复合板界面结合质量的超声波检测技术

复合板，作为一种由基板与复板通过轧制、爆炸或堆焊等工艺结合而成的双层结构材料，其性能优势高度依赖于两层材料间界面的结合质量。然而，在制造过程中，复合层与基板之间极易因局部复合不良而产生“未结合缺陷”。这种缺陷通常平行于钢板的轧制面，是影响材料结构完整性的关键隐患。因此，对复合板进行无损检测，核心任务便是准确探明未结合缺陷的存在、尺寸及其分布。

在众多无损检测方法中，超声波脉冲反射法因其高灵敏度和穿透性，成为检测复合板内部质量的主流技术，其操作方式与常规中厚板探伤基本一致。检测时，通常采用局部水浸法或接触法实现声波耦合，并可根据实际情况选择从基板或复板侧进行探测。在探头的选择上，单晶直探头和双晶直探头是两种最常用的工具。

1. 单晶直探头检测原理与信号解读

使用单晶直探头进行检测时，其基本原理是发射一束超声波，并分析从材料内部不同界面反射回来的回波信号。这些信号的形态、位置和幅度，揭示了材料内部的结构状态。

图1 使用单晶直探头脉冲反射法进行复合板探伤的原理图

在实际探伤作业中，回波信号的判读需要根据复合板的具体情况进行，主要可分为以下几种典型场景：

（1）基板与复板声特征阻抗相近

当两种材料的声学特性相似时，超声波在良好结合的界面处几乎不会产生反射。

• 复合良好：此时，仅能观察到底面回波（B波），该波形幅度高，且会形成稳定的多次反射。界面处无缺陷波（I波）。
• 存在小面积未结合（小于声束截面）：声束部分能量穿透缺陷，部分被反射，因此屏幕上会同时出现底波B和缺陷波I。
• 存在大面积未结合（大于声束截面）：声束被缺陷完全阻挡，导致底波B完全消失，仅剩下缺陷波I的多次反射。

（2）基板与复板声特征阻抗差异较大

当两种材料声学特性差异显著时，即使结合得天衣无缝，其界面本身也会引起一部分声波反射。

• 复合良好：此时，在缺陷波I波的位置会出现一个固有的界面回波，导致底波B的幅度相对较低。
• 复合不良：界面处的未结合缺陷会使界面回波（I波）的幅度显著增高，从而导致底波B进一步衰减甚至消失。若缺陷面积大于声束，则底波B同样会完全消失，仅剩I波的多次反射。

（3.）复板厚度较薄（小于探头盲区）

这是一个在实践中需要特别留意的复杂情况，因为缺陷回波与始脉冲（或界面波）距离极近，容易混淆。

• 从复板侧探测：当复合不良且缺陷面积大于声束时，由于缺陷反射面离探头太近，无法形成一个独立的缺陷波，而是表现为始脉冲或界面波的明显增宽与变形（如图2a所示），同时底波B消失。
• 从基板侧探测：此时，未结合缺陷能够形成清晰的I波，并可能产生多次反射，而底波B消失。操作人员必须具备足够的经验，避免将此处的缺陷波I误判为底波B（如图2b所示）。

图2 复合板未结合缺陷的特殊探伤图形

对上述回波信号的精确判读，不仅要求操作人员对理论有深刻理解，更依赖于丰富的实践经验，尤其是在处理不同材料组合和复杂几何形状时。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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2. 双晶直探头的应用优势

针对单晶探头在近表面检测时存在的盲区问题，双晶直探头提供了一个有效的解决方案。由于其发射和接收晶片分离并有特定倾角，双晶探头具有盲区小、分辨力强的突出特点，尤其适合对复板较薄的复合板进行探伤。

图3 使用双晶直探头进行复合钢板探伤的图形

如图3所示，使用双晶探头时，信号的判读更为直观：

• 复合质量良好：屏幕上只存在清晰的底波B。
• 存在大面积未结合：底波B消失，取而代之的是缺陷波I的多次反射。

与单晶探头相比，双晶探头最显著的优点在于，它能够清晰地区分始脉冲、底波和缺陷波，大大降低了信号误判的风险，尤其是在处理薄复层或近表面缺陷时，其可靠性更高。因此，在制定复合板的质量控制方案时，根据复板的厚度和检测要求，合理选择单晶或双晶探头，是确保检测结果准确性的第一步。