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南京毅检无损检测科技有限公司：专业从事奥氏体不锈钢材质、复合层（奥氏体+碳钢）材质、碳钢材质，镍基合金、铝合金、对接焊缝、管座角焊缝超声波（UT）、相控阵（PAUT）检测业务。并出售超声波探头、相控阵、TOFD楔块、扫查器、编码器。磁粉探伤仪、射线机。并举办 EN ISO 9712 无损检测培训班。

徐海洋超声波检测技术学习笔记（三)

• 超声波探伤需基于波长、频率、声速关系，并考虑温度、应力对声速的实际影响

💡 核心观点：

• 叠加、干涉、衍射现象直接影响缺陷检出能力，小尺寸缺陷易漏检

• 实践应用（如钢板检测、异种钢焊缝检测）需根据理论选择合适频率与校准方法

超声波核心物理量

频率、波长与声速

• 频率f： 1秒 内通过完整波数

• 波长λ：相邻同相位质点距离

• 声速c：单位时间传播距离

• 关系： 波长=声速/频率

声速影响因素

• 与材质 弹性模量、密度 相关

• 普碳钢纵波声速  5940m/s

• 普碳钢横波声速  3240m/s

• 温度升高，声速 降低

声速应用与影响

• 仪器参数表声速用于 时深转换

• 工件温度升高，缺陷回波 左移

• 温度升高导致探头 K值减小

• 应力为压力时声速 加快

超声波特性与现象

叠加现象

• 多列波相遇处振动为合成

• 相遇后保持原有特性传播

• 主要发生在 同质探头斜射 中

• 影响主声束能量并使其 偏移

干涉现象

• 裂纹上下端点衍射波 相位相反

• 两波相遇时能量相互抵消

• 缺陷高度 小于4mm 时难发现

• 是 TOFD探伤 中最明显的现象

衍射（绕射）现象

• 波绕过缺陷边缘继续传播

• 缺陷尺寸 <<波长 时绕射强反射弱

• 缺陷尺寸 ≤1/2波长 时难发现

• 晶界绕射利于传播但易 漏检小缺陷

探伤实践与标准应用

• 超声波重要物理量

• 频率

• 定义：超声波在波动过程中，任意给定点 1 秒钟内所通过完整波的数量，用 f 表示，常用单位为兆赫兹，超声金属探伤常用此单位。

• 影响因素：超声波频率只与波源有关，即与探头中的压电晶体厚度有关，与被检工件无关。

• 波长

• 定义：相邻两个振动且相位相同质点间的距离，用 λ 表示。

• 公式：波长等于声速除以频率，纵波波长为纵波声速除以频率，横波波长为横波声速除以频率。该公式在超声波探伤中应用广泛，需熟练掌握。

• 声速
  ：超声波在单位时间内所传播的距离，传播速度用 c 表示。

• 超声波特性

• 叠加

• 现象：几列超声波在同一背景工件中传播相遇时，相遇处质点的振动是各列超声波引起振动的合成，位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后各列波保持原有频率、波长和振动方向等特性，按原方向继续前进。

• 应用举例：在相控阵探伤方法中，主声束发射到斜楔下表面，反射的横波与主声束在声源附近相遇产生叠加，影响主声束能量和方向，产生噪声信号，影响信噪比。

• 干涉

• 现象：超声波扫查到裂纹时，裂纹上端点和下端点会形成衍射波，这两个衍射波相位相反，相遇时产生干涉。当缺陷高度达到一定程度，两个衍射波部分或完全重合，能量相互比较，上端点衍射波能量大于下端点衍射波，会保留一定能量。

• 影响：干涉现象影响探伤对缺陷高度的判断，以 47013 标准为例，当缺陷高度小于等于 4 毫米时，按标准可评为一级，说明小于 4 毫米的缺陷用该超声设备探伤较难发现。

• 衍射

• 定义：超声波在传播过程中遇到缺陷时，能绕过缺陷边缘改变方向继续传播的现象，也叫绕射。

• 与缺陷尺寸关系：当缺陷尺寸远远小于波长时，绕射强、反射弱，难以检测到缺陷；当缺陷尺寸小于等于 1/2 波长时，只绕射、无反射；当缺陷尺寸远远大于波长时，反射强、绕射弱，几乎全反射。为有效发现微小缺陷，探伤时应在允许条件下尽量选用高频。

• 利弊分析：波的绕射使超声波产生晶界绕射，利于在被检工件中传播，但会使小缺陷反射波显著下降，造成漏检。

• 声速的影响因素

• 介质物理特性

• 杨氏弹性模量：用 e 表示，描述固体材料抵抗形变能力的物理量。

• 剪切弹性模量：用 g 表示，描述固体材料在剪切应力作用下抗切应变能力。

• 密度：用 ρ 表示，描述单位体积所含的质量。

• 波速比：反映固体介质横向变形的纵波在被检工件中的传播速度与介质的弹性模量、密度和泊松比有关。特定背景物件的弹性模量和密度为常数，声速也为常数，不同材质的背景物件声速不同。

• 温度

• 声速与温度关系：一般固体中声速随温度升高而降低。以教室中桌椅通道为例，温度升高，分子热运动加剧，超声波绕过分子传播更困难。如碳钢横波声速，温度从 26 度升高到 100 度，声速相差 85 米/秒。

• 对探伤的影响：温度变化影响超声探头内声速，导致缺陷反射回波幅度降低。仪器参数表中设置的声速用于将扫描基线由代表时间转换为代表毫米，探伤时背景工件中超声波传播速度不由该设置声速决定。工件温度升高，缺陷反射回波在扫描基线上向左移，探头位移值减小，k 值减小。

• 应力
  ：当力的方向与声速传播方向一致时，压力使声速加快，拉应力使声速减慢。如在役球罐，力的方向与声波传播方向不一致时，声速变慢，测厚值会受影响。

• 材料组织均匀性
  ：铸铁表面与中心由于冷却速度不同，组织不同，表面冷却快、晶粒细、声速快，中心冷却慢、晶粒粗大、声速慢。

• 案例分析

• 钢板探伤
  ：钢板探伤常用超声波检测分层缺陷，除分层缺陷外，还有表面折叠、上下表面纵向横向裂纹等缺陷。以 47013 标准为例，检测钢板上下表面裂纹用超声横波，频率在 2 兆 - 5 兆赫兹。频率为 2 兆时，1/2 波长为 0.8 毫米，自身高度 0.8 毫米的裂纹缺陷易漏检，因此探伤应尽量选用高频，但不能盲目选择。

• 异种钢焊接接头检测
  ：检测碳钢和不锈钢形成的异种钢焊接接头时，焊缝偏析区声速小于不锈钢和碳钢母材。检测此类焊缝使用 CSK - 1 试块校准仪器探头是否合理存在疑问，在特种设备全国超声波比赛中曾出现相关问题。