超聲檢測(cè)技術(shù)中的缺陷定性方法

超聲無損檢測(cè)技術(shù)中的三大關(guān)鍵問題是缺陷的定位、定量和定性評(píng)定。迄今為止，廣大的超聲檢測(cè)技術(shù)人員已作了大量實(shí)驗(yàn)研究工作，在對(duì)缺陷的定位和定量評(píng)定方面取得了很大進(jìn)展，并逐步趨于成熟與完善。如在眾多有關(guān)超聲檢驗(yàn)的技術(shù)規(guī)范中，對(duì)諸如確定缺陷埋藏深度及在探測(cè)面上的投影位置，評(píng)定缺陷的當(dāng)量大小，延伸長度以及缺陷投影面積等都有明確的方法規(guī)定，對(duì)保證產(chǎn)品構(gòu)件的質(zhì)量和**使用具有重大作用。然而，在對(duì)缺陷定性評(píng)定方面卻存在相當(dāng)大的困難，這主要是由于缺陷對(duì)超聲波的反射特性取決于缺陷的取向、幾何形狀、相對(duì)超聲波傳播方向的長度和厚度、缺陷的表面粗糙度、缺陷內(nèi)含物以及缺陷的種類和性質(zhì)等等，并且還與所使用的超聲檢測(cè)系統(tǒng)特性及顯示方式有關(guān)，因此，在超聲檢測(cè)時(shí)所獲得的缺陷超聲響應(yīng)是一個(gè)綜合響應(yīng)。在目前常用的超聲檢測(cè)技術(shù)上還難以將上述各因素從綜合響應(yīng)中分離識(shí)別出來，給定性評(píng)定帶來了困難。

在實(shí)際檢測(cè)過程中，由于難以判明缺陷性質(zhì)，往往會(huì)使一些含有對(duì)使用條件是非危險(xiǎn)性的、或者在后續(xù)加工過程中可以被改善甚至消除的缺陷的產(chǎn)品被拒收，造成不必要的浪費(fèi)，同時(shí)也可能忽視了一些含有危險(xiǎn)性缺陷（如裂紋類缺陷）的產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品的**使用造成潛在威脅。

本文的目的是試圖把迄今為止廣大超聲檢測(cè)人員在缺陷定性評(píng)定方面進(jìn)行的主要研究工作做一綜合介紹，以期促進(jìn)對(duì)缺陷定性評(píng)定方法研究的發(fā)展。

超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷定性評(píng)定的主要方法

一.波形判斷法（經(jīng)驗(yàn)法）

目前應(yīng)用*廣泛的是A掃描顯示型超聲脈沖反射式檢測(cè)儀。經(jīng)過長期的超聲檢測(cè)實(shí)踐，許多超聲檢測(cè)人員對(duì)其大量接觸的材料、產(chǎn)品及制造工藝有充分的了解，并通過大量的解剖分析驗(yàn)證，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在檢測(cè)時(shí)能通過A掃描顯示型超聲脈沖反射式探傷儀，根據(jù)示波屏上出現(xiàn)缺陷回波時(shí)的波形形狀，例如視頻顯示或射頻顯示，起波速度，回波前沿的陡峭程度及回波后沿下降的速度（下降斜率），波尖形狀，回波占寬以及移動(dòng)探頭時(shí)缺陷回波的變化情況（波幅、位置、數(shù)量、形狀、動(dòng)態(tài)包絡(luò)等），還可以根據(jù)觀察多次底波的次數(shù)，底波高度損失情況，再根據(jù)缺陷在被檢件中的位置，分布情況，缺陷的當(dāng)量大小（與反射率有關(guān)），延伸情況，結(jié)合具體產(chǎn)品、材料的特點(diǎn)和制造工藝作出綜合判斷，評(píng)估出缺陷的種類和性質(zhì)。有時(shí)還可以通過改變發(fā)射超聲波脈沖的頻率、改變聲束直徑大小（采取聚焦或采用不同直徑的探頭等）來觀察缺陷的回波變化特征，從而識(shí)別是材料中的冶金缺陷還是組織反射。

