基于變型波的超聲TOFD近表面檢測(cè)新方法*

林乃昌

（廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，福建 廈門 361004）

0 引 言

超聲TOFD（time of flight diffraction technique）是一種基于衍射信號(hào)實(shí)施的檢測(cè)技術(shù)，與常規(guī)脈沖回波超聲檢測(cè)技術(shù)相比，其具有檢測(cè)可靠性好、定量精度高、檢測(cè)簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)點(diǎn)，適合于中厚板焊縫的無(wú)損檢測(cè)，尤其適合危險(xiǎn)性大的裂紋及未融合等面狀缺陷，是其它檢測(cè)方法無(wú)法比擬的［1-4］。但是該方法也存在自身的技術(shù)缺陷問(wèn)題，主要是對(duì)近表面的缺陷檢測(cè)可靠性不夠，近表面檢測(cè)有兩個(gè)主要的問(wèn)題:①直通波的存在影響缺陷信號(hào)顯示，產(chǎn)生檢測(cè)的上表面盲區(qū)，對(duì)檢測(cè)的可靠性的影響很大；②由于近表面區(qū)域的時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致深度分辨力很差，嚴(yán)重影響缺陷測(cè)定的準(zhǔn)確性［5］。

為了解決近表面檢測(cè)問(wèn)題，張銳等人［6］提出了一種超聲TOFD法和脈沖反射法相結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)，該方法采用超聲反射法有效彌補(bǔ)了超聲TOFD法對(duì)表面及近表面缺陷不敏感的缺點(diǎn)，但是該方法加大了檢測(cè)工作量且對(duì)硬件要求較高。遲大釗等人［7］從圖像處理角度試圖提高混疊在近表面的缺陷波，提出了一種圖像能量分布法，該方法在一定程度上提高了近表面缺陷的辨識(shí)能力，但受待處理圖像的成像質(zhì)量影響很大，遲大釗等人［8］又從檢測(cè)方法角度，提出了一種基于TOFDW模式的檢測(cè)方法，該方法進(jìn)一步提高了近表面缺陷的辨識(shí)能力，但該方法實(shí)際為TOFD法二次波檢測(cè)方法，在解決近表面盲區(qū)問(wèn)題上仍有一定的局限性。

為了從根本上解決TOFD表面盲區(qū)問(wèn)題，本研究從檢測(cè)方法角度，提出一種基于TOFD變型波的表面檢測(cè)新方法，通過(guò)計(jì)算變型波、直通波及底面反射波，得出變型波在縱波檢測(cè)窗口出現(xiàn)的條件，并利用變型波對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，以減小測(cè)量誤差并提高檢測(cè)分辨力。

1 盲區(qū)的深度測(cè)量誤差及分辨力

掃查面附近的內(nèi)部缺陷信號(hào)可能隱藏在直通波之下，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別，因此上表面盲區(qū)就是直通波信號(hào)所覆蓋的深度范圍。

如果聲速為c，探頭中心距為p，直通波的傳輸時(shí)間是TL，直通波的脈沖時(shí)間寬度為TP，則盲區(qū)的深度公式如下:

TOFD技術(shù)的測(cè)量包括缺陷在工件中位置（深度）的測(cè)量和缺陷尺寸的測(cè)量，而缺陷尺寸的測(cè)量又包括缺陷的高度和長(zhǎng)度的測(cè)量，因此測(cè)量誤差也包括了位置（深度）的測(cè)量誤差以及缺陷高度和長(zhǎng)度尺寸誤差。TOFD技術(shù)的深度測(cè)量誤差隨著接近表面而迅速增大，由于在近表面區(qū)域內(nèi)衍射波傳輸路徑接近水平路徑，深度上一個(gè)較大的變化只會(huì)引起時(shí)間上一個(gè)很小的變化，因此近表面深度測(cè)量不準(zhǔn)，分辨力比較差。

根據(jù)缺陷深度h計(jì)算公式，假定缺陷尖端處于兩個(gè)探頭中間的對(duì)稱位置，則時(shí)間t由下列公式得出:

整理后，尖端深度為:

兩邊平方得:

對(duì)上式關(guān)于h和t進(jìn)行微分，深度誤差δh可以由時(shí)間誤差δt來(lái)表示，即:

將式（2）代入上式得:

對(duì)于近表面，h遠(yuǎn)小于s，則公式可以簡(jiǎn)化為:

從上式中不難看出，隨著深度h的減少，誤差δh迅速增加。因此缺陷越接近上表面，測(cè)量越不準(zhǔn)。而從上述公式中也能看出，通過(guò)減少探頭中心距有助于減小測(cè)量誤差。

空間分辨力是指兩個(gè)信號(hào)之間最小分辨距離。為了獲得上、下端點(diǎn)能區(qū)分的反射體的最小尺寸，其量值用聲學(xué)脈沖的長(zhǎng)度來(lái)確定。

如果tp是聲學(xué)脈沖長(zhǎng)度的時(shí)間，th是深度為h的衍射信號(hào)的傳輸時(shí)間，則空間分辨力R可以按照下式計(jì)算:

