中厚板超声波无损检测：工艺选择与实践解析

对中厚板进行无损检测，其核心目标是在不破坏材料的前提下，精准识别其内部可能存在的缺陷。如何选择合适的探伤方法与工艺，是一项需要综合权衡的系统工程。决策依据通常包括钢板的规格与数量、预期的缺陷类型、质量技术要求、现场环境条件乃至检测成本。在众多技术路径中，超声波探伤因其高灵敏度和穿透性，成为主流选择，具体工艺则主要围绕接触法与水浸法展开。本文将深入探讨这两种方法的原理、关键工艺参数控制以及结果评定，为一线工程师与品控经理提供一份详实的实践指南。

1. 接触法：经典与灵活的检测手段

接触法，顾名思义，是使探头通过一层薄薄的耦合剂与被测钢板表面直接接触，实现声波的传入与接收。

耦合剂的选择并非随意，它需要根据钢板的表面粗糙度来定，同时也要兼顾经济性、操作便捷性和环保要求。水、机油、甘油、水玻璃乃至糊状物都是常见的选项。为了确保声耦合的稳定与高效，扫查过程中需对探头施加一个均衡的压力，通常在1~2 kg左右，以保证声能的有效传递。

接触法探伤普遍采用脉冲反射法，根据具体需求，可选用单晶直探头、双晶直探头或单晶斜探头。

单晶直探头脉冲反射法波形解读

单晶直探头脉冲反射法是中厚板探伤的典型应用，其A扫描显示屏上的波形是判读缺陷的关键。本质上，对波形的解读就是一场对声波在材料内部旅程的追踪与破译。

图1 接触法探伤的典型波形

• a) 无缺陷状态：屏幕上仅出现底波（B）的多次反射，波形干净，表明钢板内部完好。
• b) 存在小尺寸缺陷：缺陷波（F）与底波（B）同时存在，说明内部有小于声束截面的不连续性。当板厚D > 20mm时，通常依据第一次缺陷波F₁进行评定；而当D < 20mm时，为规避近场区效应的影响，则参考第二次缺陷波F₂。
• c) 存在大尺寸缺陷：屏幕上只有缺陷波的多次反射，底波完全消失。这预示着存在一个尺寸大于声束截面的严重缺陷，它阻断了声波到达底面的路径。
• d) 存在分层缺陷：在一次底波内出现两次或多次缺陷波，严重时底波也可能消失。这表明钢板内部可能存在两层或多层小于声束截面的缺陷。
• e) 近表面大缺陷（盲区内）：无缺陷波也无底波，但始脉冲明显变宽、变形。这是近表面（盲区）存在大尺寸缺陷的典型特征。
• f) 近底面大缺陷（下盲区内）：同样只有缺陷波的多次反射而无底波，但缺陷波位置靠近底波应出现的位置。这种情况需特别注意辨别，避免将缺陷波误判为底波。

2. 水浸法：自动化与高稳定性的选择

水浸法通过液体（通常是水）作为耦合介质，探头与钢板并不直接接触。这种非接触式耦合带来了极高的稳定性，尤其适合自动化、高通量的检测场景。局部水浸是钢板探伤中最常用的形式。

2.1 充水多次重合法

此方法利用充水探头，通过调节探头与钢板之间的水层厚度H，使第n次底波（B_n）与第二次界面波（S₂）在时间轴上重合。若n=2，即第二次底波B₂与S₂重合，则称之为“2次重合法”，以此类推。

图2 2次重合法示意图

对于厚度在20~80mm的钢板，常采用2~4次重合法。其设定原则是追求波形清晰、易于观察，确保检测结果的可靠性。水层厚度的计算是关键，其关系式为：

H = (C_l1 / C_l2) * T * n

式中，H为水层厚度，T为钢板厚度，n为重合次数，C_l1和C_l2分别为声波在水和钢中的纵波声速。这个公式的本质是利用声波在水和钢中声速的已知差异，通过精确控制水层厚度，来巧妙地将多次底波信号与界面波对齐，从而实现对特定厚度钢板的高效检测。

2.2 充水水膜法

该方法在充水探头内部形成固定水柱的基础上，再于水柱与钢板间形成一层0.5~1.0mm的水膜进行耦合。固定水柱的高度根据钢板厚度一次性设定，后续检测无需调整，极大地方便了操作，是自动化探伤的理想选择。