在這方面已經(jīng)有不少經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和資料報(bào)道，例如判斷鋼鍛件中的白點(diǎn)、夾雜物、殘余縮孔、粗晶、中心疏松、方框形偏析，以及焊縫中的氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋等等。

必須指出，這種判斷方法在很大程度上依賴超聲檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平和對(duì)特定產(chǎn)品、材料及制造工藝的充分了解，其局限性是很大的，難以推廣成為通用的評(píng)定方法。此外，作為A掃描顯示的缺陷回波所顯示的缺陷信息也極其有限，主要顯示的是波幅大小、位置和回波包絡(luò)形狀，而缺陷對(duì)超聲響應(yīng)的相位、頻譜等重要信息則無法顯示出來，但是后兩者與缺陷性質(zhì)和種類有著密切關(guān)系。

下面舉出一部分常見缺陷的回波特征：

（1）鋼鍛件中的粗晶與疏松--多以雜波、叢狀波形式或底波高度損失增大、底波反射次數(shù)減少等形式出現(xiàn)。

（2）棒材的中心裂紋--在沿圓周面作360°徑向縱波掃查時(shí)，由于裂紋的輻射方向性，其反射波幅有高低變化并有不同程度的游動(dòng)，在沿軸向掃查時(shí)，反射波幅度和位置變化不大并顯示有一定的延伸長度。

（3）鍛件中的裂紋--由于裂紋型缺陷內(nèi)含物多有氣體存在，與基體材料聲阻抗差異較大，超聲反射率高，缺陷有一定延伸長度，起波速度快，回波前沿陡峭，波峰尖銳，回波后沿斜率很大，當(dāng)探頭越過裂紋延伸方向移動(dòng)時(shí)，起波迅速，消失也迅速。

（4）鋼鍛件中的白點(diǎn)--波峰尖銳清晰，常為多頭狀，反射強(qiáng)烈，起波速度快，回波前沿陡峭，回波后沿斜率很大，在移動(dòng)探頭時(shí)回波位置變化迅速，此起彼伏，多處于被檢件例如鋼棒材的中心到1/2半徑范圍內(nèi)，或者鋼鍛件厚度*大的截面的1/4~3/4中層位置，有成批出現(xiàn)的特點(diǎn)（與爐批號(hào)和熱加工批有關(guān)）。當(dāng)白點(diǎn)數(shù)量多、面積大或密集分布時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致底波高度顯著降低甚至消失。

（5）鍛件中的非金屬夾雜物--多為單個(gè)反射信號(hào)，起波較慢，回波前沿不太陡峭，波峰較圓鈍，回波后沿斜率不太大并且回波占寬較大。

（6）鈦合金鍛件中的高密度夾雜物（例如鎢、鉬）--多為單個(gè)反射信號(hào)，回波占寬不太大，但較裂紋類要大些，回波前沿較陡峭，后沿斜率較大，當(dāng)改變探測(cè)頻率和聲束直徑時(shí)，其反射當(dāng)量大小變化不大（如為大晶粒或其他組織反射在這種情況下回波高度將有顯著變化）。

（7）鑄件或焊縫中的氣孔--起波快但波幅較低，有點(diǎn)狀缺陷的特征。

（8）焊縫中的未焊透--多為根部未焊透（如V型坡口單面焊時(shí)鈍邊未熔合）或中間未焊透（如X型坡口雙面焊時(shí)鈍邊未熔合），一般延伸狀況較直，回波規(guī)則單一，反射強(qiáng)，從焊縫兩側(cè)探傷都容易發(fā)現(xiàn)。

（9）鑄件或焊縫中的夾渣--反射波較紊亂，位置無規(guī)律，移動(dòng)探頭時(shí)回波有變化，但波形變化相對(duì)較遲緩，反射率較低，起波速度較慢且后沿斜率不太大，回波占寬較大。

一般在可能的情況下，為了進(jìn)一步確認(rèn)缺陷性質(zhì)，還應(yīng)采用其他無損檢測(cè)手段，例如X射線照相（檢查內(nèi)部缺陷）、磁粉和滲透檢驗(yàn)（檢查表面缺陷）來輔助判斷。

