在机械零件无损检测中如何通过超声检测判断内部缺陷的尺寸

超声检测是机械零件内部缺陷检测的核心手段之一，凭借穿透能力强、灵敏度高、操作便捷等特点，广泛应用于航空航天、电力、化工等领域。在实际检测中，准确判断缺陷尺寸是评估零件安全性与可靠性的关键——过大的内部缺陷可能引发应力集中，导致零件失效甚至安全事故。本文结合超声检测的基础原理与实操经验，详细阐述如何通过超声信号特征、定量方法及操作要点，精准判断机械零件内部缺陷的尺寸。

超声检测判断缺陷尺寸的原理基础

超声检测的核心是利用超声波在介质中的传播特性：当超声波遇到不同声阻抗的界面（如缺陷与基体的界面）时，会发生反射、折射或散射，反射回波被压电探头接收并转化为电信号。机械零件的内部缺陷（如裂纹、气孔、夹杂物）因与基体存在声阻抗差，能产生可识别的回波信号。

超声波的类型决定了检测场景：纵波（质点振动方向与波传播方向一致）适合检测零件内部的体积型缺陷（如锻件中的气孔）；横波（质点振动方向与波传播方向垂直）通过斜探头产生，适合检测焊缝中的线性缺陷（如裂纹）。探头频率则影响检测能力：高频探头（5-10MHz）分辨率高，能识别更小的缺陷，但穿透能力弱；低频探头（0.5-2MHz）穿透能力强，适合厚大零件，但分辨率较低。

声程是尺寸判断的基础——超声波从探头到缺陷再返回探头的总距离，可通过仪器显示的“垂直深度”或“水平距离”换算。例如，检测一个20mm厚的钢板，缺陷回波显示深度为10mm，说明缺陷位于钢板中心位置，这为后续尺寸测量提供了空间参考。

缺陷回波特征与尺寸的关联逻辑

缺陷回波的三个核心特征直接关联尺寸判断：回波高度、回波位置、回波形状。回波高度反映缺陷的反射能力——在同声程、同材质下，缺陷面积越大，回波越高（如Ф5mm平底孔的回波高于Ф2mm平底孔）；但需注意，缺陷的取向会影响回波高度（如裂纹面与声波入射方向平行时，回波可能极弱甚至消失）。

回波位置通过声程计算缺陷的深度与水平位置，是确定缺陷在零件中空间位置的关键。例如，检测轴类零件时，回波显示深度为30mm、水平距离为20mm，说明缺陷位于轴的中心偏右侧位置。回波形状则反映缺陷形态：体积型缺陷（如气孔）的回波通常尖锐、单一；线性缺陷（如裂纹）的回波可能宽而多峰；疏松缺陷的回波呈“草状”或连续低幅信号。

需强调的是，单一回波特征无法直接确定尺寸，需结合多种特征综合分析——比如一个高回波可能来自大缺陷，也可能来自小但取向垂直的缺陷，因此需通过标准试块校准与扫查验证。

当量尺寸：用标准缺陷类比实际缺陷

当量尺寸是超声检测中最常用的缺陷尺寸表示方法，核心逻辑是“用标准人工缺陷的回波特征类比实际缺陷”。常用的当量类型包括平底孔当量、长横孔当量，其中平底孔当量应用最广。

以平底孔当量为例，操作步骤为：（1）选用与被检零件材质相同的标准试块（如CSK-ⅠA试块），试块包含不同尺寸的平底孔（如Ф1mm、Ф2mm、Ф3mm）；（2）调整仪器增益与衰减，使试块中某尺寸平底孔的回波高度达到基准值（如80%满屏）；（3）检测实际零件，找到缺陷回波后，调整衰减使回波高度与基准值一致，此时试块中平底孔的尺寸即为缺陷的“平底孔当量尺寸”。

需注意，当量尺寸是“等效反射能力的尺寸”，而非物理尺寸的直接测量。例如，一个实际尺寸为Ф4mm的不规则缺陷，其回波可能与Ф3mm平底孔的回波相同，此时当量尺寸为Ф3mm。尽管如此，当量尺寸仍能为缺陷评估提供重要参考——比如当当量尺寸超过标准阈值（如GB/T 11345-2013中焊缝缺陷当量尺寸≥Ф3mm需返修）时，需进一步处理。

