超聲金屬無損探傷檢測中缺陷的波形

金屬無損探傷檢測脈沖回波的檢測能力

對金屬鑄件來說，在其制造和生產(chǎn)過程中由于各種原因經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的缺陷，這些缺陷既有表面缺陷也有內(nèi)部缺陷。當(dāng)金屬工件進(jìn)行無損探傷檢測時(shí)、表面性質(zhì)、形狀厚度一致的情況下，收到的底波信號(hào)也基本一致，但當(dāng)被測工件中存在缺陷或者工件內(nèi)材料存在差異時(shí)，底波幅值會(huì)急劇下降甚至直接為零，與此同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的缺陷回波。所以在一般情況下，當(dāng)探測面與被測工件的底面相互平行時(shí)，可以利用回波幅值作為分析缺陷并對缺陷大小進(jìn)行估計(jì)的一種方法。在用脈沖回波法對被測工件進(jìn)行檢測時(shí)，當(dāng)工件內(nèi)超聲波發(fā)生聲阻抗變化，會(huì)發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)生變化的部分存在反射、折射等現(xiàn)象，而發(fā)生這些物理現(xiàn)象后，反射波也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。通過回波信號(hào)幅值的變化，可以對缺陷的面積、方位、深度等信息完成相應(yīng)的判斷與分析。在缺陷面積、深度、位置等信息不同的情況下，接收到的反射波也會(huì)對應(yīng)的存在不同。

由于脈沖回波法對金屬的內(nèi)部缺陷和表面缺陷的檢測定位能力較強(qiáng)，因此可以用一個(gè)收發(fā)合置的探頭在工件的單側(cè)面進(jìn)行檢測。相對而言，該方法簡單且容易操作，對缺陷的檢測靈敏度高，速度較快，應(yīng)用費(fèi)用較低，所以一般使用脈沖回波法對金屬材料進(jìn)行檢測。但該方法也有其自身的局限性，當(dāng)缺陷與工件內(nèi)無缺陷部分的聲阻抗基本相同時(shí)，反射信號(hào)的能量較小，導(dǎo)致反射信號(hào)不易接收。由于脈沖回波法對被測工件中接近檢測表面的缺陷難以識(shí)別，所以存在一定的檢測盲區(qū)。同時(shí)，由于超聲波在物體中傳播聲程較長，而脈沖回波法又需要根據(jù)被測工件的反射信號(hào)對工件進(jìn)行檢測分析，因此當(dāng)材料的聲衰減率過高時(shí)，無法使用脈沖回波法對工件進(jìn)行檢測

金屬鑄件在進(jìn)行制作時(shí)，由于自身形成的原因，會(huì)使得鑄件成型后其內(nèi)部不均勻，并且因此造成缺陷。鑄件常見缺陷有氣孔、夾渣、縮孔、冷裂紋、材料不均、晶粒粗大等缺陷。

氣孔

在金屬凝固的過程中，由于氣體無法排出而停滯在金屬內(nèi)部，從而形成了氣洞。洞的內(nèi)壁十分光滑且內(nèi)部存在氣體，而超聲波經(jīng)過氣孔時(shí)的反射率較高。因此在使用超聲檢測時(shí)，當(dāng)工件內(nèi)的缺陷為氣孔的情況下，較易被檢測發(fā)現(xiàn)。一般氣孔的形狀均為球形或橢球形。氣孔的波形特征是反射波峰高并且單一，對底波影響不大。

縮孔

鑄件冷卻凝固時(shí)，由于存在不均勻收縮的現(xiàn)象，使得最后凝固的區(qū)域存在孔洞。當(dāng)這些孔洞較為集中且具有一定的容積時(shí)，則將其稱為縮孔。通常縮孔的表面都較為粗糙，并且呈現(xiàn)的形狀均為無規(guī)則分布的。對比工件內(nèi)的氣孔與縮孔時(shí)，可以利用縮孔的兩個(gè)特點(diǎn)，對工件內(nèi)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。縮孔的波形特征是一個(gè)回波內(nèi)具有多個(gè)峰值并且幅值較大。