二.根據(jù)回波相位識(shí)別反射體

根據(jù)聲壓反射率公式：r_p=(Z₂cosα-Z₁cosβ)/(Z₂cosα+Z₁cosβ)
式中：Z₁-**介質(zhì)（被檢材料）的聲阻抗；Z₂-**介質(zhì)（缺陷）的聲阻抗；α-入射角；β-反射角
當(dāng)超聲波垂直入射時(shí)，cosα=cosβ=1，當(dāng)入射波與反射波同為一種波型時(shí)，α=β，上述公式簡化為：r_p=(Z₂-Z₁)/(Z₂+Z₁)
即超聲波在被檢材料中投射到缺陷上時(shí)，在界面的聲反射大小取決于兩者聲阻抗差值，并在Z₂＜Z₁的情況下，回波相位與入射波反相，從而可以利用回波與入射波的相位關(guān)系識(shí)別例如裂紋或其他反射體。
如圖1（上）所示，使用平底孔（含空氣）調(diào)整起始靈敏度時(shí)，顯示的射頻回波相位與金屬材料中的入射波相位相反，而對(duì)于裂紋、非金屬夾雜物等缺陷，情況相似，即缺陷回波與平底孔回波相位相同（圖1中）。如果是高密度夾雜物（例如鎢、鉬等）缺陷時(shí)，則缺陷回波與平底孔回波相位相反，即Z_缺＞Z_基時(shí)，回波與入射波同相，與平底孔回波反相；Z_缺＜Z_基時(shí)，回波與入射波反相，與平底孔回波同相。（Z_缺為缺陷聲阻抗，Z_基為基體材料聲阻抗）。
另一種利用回波射頻顯示正向與負(fù)向*大振幅關(guān)系識(shí)別焊縫中裂紋類危險(xiǎn)缺陷的方法如圖2所示。
應(yīng)當(dāng)說明的是，上述兩種方法都需要能在示波屏上以較大程度（比例）展寬脈沖信號(hào)的超聲探傷儀，并應(yīng)能作射頻顯示，但目前常用的一般便攜式超聲探傷儀在這方面的應(yīng)用還受到一定限制。

圖1 根據(jù)回波相位識(shí)別反射體

圖2 射頻顯示波形正負(fù)振幅關(guān)系法
A-缺陷回波負(fù)向*大振幅；B-缺陷回波正向*大振幅
A/B＞1--裂紋類缺陷；A/B＜1--其他反射體

三.根據(jù)視頻顯示波形的形狀判別缺陷性質(zhì)

這是在經(jīng)驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，通過定量測(cè)定缺陷回波的前沿上升時(shí)間（t1），脈沖持續(xù)時(shí)間（t2）和脈沖下降時(shí)間（t3），從而對(duì)缺陷性質(zhì)進(jìn)行判別的方法，見圖3所示。
首先應(yīng)對(duì)示波屏水平基線刻度以0.1μs或1μs分劃，可以使用厚度2.5英寸（63.6mm）的純鋁平面試塊（C_L=6.35mm/μs），使**、二次底波前沿分別對(duì)準(zhǔn)總長100mm的水平線刻度上的50和100mm，此時(shí)水平基線刻度每1mm代表聲波傳播時(shí)間為0.4μs（往返時(shí)間），使缺陷回波高度為100%滿刻度，讀取90%滿刻度線和20%滿刻度線與回波包絡(luò)線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的t1、t2和t3三個(gè)時(shí)間（見圖3）。
對(duì)于裂紋類缺陷（類似鏡面反射），其t1小，t2較非平面缺陷的t2要小；
對(duì)于疏松、夾雜類缺陷，由于缺陷周圍不規(guī)則界面的彌散特征，使t3較長，并且t1、t2也較裂紋類缺陷的大。

圖3 脈沖波形形狀測(cè)定法

這種方法與經(jīng)驗(yàn)法判斷含氣體的裂紋類缺陷回波的前沿陡峭、回波占寬較小、回波后沿斜率較大的特點(diǎn)是相應(yīng)的，但是用這種方法可以更定量地判斷，不過其具體定量值尚需做大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作后確定。