缺陷尺寸的定量方法：测长与面积

除当量尺寸外，常用的定量方法包括测长法与面积法，用于测量缺陷的线性或平面尺寸。

测长法适用于线性缺陷（如裂纹、夹渣），常用6dB法（半高宽法）：找到缺陷的最高回波后，向两侧缓慢移动探头，当回波高度下降到最高回波的6dB（即高度降至50%）时，标记两点，两点间的距离即为缺陷长度。例如，检测焊缝中的裂纹，最高回波为80%满屏，移动探头至回波降至40%满屏时，两点距离为20mm，说明裂纹长度约20mm。20dB法（全高宽法）则是下降到20dB（高度降至10%），适合更弥散的缺陷（如疏松）。

面积法适用于面积型缺陷（如分层、大面积夹杂物），操作方式为“网格扫查”：探头沿正交方向扫查，记录回波超过阈值（如20%满屏）的范围，通过网格点坐标计算缺陷面积。例如，检测钢板分层缺陷时，扫查发现回波范围为100mm×50mm，说明分层面积约5000mm²。

影响尺寸判断的关键因素及规避

1、探头参数：高频探头（如5MHz）分辨率高，但穿透能力弱，适合薄件；低频探头（如2MHz）穿透能力强，适合厚件。检测20mm厚的钢板选5MHz探头，检测100mm厚的锻件选2MHz探头。

2、缺陷取向：缺陷面与声波入射方向的夹角直接影响回波强度——夹角0°（垂直）时回波最强，90°（平行）时回波最弱。对于焊缝中的横向裂纹，需用斜探头从多个方向扫查，确保捕捉回波。

3、材质均匀性：铸件中的疏松、锻件中的偏析会产生杂波干扰。此时需提高仪器抑制水平（但不可过度抑制），或用高频探头提高分辨率。

4、耦合剂：耦合剂的作用是排除空气，确保声能传递。机油适合光滑表面，甘油适合粗糙表面，水适合高温零件。耦合不好会导致回波弱，需确保耦合剂均匀覆盖探头表面。

标准试块：尺寸判断的校准工具

标准试块是超声检测的“度量衡”，作用包括：（1）校准仪器的水平线性与垂直线性（确保声程显示准确）；（2）校准灵敏度（确保回波高度的可比性）；（3）验证缺陷尺寸的准确性。

常用试块：（1）CSK-ⅠA试块：适用于平板、锻件检测，含不同深度的平底孔；（2）ⅡW试块：适用于焊缝检测，含斜探头校准用的横孔；（3）RB-2试块：适用于奥氏体不锈钢焊缝检测，含长横孔。

使用注意事项：试块材质需与被检零件一致，表面需光滑无缺陷，定期校准（避免磨损导致尺寸误差）。

实操中的关键要点：从扫查到记录

1、探头选择：直探头适合平板、锻件的垂直检测；斜探头适合焊缝、管件的斜向检测；双晶探头适合近表面缺陷检测。例如，检测轴类零件的周向缺陷，选2.5P20Z直探头（2.5MHz，20mm晶片）。

2、扫查方式：直线扫查用于线性缺陷，网格扫查用于面积型缺陷，扇形扫查用于曲面零件。扫查速度控制在100mm/s以内，确保捕捉所有回波。

3、参数记录：需详细记录探头型号、频率、增益、衰减、耦合剂类型、试块型号；同时记录缺陷特征——回波高度、位置、形状。这些记录是后续分析与复现的关键。

4、重复验证：重要零件需重复检测——更换探头或人员，重新调整参数，确保结果一致。若差异超过10%，需检查探头磨损或耦合不良等问题。

交叉验证：避免误判的最后防线

超声检测的局限性在于“依赖声波反射”，需通过其他无损方法交叉验证：

1、射线检测：通过X射线或γ射线的透射成像，直接显示缺陷的形状与尺寸，适合验证焊缝中的线性缺陷（如裂纹）。例如，超声检测发现焊缝缺陷长度20mm，射线检测显示长度18mm，说明超声检测结果误差在可接受范围内。

2、渗透检测：通过渗透剂的毛细管作用，显示表面开口缺陷的形状与尺寸，适合验证近表面缺陷（如表面裂纹）。

3、涡流检测：通过电磁感应原理，检测导电材料中的表面与近表面缺陷，适合铝合金、铜合金零件的缺陷验证。

交叉验证并非取代超声检测，而是补充——通过多种方法的结果综合分析，确保缺陷尺寸判断的准确性。