浅析超声波在板材检测中的应用

摘 要：超声波技术作为一种新兴技术，已逐渐显示出了其优越性，并随着研究的深入，超声波技术的应用也越来越受到重视。文中综述了超声波技术在板材检测中的应用，重点分析了板材检测中的具体检测方法。

关键词：超声波；板材；检测

超声波是频率大于20000Hz的机械振动在弹性介质中传播而形成的一种机械波。它具有能量大、穿透力强及良好的方向性和穿透能力等特点，因此广泛应用于工业、医学、军事等方面。

一、 超声波检测的基本原理

超声检测的基本过程：①仪器产生超声场，使工件处于其中；②缺陷引起超声场的变化（反射和折射等）；③仪器感受并采集超声场的变化；④仪器将超声场的变化以某种方式显示出来。例如目前广泛采用的脉冲反射法超声检测是通过超声检测仪向材料内部发射脉冲超声波，当超声波在传播过程中遇到具有不同声阻抗的缺陷时，缺陷处便反射一超声波信号给检测仪器，经过仪器的处理，以某种易于被人们看懂的方式显示出来。

二、 板材中的常见缺陷

板材中的常见缺陷有分层、夹杂、裂纹、白点等。板材中的缺陷经过轧制等工序后大多呈平面状，并与表面平行。其中分层是最常见的内部缺陷，主要是由板坯中的开口气泡或开口缩孔切割得不干净造成的。板材超声检测方法的选择与板材的应用条件密切相关。当板材受平行于缺陷方向的拉应力时，缺陷不会严重影响板材的强度；当板材受垂直于缺陷的拉应力时，缺陷会严重影响板材的强度，在板材中不允许存在这样的缺陷。

三、 板材中的超声波检测应用

（一） 检测方法

1. 纵波直探头法。纵波直探头法是板材检测最常用的一种方法，其检测时的图像分为四种情况：①无缺陷部位时只有始波和底波出现在显示屏上；②如有小缺陷，除了始波和底波外，还有缺陷波存在；③若有大于声束有效直径的片状缺陷（如分层缺陷），声束被缺陷全反射，所以显示屏上只有始波和缺陷波，而没有底波；④如果板材内有倾斜于声束且大于声束直径的缺陷，声束将被全反射到另一个方向，此时显示屏上只有始波。

当板中缺陷较小时，多次反射形成的缺陷波呈现先升高后降低的规律。其升高的原因是不同反射路径的声波相互叠加，即波的叠加应。但当路径进一步增加时，声衰减也迅速增加，这时衰减的影响超过了波的叠加效果，因此缺陷波升高到一定程度后又逐渐降低。这时，一般应根据

F1来评价缺陷。当板厚δ<20mm时，为减弱近场区的影响，应以F2来评价缺陷，或者采取水浸法来检测。

2. 横波斜探头法。横波斜探头法从检测图形上又可分为三种情况：①正常情况无底波反射，声波呈锯齿形向前传播；②有缺陷时，在显示屏上有伤波出现；③当缺陷平行于板面时，声束虽被反射，但探头接收不到，因此显示屏上也无伤波出现，此种情况需要配合直探头进行检验。

3. 水浸法。水浸法是将工件和探头头部浸在耦合液体中，探头不直接接触工件的超声检测方法。按照工件和探头浸没方式，分为全部水浸、局部水浸和喷流水浸三种。

水浸法适用于大面积板材的自动化检测，通常采用多通道超声检测仪和多探头系统以提高检测速度，检测效率和可靠性较高。同时水浸法的近表面分辨力也比接触法高，但水浸法检测需要配备专门的检测装置。

水浸法检测钢板可以采用脉冲反射法、脉冲穿透法或连续波法。脉冲反射法多采用垂直入射、多次反射的方式进行。这时，为避免水/钢界面多次回波与钢板底面多次回波互相干扰，需选择合适的水层厚度，使水/钢界面回波分别与钢板多次底波重合，从而让显示屏上波形清晰利于检测，这种方法称为多次重合法。当水/钢界面的二次回波与钢板的一次底波重合时，称为一次重合法；当水/钢界面回波与钢板的二次底波重合時，称为二次重合法，依此类推。水层厚度的公式如下：

式中：c水——水中的纵波速度；

c板——板材中的纵波速度；

k——第二次界面回波与第k次底面回波重合。

对于钢板，c板=4c水，检测时常取水层厚度等于钢板厚度，使第二次界面回波与第四次底面回波重合。检测时水层增大到一定程度，可使检测在探头的远场区进行，有利于灵敏度调整和缺陷评定。

用水浸法检测钢板时，要控制好探头的垂直度。首先，探头入射角在水中变化10°，相当于钢中折射纵波变化近40°；其次，水层厚度应按钢板的厚度进行适当调整，一般应使钢板的底面回波出现在第二次界面回波之前，即水层厚度H应大于或等于钢板厚度δ的25%。另外水浸法的灵敏度与接触法相比需提高10dB以上。

4. 穿透反射法。当板材厚度很小，难以清晰分辨界面回波和底波时，可采用穿透反射法。穿透反射法也适用于薄板的检测。采用纵波垂直入射，使超声束垂直穿透板材，并从一光滑平整的反射面反射，测量反射波穿透薄板返回后探头接收到的信号。缺陷的存在必然会影响声的两次穿透，从而由信号的幅度变化可判断出板材有无缺陷存在。

穿透反射法在检测衰减较大的板材时效果较好，穿透式检测法的检测速度快，设备较简单，对有一定面积的分层缺陷比较灵敏，但一般情况下对于小尺寸缺陷的灵敏程度不如直接反射法。

（二） 检测条件的选择

超声波检测的检测条件通常是指在检测时工件的透声条件和检测的规范要求，一般应包括以下几个方面：

1. 耦合条件。板材检测多采用油、水或浆糊作为耦合剂。浆糊主要用于工件表面较粗糙的场合，以便耦合稳定。水多用于液浸法检测，为预防工件生锈，可在水中加入防锈剂，当然在必要场合也可采用油浸法检测工件。油浸法多用于普通接触法超声检测。

2. 检测频率和灵敏度。根据板厚和材质情况，一般可以选择2～5MHz的检测频率。如压力容器用钢板超声检测时标准规定的工作频率是2.5MHz，而对于变形量不大以及晶粒较粗大的厚板材料，也可采用较低的1.25MHz的工作频率。检测灵敏度通常是通过平底孔对比试块进行调节的。平底孔的直径根据相应的技术条件要求确定，其埋深根据板厚和加工余量确定。

参考文献：

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[2]席细平.超声波技术应用现状[J].山西化工，2007（1）.

[3]谢明阳.厚板对接焊缝的超声波检测研究[J].铸压装备与制造技术，2016（3）.

作者简介：孙国华，江苏省常州市，武进开放大学。