涡流检测中如何区分金属材料的气孔缺陷和夹杂缺陷信号特征

涡流检测是金属材料无损检测领域的核心技术之一，广泛应用于铸造、焊接、轧制等工艺的缺陷排查。在实际检测中，气孔（气相空洞）与夹杂（固相异物）是两类常见缺陷，但由于两者均会扰动涡流场，信号特征易混淆，直接影响判伤准确性。区分两者的信号差异，需从缺陷本质、物理形态到涡流场响应的多维度分析——形成机制决定了缺陷的物理属性，而物理属性又直接塑造了涡流信号的幅值、相位、稳定性等特征。本文结合检测实践，系统拆解气孔与夹杂的信号区分逻辑，为一线检测提供可操作的判据。

气孔与夹杂的形成机制差异

气孔的形成源于金属熔炼或凝固过程中气体的“滞留”——当熔炼温度过高（如铝合金熔炼时的700℃以上），金属会吸收大量气体（如氢气），若凝固速度过快，气体来不及析出便形成空洞。例如铝合金铸造中的氢气孔，多分布在铸件热节或冒口附近，直径从几微米到数毫米不等。

夹杂则是“外来杂质的嵌入”——熔炼时混入的氧化物（如氧化铝）、硫化物（如硫化亚铁），或轧制时带入的金属碎屑，均会形成夹杂。比如不锈钢冶炼中的非金属夹杂，多为炼钢时未完全去除的硅酸盐，形状不规则且与基体结合紧密。

形成机制的本质差异在于：气孔是“气相缺失”，内部无导电/导磁介质；夹杂是“固相异物”，自带与基体不同的电导率、磁导率。这种差异直接导致两者对涡流场的扰动方式截然不同——气孔让涡流“绕行”，夹杂让涡流“穿透或反射”。

缺陷物理形态的涡流场扰动差异

气孔的物理形态以“不规则空洞”为核心：内壁粗糙，常见圆形、椭圆形或蜂窝状，部分气孔会因气体压力形成尖锐边缘。例如铝铸件中的皮下气孔，直径1-2mm，边缘陡峭，与基体界面清晰。

夹杂的形态则由成分决定：氧化物夹杂（如Al₂O₃）多为片状或针状，硬度高且易碎；硫化物夹杂（如FeS）呈球状或长条状，塑性好，轧制后会沿加工方向延伸；金属夹杂（如铜在铝中）为块状，电导率常高于基体。

更关键的是界面状态：气孔与基体的界面是“非连续”的，涡流无法穿过，只能沿空洞边缘绕行，形成“涡流集中区”；夹杂与基体的界面是“连续”的（除非夹杂脱落），涡流可部分穿透，导致涡流场的扰动更复杂——比如氧化物夹杂与基体的微小间隙，会额外产生“涡流环”，让信号出现小峰值。

涡流信号的幅值特征区分

幅值反映缺陷对涡流场的扰动程度，核心影响因素是“缺陷体积”与“材质差异”。对于气孔，幅值仅与体积和深度相关：表面气孔体积大，幅值高（如直径2mm的表面气孔，幅值可达满刻度80%）；内部气孔体积小，幅值低（如深度5mm的气孔，幅值降至40%）。

夹杂的幅值则同时受“材质差异”与“体积”影响：若夹杂电导率远低于基体（如氧化铝在铝中，电导率仅为铝的1/3800），涡流无法穿透，幅值会显著升高（可达满刻度70%）；若夹杂电导率接近基体（如铜在铝中，电导率约为铝的92%），幅值升高幅度较小（仅10%左右）。

形状也会影响幅值：圆形气孔的幅值峰值对称，而不规则气孔（如蜂窝状）的幅值会出现多个小峰；球状夹杂的幅值稳定，针状夹杂则因两端的涡流集中，出现“双峰值”——比如不锈钢中的针状氧化物夹杂，幅值峰值会比球状夹杂高10%，且有明显的两个凸起。

