板材的超声波检测

厚板与中厚板的超声波检测——横波法检测

为了发现与板材表面呈一定角度，甚至垂直取向的缺陷，例如裂纹，有必要时还应辅以横波检测。

板材横波检测条件的确定、定标入射角或折射角（或K值）的确定等与一般的横波检测方法相同，其灵敏度的调整则采用以刻槽或柱孔为反射体的同规格、同材料、同冶金状态与表面状态的板材实物对比试块。

考虑到缺陷的取向可能是多种多样的，故在扫查时一般采用格线扫查并且声束应朝向4个方向（板材轧制方向的两端和垂直于轧制方向的两端），即4次扫查，以免漏检。

当采用上下版面刻槽（槽的方向垂直于板材轧制方向）为反射体时，则可预先绘制出距离—振幅曲线（上、下刻槽回波高度的连线）以便于检测时对缺陷回波大小的评定。

板材横波检测的对比试块见图4-4-4。

薄板的超声波检测

一般把厚度0.5~4mm（厚度与超声波长相当）的板材称为薄板。

在自动化超声波检测中，通常采用水浸法或溢水法、喷水柱法等，以多通道脉冲超声波穿透法进行检测，当调整检测条件满足板厚与检测频率的关系达到共振条件（板厚等于二分之一波长的整数倍）时，可获得最大的穿透率，若是板材中出现缺陷时（特别是分层），将破坏原来的共振条件，使穿透率大大降低，表现为穿透波幅度显著降低，从而可以发现缺陷的存在。

在通常情况下，采用手工接触法兰姆波检测（亦称板波法检测）。

型材的超声检测

所谓型材，是指其横截面为矩形、方形、工字形、T字形、π形以及其他形状的长条形轧材，如方钢、角钢、工字钢、槽钢、钢轨等等。对于这些型材，常用的超声检测方法是纵波检测和横波检测，其基本要求与锻件的超声波检测基本相同，如图4-5-2所示

对于方钢，一般采用纵波直探头以相邻的两个侧面为探测面，当发现缺陷后，还应从对面侧面检测验证。

当有较高的近表面分辨率要求时，考虑到直探头的上盲区通常大于低盲区，则需要做4个侧面探测，或另外采用组合双晶直探头做4个侧面探测。

有些金属的塑性不够好，在轧制、锻造时容易出现沿应变线开裂，在方形或矩形截面上表现为沿对角线开裂，故还需考虑加作折射角与裂纹取向角相近的横向横波检测（声束方向与方钢轴线方向垂直）。

在对钢轨检测时，依据钢轨中可能出现缺陷的位置（轨腰、踏面、轨底、鱼尾夹板孔等）以及缺陷的取向而采用纵波和横波检测，目前的钢轨检测已大多采用多通道仪器，集中探头分布在钢轨的不同位置同时检测以提高检测效率。

对于截面较薄的型材（例如扁钢、角钢、带钢等），常见的是采用组合双晶直探头或横波检测，在自动化检测中则常常采用多通道的超声波脉冲穿透法检测等。

图4-5-2所示的例子也是对其他型材检测时必要考虑的方法选择原则。

大直径圆截面棒材的超声检测

大直径圆截面棒材的超神检测放大包括接触法检测和水浸法检测，也包括周面径向入射的纵波检测和周面弦向入射的横波检测。

单直平探头接触法周面径向入射的纵波检测基本检测程序：

（1）调整仪器处于正常工作状态。

（2）定标：同锻件纵波检测一样，可以直接利用棒材本身或利用声学性能与被检测棒材相同或相近的对比试块，采用两次回波法定标。

（3）起始灵敏度的调整。

①对比试块法：棒材超声波纵波检测的对比试块如图4-5-3所示。

②底波方式法。

（4）扫查：棒材检测时的扫查方式可以采用周向扫查+直线平移、轴向直线扫查+轴向平移或螺旋线扫查。前两种方式在手工接触法检测时比较方便操作，后者多用于自动化检测（棒材旋转，探头沿轴向移动）。

（5）缺陷评定：棒材超声波检测中对缺陷的定位评定与锻件相同，即可从已定标的水平刻度上直接读取缺陷的埋藏深度。

缺陷的定量评定一般采用当量法评定。在使用底波方式法时，其定量方法与锻件检测方法相同。

棒材的水浸法检测

棒材的水浸法检测较多采用浸入法耦合，也有采取局部水浸的耦合方法。

（1）周面径向入射的纵波检测。

在用普通的水浸平直探头检测时，由于水中声速显著低于金属棒材中的声速，因此声束从水中通过凸曲面进入棒材时将严重发散，不但使声能分散，而且容易产生干扰。

为此，棒材的水浸法检测多采用水浸聚焦探头，并且以线聚焦型为好，可以提高检测效率。但是，进入棒材色声速仍应有一定的散发以保证对检测区域必须的覆盖，因此水浸聚焦探头的水中焦点落在何处是一个必须注意的问题。图4-5-6示出了3种情况：