四.缺陷回波的頻譜分析

缺陷回波的頻譜包絡(luò)形狀與缺陷幾何形狀及取向，以及缺陷尺寸與超聲波長的比值密切相關(guān)，因此可以通過向缺陷發(fā)射寬頻帶（窄脈沖）超聲波并對(duì)接收到的回波信號(hào)頻譜進(jìn)行分析從而判斷缺陷種類和性質(zhì)。在這方面已有不少資料報(bào)道，但主要還是以識(shí)別反射體的幾何形狀為基礎(chǔ)，例如識(shí)別是平面缺陷還是體積缺陷，是傾斜取向還是垂直取向的缺陷，利用不同形狀與取向缺陷的反射與頻率的依從關(guān)系，能較好地確定缺陷的種類和性質(zhì)。

我們知道，在探傷儀上顯示的是缺陷的合成傳輸函數(shù)：F_合=F₁·F₂·F₃²·F₄²·F₅·F₆²

式中：F₁-發(fā)生器傳輸函數(shù)；F₂-放大器傳輸函數(shù)；F₃-探頭傳輸函數(shù)；F₄-被檢件傳輸函數(shù)；F₅-缺陷傳輸函數(shù)；F₆-耦合傳輸函數(shù)。其中F₃、F₄和F₆對(duì)超聲信號(hào)有兩次（往返）影響，故取其平方值。

在一般情況下，缺陷傳輸函數(shù)F₅又是下述缺陷各參數(shù)的函數(shù)ψ：F₅=ψ{K·N_b·S_b·Q_b·R_b}

式中：K-缺陷坐標(biāo)（位置）；N_b-缺陷性質(zhì)；S_b-缺陷面積；Q_b-缺陷取向；R_b-缺陷內(nèi)含物（填充物）

在用普通單頻超聲法向工件發(fā)射超聲脈沖和接收反射超聲脈沖時(shí)，缺陷內(nèi)含物的脈沖頻率保持不變，因此電路和聲路部分所有傳輸函數(shù)都不帶有缺陷信息，成了窄頻濾波器，并由于它們彼此的振幅頻率特性有顯著不同，而使包含在F₅中的大部分缺陷信息消失在其他傳輸函數(shù)中。

利用頻譜法可以比普通單頻法大大增加有關(guān)缺陷性質(zhì)和大小的信息量。對(duì)于K、Q_b和S_b，容易用普通方法確定，困難的是確定N_b和R_b。可以把缺陷反射脈沖的頻譜設(shè)為R(x)，發(fā)射脈沖頻譜為E(t)，而缺陷傳輸函數(shù)設(shè)為h(t)，則：

R(x)=E(t)·h(t)

當(dāng)已知與給定方向有關(guān)的函數(shù)R(x)后，雖然還不能確定缺陷的全部特征，但已能對(duì)缺陷的一般形狀，特別是對(duì)缺陷的取向提供有用的資料。因此，可以利用寬頻帶（窄脈沖）探頭，并使發(fā)射頻譜盡可能規(guī)則，則缺陷回波頻譜將隨缺陷的形狀和取向而變化，從而有助于判斷出缺陷的種類和性質(zhì)。

超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷定性評(píng)定的其他方法

1.超聲C掃描和B掃描

這是將直通回波以線型方式顯示缺陷的平面投影形狀（C掃描）或缺陷在深度截面上反射面的平直、彎曲，即反射界面的形狀（B掃描），從而幫助判斷缺陷的種類和性質(zhì)。

2.超聲全息

借助全息原理，將缺陷反射的大量信息數(shù)據(jù)處理成三維空間立體圖像顯示以輔助判斷。

3.利用電子計(jì)算機(jī)處理缺陷回波信號(hào)

目前國內(nèi)外均在研究并試制出電腦化超聲波探傷儀。但是常用的是與頻譜分析結(jié)合使用或作為超聲探測(cè)程序控制來使用，不過相信很快將有突破性發(fā)展。

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