相位特征的材质与形态信息

相位反映涡流的“滞后效应”，与缺陷的电导率成反比、与磁导率成正比，是区分气孔与夹杂的“材质识别码”。对于气孔，因无电导率/磁导率，相位仅反映形状与深度：表面气孔的相位角小（0-30°），因涡流穿透浅、滞后小；内部气孔的相位角大（30-60°），因涡流穿透深、滞后大。

夹杂的相位则包含“材质信号”：非金属夹杂（如氧化物）电导率低，相位角大（60-90°）；金属夹杂（如铜）电导率高，相位角小（0-30°）；铁磁性夹杂（如Fe₃O₄在铝中）磁导率高，相位角可达90-120°。例如铝中的氧化铝夹杂，相位角约75°；铜夹杂约25°，两者差异显著。

相位波动也是关键：气孔形态单一，相位波动小（±1°）；夹杂若成分不均（如复合夹杂），相位波动会放大（±5°）——比如不锈钢中的氧化物+硫化物复合夹杂，相位角会从45°跳到55°，再回落至50°，而气孔的相位始终稳定在30°左右。

信号稳定性的实践判据

稳定性指探头扫过缺陷时，幅值与相位的变化幅度。气孔作为“单一空洞”，内部无结构，信号极稳定：5次重复扫描的幅值波动不超过±5%，相位波动不超过±1°。比如铝铸件中的圆形气孔，5次扫描的幅值分别为80%、81%、79%、80%、80%，相位均为30°。

夹杂的稳定性则差很多：若夹杂是分散颗粒（如铝合金中的细小氧化物），信号会出现“多峰波动”——幅值从50%升到70%，再降到60%，波动±10%；若夹杂是连续长条状（如轧制后的氧化物），信号会持续在高幅值区（60-70%），但相位会有轻微漂移（70-75°）。

分布状态也会影响稳定性：气孔多为孤立存在，信号是“单个峰值”；夹杂常成群分布，信号是“连续高幅值带”——比如铝轧制板中的长条状夹杂，信号会持续20mm以上，而气孔的信号仅覆盖2-3mm。

频率响应的差异化表现

频率决定涡流的穿透深度（高频穿透浅，低频穿透深），不同频率下，气孔与夹杂的信号特征会“反转”。对于气孔，高频（>10kHz）时，表面气孔信号强（幅值80%、相位20°）；低频（<1kHz）时，内部气孔信号强（幅值40%、相位45°）。

夹杂的频率响应更依赖“材质属性”：非金属夹杂（如氧化铝）在高频下，因电导率差异大，幅值高（70%）、相位大（75°）；低频下，因涡流穿透深，幅值降低（50%）但相位更显著（85°）——比如不锈钢中的氧化物夹杂，用100kHz检测时相位75°，用1kHz检测时相位升至85°。

铁磁性夹杂的频率响应更特殊：若夹杂是铁磁性（如Fe₃O₄在铝中），低频下磁导率的影响会放大，相位角可达100°以上，而气孔在低频下的相位仅45°左右——这是区分铁磁性夹杂与气孔的“黄金指标”。

动态扫描的信号变化速率

动态扫描指探头以恒定速度移动时，信号的“上升/下降速率”，反映缺陷边缘的陡峭程度。气孔的边缘是“基体-空洞”界面，陡峭且清晰，因此信号上升快（<0.1秒）、峰值尖锐——比如探头以10mm/s速度扫过直径2mm的气孔，从基线到峰值仅需0.1秒（对应移动1mm）。

夹杂的边缘是“基体-固态异物”界面，因与基体结合紧密，边缘更平缓，信号上升慢（>0.1秒）、峰值宽——比如扫过直径2mm的氧化铝夹杂，上升时间需0.2秒（对应移动2mm），峰值宽度也从气孔的1mm扩大到2mm。

下降速率同样有差异：气孔的下降时间与上升时间一致（<0.1秒），而夹杂的下降时间更长（>0.2秒）——比如铝中的氧化物夹杂，信号从峰值回落至基线需0.25秒，而气孔仅需0.1秒。