夾雜

鑄件中較常見的夾雜是內(nèi)在夾雜、外來金屬夾雜及非金屬夾雜。在實(shí)際檢測時(shí)，較常檢測出的夾雜類的缺陷均為非金屬夾雜，夾雜會(huì)破壞材料自身的連續(xù)性。當(dāng)夾雜出現(xiàn)在工件內(nèi)部的不同位置，并且夾雜物的含量與形態(tài)不同時(shí)，均會(huì)對工件產(chǎn)生不同的性能影響。當(dāng)前由于真空技術(shù)的普遍應(yīng)用，因此夾雜現(xiàn)象相對于氣孔而言，更易出現(xiàn)在鑄件內(nèi)并影響其使用。夾雜的回波較弱，在不同方位探測時(shí)，回波變化較大。

裂紋

鑄件在形成過程中，較為常見的裂紋是由于熱處理不當(dāng)而導(dǎo)致的，或是由鍛造過程中所產(chǎn)生的裂紋，或是由于工件使用時(shí)間過長造成的疲勞裂紋。冷裂紋在檢測時(shí)其回波幅值較高，對底波的影響較大。

晶粒粗大

晶粒粗大是超聲檢測過程中常見的缺陷，當(dāng)工件存在晶粒粗大的情況時(shí)，不但對工件性能有所影響，甚至?xí)π∪毕莸某暬夭ㄐ盘?hào)產(chǎn)生影響。

超聲檢測是一個(gè)聲能量穿透工件后，根據(jù)信號(hào)能量的改變而判定缺陷的過程。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)后通過探頭發(fā)射超聲波，將探頭放置被測工件表面，超聲波通過耦合劑進(jìn)入被測工件。當(dāng)被測工件內(nèi)存在缺陷時(shí)，超聲信號(hào)在遇到材料變化的情況后會(huì)發(fā)生相應(yīng)的反射、折射等物理現(xiàn)象，通過探頭接收反射的超聲信號(hào)。探頭實(shí)際為一個(gè)聲—電換能器，將反射后得到的聲能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳送至放大器，經(jīng)過放大后，通過計(jì)算機(jī)或其他顯示儀器，對工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行顯示并分析。根據(jù)獲得的缺陷反射信號(hào)的時(shí)間與幅值，與標(biāo)準(zhǔn)試塊中的人工缺陷的幅值進(jìn)行比較后，可以對被測工件的缺陷位置與尺寸完成估計(jì)。對金屬材料進(jìn)行實(shí)際檢測時(shí)，采集得到的信號(hào)為帶噪信號(hào)。在帶噪信號(hào)中，有用信息有可能被噪聲完全湮沒，無法直接獲取，因此需要采用信號(hào)處理技術(shù)，將噪聲從檢測信號(hào)內(nèi)濾除，從而得到清晰明顯的信號(hào)。

超聲信號(hào)是一種非平穩(wěn)的、突變的信號(hào)，在進(jìn)行檢測時(shí)，需要對局部時(shí)間范圍內(nèi)的頻譜信息進(jìn)行相關(guān)表示與分析，傳統(tǒng)的信號(hào)分析方法無法滿足檢測后對信號(hào)的相關(guān)要求，因此需要采用時(shí)頻分析方法對超聲信號(hào)進(jìn)行處理。時(shí)頻分析技術(shù)與傳統(tǒng)的信號(hào)分析方法不同之處在于，這種分析方法不僅是在時(shí)域或頻域上對信號(hào)完成分析處理，它是在時(shí)域與頻域聯(lián)合的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。時(shí)頻分析的基本思想是：需要使用時(shí)域與頻域相結(jié)合的函數(shù)，用這種函數(shù)對信號(hào)的不同時(shí)間與頻率進(jìn)行描述，并且可以得到各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)頻率與幅值。