徐海洋超声波检测技术学习笔记(六)

检测技术感兴趣的同事欢迎加入 中国无损检测技术联盟 微信群，群内云集众多国内无损检测专家，入群方式(群内严禁发送广告！）：加我本人微信18512439555（加微信请备注好工作单位与姓名，不然不予通过）

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（六)

• 超声波倾斜入射遵循折射定律，临界角决定了探头的类型与检测模式

💡 核心观点：

• 高温会显著改变材料声速、探头性能与耦合状态，必须选用专用材料和工艺

• 高温下探头实际K值会降低，直接影响缺陷定位与可检厚度，需进行温度补偿

声压往复透射率思考题

参考反射体直径变化原因

• 随着被检工件  厚度增加

• 反射回波幅度  逐渐减小

• 为有效发现缺陷

• 参考反射体直径需  增大

检测频率选择差异

• 不锈钢管件检测频率  1-2.5MHz

• 碳钢管件检测频率  2-5MHz

• 频率越高  衰减越严重

• 随厚度增加频率应  减小

超声耦合对应理论

• 超声耦合对应  薄层介质理论

• 改善光洁度用  白布浸油耦合

• 白布声阻抗与声速  低

• 透声性能差导致  缺陷漏检

倾斜入射的反射与折射

波形转换与临界角

• 纵波倾斜入射产生  反射与折射波

• 纵波声速  大于  横波声速

• 第一临界角使纵波折射角为  90度

• 第二临界角使横波折射角为  90度

探头类型与入射角关系

• 入射角  0度 ：纵波直探头

• 小于第一临界角： 纵波斜探头

• 等于第一临界角： 爬波探头

• 两临界角之间： 横波斜探头

• 大于第二临界角： 表面波探头

第三临界角特性

• 横波倾斜入射产生  第三临界角

• 钢中第三临界角为  33.06度

• 折射角等于此值时

• 二次波与一次波  能量相同

围绕超声波检测相关知识展开，包括基于声压往复透射率概念的思考题解答、超声波倾斜入射的反射与折射原理，以及超声高温检测面临的问题与应对方法，内容如下：

• 思考题解答

• 参考反射体直径问题：

• 随着被检工件厚度增加，反射回波幅度逐渐减小。为有效发现工件缺陷，参考反射体（相当于平底孔）直径需逐渐增大。例如碳钢锻件和奥氏体不锈钢锻件，随工件厚度从 20 增加到 80，参考反射体直径从 Ф 3 增大到快 Ф 13。

• 检测频率选择问题：

• 检测碳钢管件频率范围为 2 兆 - 5 兆，不锈钢管件为 1 兆 - 2.5 兆。这是因为随着检测厚度增加，频率越高超声波衰减越严重，相同大小缺陷反射回波幅度降低，能被仪器接收的超声能量减少，所以检测厚度增加时频率应逐渐减小。

• 超声耦合理论问题：

• 超声耦合对应的是超声波的薄层介质理论。白布浸油放在检测面作耦合剂时，铺白布前能看到缺陷回波，铺上后看不到，说明白布透声性能差，其纵波声速小于基体。

• 探头与试块检测问题：

• 使用外圆周向曲率横波斜探头与外圆双孔法等效校准试块调试检测系统，一次扫查可发现三处缺陷；而用相同规格平面横波斜探头与 CSK - E 试块调节系统，在知道缺陷位置前提下反复扫查 3 次才发现 3 处缺陷，漏检概率大于 66%。这表明该情况不符合超声耦合要求，未满足薄层介质分离理论。

• 超声波倾斜入射的反射与折射

• 第一临界角：根据超声波折射定律，当纵波入射角增加到使被检工件中纵波折射角度等于 90 度，纵波沿工件表面传输时，此时的纵波入射角为第一临界角。若被检工件为钢，斜楔为有机玻璃，第一临界角约为 27.34 度。

• 第二临界角：当纵波入射角增加到使被检工件中横波折射角度等于 90 度时，对应的纵波入射角为第二临界角。若斜楔为有机玻璃，被检工件为普通碳钢，第二临界角约为 57.42 度。

• 斜探头构造：斜探头由工程塑料（如有机玻璃、聚苯乙烯）制成斜楔，在斜面上粘贴压电晶片作为声源，接到超声波探伤仪上。

• 噪声处理：探头内部因纵波倾斜入射产生的反射纵波和横波是噪声重要来源，通过在探头位置做消声槽、灌装阻尼材料消耗反射波来降低噪声。

• 纵波倾斜入射：纵波倾斜入射到声阻抗不同的界面（如 Z1 和 Z2 构成的界面），在入射点会返回第一介质一个反射纵波 L1'和一个反射横波 S1'，在第二介质（被检工件）中产生一个折射纵波 L2'和一个折射横波 S2'。由于纵波速度大于横波速度，反射和折射的纵波角度大于横波角度。

