徐海洋超声波检测技术学习笔记(七)

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徐海洋超声波检测技术学习笔记（七)

超声波倾斜入射与端角反射的探伤原理及应用

• 纵波倾斜入射能量损失显著，二次波灵敏度需通过探头选型与增益补偿

💡 核心观点：

• 横波端角反射率在K1探头时最高，是检测平面工件表面裂纹的最优选择

• 曲面工件检测需考虑声波在曲面的聚焦与发散效应，并针对性处理探头耦合面

纵波倾斜入射特性

纵波倾斜入射能量损失

• 纵波以  60度  倾斜入射钢/空气界面

• 声压反射率仅约  18%

• 能量低是因部分能量转换为反射横波

• 二次波能量仅为一次波的  18%-55%

奥氏体不锈钢焊缝检测应用

• 选用  K0.75 （折射角37度）探头

• 目的为避开下焊缝余高影响

• 二次波与一次波灵敏度存在差距

灵敏度补偿方法

• 利用  K1探头比K2探头灵敏度高  的特性

• 可补偿约  15-20dB  的灵敏度差

• 剩余差距通过人为提高增益弥补

横波倾斜入射与端角反射

横波倾斜入射特性

• 横波折射角最小值不能低于  33.2度

• 入射角大于33.2度时可能发生全反射

• 横波探伤需确保折射角大于此临界值

端角反射理论

• 端角指两个平面构成的直角反射面

• 超声波在端角经历两次反射

• 横波在  35-55度  入射时端角反射率最高

• K值1.5以上探头 检测表面裂纹灵敏度低

标准规定与实践应用

• 标准建议钢板探伤用  K1探头

• 但此规定不严密，未考虑端角反射率

• 利用端角测试K值会导致结果偏大

平面波在曲面上的传播

围绕超声波倾斜入射相关知识展开，包括纵波和横波倾斜入射的声压反射率、声压往复透射率、端角反射、平面波在曲界面上的反射与折射以及纵波发射声场等内容，并提出多个思考题供大家思考，内容如下：

• 纵波倾斜入射

• K0.75 探头选择原因：奥氏体不锈钢焊缝检测选择 K0.75 探头（纵波折射角度 37 度），可躲开下焊峰鱼高对二次波反射的影响，使一次波和二次波能较大覆盖焊缝上部，完成对上部缺陷的检测。

• 检测灵敏度问题：K0.75 探头形成的二次波检测焊缝上部缺陷，与相同频率与镜片尺寸的纵波 K2 探头一次波检测灵敏度不同。可通过比较 K1 和 K2 探头扫查同一规则反射体的灵敏度 dB 差，用 40 减去该 dB 差弥补声压反射率，约能补 15 - 20 个 dB，剩余 20%左右人为提高增益解决。

• 钢和空气界面反射：研究纵波倾斜入射到钢和空气界面的反射情况，以检测奥氏体不锈钢焊缝为例。当纵波倾斜入射角度为 60 度时，反射波声压反射率约为 18%，能量较低。原因是此时纵波反射出现变形的反射横波，抵消了纵波的一部分能量。

• 焊接接头检测应用：在焊接接头检测中，若探头下边入射点对应的纵波折射角度为 63.44 度，二次波能量只有一次波能量的 18%，无法与一次波同时检出规定大小的缺陷。当纵波入射角度为 37 度时，二次波反射声压反射率接近一次波的 55%，能量仍相差 45%。

• 声压反射率研究

• 探头选择思考

• 横波倾斜入射

• 内外径之比规定目的：4703 标准附录 E 规定内外径之比大于或等于 40%适用于环形或筒形锻件超声斜探头周向检测；附录 J 规定内外径之比大于或等于 60%适用于纵向对接接头的超声检测。规定内外径之比的目的是确定工件采用横波斜探头还是纵波斜探头探伤。

• 不同规定原因分析：检测不同工件标准规定的内径之比百分比不同，考虑到探头制作和校准精度，用横波斜探头探伤时，内外径之比最好大于 60%。如高压无缝钢管 φ 54×12，内外径之比为 55.6%，勉勉强强可用横波检出内部缺陷，标准放宽范围，建议内外径之比达到 60%才进行横波探伤。

• 声压反射率特点：横波倾斜入射到钢和空气界面，当折射角度小于 30 度时，纵波声压反射率逐渐增高，横波声压反射率逐渐降低；当折射角度大于 33.2 度时，横波声压反射率达到 100%，即全反射。所以横波探伤时，探头形成的折射角度不能小于 33.2 度。

• 标准规定思考

• 波形转换与噪声问题

• 相控阵探头噪声产生：在油气管道检测常用的相阵检测斜切探头中，声源向斜鞋底面发射超声波，在入射点反射的横波和纵波会产生噪声。纵波反射次数多，最终返回相控阵探头时仍有能量，形成固定噪声，影响图像信噪比。

