焊接精密度0.01mm

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影响反射波的因素——缺陷

来源: | 发布日期:2022-06-17

①缺陷形状的影响

由于当超声波入射到弯曲的反射界面时,其反射振幅将受界面曲率的影响而发生变化,因此,不同的缺陷形状对缺陷回波波高有很大影响。超声波入射到凹曲面和凸曲面时声束会聚和发散的规律与2.3.3节中工件表面(反射界面)形状的影响相似,此处不再赘述。

为了便于研究,通常把缺陷形状简化为圆片形、球形和圆柱形三种。在远场区,各种缺陷的波高都与声源面积成正比。除此以外,缺陷形状对波高的影响规律是:圆片形缺陷波波高与缺陷面积成正比,与波长的平方及距离的平方成反比;长圆柱形缺陷波波高与缺陷直径的1/2次方成正比,与波长的1次方及距离的3/2次方成反比[6]

当点状缺陷直径远小于波长时,其回波高度正比于缺陷平均直径的3次方。波高随缺陷大小的变化十分急剧。因此,当缺陷变小时,由于回波波高急剧下反降,很容易下降到探伤仪不能反应的程度。

对于不同类型的缺陷,在缺陷距离(或缺陷直径)一定时,缺陷波波高随缺陷直径(或缺陷距离)的变化程度不同,因此可以用于在实际应用中对缺陷形状进行初步判定。

 

②缺陷取向的影响

缺陷的取向即缺陷方位。缺陷取向对波高的影响其实就是入射角对波高的影响。

射声波轴线垂直于缺陷表面时,缺陷回波最高,且波高随着声 轴线偏离缺陷表面法线方向角度的增大而急剧下降,图2-18给出了光滑缺陷表面的回波波高随声波射角变化的情况[12 ] 。当超声波垂直射时(此时相当于 射角为0°),回波波高为1随着入射角增加为2.5°,波幅下降至 射角为时的10% ;射角为12°时,则下降至1/1000,此时已无法检查缺陷。在实际检测中,由于超声波声束轴线往往与缺陷表面不垂直,因此很可能导致对缺陷尺寸的估计偏小。

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缺陷表面粗糙度的影响

通常采用波长来衡量缺陷表面光滑与否。如果表面凹凸不平的高度差小于 λ/3,就可认为该表面是平滑的,其表面反射可认为是镜面反。对于表面粗糙的缺陷,即便是声波垂直 射,也会有杂乱反射发生,同时各部分反射波由于有相位差而产生相位干涉,使缺陷波波高随表面粗糙度值的增大而逐渐下降。当声波倾斜 射时,缺陷回波高度随着凹凸高度与波长之间比值的增大而增高。

 

缺陷尺寸的影响

关于缺陷尺寸对缺陷波高的影响,应当从影响缺陷波指向性的角度加以分析。无论超声波声束轴线与缺陷表面之间垂直与否,缺陷回波的指向性都与缺陷大小有关,且随缺陷大小的不同而有很大差别。应当指出,此处缺陷的大小是相对于超声波波长而言的。按照缺陷直径大于波长的3倍与否,可以区分缺陷对声波的反射是否属于镜面反射。当缺陷直径大于波长的3倍时,不论是垂直入射还是倾斜人射,都可以把缺陷对声波的反射看成是镜面反射,其倾斜反射情况可用惠更斯原理说明。如果缺陷直径小于波长的3倍,则缺陷的反射就不能看成镜面反射了,此时缺陷波能量近似呈球形分布。垂直入射和倾斜入射情况下缺陷的反射指向性大致相同。

 

缺陷性质的影响

缺陷性质对缺陷波波高的影响,反映的主要是缺陷和工件基体之间声阻抗差异对缺陷回波高度的影响。声波在界面上的反射率取决于界面两侧介质的声阻抗。若两侧介质声阻抗差异较大,近似地可认为是全反射,反射声能就强相反,两者声阻抗差异较小时,反射声能就变弱。因此,尺寸相同但性质不同的缺陷,缺陷回波波高不同。对于钢中白点、气孔等含气体的缺陷,由于其声阻抗与钢的声阻抗相差较大,可以近似认为声波在缺陷表面发生全反射。与之相反,对于非金属夹渣等缺陷,由于与基体材料之间的声阻抗差异较小,缺陷回波高度相应降低。

 

缺陷埋藏深度的影响

在分析缺陷埋藏深度对缺陷回波波高的影响时,主要从所使用探头的声场特性角度进行分析。对于常用的平面活塞换能器来说,其声场可以分为近场区(菲涅尔区)和远场区(夫琅和费区)两个部分。如1.6节所述,由于声波的干涉致使近场区声压的分布非常复杂,出现很多声压极大值和极小值。如果缺陷位于近场区,且回波声压处于声压极小值处,则即使是较大的缺陷,其缺陷回波也可能较低 而当缺陷回波声压处于极大值处,较小的缺陷回波也可能较高,导致对缺陷的误判,因此在实际检测中应避免在近场区进行检测。在远场区,声场轴线上的声压随着距离的增加而单调减少,特别是当距离大于3倍近场距离时,声压与距离成反比,近似于球面波的规律。因此,当缺陷在远场区时,随着距离的增加缺陷回波高度逐渐降低。

 


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