超声波探伤通用方法及基础技术(第四节缺陷状况对缺陷波高影响).doc

第三章 超声波探伤的通用方法和基础技术

第四节 缺陷状况对缺陷波高的影响
应用A型脉冲反射式探伤仪进行超声波探伤时，通常是根据缺陷回波波高来确定其当量大小的；而当量大小与缺陷的实际尺寸往往不尽一致，甚至有很大的差距。这是因为缺陷波高与缺陷形状、方位、大小和性质等因素都有关系。为了正确评价缺陷，了解上述诸因素对缺陷波高的影响是必要的。
一、缺陷形状的影响
工件或材料中实际缺陷的形状是多种多样的，它们的具体形状与工件、材料的制造工艺和运行情况有关。为了便于研究，通常把缺陷形状简化为圆片形、球形和圆柱形三种。例如，锻件在锻压面上用直探头纵波探测时，其内部缺陷类似于圆片形；钢锭半成品中的管形缺陷从其侧面探测时类似于圆柱形缺陷；焊缝中气孔类似于球形缺陷；焊缝中线状缺陷类似于长圆柱形。
从上节人工反射体反射声压规律性分析可知，这些与人工反射体类似的缺陷对回波的影响与它们反射声压规律相一致。
一般来说，对于给定的探头(晶片面积FD和频率f一定)，若缺陷距离一定，缺陷波高随缺陷直径的变化是圆片形缺陷最快，长横孔缺陷最缓慢。若缺陷直径一定，缺陷波高随缺陷距离的变化是圆片形和球形缺陷较快，长横孔形缺陷较缓。若缺陷距离和直径都相等时，则缺陷波高以长横孔为最高，圆片形次之，球形最低。但当超过某一直径和距离后，圆片形缺陷波高会超过长横孔缺陷波高。
对于各种形状的点状缺陷，当其尺寸很小时缺陷形状对波高的影响就变得很小。例如，平均直径在1mm以下的圆片形、方形、短横孔和球形缺陷，由于形状不同引起的波高变化一般不超过几个分贝。
当点状缺陷直径远小于波长时，它的反射可假定为平面波入射到小缺陷引起的乱反射，它的波高有下述关系：
Hfd3/l2·S(d≤l，d为点状缺陷直径)
可见，点状缺陷的波高正比于缺陷直径的三次方，即随缺陷大小的变化十分急剧，缺陷变小时，波高急剧下降，很容易下降到探伤仪不能检测和程度，这也是超声波探伤仪对点状小缺陷容易漏检的原因之一。
二、缺陷所处方位及其指向性的问题
缺陷所处的方位包含两个方面的意义，一是指缺陷反射面相对于入射声束轴线的位置；二是指缺陷本身与探头的相对位置
1. 缺陷反射面与入射声束轴线的相对位置
实际缺陷反射面与入射声束轴线垂直的情况是少见的，而互相不垂直的情况是多数，这样，对实际缺陷尺寸的测定往往就偏小，声束轴线与缺陷反射面垂直时缺陷波最高。定义声束与缺陷反射面法线的夹角为倾斜角，用Da表示，如图3–47所示。
当有倾斜角时，缺陷波高随倾斜角Da增大而急剧下降，图3–48所示为一光滑反射面的回波波高与倾斜角的关系曲线。曲线表明，声波垂直入射时，回波高度为1(100%)；当倾斜角Da=2.5°时，波幅下降到0.1(10%)；当倾斜角Da=12°时，波幅下降至0.001，此时，该缺陷就不能被检查出来，但是，实际缺陷反射面不一定是这种光滑面(凹凸不平度小于1/3波长)，而大多数是有一定粗糙的反射面，因此，实际缺陷倾斜角的检出范围比12°还略大一些。

