本研究利用Ondar-3600超声波探伤仪，对钢和铝中典型缺陷表面的超声波波形进行了研究。通过对表面反射缺陷波形和动态超声特性的定性分析，本研究表征了气泡和缩孔等典型表面反射缺陷的脉冲型超声波波形。结果表明，尽管表面反射缺陷（例如气泡和缩孔）的超声波波形表现出显著的相似性，但由于缺陷界面处声场参数（例如声阻抗）的差异，检测到的波形存在细微的变化。

1. 引言

随着现代科技的飞速发展，航空航天、航空、高速铁路等行业对材料的质量和性能提出了更高的要求。这些系统中的关键部件对材料结构有着极其严苛的要求，其中力学性能是材料选择的关键标准。然而，铸造技术的局限性常常导致钢铝材料生产过程中出现各种缺陷。这些缺陷，例如热胀冷缩引起的缩孔或二氧化碳引起的孔隙，会严重影响材料的力学性能。此类缺陷不仅会造成巨大的经济损失，还可能引发严重的事故。因此，对钢铝材料进行无损检测（NDT）至关重要。分析各类缺陷的超声波波形基本特征，可以为识别这些材料中存在的具体缺陷类型提供关键指导。

钢铁和铝在现代社会中应用广泛，因此对其缺陷进行检测已成为一项常规工作。针对这些材料的无损检测（NDT）技术发展迅速，目前已有多种检测方法。超声波检测是工业界五大标准无损检测技术之一，也是应用最广泛的技术。超声波在钢铁和铝中传播时能量损失极小，因此能够进行深层检测。然而，当遇到声阻抗突变的界面时，会发生反射和折射等声学现象。值得注意的是，超声波无法穿透气固界面。

本研究采用超声波探伤技术检测材料缺口。研究重点在于模拟材料中典型的收缩和孔隙缺陷，利用专用设备在钢和铝上制造出几何形状规则的弧形反射缺口（圆形）。然后使用A型超声波探伤技术对这些缺口进行测量。

2. 原理和方法

超声波检测原理：在均匀介质中，超声波具有极佳的定向传播特性，能量衰减极小。然而，当超声波穿过其他介质时，会遇到声阻抗突变的界面（例如孔隙或收缩腔等缺陷）。这些不连续性会导致反射、散射和衰减等声学现象。通过分析反射波或透射波的变化，可以获得材料缺陷信息。

材料缺陷的超声反射特性与缺陷取向和几何形状等因素有关。不同类型的缺陷由于界面几何形状的差异而呈现出不同的波形。因此，可以通过分析超声反射波形的特征来表征材料的缺陷特性，如图2所示，该图展示了几种不同类型缺陷的反射模式。

实验方法：本研究采用超声动态波形法，即监测探头在材料表面移动时缺陷波的振幅变化。在探头移动过程中，缺陷波特征最显著的变化发生在峰值处。通常，超声探伤仪屏幕上显示的脉冲信号高度比（即超声检测所检测到的缺陷波峰值比）等于超声声压比。

超声波探伤仪是一种利用超声波检测材料内部缺陷的仪器。本文主要采用安达3600型超声波探伤仪对钢和铝的模拟缺口进行研究。实验中选用的超声波探头为单直探头，其标称频率设置为2.5 Hz，标称K值设置为0.0，当前声程设置为125.0°。

校准程序：对于钢制试样，校准过程使用实验室中的标准钢制部件。通过调整仪器的声速设置来调整超声波检测波形，实验配置采用 3000 m/s 的声速和 9.0 的增益。对于铝制试样，校准使用完整的铝制试样，仪器声速设置为 2960 m/s，增益为 40.0。由于本论文的主要目的是分析缺陷波形特征，这些校准实验提高了检测结果的准确性。

3. 实验样品的制备

本研究主要采用钢和铝样品。为了模拟缩孔和孔隙缺陷，研究重点关注其特征几何形态：具有球形界面的连续表面，这类缺陷被归类为曲面反射型缺陷。因此，对这两种材料进行机械加工，以制备规则的曲面反射型缺口（即孔状缺口），用于实验。钢和铝中模拟缺陷的加工条件详见表1。

