無損檢測：超聲波探傷中影響缺陷定量的因素

無損檢測：超聲波探傷中影響缺陷定量的因素

1.儀器及探頭性能的影響

儀器和探頭性能的優(yōu)劣，對缺陷定量精度影響很大。儀器的垂直線性、衰減器精度、頻率、探頭形式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影響回波高度。因此，在探傷時，除了要選擇垂直線性好、衰減器精度高的儀器外，還要注意頻率、探頭形式、晶片尺寸和折射角的選擇。

(1)頻率的影響：由此可知，超聲波頻率f對于大平底與平底孔回波高度的分貝差△Bf，有直接影響。f增加，△Bf減少.f減少?！鰾f增加。因此在實際探傷中，頻率f偏差不僅影響利用底波調(diào)節(jié)靈敏度，而且影響用當(dāng)量計算法對缺陷定量。

(2)衰減器精度和垂直線性的影響：A型脈沖反射式超聲波探傷儀是根據(jù)相對波高來對缺陷定量的。而相對波高常常用衰減器來度量。因此衰減器精度直接影響缺陷定量，衰減器精度低定量誤差大。

當(dāng)采用面板曲線圖對缺陷定量時，儀器的垂直線性好壞將會影響缺陷定量精度。垂直線性差，定量誤差大。

(3)探頭形式和晶片尺寸的影響：不同部位不同方向的缺陷，應(yīng)采用不同形式的探頭。如鍛件、鋼板中的缺陷大多平行于探測面，宜采用縱波直探頭。焊縫中危險性大的缺陷大多垂直于探測面，宜采用橫波探頭。對于工件表面缺陷，宜采用表面波探頭。對于近表面缺陷，宜采用分割式雙晶探頭。這樣定量誤差小。

晶片尺寸影響近場區(qū)長度和波束指向性，因此對定量也有一定的影響。

(4)探頭K值的影響：超聲波傾斜入射時。聲壓往復(fù)透射率與入射角有關(guān)。對于橫波K值斜探頭而言，不同K值的探頭的靈敏度不同。因此探頭K值的偏差也會影響缺陷定量。特別是橫波檢測平板對接焊縫根部未焊透等缺陷時.不同K值探頭探測同一根部缺陷，其回波高相差較大，當(dāng) K=0.7～1.5(βs=35°～55°)時，回波較高，當(dāng)K=1.5～2.0(βs=55°～63°)時，回波很低，容易引起漏檢。

2.耦合與衰減的影響

(1)耦合的影響：超聲波探傷中，耦合劑的聲阻抗和耦合層厚嚏對回波高有較大的影響。

由(1.37)式可知，當(dāng)耦合層厚度等于半波長的整數(shù)倍時，聲強透射率與耦合劑性質(zhì)無關(guān)。

當(dāng)耦合層厚度等于λ2/4的奇數(shù)倍，聲阻抗為兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗的幾何平均值(Z2=√Z1Z3)時，超聲波全透射。因此，實際探傷中耦合劑的聲阻抗.對探頭施加的壓力大小部會影響缺陷回波高度，進而影響缺陷定量。

此外，當(dāng)探頭與調(diào)靈敏度用的試塊和被探工件表面耦合狀態(tài)不同時，而又沒有進行恰當(dāng)?shù)难a償，也會使定量誤差增加，精度下降。

(2)衰減的影響：實際工件是存在介質(zhì)衰減的，由介質(zhì)衰減引起的分貝差△1=2αχ可知，當(dāng)衰減系數(shù)a較大或距離χ較大時，由此引起的衰減△也較大。這時如果仍不考慮介質(zhì)衰減的影響，那么定量精度勢必受到影響。因此在探傷晶粒較粗大和大型工件時，直測定材質(zhì)的衰減系數(shù)a，并在定量計算時考慮介質(zhì)衰減的影響.以便減少定量誤差。

3.試件幾何形狀和尺寸的影響

試件底面形狀不同，回波高度不一樣，凸曲面使反射波發(fā)散. 回波降低;凹曲面使反射波聚焦，回波升高。對于圓柱體而言，外圓徑向探測實心圓柱體時，入射點處的回波聲壓理論上同平底面試件，但實際上由于圓柱面耦合不及平面，因而其回波低千平底面。實際探傷中應(yīng)綜合考慮以上因素對定量的影響，否則會使定量誤差增加。

試件底面與探測面的平行度以及底面的光潔度、干凈程度也對缺陷定量有較大的影響。當(dāng)試件底面與探測面不平行、底面粗糙或沾有水跡、油污時將會使底波下降·這樣利用底波調(diào)節(jié)的靈敏度將會偏高，缺陷定量誤差增加。

當(dāng)探測試件側(cè)壁附近的缺陷時，由于側(cè)壁干涉的結(jié)果而使定量不準，誤差增加。側(cè)壁附近的缺陷，靠近側(cè)壁探測回波低，遠離測壁探測反而回波高。為了減少側(cè)壁的影響，宜選用頻率高、晶片直徑大的指向性好的探頭探測或橫波探測。必要時還可采用試塊比較法來定量，以便提高定量精度。

