超声波无损探伤在锻件内部疏松缺陷检测中的波形特征

锻件作为机械制造、航空航天等领域的核心基础件，其内部质量直接决定设备的可靠性与寿命。内部疏松是锻件常见缺陷之一，源于锻造过程中金属塑性变形不充分或压实不足，形成微小孔隙群，若未及时检测易引发疲劳断裂等事故。超声波无损探伤因具备非破坏性、灵敏度高、检测深度大等优势，成为锻件疏松检测的主流技术，而通过分析超声波反射的波形特征，是准确识别疏松缺陷的关键环节。

锻件内部疏松的成因与形态特征

锻件内部疏松的形成与锻造工艺密切相关。当锻造温度控制不当（如温度过低导致金属塑性差）、变形量不足（未完全消除铸锭中的疏松组织）或锻后冷却过快时，金属内部原子排列易出现不致密区域，形成大量直径在数十微米至数百微米的微小孔隙。这些孔隙并非孤立存在，而是以“群聚”形态分布，呈现出分散、不规则的特征——既无明显边界，也不形成连贯的缺陷面，更接近“多孔介质”的结构。

从微观角度看，疏松缺陷的孔隙壁多为金属晶粒的晶界或变形后的滑移面，孔隙间的金属仍保持连续的基体结构。这种形态与裂纹（完全断开的界面）、夹杂（异物与基体的界面）等缺陷存在本质区别，也直接决定了超声波与疏松作用时的反射规律——并非单一界面的强反射，而是众多微小界面的散射与反射叠加。

超声波探伤原理在疏松检测中的应用逻辑

工业超声探伤多采用“脉冲反射法”，核心是通过发射超声脉冲，接收缺陷反射波与底波信号，分析波的位置、幅值、形态判断缺陷性质。对于疏松缺陷，由于其是大量微小孔隙的集合体，超声波在传播过程中会与每个孔隙发生相互作用：部分声波被孔隙界面反射，部分发生散射（改变传播方向），还有部分继续穿透。

与裂纹、夹杂等“单一界面缺陷”不同，疏松的反射信号是众多微小反射波的叠加结果。这种叠加因孔隙位置的随机性，反射波在时间域上存在微小差异，最终形成“连续且无明显峰值”的波形特征。此外，超声波的散射会导致能量显著衰减，因此疏松区域的底波幅值通常比无缺陷区域低。

疏松缺陷的典型超声波波形特征

疏松缺陷的波形特征可总结为“三性”：连续性、低幅值性、频谱宽频性。首先是连续性：由于疏松是分布较广的孔隙群，超声波扫查时，反射波会随探头移动连续出现，无明显中断——这与夹杂（孤立波）、裂纹（单笔高波）形成鲜明对比。例如，用直探头检测轴类锻件时，疏松区域的波形会呈现“连续的波浪状曲线”。

其次是低幅值性：单个孔隙的反射面积极小，即使大量叠加，总反射能量仍远低于裂纹（大面积界面）。因此，疏松的反射波幅值通常仅为基准波（无缺陷区域底波）的10%~30%，且波峰平缓。最后是频谱宽频性：通过频谱分析（时间域转频率域），疏松的反射波频谱覆盖较宽范围（通常为探头中心频率的±20%~30%），因不同尺寸孔隙对不同频率超声波的反射效率不同，叠加后形成宽频谱——而裂纹的频谱通常集中在中心频率附近。

影响波形特征的关键因素

疏松的波形特征受多种因素影响，需结合实际判断。探头频率是核心因素：高频探头（5~10MHz）分辨率高，能区分更小孔隙，反射波连续性更明显，但穿透性差，适用于薄锻件；低频探头（1~2.5MHz）穿透性强，可检测厚锻件内部疏松，但分辨率低，波形更“模糊”。

锻件材质也会影响波形：铝合金声阻抗（约1.7×10^7 kg/(m²·s)）低于合金钢（约4.5×10^7 kg/(m²·s)），因此铝合金锻件中疏松的反射波幅值更低——因声阻抗差越小，反射系数越小。疏松的密度与分布同样关键：孔隙密度增加（孔隙数增多），反射波叠加能量增强，幅值略有升高；若孔隙分布均匀，波形连续性更稳定；若局部聚集（密集疏松），则会出现“局部高幅值连续波”。

波形分析与缺陷识别的实用技巧

实际检测中，准确识别疏松需掌握“对比法”与“综合法”。对比法即区分疏松与其他缺陷：裂纹是“单笔高幅值尖锐波”，波峰陡峭，底波通常消失；夹杂是“孤立高幅值波”，位置固定；疏松是“连续低幅值波浪状波”，扫查时波峰随探头移动连续变化。

综合法即结合底波与材质特性分析：疏松会导致超声波散射与衰减，底波幅值随疏松程度增加而降低——若检测到连续低幅值反射波，同时底波衰减超过20%，大概率是疏松。此外，调整探头角度（如斜探头检测近表面疏松），观察波形变化：疏松的反射波在角度变化时幅值变化平缓，而裂纹的幅值随角度变化剧烈。

实际检测中的波形验证案例

某航空发动机用合金钢锻件（直径300mm，厚度150mm）检测案例：采用2.5MHz直探头，耦合剂为机油。在中心区域扫查时，发现连续低幅值反射波（幅值约为基准波的15%），底波比无缺陷区域低30%。用5MHz高频探头复探，波形连续性更明显，无孤立波峰；解剖后金相分析显示，内部存在大量20~50μm的孔隙，分布均匀，符合疏松特征。

另一案例是铝合金锻件表面疏松检测：用5MHz高频探头，扫查近表面（5~10mm）发现连续低幅值波，底波无明显衰减（因疏松位于近表面，超声波未达底面）。金相显微镜观察显示，近表面晶粒间存在未压实的微小孔隙，验证了波形分析的准确性。

波形校准与检测可靠性保障

为确保波形分析准确，需通过“标准试块校准”与“结果验证”保障可靠性。标准试块校准即使用含模拟疏松的标准试块（如GB/T 11259-2019中的疏松试块），调整仪器增益、闸门位置，使试块的疏松波形与仪器显示一致——消除系统误差，统一判断标准。

结果验证即通过破坏性检测（解剖、金相分析）或非破坏性验证（射线探伤）确认缺陷性质。例如，检测到可疑波形时，可钻取试样做金相分析，或用X射线拍摄缺陷图像——射线图像中疏松表现为“云雾状阴影”，与超声波的“连续低波”形成互补验证。