无损探伤检测中超声波探头的选型与性能测试

超声波探伤是无损检测领域的核心技术之一，而探头作为“信号收发器”，其选型的合理性直接决定了缺陷检测的准确性与效率。不合适的探头可能导致漏检、误判，甚至无法完成检测任务；而性能测试则是验证探头是否满足要求的关键环节，能量化其探测能力、定位精度等核心指标。本文结合实际检测场景，系统梳理超声波探头的选型逻辑与性能测试方法，为检测人员提供可操作的实践指南。

超声波探头选型的核心参数：频率与晶片尺寸

频率是探头的核心参数之一，直接影响检测的穿透能力与缺陷分辨率。高频探头（如5-10MHz）振动频率高、波长短，对细小鱼鳞状裂纹、夹杂物等微小缺陷的识别能力强，但穿透深度有限，适合薄钢板、铝合金薄板等厚度较小的工件；低频探头（如0.5-2MHz）波长较长、能量衰减慢，能穿透厚壁钢管、汽轮机转子等厚大工件，但分辨率较低，难以检测微小缺陷。例如，检测厚度10mm的不锈钢薄板时，10MHz高频探头可清晰识别0.1mm的分层缺陷；而检测厚度50mm的碳钢锻件时，2MHz低频探头能穿透工件并检测到内部5mm的裂纹。

晶片尺寸（压电元件的大小）决定了探头的声束特性。大晶片（如φ20-25mm）声束扩散角小、能量集中，适合深距离检测，能在厚工件中保持足够信号强度；小晶片（如φ5-10mm）声束聚焦性好，能精准定位小缺陷，适合检测轴承钢球、齿轮齿面等小尺寸工件的内部缺陷。以检测直径20mm的轴承钢球为例，φ8mm小晶片探头能聚焦到钢球中心，检测到0.5mm的内部裂纹；而φ20mm大晶片探头因声束过宽，无法准确识别小缺陷。

探头类型的选择：匹配检测场景的需求

直探头（纵波探头）通过发射纵波（质点振动方向与波传播方向一致）检测工件内部缺陷，适合钢板、锻件、铸钢件等均质材料的内部裂纹、缩孔等缺陷。例如，汽轮机转子的内部裂纹检测中，直探头能沿轴向发射纵波，穿透转子本体并检测到深处的径向裂纹；厚壁压力容器的检测中，直探头能检测到筒体内壁的分层缺陷。

斜探头（横波探头）通过楔块将纵波转换为横波（质点振动方向与波传播方向垂直），适合焊缝、管材等工件的表面及近表面缺陷。横波传播方向与工件表面成一定角度（如45°、60°、70°），能覆盖焊缝的熔合线、热影响区，检测未熔合、未焊透等缺陷。例如，压力容器环焊缝检测中，K2斜探头（折射角约63°）能沿焊缝方向发射横波，检测到焊缝中的纵向未熔合缺陷；钢管周向检测中，斜探头能检测到管材的横向裂纹。

双晶探头（组合探头）由两个压电晶片组成（一个发射、一个接收），近场盲区小（通常小于1mm），适合薄件、表面下缺陷及近表面缺陷的检测。例如，铝合金薄板（厚度2-5mm）的分层缺陷检测中，双晶探头能避免近场盲区影响，清晰识别表面下0.5mm的分层；不锈钢薄壁管检测中，双晶探头能检测到管内壁的微小腐蚀坑。

探头与探伤仪的兼容性：阻抗匹配与信号传输

探头的阻抗（压电元件的交流电阻）需与探伤仪输出阻抗匹配，否则会导致信号衰减、失真。压电陶瓷探头的阻抗通常为几百到几千欧（如PZT陶瓷探头约500-2000Ω），探伤仪输出阻抗应与之匹配（如50Ω、100Ω或高阻抗）。例如，若探头阻抗为1000Ω，而探伤仪输出阻抗为50Ω，信号会衰减约20dB，导致缺陷反射波幅度降低甚至无法检测。

电缆选择也会影响信号传输。高频探头（如10MHz以上）需使用低损耗同轴电缆（如RG-58C/U），避免信号在传输中衰减或畸变；长距离检测（电缆超过5m）时，应选择低电容电缆，减少容性损耗。例如，检测核电站大型管道时，10m长的低损耗电缆连接高频探头，能保持信号完整性，准确检测管道内部缺陷。

灵敏度测试：量化缺陷探测能力

灵敏度是探头能检测到的最小缺陷尺寸，是衡量探头性能的核心指标。测试方法通常使用标准试块（如CS-1-5试块、IIW试块），通过测量缺陷反射波幅度量化。例如，用CS-1-5试块（含φ1×6横孔），将探头置于试块表面，调整增益使横孔反射波达到满屏80%，此时增益值与基准增益的差值即为灵敏度余量（余量越高，探测能力越强）。

测试时需注意耦合剂均匀性。耦合剂（如机油、甘油、耦合膏）的作用是排除空气，使声波有效传输。若涂抹不均匀，会导致信号幅度波动。例如，检测不锈钢试块时，用甘油均匀涂抹一层（约0.1mm厚），能保证信号稳定。

分辨率测试：区分相邻缺陷的能力

分辨率是探头能区分两个相邻缺陷的最小距离，直接影响复杂缺陷检测效果。测试方法用标准试块上的相邻反射体（如CSK-1A试块上两个φ1×6横孔，间距2mm），观察两个反射波的分离度。若峰-谷差达到6dB以上，说明能区分缺陷。

分辨率高的探头适合检测焊缝中的相邻缺陷。例如，压力容器环焊缝中若有两个间距3mm的未熔合缺陷，10MHz小晶片探头能清晰显示两个独立反射波，而分辨率低的探头会将其显示为宽峰，误判为单个缺陷。

盲区测试：避免近场漏检的关键

盲区是探头近场范围内无法准确检测缺陷的区域，主要由近场效应（声束未扩散前的区域）引起。单晶探头盲区通常较大（如φ20mm、2MHz探头约5mm），双晶探头盲区较小（如φ10mm、5MHz双晶探头约0.5mm）。

测试方法用薄试块（如厚度2mm钢板，含表面下1mm的φ0.5mm缺陷），观察是否能检测到该缺陷。若能检测到，说明盲区小于1mm；若不能，则需更换盲区更小的探头。例如，检测厚度3mm的铝合金薄板时，双晶探头能检测到表面下0.8mm的分层缺陷，而单晶探头因盲区大漏检。

声速准确性测试：确保缺陷定位精度

声速是声波在介质中的传播速度，直接影响缺陷定位精度（缺陷深度=声速×往返时间/2）。若声速不准确，会导致定位错误，影响返修或评估。

测试方法用已知厚度的标准试块（如CS-1试块，厚度25mm），测量声波往返时间，计算声速（声速=2×试块厚度/往返时间）。例如，CS-1试块厚度25mm，往返时间31.25μs（钢中纵波声速约5900m/s），若计算声速与标准值误差小于1%，则说明准确。

声速不准确的常见原因包括探头类型错误（如用斜探头测纵波声速）、耦合剂厚度不均（导致传播时间变长）。例如，检测不锈钢管材时，误将斜探头横波声速作为纵波声速，会导致缺陷深度计算误差达30%（钢中横波声速约3200m/s，纵波约5900m/s）。