試件尺寸的大小對定量也有一定的影響。當(dāng)試件尺寸較小.缺陷位于3N以內(nèi)時，利用底波調(diào)靈敏度并定量，將會使定量誤差增加。

4.缺陷的影響

(1)缺陷形狀的影響：試件中實際缺陷的形狀是多種多樣的，缺陷的形狀對其回波波高有很大影響。平面形缺陷波高與缺陷面積成正比。與波長的平方和距離的平方成反比;球形缺陷波高與缺陷直徑成正比，與波長的一次方和距離的平方成反比;長圓柱形缺陷波高與缺陷直徑的l/2次方成正比.與波長的一次方和距離的 3/2次方成反比。

對于各種形狀的點狀缺陷，當(dāng)尺寸很小時，缺陷形狀對波高的影響就變得很小。當(dāng)點狀缺陷直徑遠小于波長時，缺陷波高正比于缺陷平均直徑的三次方.即隨缺陷大小的變化十分急劇。缺陷變小時，波高急劇下降，很容易下降到探傷儀不能發(fā)現(xiàn)的程度。

(2)缺陷方位的影響：前面談到的情況都是假定超聲波入射方向與缺陷表面是垂直的，但實際缺陷表面相對于超聲波入射方向往往不垂直。因此對缺陷尺寸估計偏小的可能性很大。

聲波垂直缺陷表面時缺陷波最高。當(dāng)有傾角時，缺陷波高隨入射角的增大而急劇下降。圖4.46給出一光滑面的回波波高隨聲波入射角變化的情況。聲波垂直入射時，回波波高為l，當(dāng)聲波入射角為2.5°時，波幅下降到1/lO，傾斜12°時，下降至l/1000，此時儀器已不能檢出缺陷。

(3)缺陷波的指向性：缺陷波高與缺陷波的指向性有關(guān)，缺陷波的指向性與缺陷大小有關(guān)，而且差別較大。

垂直入射于圓平面形缺陷時.當(dāng)缺陷直徑為波長的2～3倍以上是，具有較好的指向性，缺陷回波較高。當(dāng)缺陷直徑低于上述值時，缺陷波指向性變壞，缺陷回波降低。

當(dāng)缺陷直徑大于波長的3倍時，不論是垂直入射還是傾斜入射，都_可把缺陷對聲波的反射看成是鏡面反射。當(dāng)缺陷直徑小于波長的3倍時，缺陷反射不能看成鏡面反射，這時缺陷波能量呈球形分布。垂直入射和傾斜入射都有大致相同的反射指向性。表面光滑與否，對反射波指向性已無影響。因此，探傷時傾斜入射也可能發(fā)現(xiàn)這種缺陷。

(4)缺陷表面粗糙度的影響：缺陷表面光滑與否，用波長衡量。如果表面凹凸不平的高度差小于l/3波長，就可認為該表面是平滑的，這樣的表面反射聲束類似鏡子反射光束。否則就是粗糙表面。

對于表面粗糙的缺陷，當(dāng)聲波垂直入射時，聲波被亂反射。同時各部分反射波由于有相位差而產(chǎn)生干涉，使缺陷回波波高隧粗髓度的增大而下降。當(dāng)聲波傾斜入射時，缺陷回波波高隨著凹凸程度與波長的比值增大而增高。當(dāng)凹凸程度接近波長時，即使入射角較大，也能接觸到回波。

(5)缺陷性質(zhì)的影響：缺陷回波波高受缺陷性質(zhì)的影響。聲波在界而的反射率是由界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗決定的。當(dāng)兩邊聲阻抗差異較大時，近似地可認為是全反射，反射聲波強。當(dāng)差異較小時，就有一部分聲波透射，反射聲波變?nèi)酢Ｋ?，試件中缺陷性能不同，大小相同的缺陷波波高不同?/p>

通常含氣體的缺陷，如鋼中的白點、氣孔等，其聲阻抗與鋼聲阻抗相差很大，可以近似地認為聲波在缺陷表面是全反射。但是，對于非金屬夾雜物等缺陷，缺陷與材料之間的聲阻抗差異較小，透射的聲波己不能忽略，缺陷波高相應(yīng)降低。

另外，金屬中非金屬夾雜的反射與夾雜層厚度有關(guān)，一般地說，層厚小于l/4波長時，隨層厚的增加反射相應(yīng)增加。層厚超過l/4波長時，缺陷回波波高保持在一定水平上。

(6)缺陷位置的影響：缺陷波高還與缺陷位置有關(guān)。缺陷位于近場區(qū)時，同樣大小的缺陷隨位置起伏變化，定量誤差大。所以，實際探傷中總是盡量避免在近場區(qū)探傷定量。