分辨力隨著深度的增加而提高，減少探頭中心距則可以改善分辨力。

2 基于變型波的檢測(cè)方法

由于TOFD檢測(cè)是以超聲波信號(hào)傳輸時(shí)差來(lái)確定缺陷深度的，而超聲波的傳輸時(shí)間和其傳播的距離和聲速有關(guān)，TOFD探頭發(fā)出橫波，其角度大約是縱波角度的一半，由于探頭發(fā)出的縱波在鋼中會(huì)發(fā)生折射、反射和衍射，在折射、反射和衍射過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生縱波變橫波或者橫波變縱波的波型轉(zhuǎn)換，在某些特殊情況下，轉(zhuǎn)換出來(lái)的變型波信號(hào)有可能比底面縱波信號(hào)先到達(dá)接收探頭。這些變型波對(duì)上表面附近的缺陷判斷特別有用，因?yàn)檫@些缺陷的縱波信號(hào)隱藏在直通波中，而橫波波速較慢，使得信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間稍晚并且分辨力較好，能有效減小盲區(qū)范圍和提高分辨力［9-10］。

本研究用c代表縱波聲速，用s代表橫波聲速，用CC代表縱波直通波，用CSF代表折射縱波在缺陷F處產(chǎn)生反射變型波，用CCD代表底面縱波。TOFD檢測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 TOFD檢測(cè)示意圖

各信號(hào)傳輸時(shí)間表達(dá)如下:

其中，縱波聲速為5 930 m/s，橫波聲速為3 230 m/s。當(dāng)tSS＜tCCD時(shí)，即直通橫波在底面縱波之前出現(xiàn)，是變型波出現(xiàn)在縱波窗口的前提，則有:

將橫波、縱波聲速代入，化簡(jiǎn)得:

當(dāng)tCSF＜tCCD時(shí)，即變型波在底面縱波之前出現(xiàn)，則有:

將橫波、縱波聲速代入，化簡(jiǎn)得:

將式（14）代入得:

上式說(shuō)明在探頭中心距取1.3T時(shí)，在缺陷深度約距離表面0.2T范圍內(nèi)均可出現(xiàn)變型波，如探頭中心距小于1.3T時(shí)，變型波出現(xiàn)范圍將更大。而盲區(qū)范圍一般不超過(guò)檢測(cè)厚度的20%，因此基于變型波的檢測(cè)方法是能滿足表面盲區(qū)范圍內(nèi)的檢測(cè)方法。

基于變型波檢測(cè)方法可通過(guò)讀取縱向直通波時(shí)間及縱向直通波與變型波之間的時(shí)差，并根據(jù)探頭間距及縱波聲速計(jì)算獲取。

令tCC=p/c，則:

根據(jù)缺陷的幾何關(guān)系，有:

整理得缺陷的埋藏深度為:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究采用電火花技術(shù)，在厚度為40 mm的試塊上加工人工缺陷距檢測(cè)面不同深度依次為1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，10.0 mm 的線切割槽。采用一對(duì)寬帶窄脈沖探頭（晶片尺寸Φ6 mm，中心頻率5 MHz，探頭角度為60°），以水為耦合劑，對(duì)各人工缺陷采用傳統(tǒng)TOFD和基于變型波方法的檢測(cè)，傳統(tǒng)TOFD方法采用中心距p=100 mm，在此計(jì)算的上表面盲區(qū)DZ=9.4 mm。采用基于變型波方法探頭中心距p=50 mm，取樣間隔為0.04 μs。

兩種方法的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方法的檢測(cè)結(jié)果

測(cè)量誤差比較圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量誤差比較圖

分辨力比較圖如圖3所示。

圖3 分辨力比較圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本研究方法能有效檢測(cè)到埋藏深度2.0 mm的缺陷，而傳統(tǒng)方法在計(jì)算盲區(qū)范圍內(nèi)則基本無(wú)法檢測(cè)到缺陷，圖1及圖2也說(shuō)明，本研究方法在檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)量誤差及分辨力均更優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決傳統(tǒng)TOFD法對(duì)埋藏在近表面的缺陷波無(wú)法辯識(shí)等近表面盲區(qū)問(wèn)題，本研究提出了一種新的近表面檢測(cè)方法。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)比較可知，與傳統(tǒng)TOFD檢測(cè)方法相比，基于變型波的方法能有效地檢測(cè)到埋藏深度2.0 mm的缺陷，并有效地解決TOFD近表面盲區(qū)問(wèn)題；該方法通過(guò)改變探頭中心距和采用變型波檢測(cè)方法能有效減小測(cè)量誤差并提高盲區(qū)的分辨力；雖然提出的基于變型波的檢測(cè)方法能有效解決表面盲區(qū)的問(wèn)題，但是由于在波的傳播過(guò)程中有縱波直通波、底面反射波及變型波等波型，較為復(fù)雜，目前要通過(guò)人工方法來(lái)首先調(diào)整探頭中心距和人工判斷變型波的位置，而智能判別將是下一步研究的重點(diǎn)。

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