超声波探伤技术的局限性和可靠性

由于声学家、电子工程师和探伤人员50年来的不懈努力，使基于“固体雷达”原理的 超声波探伤技术已发展成为当今无损检测的主要方法之一。世界各国出版的无损检测书籍、 资料、文献中，国内外历届无损检测学术年会上宣读的论文中，超声波探伤所占的数量大，这表明超声波检测在工程应用中已取得辉煌的成就并仍在不断地改进着、发展着。但是，对其局限性和可靠性却很少论及和报道，因而在社会上造成了一种假象，似乎 超声波探伤技术已经十全十美，一旦发生产品质量事故，就认为是操作者和技术水 平低劣所致，从而打击了生产线上探伤人员的积极性，但对教训的总结和吸取、类似事 故的预防以及超声波探伤技术的进步却极少推动。

       1 超声波探伤实践中可靠性的几种“意外”在超声波探伤实践中一般会碰到两类典型 的“意外”

       1.1 “意外”的失败(检测判断与实际不符)(1)超声波探伤仪上显示出明显的缺陷波， 解剖实物却什么也找不到。例如，1964年笔者对铝合金异形型材进行超声波探伤试验，发 现其中有一明显的缺陷波，当即进行边探测、边刨削、边酸蚀的实验，每次刨去0.5mm结 果竟未发现任何宏观缺陷。(2)超声波探伤按部颁标准判定为2当量平底孔的小缺陷实际是 巨大孔洞。如：1979年探测某发电机转子毛坯(34CrMoA大锻件)时，发现有若干缺陷，精 车后表面暴露出长约2mm的细小裂纹。用宽2mm的竹篾片垂直插入该小孔可深入12mm， 倾斜插入则可深达23mm。用超声波直、斜探头复探仍只能发现当量为2mm左右的缺陷波， 而实际上确是个超声波无法探出的巨大孔洞。

        1.2 科学冒险的“意外”成功 针对多次出现超声波探伤合格的发电机转子毛坯大锻 件在后道车、钻工序中暴露出大量发纹的事实，进行了观察、统计、分析和实验，发现某些 群状杂波，当量远低于部颁判废标准（2mm平底孔），但据已积累的经验肯定是大量发纹的反 射波，故坚决予以拒收。并于1979年底将12根这种转子毛坯大锻件运返承制厂，请他们打 中心孔(因本厂无深孔钻)， 商定如无发纹立即运回本厂，否则退货，结果一根也未再拉回来。

        2 超声波探伤技术本身的局限性超声波探伤技术是利用固体中的回声--弹性波的反射 现象，来判定工件中缺陷的有无和位置(埋藏深度)，根据接收到的回声能量来估计缺陷的大 小(与规定的平底孔、横孔等标准缺陷相比较)，再使用一些探测工艺上的技巧并根据生产工 艺中易产生缺陷的规律和经验来推判缺陷的性质，如上述例证那样。显然，由于通用超声波 探伤仪器(A型显示)检测的物理量只有三个：①弹性脉冲的传播时间：声时。②回波的能量：当量。③机械振荡通过某段距离后的衰减程度：相对值。而我们对埋藏于工件内部的缺陷事先却一无所知：大小、形状、深度、倾斜角、表面粗糙度、内部填充物、是一个大缺陷还是数个小缺陷的紧密组合……等，亦即未知数早已超过了三个。所以从数学上看，超声波探伤 面临的是一个不定解问题。其次，目前超声波探伤的声学理论基础研究还主要停留在固体中 少数规则缺陷(如球体、圆柱体、无限槽缝等)对超声波的反射、固体中晶粒对超声波的散射 等“正问题”上，仍在解决什么样的缺陷会散射出什么样的超声波，但超声波探伤更重要的 是须解决：根据已测得的散射情况推断出工件内存在着什么样的缺陷，这又是个不可能得到确定解的“逆问题” 。再者，由实验知，同一埋藏尝试，不同形状、大小、倾斜度、表 面粗糙度……的缺陷却可以产生同样高度的回波，所以单凭回波高度是无法区分这些缺陷 的。还有，超声波探伤需要解决的问题远比其母体技术--防空雷达复杂、困难得多，因为后者追寻的目标只是点状缺陷，而前者却有点状、线状、面状、体状和弥散状的缺陷。综上所述可知：今天的超声波探伤技术仍存在着局限性，即无法确定检测的结果。例如：波兰从Drendury管道探测结果中，任选32条全自动焊焊缝和47条半自动焊焊缝，对在同样 长度的焊缝上所得超声和射线检测结果作了比较。 就缺陷的数量而言，如所发现焊缝中缺陷的总数为100%，则在全自动焊焊缝中，由超声检测发现的缺陷数占71%，由射线照相法发现的占29%。在半自动焊焊缝中，超声检测发现的占74%，射线照相法发现的占26%。超声检测出的缺陷大部分分布在90°和270°的极坐标处，这些缺陷大部分是裂纹和未熔合， 而射线检出的缺陷大部分位于150°和300°之间，缺陷绝大部分是球状体积性缺陷，这一检测结果表明，仅使用一种方法检测所得的结果是不全面的。但对于大型工作的内部缺陷却只能用超声这一种方法来无损检测。

