徐海洋超声波检测技术学习笔记(二十) 超声检测系统的建立与关键组件选择

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第20讲：超声检测系统的建立与关键组件选择

针对多种工件（如锻件、焊缝、管材等）的超声波探伤，由于检测系统建立不当，导致无法有效实施。本讲重点阐述如何依据工件特点，选择正确的仪器、探头与试块，以建立完善的超声检测系统。

核心组件选择与技术要点

超声仪器

技术指标

区分技术指标与性能，指标是基础要求

五项核心指标：垂直线性、水平线性、动态范围、灵敏度、信噪比，必须符合检定规程。

• 通频带：包含最高使用频率（如5MHz）即可，无需过宽（10MHz足够）。

• 采样频率：为探头标称频率的3~5倍。

• 衰减器：需有6dB、1dB、0.1dB档位。

• 显示器分辨率：最好为640×480。

• 辅助功能（如存储曲线/结果数量、U盘读取）应根据实际需求选择，避免冗余。

超声探头

形式与参数

探头选择错误是导致检测失败的严重问题

探头形式与适用场景：

• 零度纵波直探头：检出与检测面平行的缺陷（如分层、折叠）。

• 小角度纵波斜探头：检测螺栓、轴类零件的裂纹（非零度探头）。

• 横波斜探头：检测焊缝中垂直或成角度的缺陷。

• 表面波/爬波探头：检测厚度<5mm零件的表面/近表面缺陷。

频率选择原则：

• 厚度小(<18mm)、晶粒细：选较高频率（2.5-5MHz）。

• 晶粒粗大（铸件、奥氏体焊缝）：选较低频率（0.5-2.5MHz）。

• 频率过高（如10MHz）会导致衰减严重，信噪比下降。

试块与系统建立

关键挑战

扫描基线校准与探头测试需仪器、探头、试块配合完成

标准/对比试块种类有限，无法满足所有工件检测需求，需关注专用对比试块的设计与使用。

• 关键问题：许多工件（如直缝焊管、筒形锻件）的标准未给出合适的校准试块。

建立系统需明确：

使用何种标准试块校准扫描基线？

使用何种对比试块测试K值、制作DAC曲线？

专用对比试块如何替代标准试块完成校准与测试？

• 这是目前许多检测人员无法对多种工件实施有效探伤的主要原因。

核心结论：超声检测系统的有效建立，关键在于依据被检工件的具体特点，综合、合理地选择仪器的技术指标、探头的形式/频率/晶片尺寸，并解决试块校准的实操难题。避免盲目追求高参数，需以超声波基本理论为指导，审视并规避现有标准中可能存在的问题。

围绕超声检测系统的建立展开，详细讲解了超声检测仪器、探头和试块的选择要点，分析了各因素对检测的影响，并通过实际案例说明选择的重要性，还提出了相关思考题以加深理解，内容如下：​

超声检测系统概述​

构成要素：超声检测系统由仪器、探头与试块组成，完善的系统建立是实施超声波探伤的基础，很多工件因系统无法建立而难以进行有效检测。​

通用技术：超声检测通用技术针对确定背景工件，依据工件特点、检测方法、技术条件、仪器、试块及探头提出技术要求。​

超声检测仪器的选择​

技术指标​

指标内容：超声仪器技术指标包括垂直线性、水平线性、动态范围、灵敏度、信噪比等五项，需符合仪器检定规程要求，如通频带、采样频率、重复频率、衰减器档位、显示器分辨率等都有相应标准。​

辅助功能：辅助功能非强制指标，如通频带包含目前使用的最高频率 5 MHz 即可，最高到 10 MHz 足够；采样频率为探头标称频率的 3 - 5 倍；重复频率要求可调；衰减器有 12 dB、1 dB、0.1 dB 即可；显示器分辨率最好为 640×480；存储距离波谷曲线 5 组以上、检测结果 100 个，能用 U 盘读取结果。