图3 充水水膜法探伤及波形示意图

2.3 水膜法

水膜法直接在探头与钢板间维持0.3~0.8mm的水膜间隙。其原理与接触法类似，但耦合稳定性更优。不过，水膜耦合会使始脉冲和底波展宽，增大探伤盲区。因此，操作时必须保证声束垂直入射，否则灵敏度和近表面分辨力会显著下降。此法多用于厚板探伤。

图4 水膜法探伤方式及波形

2.4 双晶直探头水膜法

双晶直探头的独特结构（一个晶片发射，一个晶片接收）赋予了其水膜法应用诸多优势：盲区小、灵敏度高、波形简单、易于设置报警门、耦合稳定，同样非常适用于自动化探伤。

图5 双晶直探头水膜法探伤方式及波形

3. 探伤工艺核心参数控制

选定方法后，一系列关键参数的设定直接决定了检测的成败。

3.1 探头的选择

探头的选择涉及形式、工作频率、晶片规格等。这需要依据相关标准，并结合被测钢板的厚度、材质、表面状况及灵敏度要求来综合决定。一个重要的考量点是，许多国内外标准（如GB/T 2970—2004）对双晶直探头的距-幅特性曲线有明确要求。例如，要求在整个探测深度范围内，底面回波与最大回波的高度差应小于6dB。这是为了防止因深度不同导致灵敏度差异过大，从而造成缺陷漏检。

图6 双晶直探头距-幅特性曲线示例

3.2 扫查方式与速度

• 扫查方式：分为全面扫查和局部扫查。全面扫查要求声束100%覆盖被测表面，而局部扫查则按规定间距进行平行、网格或点式扫查。具体采用何种方式，需遵从标准规定或用户要求。 图7 钢板局部扫查主要方式示意图
• 扫查速度：接触法手动探伤时，移动速度一般不宜超过200 mm/s。对于具备自动记录或报警功能的局部水浸法系统，速度可以大幅提升，一般不超过1000 mm/s，前提是能清晰显示或记录缺陷。

3.3 探伤灵敏度的设定

灵敏度的设定是保证检测可靠性的基石，通常使用带有已知人工缺陷（如平底孔）的试块进行校准。

• 试块法：可使用标准试块或对比试块。在批量生产检测中，使用与被测工件材质、厚度相近的专用对比试块更为普遍。试块的制作和使用需严格遵守相关标准。设定时，一般将人工缺陷反射波调至屏幕满刻度的50%~80%之间，并需审慎使用仪器的抑制功能，以免影响定量准确性。 a）板厚 ≤ 60mm 的双晶直探头检测用对比试块（单位：mm）

b）单晶直探头检测用对比试块（单位：mm） 图8 两种检测用对比试块

表1 单晶直探头检测用对比试块规格

表2 对比试块中人工缺陷的垂直度公差

• 底波法：利用被测钢板无缺陷区域的底波来调整灵敏度，常见方式有：
  1. 将第一次底波B₁高度调至满刻度的80%。
  2. 要求第n次底波（如B₅）达到某一高度（如50%）。
  3. 将B₁调至某一高度（如50%）后，再增加指定的增益（如10dB）。
  4. 当板厚大于3倍近场区长度时，可通过计算法设定灵敏度。

4. 探伤结果评定与自动化趋势

缺陷评定

缺陷的判定依赖于对底波变化、缺陷波有无、强弱及位置的综合分析。发现缺陷后，需在其周围进行延伸扫查，以确定其位置、面积和长度。

• 定量：对于小于声束截面的缺陷，常采用当量比较法；对于大于声束截面的缺陷，则使用半波高度法来确定其边界和指示长度。
• 定性：缺陷的定性极具挑战性，它不仅需要分析缺陷信号的波形特征，更需要探伤人员具备冶金学、轧钢工艺、材料学等多学科的知识背景，并结合以往对该类钢板缺陷类型和分布规律的经验。通常，对内部缺陷的定性只能给出一个基于综合分析的估计性结论。

要获得准确可靠的缺陷评定，对操作人员的专业知识和实践经验提出了极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测钢板无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

自动化探伤

面向大批量生产，自动化探伤已成为必然趋势，主要分为在线和离线两种模式。

• 离线自动探伤：在钢板冷却至接近室温时进行。
• 在线自动探伤：与轧钢生产线同步运行，目前已能适应200~300°C的高温钢板。

自动化系统通常采用脉冲反射法和水膜耦合，集成数十甚至数百个检测通道，分别覆盖板边、板面等区域。借助计算机系统，可实现检测过程的程序控制、灵敏度自动校准、闸门自动跟踪、深度自动补偿和复杂的信号处理，极大地提升了检测效率和可靠性。