       3 超声波探伤技术的可靠性由于超声波探伤技术本身存在着局限性，所以其可靠性当 然不可能达到理想的100%。其实任何一种实际检测的结果与理想要求总是有区别的，不论 是手工操作检测还是自动检测均无例外，附图示出了这种差别。从附图中可见，实际检测总 是存在着漏检与误检，漏检与误检的多少取决于对检测影响因数的控制程度，但无论如何漏 检与误检均是不可避免的。近年来，美国600家电力公司所属1万多家发电厂主要用超声检 测控制机组质量，保证电厂的正常运行，而其超声检测可靠性已达85%。对于这种原来被 认为是不太可靠、又不直观的技术，能达到这样的检测可靠性，看来学者们已相当满意。探伤人 员遵循。如果不便规定出百分比，至少也应指明不可能达到100%。由于历史的原因，我国 基层生产单位一向把仅对重要零部件质量把关的超声波探伤当作高新技术，普遍认定其可靠 性应为100%，因而无论出现怎样的误差都是不允许的。例如，某厂18年来只有两年超声 波探伤的表观可靠性(即被检工件在后续切削加工中未出现内部缺陷的百分比)没有达到 100%，一年为99.96%，另一年为99.93%。即使如此，探伤人员还是受到了处分、指责。而实际上超声波探伤技术对检测缺陷位置的效果是好的，对缺陷形状、取向只有中等判断能力，而对缺陷性质、大小的检出能力是差的。所以向社会解释清楚超声探伤真实可靠性和表观可靠性的区别，前者不可能达到100%，后者在特定条件下却有可能接近或达到此指标。

        4 几点建议为了降低超声波探伤技术的局限性，增加其检测的可靠性，也许应该进行 下列工作：(1)加强基础理论研究，寻求新的突破。由对缺陷的观察、积累、分类中总结、 研究出规律性缺陷和偶然性缺陷的形成机制，力学、声学特征、特性以及对各种超声波束的 反应。特别应加强对力学、声学“逆问题”的“反演”研究，力求找出可供作为新型超声波 探伤仪物理基础的力学、声学新规律、新理论，以及可使其实现的电子学办法、线路。(2) 研制开发新型超声波探伤仪。根据力学、声学中的新发现、新规律设计、开发新型超声波探 伤仪器、换能器和附属辅助设备等。借鉴涡流探伤仪经验，将目前的超声波扩展为双频、 多频……，再利用相位频谱等技术以增加超声检测的物理量，来获得更多判断缺陷的依据。 改进现有超声探伤仪设计，使其具备目前探伤工艺中的某些经验和技巧。(3)促进广大探伤 人员的经验交流、技术探讨。在广泛搜集成功经验和失败教训的基础上，建立全国超声波探 伤实践信息库，制成各种软件供生产线上的超声探伤人员使用。(4)不断更新和修订各 种超声波探伤的标准、规范，使之更加符合生产实践的现状和发展，特别是应在其中补充有 关可靠性的内容。(5)在各种培训教材、杂志、书籍中首先应如实介绍当今超声波探伤技术 原理上的局限性和可靠性，承认今天超声波技术对缺陷的定量、定性还是相当无能的，欢迎 和鼓励有志青年不断探索并有新的突破，使超声波探伤技术的局限性逐步降低，可靠性不 断提高。