• 横波倾斜入射：横波倾斜入射到固体界面（如斜探头斜楔与被检工件界面），同样会产生波形转换，在第一介质产生反射纵波和横波，在第二介质产生折射纵波和横波，但实际探伤中横波倾斜入射应用较少。

探头构造与噪声处理​

▪斜探头构造：斜探头由工程塑料（如有机玻璃、聚苯乙烯）制成斜楔，在斜面上粘贴压电晶片作为声源，接到超声波探伤仪上。​

▪噪声处理：探头内部因纵波倾斜入射产生的反射纵波和横波是噪声重要来源，通过在探头位置做消声槽、灌装阻尼材料消耗反射波来降低噪声。​

◦临界角概念​

▪第一临界角：根据超声波折射定律，当纵波入射角增加到使被检工件中纵波折射角度等于 90 度，纵波沿工件表面传输时，此时的纵波入射角为第一临界角。若被检工件为钢，斜楔为有机玻璃，第一临界角约为 27.34 度。​

▪第二临界角：当纵波入射角增加到使被检工件中横波折射角度等于 90 度时，对应的纵波入射角为第二临界角。若斜楔为有机玻璃，被检工件为普通碳钢，第二临界角约为 57.42 度。

不同入射角对应探头类型：纵波入射角为 0 度时，第二介质中只有零度波，是纵波直探头制作原理；入射角大于 0 度小于第一临界角，工件中有折射纵波和横波，且纵波能量远大于横波能量，是纵波斜探头制作原理；入射角等于第一临界角，纵波沿界面表面传出，是爬坡探头制作原理；入射角大于第一临界角小于第二临界角，第二介质中只有折射横波，是横波斜探头制作原理；入射角大于第二临界角，被检工件表面只有表面波，是表面波斜探头制作原理。​

纵波入射角与探头类型对应关系​

​◦横波斜入射等折射角：横波倾斜入射到固体界面，当纵波反射角等于 90 度时，对应的横波入射角为第三临界角。若被检工件为钢，第三临界角约为 33.06 度。当横波折射角度等于 33.06 度时，二次波能量和一次波能量相同，可用于横缝探伤，一次波检测焊缝下部，二次波检测焊缝上部。​

•超声高温检测​

◦高温对探头性能的影响​

▪压电晶片特性：压电晶片通过压电效应产生超声波，其压电效应与温度有关，存在居里温度。例如常用的锆钛酸铅材质居里温度为 365 度，温度升高时压电效应逐渐减弱，超过居里温度则无法产生超声波。​

▪温度传递影响：检测高温工件（150 - 300 度）时，工件温度通过耦合剂、斜楔传导到压电晶片。为保证探头检测能力，需阻止或延缓温度传递，使压电晶片工作在合适温度范围。​

▪横波折射角度变化：根据折射定律，温度变化会使斜楔材质纵波声速改变，从而导致横波折射角度变化，影响缺陷定位。​

◦高温对耦合剂性能的影响​

▪常用耦合剂问题：常用的机油、甘油、工业浆糊等耦合剂，在高于 100 度检测表面会很快蒸发或凝固，无法满足扫查需求。​

▪高温耦合剂选择与使用：应选用高温耦合剂，理论上可在 1 - 5 分钟保持稳定液态或粘糊状态，但实际凝固时间短，理想扫查时间应控制在 30 - 50 秒。使用前需反复揉搓，使内部金属物质混合均匀。至少应选用比实际检测温度高两档的耦合剂，每次扫查前清除工件和探头表面残留耦合剂。​

◦探头斜楔材质选择​

▪熔点温度比较：有机硅材质熔点温度为 104 度，氯丁材质为 160 - 220 度，聚酰亚胺材质大于 300 度。在高温检测（150 - 300 度）中，聚酰亚胺材质最适合做探头斜楔。​

▪导热系数比较：聚风材料导热系数为零点零零几，有机玻璃为 0.1 - 0.3，聚酰亚胺为 1 - 20 瓦。聚酰亚胺不但熔点高，而且传导热量速度慢，能延缓压电晶片温度升高。

常温与高温下斜探头 k 值误差及检测厚度分析​

•k 值误差计算：以聚酰亚胺材料制作的 K3 探头为例，常温碳钢横波声速为 3240 米/秒时，横波折射角度为 71.57 度；300 度时，碳钢横波声速降至 3077 米/秒，横波折射角度为 64.29 度，k 值变为 2.08，与常温相差 0.92；150 度时，横波声速降至 3140 米/秒，横波折射角度为 68.15 度，k 值变为 2.5，与常温相差 0.5。

检测厚度限制：高温 300 度检测时，检测厚度不能小于 14 毫米；高温 150 度检测时，检测厚度不能小于 10 毫米。因为高温下探头 k 值会变化，为保证检测效果，探头 k 值设计需考虑高温影响。