影响缺陷定量的主要因素

作者: 采声
发布于: 2023-05-31 13:59

       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、探头型式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影响回波高度。因此,在检测时,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、探头型式、晶片尺寸、折射角的选择。
       1. 频率的影响
       由可知,超声波频率f对于大平底与平底孔回波高度的分贝差ΔBf有直接影响。f增加,ΔBf减少,f减少,ΔBf增加。因此在实际检测中,频率f偏差不仅影响利用底波校准灵敏度,而且影响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检测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.探头型式和晶片尺寸的影响
       不同部位不同方向的缺陷,应采用不同型式的探头。如锻件、钢板中的缺陷大多平行于检测面,宜采用纵波直探头。焊接接头中危险性大的缺陷大多垂直于检测面,宜采用横探头。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,声压往复透射率与人射角有关。对于横波K值斜探头而言,不同K值的探头灵敏度不同。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接接头根部未焊透等缺陷时,不同K值探头检测同一根部缺陷,其回波高度相差较大,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。
       耦合与衰减的影响
       1.耦合的影响
       超声检测中,耦合剂的声阻抗和耦合层厚度对回波高度有较大的影响。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。当耦合层厚度等于入2/4的奇数倍,声阻抗为两侧介质声阻抗的几何平均值(Z=√zZ)时,超声波全透射。因此。实际检测中耦合剂的声阻抗,对探头施加的压力大小都会影响缺陷回波高度,进而影响缺陷定量。
       此外,当校准灵敏度用的试块和被检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
       工件检测时存在介质衰减,由介质衰减引起的分贝差△=2αx可知,当衰减系数α较大或距离x较大时,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。因此在检测晶粒较粗大工件和大型工件时,应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。
       工件几何形状和尺寸的影响
       工件底面形状不同,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,人射点处的回波声压理论上同平底面工件,但实际上由于圆柱面耦合不及平面,因而其回波低于平底面。实际检测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。
       工件底面与检测面的平行度以及底面的光洁度、粗糙度也对缺陷定量有较大的影响。当工件底面与检测面不平行、底面粗糙或沾有水迹、油污时将会使底波下降,这样利用底波校准的灵敏度将会偏高,缺陷定量误差增加。
       当检测工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,靠近侧壁检测回波低,远离侧壁检测反而回波高。为了减少侧壁的影响,宜选用频率高、品片直径大、指向性好的探头检测或采用横波探测。必要时还可以采用试块比较法来定量,以便提高定量精度。
       工件尺寸的大小对定量也有一定影响。当工件尺寸较小,缺陷位于3N以内时,利用底波校准灵敏度并定量,将会使定量误差增加。
       缺陷的影响
       1. 缺陷形状的影响
       工件中实际缺陷的形状是多种多样的,缺陷的形状对其回波的波高有很大影响。平面形缺陷回波高度与缺陷面积成正比,与波长的平方和距离的平方成反比,球形缺陷回波高度与缺陷直径成正比,与波长的一次方和距离的平方成反比,长圆柱形缺陷回波高度与缺陷直径的1/2 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,缺陷形状对回波高度的影响就变得很小。当点状缺陷直径远小于波长时,缺陷回波高度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,回波高度急剧下降,很容易下降到检测仪不能发现的程度。

       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。因此对缺陷尺寸定量偏小的可能性很大。
声波垂直缺陷表面时缺陷回波最高。当有倾角时,缺陷回波高度随入射角的增大而急剧下降。图4-40给出一光滑平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1,当声波入射角为 2.5°时,波幅下降到 1/10,倾斜 12°时,下降至1/1000,此时仪器已不能检出缺陷。

图4-40  入射角对回波高度的影响

       3.缺陷回波的指向性
       缺陷回波高度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。

       声波垂直人射到圆平面形缺陷时,当缺陷直径为波长的2~3倍以上时,具有较好的指向性,缺陷回波较高。当缺陷直径低于上述值时,缺陷波的指向性变坏,缺陷回波降低。

       当缺陷直径大于波长的3倍时,不论是垂直入射自还是倾斜入射,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,缺陷反射不能看成是镜面反射,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。表而光滑与否,对反射波指向性已无影响。因此,检测时倾斜人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1/3 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,当声波垂直人射时,声波被乱反射,同时各部分反射波由于有相位差而发生干涉,使缺陷回波波高随粗糙度的增大而下降。当声波倾斜人射时,缺陷回波波高随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,即使人射角较大,也能接到回波。
       5.缺陷性质的影响

       缺陷回波波高受缺陷性质的影响。声波在界面的反射率是由界面两侧介质的声阻抗决定的。当两侧声阻抗差异较大时,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,工件中缺陷性质不同、大小相同的缺陷其回波高度不同。

       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,对于非金属夹杂等缺陷,缺陷与材料之间的声阻抗差异较小,透射的声波不能忽略,缺陷回波高度相应降低。
       另外,金属中非金属夹杂的反射与夹杂层厚度有关,一般来说,夹杂层厚度小于1/4波长时,随夹杂层厚度的增加反射相应增加。夹杂层厚度超过1/4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
       缺陷回波高度还与缺陷位置有关。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,实际检测中总是尽量避免在近场区检测定量。

 

 

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