技术性能​

功能要求：检测前需进行扫描基线校准与探头技术指标测试，仪器应具备相应功能，不同种类工件对仪器技术性能要求不同，如直缝焊管、螺栓等工件，并非所有型号仪器都能检测。

共性与差异：检测各种工件都要求仪器的水平线性、垂直线性、信噪比、灵敏度、动态范围满足标准要求，但不同工件对技术性能要求有差异。​

超声波探头的选择​

探头形式​

纵波直探头：用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷，如锻件、钢板中的分层折叠，检测应在 3N 以外进行，双晶零度纵波直探头主要检测厚度小于 45 mm 的工件。​

小角度纵波斜探头：用于检测螺栓、坯材及轴类等工件中的裂纹缺陷，避免用零度纵波直探头检测螺栓螺纹根部疲劳裂纹。

大角度纵波斜探头：用于检测奥氏体、不锈钢等固定材料的焊缝。​

横波斜探头：包括空部切弹头、外圆周向曲率斜探头等，分别用于检测焊缝中不同类型的缺陷和轴类、孔类等工件中的纵向缺陷。​

表面波爬波探头：用于检测厚度小于 5 mm 的零件表面与近表面的缺陷。​

聚焦探头：用于裂纹自身高度测试或厚度较小的固定材料横缝检测。

探头频率​

频率影响：频率升高有利于发现微小缺陷、使主波始波变窄、声束指向性变好，但会使有效声场区域变小、近场长度增大、散射衰减增大。​

选择原则：工件厚度小于 18 mm，碳钢焊缝等晶粒细的零件选 5 MHz；晶粒细小的锻件、轧制件和焊接件常用 2.5 - 5 MHz；晶粒粗大的铸件、奥氏体不锈钢焊缝等选 0.5 - 2.5 MHz；镜片尺寸小于 ф 12 或 9×9 的探头选 5 MHz 以上频率。

探头镜片尺寸​

尺寸影响：镜片尺寸大，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，但近场区长度增长，远距离扫查范围变小；镜片尺寸小，有利于提高缺陷定位定量精度，减少盲区。​

选择原则：检测面积大、厚度大的工件选大晶面探头；检测厚度小的工件选小晶片探头；检测表面不平、曲率较大的工件选小晶片带相应曲率的探头。​

斜探头 k 值​

选择依据：检测厚度较小工件选较大 k 值，增加一次声程，避免近场探伤；检测厚度较大工件选较小 k 值，减小声程衰减，易于发现深处缺陷。​

综合选择：随着工件厚度增加，压电镜片尺寸增大，k 值减小；工件厚度减小，镜片尺寸减小，k 值增大。​

探头自身信噪比​

产生原因：探头自身产生噪声信号是由于纵波倾斜入射时，在探头斜楔中形成反射的纵波和横波。​

选择要求：衰减型仪器灵敏度余量为 22 dB，增益型仪器在 88 dB 时，探头自身噪声高度低于显示器满屏高度的 10%。同时，探头原则上应使用塑料外壳，但目前金属外壳居多是因制造商难以控制探头自身信噪比。​

超声波试块的选择​

试块现状：标准试块与对比试块种类和数量有限，无法满足所有工件检测需求，阻碍了超声检测工作。​

选择要求​

扫描基线校准：关注能完成特定工件探伤扫描基线校准的标准试块型号，如直缝焊管探伤需确定合适的标准试块。​

配值测试与距离波群制作：确定能完成配值测试、距离波群制作及检测的对比试块型号。​

专用对比试块：设计、制作和使用专用对比试块，可替代标准试块或通用对比试块完成仪器扫描基线校准、探头技术指标测试和灵敏度确定。​

思考题​

奥氏体不锈钢焊缝检测：依据其声学特性，思考建立超声检测系统所需的仪器型号、探头型号、标准试块型号，以及标准规定的专用对比试块是否符合超声波基本原理？

直缝焊管检测：考虑建立检测系统时仪器应具备的功能、探头规格型号、扫描基线校准和探头前沿测试所用的标准试块型号。​

筒形锻件检测：针对内壁纵向裂纹和横向缺陷，思考检测系统的建立，包括仪器功能、探头规格型号、标准试块或专用对比试块型号。