图3–47 声束轴线与缺陷反射面法线夹角Da 图3–48 光滑表面缺陷的回波波高与Da之关系

2. 缺陷与探头的相对位置
用直探头或斜探头探伤时，由于缺陷在工件中所处位置关系，使得缺陷反射面与声束轴线不仅不相互垂直，而且当获得缺陷的最大回波时，缺陷也并不处于声束轴线上，如图3–49所示，此时探头接收到的声压受入射波指向性和缺陷反射波指向性两者的共同影响。
3. 缺陷回波的指向性
无论声束相对于缺陷反射面是垂直入射还是倾斜入射，缺陷波的指向性都与缺陷大小有关，并随缺陷大小的不同有很大差别，图3–50为垂直入射大小不同的圆片形缺陷反射面上的缺陷波指向性。当缺陷直径为波长的2～3倍以上时，具有较好的指向性，缺陷波也较强，当缺陷直径小于波长的1/2时，缺陷波能量呈球形分布，强度降低，垂直入射和倾斜入射都给出大致相同的反射指向性，倾斜入射也能发现这种缺陷。当缺陷直径大于波长的3倍时，不论是垂直入射还是倾斜入射，都可以把缺陷对入射声波的反射看成是镜面反射，此时，倾斜角较大就不易接收到缺陷回波，倾斜角很小时，缺陷回波就较高。
三、缺陷表面粗糙度的影响
缺陷表面光滑与否，是用它表面凹凸不平度相对于波长的比值来衡量的，表面凹凸不平的高度差大于1/3波长时，可认为该表面是粗糙的，不再看作镜面。

图3–49 缺陷与探头的相对位置 图3–50 缺陷直径与指向性关系

对于表面粗糙的缺陷，入射声波被乱反射；同时各部分反射波由于相位差而产生相互干涉。当声波垂直入射时使缺陷波高随粗糙度的增大而下降，当声波倾斜入射时，缺陷波高随着凹凸高度与波长的比值增大而增高。当凹凸高度接近波长时，即使入射声波倾斜角度较大也能收到反射波。图3–51为测定不规则粗糙面反射波高与入射波倾斜角之间关系的试验。试块底面加工有深度约为2mm(0.8波长)的不规则冲坑，超声波波长为2.4mm，当入射角q变化时，可得到一系列回波波高，然后用3–52曲线来表示。从图中看出，即使表面粗糙，声束垂直入射时，它的回波还是最高，有明显的峰值。倾斜入射时(在－40°＜q＜40°范围内)，回波波高几乎都接近峰值的1/5高度。试验证明，粗糙度为波长的1/3～2倍时都具有这样的反射特性。

图3–51 不同入射角时粗糙面上反射波高的测定 图3–52 入射角与粗糙面上反射波的关系

四、缺陷性质的影响
缺陷波高还受缺陷性质的影响。入射声波在界面上的反射率取决于界面两边介质的声阻抗；声阻抗差异越大，反射率越高，缺陷的回波也越高；反之亦然。
通常含气体的缺陷，例如钢中的白点、气孔、焊缝中的裂缝、未焊透等，其声阻抗与钢声阻抗相差很大，可以近似地认为声波在这类缺陷表面产生全反射，故可获得较高的缺陷反射回波。但是，对于含非金属夹杂物的缺陷，例如钢中夹灰、焊缝中夹渣等，其声阻抗与钢声阻抗差异较小，透射的声能已不能忽略，缺陷回波就相应降低。
超声波探伤评判缺陷的大小
利用某些超声波探伤仪试块绘出的距离-波幅-当量曲线（即实用AVG）来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特别是3N以内的缺陷，采用试块比较法仍然是最有效的定量方法。此外还可利用试块来测量材料的声速、衰减性能等。
饼形锻件直探头检测方法：
锻件按其形状不同可分为轴形锻件、饼形锻件、碗形锻件和筒形锻件．各种形状锻件的锻造工艺都有不同的特点，饼形锻件的锻造工艺主要以镦粗为主，超声波探伤仪缺陷的分布主要平行于端面，所以用直探头在任意一个端面进行探测是检出这种缺陷的最佳方法，但与端面有较大角度的径向缺陷则需要采用直探头从外圆面进行检测。
饼形锻件通常采用手工面接接触法进行检测。
饼形锻件缺陷的识别：
从饼形锻件的制造工艺来看，它的缺陷情况与钢板类似。
(1)点状单个小缺陷：缺陷波和底波共存，且底波变化不大。
(2)密集性小缺陷：在一定的面积或体积内存在点状缺陷的个数，JB/T4730.3—2005对密集区的定义是：在荧光屏扫描线相当丁50 mm声程范围内同时有5个或5个以上的缺陷反射信号；或是在50mm×50 mm的检测面上发现在同一深度范同内有5个或5个以上的缺陷反射信号。其反射波幅均大于某一特定当量缺陷基准反射波幅。
(3)平行于表面的面状大缺陷：没有底波，只有缺陷的多次反射波。
(4)与表面倾斜的面状大缺陷：底波将明显降低，也存在缺陷反射回波。