钢对接焊缝超声波检测中探头角度的选择

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超声波探头的结构

在钢对接焊缝超声波检测中常用的探头是横波斜探头。

当超声波耦合剂倾斜入射到介质时，在介质表面会产生波型转换，当入射角在第一临界角与第二临界角之间时，在固体介质中就只有折射横波。

横波斜探头就是利用超声波的这一传播特性设计的。

横波斜探头通常由声陷阱、外壳吸声材料、透声楔块、压电晶片、阻尼块、电缆线、接头等构成。

透声楔块的主要作用是改变声束角和实现波形转换，其结构如图1所示。

图1横波斜探头结构示意图

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常见的焊接缺陷

焊接接头常见的焊接缺陷有气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未融合等。

在焊接接头超声波检测中由于焊接接头余高的影响，接头中裂纹、未焊透、裂纹、未融合等危害性大的缺陷往往与检测面垂直或成一定角度，故一般采用横波斜探头法检测焊缝。

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探头角度的选择

1.探头角度的选择

检测面包括检测区和探头的移动区。检测区的宽度应是焊缝本身，在加上焊缝两侧各相当于母材厚度的30%的一段区域，如图2所示。

图2检测区和探头移动的区域

探头移动的区域与探头检测方法和母材的板厚有关。本文编辑来自NDT互联网联盟

当采用一次反射法检测时，探头移动区域大于等于1.25P:P=2TK或P=2Ttanβ（1）式中：

P为跨距（mm）；

T为母材板厚（mm）；

K为探头的K值；

β为探头的折射角。

当采用直射法时，探头移动区应大于等于0.75P。

2.角度的选择

由于焊缝余高的存在和斜探头前沿的影响，一次波只能检测到焊缝中下部。

当焊缝宽度较大，若斜探头的角度选择小，则可能无法检测到中下部。

因此斜探头的角度选择应考虑以下三个方面：

①声束应能扫面到整个检测面；

②声束应能尽量与该焊缝可能出现的危险性缺陷垂直；

③尽量使用一次波判别缺陷，减少误判同时要保证有足够的检测灵敏度。

如图3所示为用一、二次波单面检测双面焊焊缝时声束覆盖的情况。

图3一、二次波单面检测双面焊焊缝

由图3可知：

其中一次波只能检测到d1以下的部分（受上部余高的影响），二次波只能检测到d2以上的部分（受下部余高的影响）。

为保证能检测到整个检测区截面，必须满足d1+d2≤TT，从而得到：

式中：

a为上焊缝宽度的一半（mm）；

b为下焊缝宽度的一半（mm）；

T为焊缝母材厚度（mm）；

l0为探头前沿长度（mm）；

k为斜探头k值。

对于单边焊缝b可以忽略不计，此时：

以上公式的利用有个前提，即要从多个检测面进行扫查，如单面双侧，双面双侧等，但只是在单面单侧进行扫面就不能使用这个公式。

如特高压22mm板，坡口单边为65°，盖面后的焊缝宽度是30mm，探头前沿是10mm。

如果用公式计算，K值为1.8即可。

但是选K值1.8会造成很大的盲区，如图4所示。

图4K值为1.8的焊缝

此时，应该依据坡口的角度来选择探头的角度，如图5所示。

图5依据坡口的角度来选择探头的角度

由图3可知：

特高压颈法兰的坡口角度一般为65～67°，检测的主要缺陷是坡口未融合。

因此，应该选择与65～67°比较接近的探头角度。本文编辑来自NDT互联网联盟

K2.5角度约是68°，如图6所示，K2的角度约是63°，与65～67°都比较接近。

图6K2.5的角度

如果是单面双侧检测，用K2即可，但只单面单侧检测，就应该选择K2.5的探头，因为K2.5的覆盖面更大些，或者K3的探头也适用，只是移动区相对较大。

如果使用60°和70°这两种探头，单面单侧来说，主要是用70°的一次波，60°的二次波。

3.用CAD计算K值

K值的选择，可以用CAD根据板厚、坡口角度、焊缝宽度来画图计算。

如果一次波能够扫查足够的多面坡口，并且二次波区域又不过大，那么次K值就可以使用。

如果是单面单侧扫查，K值应选择大一点；

如果是单面双侧扫查，K值可选择小一点的。

特高压颈法兰CAD计算K值方法如图7所示。

图7特高压颈法兰CAD计算K值方法

还有一些厚度比较薄板也可以采用CAD计算其选用的K值。

以下是以9mm薄板为例列举K值的选择方法，如图8所示。

图89mm薄板K值的选择方法

讨论对探头角度的选择，在实际检测中应根据焊缝情况、检测条件以及执行的标准认真选用探头角度，频率，晶片尺寸等，使超声波检测结果尽可能的做到准确可靠。

一般探头角度可根据焊缝母材的板厚来选取。

板厚较薄的采用大角度K值，以避免近场区检测，提高定位、定量精度。

板厚较厚的采用小角度K值，以便缩短声程、减小衰减、提高检测灵敏度，还可以减小探头移动区、减小打磨宽度。

特殊情况的可以通过CAD画示意图计算探头角度。

来源：节选自《工程设备与材料》年5月刊