超声无损检测技术在金属材料缺陷检测中的实施步骤

金属材料是航空航天、核电、机械制造等高端装备的核心基础，其内部或表面的微小缺陷（如裂纹、夹杂、未熔合）可能在载荷作用下快速扩展，引发安全事故。超声无损检测技术（UT）凭借非破坏性、深穿透性与高分辨率的优势，成为金属缺陷检测的主流手段。而规范的实施步骤是UT发挥价值的关键——从前期准备到结果验证，每一步都需基于材料特性与设备原理，直接决定缺陷识别的准确性。

检测前的基础准备

检测前需先收集试件的核心信息：材质（如碳素钢声速约5900m/s、铝合金约6300m/s）、厚度（精确到0.1mm）、加工工艺（焊接/锻造/铸造）及服役环境（高温/高压）。这些数据是选择探头频率与声速参数的基础——若误用钢的声速检测铝合金，缺陷深度计算误差会达7%以上。

其次确认检测标准：如钢焊缝遵循GB/T 11345-2013《钢焊缝手工超声波检测方法》，核电设备遵循NB/T 20009.1-2010《核电厂钢结构超声波检测》。标准明确了检测范围（如焊缝需覆盖热影响区）、灵敏度要求（如Φ2mm横孔的反射幅值需达80%满屏），是实施的“技术大纲”。

最后处理试件表面：去除油污、氧化皮、油漆等附着物——表面锈层厚度＞0.1mm时，超声能量反射损失会超过30%，导致漏检。通常用120-180目砂纸打磨，或用酒精/丙酮清洗，确保表面粗糙度Ra≤6.3μm，保证耦合效果。

检测设备的校准与调试

超声设备需校准后才能使用，核心是确保“线性”与“准确性”。仪器校准首先看“水平线性”：用CSK-IA试块的Φ2mm横孔（孔深10/20/30mm），测量各孔声程差，误差≤0.5%——若线性不良，缺陷位置偏差可能达数毫米。

然后校准“垂直线性”：输入50%、70%、100%满屏的标准信号，观察输出幅值与输入的线性关系，误差≤5%——垂直线性直接影响缺陷定量精度，误差过大会将小缺陷误判为大缺陷。

探头校准关注“前沿距离”与“折射角”：斜探头的前沿距离（入射点到探头前端的距离）用IIW试块校准，误差≤1mm；折射角（如K1探头的45°）用试块不同深度孔验证，误差≤1°。此外，厚度＞20mm的板材用2.5MHz探头（穿透深），＜6mm的薄板用5-10MHz探头（分辨率高）。

耦合剂的选择与应用

耦合剂的作用是排除探头与试件间的空气——空气声阻抗（0.0004×10^6 kg/(m²·s)）远小于金属（钢45×10^6），若有空气，超声能量会完全反射。常用耦合剂包括机油（常温用，成本低）、甘油（润湿性好，适合不锈钢）、硅基耦合剂（高温用，不易蒸发）。

应用时需注意量：均匀涂抹0.1-0.3mm薄层——涂太多会增加探头阻力，导致扫查速度过快；涂太少会出现“干摩擦”，产生假信号。例如检测垂直焊缝时，用毛刷沿焊缝方向涂耦合剂，确保探头移动时始终有覆盖。

扫查策略的制定与执行

扫查的目标是“全覆盖”，需根据试件类型选择方式：焊缝用“锯齿形扫查”——斜探头沿焊缝移动，同时左右摆动10-15°，覆盖焊缝及热影响区；板材用“格子扫查”——直探头按网格移动，步距≤晶片宽度的50%，避免漏检；管材用“周向扫查”——探头沿圆周移动，轴向步距≤晶片宽度的50%。

扫查速度需≤150mm/s：速度过快会错过缺陷的瞬时信号。此外，直探头的近场区（如Φ20mm晶片的近场区约16mm）内声压波动大，无法准确检测，薄板需用双晶探头（近场区≤1mm）规避盲区。

超声信号的采集与分析

采集信号时记录三个参数：“幅值”（与缺陷大小成正比）、“位置”（声程/深度/水平距离，仪器自动计算）、“波形”（缺陷形状的反映）。例如裂纹信号波形“尖锐陡峭”，夹杂“宽钝平缓”，气孔“低矮分散”。

分析时要区分真假信号：耦合不良信号幅值低，移动探头消失；表面反射信号在近场区，幅值高但稳定；材质不均匀信号（如铸铁石墨）杂乱无章。焊缝中的裂纹信号通常在热影响区，幅值高，移动探头时信号连续变化，且有“端点衍射波”（裂纹两端的衍射信号，是裂纹的特征）。

缺陷的定性与定量

定性需结合信号与工艺：未焊透在焊缝根部，信号位置固定，幅值高，波形平直；未熔合在焊缝侧面，信号在热影响区与焊缝交界处，波形尖锐；夹杂信号随机，波形宽钝，与材质有关。

定量用“幅值法”与“长度法”：幅值法用对比试块（如Φ2mm横孔试块），将被测缺陷幅值与试块对比，计算当量（试块幅值80%，被测40%，则缺陷当量Φ3mm）；长度法沿缺陷移动探头，记录幅值超过20%满屏的区间，即为缺陷长度——裂纹需用“端点法”，探头移至裂纹两端时信号降至阈值以下，两点距离为长度。

检测结果的验证与复探

验证是确保准确性的最后一步：射线检测（RT）验证体积型缺陷（气孔/夹杂），磁粉（MT）/渗透（PT）验证表面缺陷（裂纹）。例如超声发现焊缝可疑裂纹，用MT检测若出现磁痕，即可确认是表面裂纹。

复探针对可疑区域：调整参数（如提高频率）或更换探头（如双晶探头检测薄板），确保结果一致。例如某钢材检测中，第一次扫查发现“中等幅值信号”，复探用10MHz探头后，确认是“微小夹杂”而非裂纹。