• 降低噪声方法：对相控阵的天线消重头和主体材料的形状进行改造，增加反射纵波和横波的反射次数，使反射回来的波不被相控阵接收，降低噪声，提高相控阵的精度。改造后的器械比原设计多了两次散射衰减和主模块吸收，反射次数明显增加，性能提高显著。

• 超声波倾斜入射声压往复透射率

• 考虑因素：超声波倾斜入射时，纵波和横波斜探头都要考虑声压往复透射率。缺陷返回来的信号能量越高，接收到缺陷的信号幅度越高。

• 角度影响：纵波入射角小于 27.4 度时，纵波声压往复透射率明显高于横波，此时不能用横波斜探头探伤；当纵波入射角大于 27.4 度，横波折射角度大于 33.3 度时，横波声压往复透射率达到最高；横波折射角度超过 70 度左右，声压往复透射率急剧下降，横波声场最大折射角度一般为 71.7 度。

• 端角反射

• 标准规定合理性：标准规定钢板斜探头检测原则上选用折射角为 45 度（K1）的斜杆镜片，也可选用其他镜片尺寸和折射角度。但从端角反射率理论看，K2 探头端角反射率仅 10%多一点，该规定不严密。

• 端角测 k 值问题：行业中用端角测试焊缝质量测 k 值不准确，因为主声束按端角反射理论走过的声程比直接打到端角上长，导致测得的 k 值偏大。

• 纵波斜入射：纵波斜入射端角反射率低，因为在端角的两次反射中分离出较强的横波。在 20 - 70 度左右的角度倾斜入射到端角，反射率较好，是探伤常用的反射角度范围。

• 横波斜入射：横波折射角度在 35 - 55 度时，声压反射率为 100%，检测灵敏度最高；常用的折射角度 60 度、70 度（K3 探头）声压反射率较低。检测钢板上下表面裂纹，在无焊缝余高阻挡时，尽量选用 45 度的纵波斜射探头（K1 探头）。

• 端角反射定义：两个平面构成的直角反射叫端角反射，超声波在端角经历两次反射。入射的纵波或横波与反射的纵波或横波之比称为端角反射率。

• 纵波与横波特点

• 标准规定思考

• 平面波在曲界面上的反射与折射

• 凹曲面折射：平面波入射到凹曲面，折射波聚焦，计算机仿真技术可清晰看到超声波在工件里形成聚焦。

• 凸曲面折射：平面波入射到凸曲面，折射波发散，如在椭形锻件外部向内部发射超声波的情况。

• 凹曲面反射：平面波入射到凹曲面，反射波聚焦，如纵波直探头放在椭球断件内壁的反射状态，探伤灵敏度可能变低。

• 凸曲面反射：平面波入射到凸曲面，反射波发散，如筒形锻件外检时，平面声源向凸曲面发射声波，声能量会发散损失。

• 反射情况

• 折射情况

• 探头应用：检测轴类、筒形锻件横向缺陷时，将横波斜探头磨出轴向凹曲，可减少凸曲面引起的反射和折射损失，使更多超声能量进入被检件，同时控制耦合介质的速度和均匀度。

• 纵波发射声场

• 平面圆形声源：超声检测所用探头一般用圆形压电晶片制作，称作平面圆形声源。声源轴线上声压与传播路程成反比，与声源大小有关。

• 声压分布：随着路程变化，主声束上声压出现极大值、极小值。当传输到 0.5N 时，声压开始逐渐增大，到 1N 时声压达到最高，再随着传输距离增加，声压缓慢降低，无极大值、极小值出现。从 n 到 3N 声压变化幅度大，3N 到 6N 声压变化平缓。

• 思考题

• 奥氏体不锈钢焊缝二次波检测为何选择 K0.75 探头。

• 奥氏体不锈钢焊缝用 K0.75 探头形成的二次波检测焊缝上部缺陷，与相同频率与镜片尺寸的纵波 K2 探头一次波检测灵敏度能否相同或相近，如何弥补能量差。

• 47013 标准规定内外径之比的目的是什么。

• 检测不同工件标准规定内径之比百分比不同的原因是什么。

• 内外径之比等于 40%的环形或筒形锻件是否可以进行超声检测。

• 规格为 φ 54×12 的高压无缝钢管是否可以进行超声横波外圆周向检测，标准规定的内外径之比哪个正确。

• 奥氏体不锈钢板材表面裂纹如何检测。

• 标准对钢板斜探头检测的规定是否符合横波端角反射定律。

• 超声波探伤行业用端角测试焊缝质量测得的 k 值偏大还是偏小。

• 使用规格相同的零度纵波直探头检测图示直径与高度相同的三种零件，在灵敏度相同条件下，哪两种工件底波高度相同。