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1. 概述
超声波检测是通过探头发射超声波，经过耦合剂入射 到工件中传播，遇到缺陷是反射回来，反射回波被探头接收。
在上述过程中，探头起着非常重要的作用，即发 射和接收超声波。
因此探头性能的好坏以及检测过程中 对探头的角度选取是否得当，将直接影响到检测结果的 准确性和可靠性。
2. 超声波探头的结构
在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 3. 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。
4. 探头角度的选择
4.1检测面的准备
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。
探头移动的区域与探头检测方法和母材的板厚有关。
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。
4.2 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。
图 2 检测区和探头移动的区域 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≤T T，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。
但是选择K值1.8会造成很大的盲区， 如图4所示。
图 4 K 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。
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 6 K2.5 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。
4.3 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 8 9mm 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。
注：
作者简介：邹秋生（1987-），男，研究方向：钢结构焊缝无损检测。
附件：
钢对接焊缝超声波检测中探头角度的选择.pdf
(1.69 MB, 下载次数: 0)
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