超声波探伤的基本原理：如何“穿透”材料找缺陷？

超声波探伤的核心原理基于超声波的传播特性与缺陷的反射/折射效应。简单来说，就是通过向被检测对象发射超声波，分析超声波在材料内部的传播路径变化，判断是否存在缺陷及缺陷的具体位置、大小。

1、超声波的特性

超声波是频率高于20kHz的机械波，具有以下关键特性：

方向性强：可沿特定方向定向传播，如同“声波手电筒”，能精准聚焦到被检测区域；

穿透能力强：在金属等致密材料中，可穿透数十甚至数百毫米的厚度，而在非金属材料中（如混凝土），穿透深度也可达数米；

反射与折射明显：当超声波遇到材料内部的缺陷（如裂纹、夹杂）或不同介质界面（如金属与空气）时，会发生反射、折射或散射，形成“回声信号”。

2、探伤的核心流程

超声波探伤的基本流程可分为“发射-传播-接收-分析”四个步骤：

超声波发射：通过探头（换能器）将电能转化为超声波机械能，向被检测对象内部发射超声波；

超声波传播：超声波沿材料内部定向传播，若材料内部无缺陷，超声波会直达材料底部，形成“底面回波”；

信号反射与接收：若材料内部存在缺陷，超声波会在缺陷处发生反射，形成“缺陷回波”，未被反射的超声波继续传播至底面，形成底面回波；

信号分析：探头将反射回来的超声波机械能转化为电能，传输至探伤仪，仪器通过显示屏将回波信号以“波形图”（A扫描图）形式呈现。操作人员根据缺陷回波的位置（对应缺陷深度）、幅度（对应缺陷大小）、形状（对应缺陷类型），判断缺陷的具体参数。

例如，当检测金属板材时，若波形图中在底面回波前出现明显的额外回波，且回波幅度较大，说明板材内部存在缺陷，通过回波与发射波的时间差，可计算出缺陷距离表面的深度（公式：缺陷深度=超声波传播速度×时间差/2）。

超声波探伤的常用方法：根据场景选对“工具”

根据被检测对象的材质、形状、缺陷类型及检测需求，超声波探伤衍生出多种具体方法，不同方法的适用场景与操作要点存在差异，需根据实际情况选择：

1.脉冲反射法（最常用方法）

原理：通过分析超声波在缺陷处的反射回波判断缺陷，是目前工业检测中应用最广泛的方法，可细分为“直射法”“斜射法”“双探头法”等。

直射法（垂直入射法）：探头垂直于被检测对象表面发射超声波，适合检测与表面平行的缺陷（如板材中的分层、平面裂纹）；

斜射法：通过斜探头（角度通常为30°-70°）将超声波以一定角度入射，利用横波传播（横波对裂纹等线性缺陷更敏感），适合检测焊缝中的横向裂纹、未焊透等缺陷；

双探头法：采用两个探头（一个发射、一个接收），分别置于被检测对象的同一侧或两侧，适合检测单探头难以覆盖的区域（如薄壁管材的内壁缺陷）。

适用场景：金属板材、管材、锻件、焊缝的内部缺陷检测，如钢结构焊缝的裂纹、压力容器的气孔夹杂等。

2.穿透法

原理：将两个探头分别置于被检测对象的两侧，一个发射超声波，一个接收超声波。若材料内部无缺陷，接收信号强度稳定；若存在缺陷，超声波会被缺陷阻挡或衰减，导致接收信号强度明显下降，甚至完全消失。

适用场景：薄壁材料（如薄钢板、铝箔）、非金属材料（如玻璃、陶瓷）的缺陷检测，尤其适合检测密集型缺陷（如铸件中的疏松组织），但无法确定缺陷的具体位置。

3.共振法

原理：利用超声波在被检测对象内部的共振特性，通过改变超声波频率，当频率达到材料的固有共振频率时，仪器会显示共振峰值。若材料内部存在缺陷，固有共振频率会发生变化，共振峰值的位置、幅度也会随之改变，从而判断缺陷是否存在。

适用场景：均匀材料的厚度测量（如管道壁厚检测）、板材的均匀性检测，不适合检测具体缺陷的位置与大小。

总结：做好超声波探伤，筑牢质量安全防线

超声波探伤作为无损检测领域的核心技术，是保障工业产品质量、设备运行安全的关键手段。从业者需深入理解其“超声波传播-缺陷反射-信号分析”的基本原理，根据被检测对象的材质、形状及缺陷类型，选择合适的检测方法（如脉冲反射法、穿透法），同时严格把控检测前准备（表面处理、仪器校准）、检测过程（耦合剂涂抹、探头移动）、检测后数据处理（缺陷评定、报告编写）等关键环节，避免误判与漏判。

随着技术发展，超声波探伤正逐步向“智能化”“自动化”升级，如智能探伤仪可自动识别缺陷信号并生成报告，机器人探伤系统可实现高危环境（如高温、高压管道）的无人化检测。但无论技术如何进步，“规范操作、标准先行”始终是超声波探伤的核心原则。只有将技术原理与实操经验结合，才能充分发挥超声波探伤的优势，为各行各业的质量安全筑牢防线。