无损检测：超声波探伤中影响缺陷定量的因素

无损检测：超声波探伤中影响缺陷定量的因素

1.仪器及探头性能的影响

仪器和探头性能的优劣，对缺陷定量精度影响很大。仪器的垂直线性、衰减器精度、频率、探头形式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影响回波高度。因此，在探伤时，除了要选择垂直线性好、衰减器精度高的仪器外，还要注意频率、探头形式、晶片尺寸和折射角的选择。

(1)频率的影响：由此可知，超声波频率f对于大平底与平底孔回波高度的分贝差△Bf，有直接影响。f增加，△Bf减少.f减少。△Bf增加。因此在实际探伤中，频率f偏差不仅影响利用底波调节灵敏度，而且影响用当量计算法对缺陷定量。

(2)衰减器精度和垂直线性的影响：A型脉冲反射式超声波探伤仪是根据相对波高来对缺陷定量的。而相对波高常常用衰减器来度量。因此衰减器精度直接影响缺陷定量，衰减器精度低定量误差大。

当采用面板曲线图对缺陷定量时，仪器的垂直线性好坏将会影响缺陷定量精度。垂直线性差，定量误差大。

(3)探头形式和晶片尺寸的影响：不同部位不同方向的缺陷，应采用不同形式的探头。如锻件、钢板中的缺陷大多平行于探测面，宜采用纵波直探头。焊缝中危险性大的缺陷大多垂直于探测面，宜采用横波探头。对于工件表面缺陷，宜采用表面波探头。对于近表面缺陷，宜采用分割式双晶探头。这样定量误差小。

晶片尺寸影响近场区长度和波束指向性，因此对定量也有一定的影响。

(4)探头K值的影响：超声波倾斜入射时。声压往复透射率与入射角有关。对于横波K值斜探头而言，不同K值的探头的灵敏度不同。因此探头K值的偏差也会影响缺陷定量。特别是横波检测平板对接焊缝根部未焊透等缺陷时.不同K值探头探测同一根部缺陷，其回波高相差较大，当 K=0.7～1.5(βs=35°～55°)时，回波较高，当K=1.5～2.0(βs=55°～63°)时，回波很低，容易引起漏检。

2.耦合与衰减的影响

(1)耦合的影响：超声波探伤中，耦合剂的声阻抗和耦合层厚嚏对回波高有较大的影响。

由(1.37)式可知，当耦合层厚度等于半波长的整数倍时，声强透射率与耦合剂性质无关。

当耦合层厚度等于λ2/4的奇数倍，声阻抗为两侧介质声阻抗的几何平均值(Z2=√Z1Z3)时，超声波全透射。因此，实际探伤中耦合剂的声阻抗.对探头施加的压力大小部会影响缺陷回波高度，进而影响缺陷定量。

此外，当探头与调灵敏度用的试块和被探工件表面耦合状态不同时，而又没有进行恰当的补偿，也会使定量误差增加，精度下降。

(2)衰减的影响：实际工件是存在介质衰减的，由介质衰减引起的分贝差△1=2αχ可知，当衰减系数a较大或距离χ较大时，由此引起的衰减△也较大。这时如果仍不考虑介质衰减的影响，那么定量精度势必受到影响。因此在探伤晶粒较粗大和大型工件时，直测定材质的衰减系数a，并在定量计算时考虑介质衰减的影响.以便减少定量误差。

3.试件几何形状和尺寸的影响

试件底面形状不同，回波高度不一样，凸曲面使反射波发散. 回波降低;凹曲面使反射波聚焦，回波升高。对于圆柱体而言，外圆径向探测实心圆柱体时，入射点处的回波声压理论上同平底面试件，但实际上由于圆柱面耦合不及平面，因而其回波低千平底面。实际探伤中应综合考虑以上因素对定量的影响，否则会使定量误差增加。

试件底面与探测面的平行度以及底面的光洁度、干净程度也对缺陷定量有较大的影响。当试件底面与探测面不平行、底面粗糙或沾有水迹、油污时将会使底波下降·这样利用底波调节的灵敏度将会偏高，缺陷定量误差增加。