a）水中焦点落在棒材中心的上部则声束进入棒材后会先汇聚后发散，使声场分布不均匀，恶化了声场的距离-振幅特性，不利于对缺陷的定量评定；

b）水中焦点落在棒材中心，声束进入棒材后没有发散而汇聚在圆心处，对中心缺陷的检测效果最好；

c）水中焦点落在棒材圆心的下半部，声束进入棒材后有适当发散，能保证有一定的覆盖区域，有利于探测各种可能取向和不同埋藏深度的缺陷。因此，应当以b）和c）的情况调整水程距离，即以水中焦点落在圆心或圆心以下为最好。

（2）周面弦向入射的横波检测

当采用水浸法作周面弦向入射的横波检测时，应使探头的水中焦点落在与声轴线垂直并通过棒材圆心的直径线上。折射角的控制可通过调整声轴线与通过棒材圆心的声轴线之间的距离—偏心距来实现，如图4-5-7所示。

偏心距X=R·(C水/Cs）·sinβ，式中：

R为棒材半径；Cs为棒材中的横波速度；β为折射角。

小直径圆截面棒材的检测

小直径圆截面棒材的曲率半径较小（通常指直径＜60mm的棒材为小直径棒材），若用普通单直探头以接触法周面径向入射纵波检测时，由于其近表面分辨率有限，往往完全处在近场区内，加上表面变型波也会产生很强的干扰，甚至始波占宽都能达到棒材的半径以上，种种原因都使得对小直径圆截面棒材不能使用普通平直探头的接触法周面径入射纵波检测。

对于这样的棒材，除了可以采用水浸聚焦声束检测外，也常采用以下述检测方法：

（1）骑马式组合双晶探头周面径向入射检测。

如图4-5-8（a）所示。

用两只探头安置在马鞍形有机玻璃鞍座上，仪器以“一发一收”方式工作，两晶片的声轴线交角通常取70°为宜。

（2）普通商品化组合双晶直探头检测。

如图4-5-8（b）所示。

把普通商品化组合双晶直探头的延迟块平底面磨制成凹圆柱面与棒材曲面吻合，探头的隔声层与棒材轴向相同。磨制成曲面后，探头原来的入射角已被改变，延迟块的高度也发生变化，因此需要经过试验来确定最佳检测条件（经试验，对于直径为φ40~60mm的钢棒，选用原始入射角为3°~6°的组合双晶直探头效果较好）。

以上两种方法都是使探头的隔声层沿棒材轴向放置的，这种方法有利于发现棒材中最常见的宏观缺陷以及条状偏析、条带状组织等微观缺陷，是一种灵敏度比较高的检测方法。

也有人采用如图4-5-8（d）的方法。

即用普通商品化组合双晶直探头，使其隔声层与棒材轴向垂直放置，延迟块平底面磨制成凹圆柱面与棒材曲面吻合。这种方法能保持探头的原始入射角不变且磨制简单，但是由于声束与缺陷取向构成的角度关系以及反射条件不利，故其检测灵敏度较低，特别是不容易发现例如条带状的显微组织以及细长形的宏观缺陷。

（3）水浸线聚焦双探头检测。

如图4-5-8（c）所示。

这种方法主要用于自动化检测，要求聚焦声束在棒材中有一定散发以保证必要的覆盖范围，其水距的选择原则与前述大直径棒材水浸纵波法检测的情况基本相同，而两个探头的声轴线夹角则与骑马式组合双晶探头的情况大体相同。

这种方法的检测效果与骑马式组合双晶探头的效果差不多，但基本上是属于纵波检测。此外，两个探头之间的间距、水程距离、夹角等的调整均是在棒材实物对比试块上进行（同曲率、同材料、铜冶金状态的棒材径向平底孔试块），特别是灵敏度的调整，比较花费时间，不过，一旦调整好后，其检测效率比较高。

（4）加延迟块的单直平探头检测。

如图4-5-8（e）所示。

在普通平直探头的前面加上延迟块（有机玻璃、丙烯酸树脂或其他金属制成），延迟块的前端磨制成凹圆柱面与棒材曲面吻合。

采用这种方法时，应注意延迟块的厚度必须保证第二次界面回波落在棒材第一次底面回波之后，延迟块的材料对声能不应有太大的衰减以免影响检测灵敏度。

延迟块的形状设计是必须特别关注的，应不致使延迟块内的多次反射波造成干扰，这可以使延迟块有一定的宽度，在延迟块外壁上加工或装设声陷阱以吸收延迟块内的回波等。

采用这种方法检测时，由于其声场分布比较均匀，故它的检测效果与大直径棒材的单直平探头检测效果基本相同而且具有较好的近表面分辨率。