淺析超聲波在板材檢測中的應用

摘 要：超聲波技術作為一種新興技術，已逐漸顯示出了其優越性，并隨著研究的深入，超聲波技術的應用也越來越受到重視。文中綜述了超聲波技術在板材檢測中的應用，重點分析了板材檢測中的具體檢測方法。

關鍵詞：超聲波；板材；檢測

超聲波是頻率大于20000Hz的機械振動在彈性介質中傳播而形成的一種機械波。它具有能量大、穿透力強及良好的方向性和穿透能力等特點，因此廣泛應用于工業、醫學、軍事等方面。

一、 超聲波檢測的基本原理

超聲檢測的基本過程：①儀器產生超聲場，使工件處于其中；②缺陷引起超聲場的變化（反射和折射等）；③儀器感受并采集超聲場的變化；④儀器將超聲場的變化以某種方式顯示出來。例如目前廣泛采用的脈沖反射法超聲檢測是通過超聲檢測儀向材料內部發射脈沖超聲波，當超聲波在傳播過程中遇到具有不同聲阻抗的缺陷時，缺陷處便反射一超聲波信號給檢測儀器，經過儀器的處理，以某種易于被人們看懂的方式顯示出來。

二、 板材中的常見缺陷

板材中的常見缺陷有分層、夾雜、裂紋、白點等。板材中的缺陷經過軋制等工序后大多呈平面狀，并與表面平行。其中分層是最常見的內部缺陷，主要是由板坯中的開口氣泡或開口縮孔切割得不干凈造成的。板材超聲檢測方法的選擇與板材的應用條件密切相關。當板材受平行于缺陷方向的拉應力時，缺陷不會嚴重影響板材的強度；當板材受垂直于缺陷的拉應力時，缺陷會嚴重影響板材的強度，在板材中不允許存在這樣的缺陷。

三、 板材中的超聲波檢測應用

（一） 檢測方法

1. 縱波直探頭法。縱波直探頭法是板材檢測最常用的一種方法，其檢測時的圖像分為四種情況：①無缺陷部位時只有始波和底波出現在顯示屏上；②如有小缺陷，除了始波和底波外，還有缺陷波存在；③若有大于聲束有效直徑的片狀缺陷（如分層缺陷），聲束被缺陷全反射，所以顯示屏上只有始波和缺陷波，而沒有底波；④如果板材內有傾斜于聲束且大于聲束直徑的缺陷，聲束將被全反射到另一個方向，此時顯示屏上只有始波。

當板中缺陷較小時，多次反射形成的缺陷波呈現先升高后降低的規律。其升高的原因是不同反射路徑的聲波相互疊加，即波的疊加應。但當路徑進一步增加時，聲衰減也迅速增加，這時衰減的影響超過了波的疊加效果，因此缺陷波升高到一定程度后又逐漸降低。這時，一般應根據

F1來評價缺陷。當板厚δ<20mm時，為減弱近場區的影響，應以F2來評價缺陷，或者采取水浸法來檢測。

2. 橫波斜探頭法。橫波斜探頭法從檢測圖形上又可分為三種情況：①正常情況無底波反射，聲波呈鋸齒形向前傳播；②有缺陷時，在顯示屏上有傷波出現；③當缺陷平行于板面時，聲束雖被反射，但探頭接收不到，因此顯示屏上也無傷波出現，此種情況需要配合直探頭進行檢驗。

3. 水浸法。水浸法是將工件和探頭頭部浸在耦合液體中，探頭不直接接觸工件的超聲檢測方法。按照工件和探頭浸沒方式，分為全部水浸、局部水浸和噴流水浸三種。

水浸法適用于大面積板材的自動化檢測，通常采用多通道超聲檢測儀和多探頭系統以提高檢測速度，檢測效率和可靠性較高。同時水浸法的近表面分辨力也比接觸法高，但水浸法檢測需要配備專門的檢測裝置。

水浸法檢測鋼板可以采用脈沖反射法、脈沖穿透法或連續波法。脈沖反射法多采用垂直入射、多次反射的方式進行。這時，為避免水/鋼界面多次回波與鋼板底面多次回波互相干擾，需選擇合適的水層厚度，使水/鋼界面回波分別與鋼板多次底波重合，從而讓顯示屏上波形清晰利于檢測，這種方法稱為多次重合法。當水/鋼界面的二次回波與鋼板的一次底波重合時，稱為一次重合法；當水/鋼界面回波與鋼板的二次底波重合時，稱為二次重合法，依此類推。水層厚度的公式如下：

式中：c水——水中的縱波速度；

c板——板材中的縱波速度；

k——第二次界面回波與第k次底面回波重合。

對于鋼板，c板=4c水，檢測時常取水層厚度等于鋼板厚度，使第二次界面回波與第四次底面回波重合。檢測時水層增大到一定程度，可使檢測在探頭的遠場區進行，有利于靈敏度調整和缺陷評定。

用水浸法檢測鋼板時，要控制好探頭的垂直度。首先，探頭入射角在水中變化10°，相當于鋼中折射縱波變化近40°；其次，水層厚度應按鋼板的厚度進行適當調整，一般應使鋼板的底面回波出現在第二次界面回波之前，即水層厚度H應大于或等于鋼板厚度δ的25%。另外水浸法的靈敏度與接觸法相比需提高10dB以上。

4. 穿透反射法。當板材厚度很小，難以清晰分辨界面回波和底波時，可采用穿透反射法。穿透反射法也適用于薄板的檢測。采用縱波垂直入射，使超聲束垂直穿透板材，并從一光滑平整的反射面反射，測量反射波穿透薄板返回后探頭接收到的信號。缺陷的存在必然會影響聲的兩次穿透，從而由信號的幅度變化可判斷出板材有無缺陷存在。

穿透反射法在檢測衰減較大的板材時效果較好，穿透式檢測法的檢測速度快，設備較簡單，對有一定面積的分層缺陷比較靈敏，但一般情況下對于小尺寸缺陷的靈敏程度不如直接反射法。

（二） 檢測條件的選擇

超聲波檢測的檢測條件通常是指在檢測時工件的透聲條件和檢測的規范要求，一般應包括以下幾個方面：

1. 耦合條件。板材檢測多采用油、水或漿糊作為耦合劑。漿糊主要用于工件表面較粗糙的場合，以便耦合穩定。水多用于液浸法檢測，為預防工件生銹，可在水中加入防銹劑，當然在必要場合也可采用油浸法檢測工件。油浸法多用于普通接觸法超聲檢測。

2. 檢測頻率和靈敏度。根據板厚和材質情況，一般可以選擇2～5MHz的檢測頻率。如壓力容器用鋼板超聲檢測時標準規定的工作頻率是2.5MHz，而對于變形量不大以及晶粒較粗大的厚板材料，也可采用較低的1.25MHz的工作頻率。檢測靈敏度通常是通過平底孔對比試塊進行調節的。平底孔的直徑根據相應的技術條件要求確定，其埋深根據板厚和加工余量確定。

參考文獻：

[1]馮小平.鑄件的超聲波檢測[J].熱加工工藝，2014（3）.

[2]席細平.超聲波技術應用現狀[J].山西化工，2007（1）.

[3]謝明陽.厚板對接焊縫的超聲波檢測研究[J].鑄壓裝備與制造技術，2016（3）.

作者簡介：孫國華，江蘇省常州市，武進開放大學。