4. 实验结果与分析

本文采用Ondar 3600型超声波探伤仪测量钢和铝材料的模拟孔缺口。

4.1 裂纹波形分析

4.1.1 钢样品缺口波形分析

图 4 显示了通过超声波检测模拟孔口缺口在钢样品上表面不同位置获得的缺陷波形。

对实验钢样波形的分析表明，上述波形代表了超声检测半圆形反射体时产生的缺陷波。对于较薄的钢样，图 (a) 中的基线波在缺陷波出现之前表现出较大的振幅和较宽的波形，并迅速衰减。当缺陷波出现时，基线波的振幅减小。探头移动一定距离后，检测到的缺陷波变得清晰，而基线波则逐渐消失。

4.1.2 铝样品缺口的波形分析

在相同增益下，沿缺口延伸方向的底部回波振幅较低，缺陷波的振幅随着检测面积的增大而逐渐增大。

比较两种不同材料样品的缺口波形，可以发现一个明显的规律：在相同的增益条件下，钢材样品中的缺陷波和底波振幅均大于铝样品，且钢材样品的波形边缘更为尖锐。这是因为钢材样品中较大的缺口尺寸增加了超声波与界面之间的接触面积。当探测器发出的超声波束由于声阻抗的突变（即波反射）而在介质反射面附近发生散射和衰减时，更多的反射波会返回到探头，从而产生更强的电脉冲信号。因此，显示的缺陷波峰值也更大。图5显示了对铝样品表面另一侧的孔缺口进行超声检测所获得的缺陷波形。

现场测试已识别出几种典型的表面反射缺陷波形：孔隙通常呈近球形。超声波探伤显示，孔隙的反射波形单调且轮廓清晰，探头移动过程中波形变化显著。大多数情况下，波形边界清晰。然而，孔隙的形状不规则。它们的超声波波形与孔隙非常相似，但反射波呈簇状分布，波形常常重叠，振幅峰值交替出现。在主缺陷波峰值附近经常出现小振幅峰值。对这些检测到的波形进行分析表明，模拟的缺陷波形与实际孔隙及其特征高度吻合。因此，可以利用模拟的钢和铝材料的缺口图案来分析此类缺陷检测波形。

4.2 超声波检测的动态波形

4.2.1 钢样品缺口的动态波形

使用探头对钢材表面的弧形缺口进行检测。在探头左右移动的过程中，每隔2.0 mm记录一次缺陷波的相对峰值。利用实验数据，绘制了钢材样品缺口的动态波形图，横坐标为探头位移，纵坐标为缺陷波的相对峰值，如图6所示。超声动态波形分析表明，缺陷波峰值随探头位置的变化而发生显著变化，且变化趋势一致。初始阶段，随着探头接近缺口，峰值逐渐增大但保持相对稳定。当探头到达缺口中心附近时，峰值急剧增大，并在界面测量点达到最大值。随后，随着探头继续移动，峰值逐渐减小，直至缺陷波完全消失。

4.2.2 铝样品孔槽的动态波形图：

对铝样品上表面的缺口进行了检测。探头从左向右移动时，每隔1.0mm记录一次缺陷波的相对峰值。类似地，绘制了铝样品中弯曲缺口的动态波形图，如图7所示。对铝样品超声动态波形的分析表明，缺口动态波形曲线的趋势与钢样品非常相似。然而，两种材料的动态波形对比明显表明，由于钢样品中的缺口尺寸更大，因此在钢样品中测得的缺陷波最大峰值约为铝样品中的两倍。此外，在检测过程中，探头在钢样品中检测缺口的移动距离是铝样品的两倍。

对钢和铝的超声波检测动态波形分析表明，接触面在声束方向上越大，反射回探头并被仪器接收的超声波能量就越多。

5. 结论

（1）孔隙型缺口检测到的超声缺陷波形与材料的实际缺陷波形（例如孔隙和收缩缺陷）非常接近。这些缺陷波形相对简单，且当探头移动时，波形会发生显著变化。

（2）超声波动态波形曲线的变化规律与界面几何形状和尺寸有关。因此，超声波动态波形检测方法可用于实际材料缺陷的定性分析，尤其适用于缩孔和孔隙等缺陷。