件的表面应该是清洁的，没有妨碍检测的污物、浮锈（松动的氧化皮）等，至于锻件上常见的致密细薄的氧化层，以及像精密铸件、冷轧钢板表面所呈现的黑皮状态等，由于它们与基体结合很紧密而且比较平整，在接触法超声波检测时基本上不会影响耦合效果，有时甚至比经过机械粗加工状态还好，因此不必除去。

还有一个要考虑的因素是耦合层的厚度，因为耦合层的存在构成了中间透声层，为了提高透声效果，不仅要考虑声能在耦合层中的衰减和多次反射干扰造成的始波占宽加大、近表面分辨率降低，还要考虑超声波在多薄层介质中透过时的匹配，这 与耦合剂、被检介质、探头的压电晶片、保护膜，或者斜探头的斜楔材料的声阻抗， 以及耦合层中的超声波长等诸多因素有关。在连续波理论中推导的匹配层厚度（λ/2）是指单一波长（单一频率）的情况，工业超声波检测中使用的是有一定频带宽 度的脉冲波，因此应主要考虑声能衰减及多次反射干扰的影响，通过实验证明，在 满足检测灵敏度要求的条件下应使耦合层越薄越好。这也是接触法探伤时要求探头 对检测面的接触压力达到 1.5~2.5kg 的原因。

在用平面探头探测曲表面工件时，应当注意到耦合剂在边缘形成 厚度不均匀的情况，相当于形成斜楔，有可能会产生变型波（特别是 变型表面波）的干扰。
2.水浸法：超声波探头与工件检测面之间有一定厚度的水层，水层厚度视工件厚度、材料声速以及检测要求而异，对水的要求是对工件有润湿能力，其温度应与被检工件相同，否则会对超声波检测造成较大干扰，水质必 须清洁无杂质、无气泡，以防止这些微小的悬浮体成为超声波的散射体造成干扰， 或者附着在探头辐射面上阻碍超声波的发射与接收，附着在被检工件的表面上阻碍 超声波的透射。为此，对于用作耦合介质的水（通常是自来水）可以采取静置 24 小时以上，必要时还可加入例如明矾等净水剂，使水中杂质自然沉淀以及排气，或 者对水加热以加速排气。
为了提高水对超声波探头和工件表面的润湿性，可在水中适当加入润湿剂（如 洗涤剂、洗衣粉、洗洁精等），还可适当加入防锈剂（如油酸、三乙醇胺混合液，四 硼酸钠-俗称硼砂等），以防止水对被检工件产生的锈蚀作用。例如可按每吨水加入1公斤硫代硫酸钠和1公斤亚硝酸钠，可以消除水中气泡和提高防腐蚀能力。

在水浸法检测时，应注意下面几个主要问题：

1）在水中垂直入射或倾斜入射（用于在工件中激发折射横波或小角度折射纵波等） 时，应特别注意入射角度的准确性。因为水的纵波声速约为钢中纵波声速的四分之 一左右，当水中入射角有 1°的变化时，在钢制工件中将有约 4°的变化，这是必须 注意的。此外，水的声速会随温度变化，以及有温差存在时，水会发生对流，也将 会影响检测灵敏度并导致声路弯曲。

2）用水浸法检测曲面工件时，由于水和工件的声速差异较大，因此将会有明显的声 束收敛或扩散现象出现，因此，水浸法检测时，被检工件声场的距离振幅特性需要 采用对比试块法校验。

3）水距的选择：一般的水浸法检测是指探头发出的超声波经过一定厚度的水层再进 入被检工件。理想的情况是将近场区置于水中，使灵敏度最高且声压分布有规律的 区域落入被检工件内，并应保证被检工件的第二次界面回波落在工件第一次底面回 波之后，以免造成干扰。

水浸法检测的最佳水距确定原则是：

①最佳水距应为水中距离-振幅曲线上近场末端 N 点左边下降 6 分贝处到探头辐射 面的距离，即图中的 OA 段，此时声压最高的区域将落在被检工件内，从而可以保 证较高的检测灵敏度；
②为了保证工件上第二次界面回波落在第一次底面回波之后，水距的大小h应至少满 足：h≥(C水/C工件)•t，式中t为工件厚度，C水为水中纵波速度，C工件为工件中纵波声 速。在使用水浸聚焦探头检测时，由于水中声速低于工件中的声速，在水中聚焦的声束进入工件后将会再次聚焦（二次聚焦），故其水距的选择应按下式计算：
H=F-δ(C工件/C水)，式中F为探头在水中的焦距，δ为工件中二次聚焦焦点到工件探测 面（界面）的距离。兹证明如下：
∵C水/sinα=C工件/sinβ，即sinβ/sinα=C工件/C水
∴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
变成  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
原式变成H=F-δ(C工件/C水)（近似式）


其他水浸检测方法还有局部水浸法，如喷水柱法、溢水法、水间隙法等。


综上所述，声耦合的方式方法是多种多样的，具体选用何种耦合方式，要视具体条件、要求和情况决定，概括起来有以下选择原则：
①应能保证满足检测灵敏度的要求；
②便于操作；
③应考虑满足检测效率的要求，特别是在大批量检测时更要重视这一问题；
④能够减轻检测人员的劳动强度；
⑤具有低廉的成本。