当探测试件侧壁附近的缺陷时，由于侧壁干涉的结果而使定量不准，误差增加。侧壁附近的缺陷，靠近侧壁探测回波低，远离测壁探测反而回波高。为了减少侧壁的影响，宜选用频率高、晶片直径大的指向性好的探头探测或横波探测。必要时还可采用试块比较法来定量，以便提高定量精度。

试件尺寸的大小对定量也有一定的影响。当试件尺寸较小.缺陷位于3N以内时，利用底波调灵敏度并定量，将会使定量误差增加。

4.缺陷的影响

(1)缺陷形状的影响：试件中实际缺陷的形状是多种多样的，缺陷的形状对其回波波高有很大影响。平面形缺陷波高与缺陷面积成正比。与波长的平方和距离的平方成反比;球形缺陷波高与缺陷直径成正比，与波长的一次方和距离的平方成反比;长圆柱形缺陷波高与缺陷直径的l/2次方成正比.与波长的一次方和距离的 3/2次方成反比。

对于各种形状的点状缺陷，当尺寸很小时，缺陷形状对波高的影响就变得很小。当点状缺陷直径远小于波长时，缺陷波高正比于缺陷平均直径的三次方.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发现的程度。

(2)缺陷方位的影响：前面谈到的情况都是假定超声波入射方向与缺陷表面是垂直的，但实际缺陷表面相对于超声波入射方向往往不垂直。因此对缺陷尺寸估计偏小的可能性很大。

声波垂直缺陷表面时缺陷波最高。当有倾角时，缺陷波高随入射角的增大而急剧下降。图4.46给出一光滑面的回波波高随声波入射角变化的情况。声波垂直入射时，回波波高为l，当声波入射角为2.5°时，波幅下降到1/lO，倾斜12°时，下降至l/1000，此时仪器已不能检出缺陷。

(3)缺陷波的指向性：缺陷波高与缺陷波的指向性有关，缺陷波的指向性与缺陷大小有关，而且差别较大。

垂直入射于圆平面形缺陷时.当缺陷直径为波长的2～3倍以上是，具有较好的指向性，缺陷回波较高。当缺陷直径低于上述值时，缺陷波指向性变坏，缺陷回波降低。

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_可把缺陷对声波的反射看成是镜面反射。当缺陷直径小于波长的3倍时，缺陷反射不能看成镜面反射，这时缺陷波能量呈球形分布。垂直入射和倾斜入射都有大致相同的反射指向性。表面光滑与否，对反射波指向性已无影响。因此，探伤时倾斜入射也可能发现这种缺陷。

(4)缺陷表面粗糙度的影响：缺陷表面光滑与否，用波长衡量。如果表面凹凸不平的高度差小于l/3波长，就可认为该表面是平滑的，这样的表面反射声束类似镜子反射光束。否则就是粗糙表面。

对于表面粗糙的缺陷，当声波垂直入射时，声波被乱反射。同时各部分反射波由于有相位差而产生干涉，使缺陷回波波高隧粗髓度的增大而下降。当声波倾斜入射时，缺陷回波波高随着凹凸程度与波长的比值增大而增高。当凹凸程度接近波长时，即使入射角较大，也能接触到回波。

(5)缺陷性质的影响：缺陷回波波高受缺陷性质的影响。声波在界而的反射率是由界面两边介质的声阻抗决定的。当两边声阻抗差异较大时，近似地可认为是全反射，反射声波强。当差异较小时，就有一部分声波透射，反射声波变弱。所以，试件中缺陷性能不同，大小相同的缺陷波波高不同。

通常含气体的缺陷，如钢中的白点、气孔等，其声阻抗与钢声阻抗相差很大，可以近似地认为声波在缺陷表面是全反射。但是，对于非金属夹杂物等缺陷，缺陷与材料之间的声阻抗差异较小，透射的声波己不能忽略，缺陷波高相应降低。

另外，金属中非金属夹杂的反射与夹杂层厚度有关，一般地说，层厚小于l/4波长时，随层厚的增加反射相应增加。层厚超过l/4波长时，缺陷回波波高保持在一定水平上。

(6)缺陷位置的影响：缺陷波高还与缺陷位置有关。缺陷位于近场区时，同样大小的缺陷随位置起伏变化，定量误差大。所以，实际探伤中总是尽量避免在近场区探伤定量。