基于超聲衍射時差法的缺陷檢測技術仿真分析*

宋小春，王亞午，涂 君

(湖北工業大學 機械工程學院，湖北 武漢430068)

0 引 言

超聲衍射時差(TOFD)檢測技術是當前無損檢測技術研究與應用的前沿，國內外專家學者對超聲TOFD 檢測技術進行了大量的研究，并取得了顯著的研究成果。其中，代真等人［1］使用超聲TOFD 檢測技術對核電厚壁承壓容器實施在線檢測，并通過設計低聲束探頭和探究最佳檢測頻率，優化超聲TOFD 檢測效果。遲大釗等人［2］提出一種灰度極值檢測與SAFT 相結合的B 掃描圖像處理方法，提高了超聲TOFD 的檢測效率。Nath S K 等人［3］使用超聲TOFD 技術對蒸汽機渦輪轉軸進行無損檢測，并繪制TOFD 檢測定位概率曲線，對檢測結果的可靠性進行評價。Carvalho A A等人［4］研究了超聲TOFD 技術對輸油管道環焊縫中未焊透、未融合和咬邊等缺陷的識別能力。上述研究多局限于使用物理實驗的方法對超聲TOFD 檢測技術進行分析，而對于該技術原理性的數值分析相對較少。

綜上，本文使用多物理場耦合有限元分析軟件COMSOL，通過數值仿真，從多角度分析超聲TOFD 技術的檢測原理，為該技術的工業實用，提供理論依據。

1 超聲TOFD 檢測有限元仿真原理與模型

典型的TOFD 檢測原理如圖1 所示，由發射探頭形成超聲波呈一定角度在待檢測工件中傳播，遇到材料中的缺陷時，將會在缺陷端部形成衍射現象，而后該衍射波傳播至接收探頭處，分析接收探頭所接收到超聲信號的特征，即可對工件中的缺陷進行定量分析［5］。

1.1 時間延遲法則

在TOFD 檢測的過程中，通過楔塊與斜探頭的配套使用，控制超聲波聲束角度，使超聲波按照特定的入射角斜進入試件內。鑒于楔塊與超聲探頭并非信號分析的重點區域，因此，在仿真建模時，可忽略楔塊與超聲探頭模型，而結合惠更斯時間延遲法則［6］

圖1 TOFD 檢測原理Fig 1 TOFD detecting principle

式中 α 為聲束角度，v 為聲束速度，Δt 為相鄰晶片間的時間延遲，d 為相鄰晶片的間距。采用逐點延遲加載的方法，直接在待檢測工件模型表面區域進行超聲信號的加載，即可在工件模型區域中形成特定入射角度的超聲波。

1.2 有限元建模

根據實際檢測對象的結構特征，建立圖2 所示有限元仿真模型。為了減小計算量，只選取探頭覆蓋區域進行建模。其中，待檢測工件長度為90 mm，厚度為40 mm;橢圓形缺陷位于工件正中心處，其高度為8 mm，寬度為0.2 mm;晶片陣列距離缺陷中軸線垂直距離15 mm，接收探頭位置與晶片關于缺陷中軸線對稱，相鄰晶片間距離為0.7 mm。為了增加信號的分辨率，選取聲束角為45°。設置網格最大單元網格尺寸為0.1 mm，求解步長為激勵脈沖周期的1/20。同時考慮到便于觀察信號相位的變化情況，使用非上下對稱函數(式(2))作為瞬態激勵聲源

式中 f 為聲源頻率，N 為聲源波形中波的數量。當前模型中，f=3 MHz，N=3。

圖2 TOFD 檢測有限元模型Fig 2 Finite element model of TOFD detection

使用COMSOL 軟件對超聲TOFD 檢測進行有限元分析時，可以采用的建模物理場有固體力學和聲學二種(圖3)。由超聲探頭產生的振動到達工件表面后，會在工件內形成壓力波(縱波)與剪切波(橫波)兩種模態的波形，如果采用固體力學場進行仿真分析，就可以更好地模擬超聲波在工件中的實際傳播過程。但在實際應用中，為了提高檢測結果的可靠性，超聲TOFD 技術通常按照縱波測量結果對缺陷進行量化分析，而不考慮橫波信號［7］。因此，下文主要基于聲學場進行有限元仿真，其中，待檢測材料密度為7 850 kg/m3，縱波在材料中的聲速為6 200 m/s。

圖3 基于不同物理場的仿真結果Fig 3 Simulation results based on different physical fields

2 仿真結果與分析

2.1 超聲TOFD 檢測信號

縱波激勵信號在含有缺陷的待檢測工件中傳播，會產生工件表面直通波(圖3(b))、缺陷上端衍射波、缺陷下端衍射波及工件底面反射波(如圖4(a～c))四種基本超聲信號。

通過加載求解，得到的TOFD 檢測波形如圖5 所示。不難看出:1)超聲信號到達時間的順序依次為直通波、上端衍射波、下端衍射波和底面反射波。這是由超聲波傳播路徑的長短所決定的，通過記錄各超聲波的到達時間，結合工件尺寸及探頭位置，即可對缺陷進行定量計算;2)波峰幅值從大到小的順序依次為底面反射波、直通波、上端衍射波和下端衍射波。其中，由于下端衍射波的傳播距離大于上端衍射波的傳播距離，衰減更大，故信號強度比上端衍射波更小;3)直通波、上端衍射波、下端衍射波和底面反射波信號的相位依次變化180?。這種信號特征對檢測結果的分析與識別是非常重要的。

2.2 特殊缺陷位置的超聲TOFD 檢測信號

在實際檢測過程中，當缺陷位于工件的特殊部位時，由于部分聲波的傳播路徑受到阻斷，使得其無法被探頭所接收，因此直通波、上端衍射波、下端衍射波和底面反射波四種波形，有時也可能會出現部分缺失。

當缺陷位于工件上表面時，由于直通波與缺陷上端衍射波被阻斷(圖6(a))，因此，探頭只能接收到缺陷下端衍射波與底面反射波信號(圖6(b))。同樣，當缺陷位于工件下表面時，由于底面反射波與缺陷下端衍射波被阻斷，探頭只能接收到直通波和缺陷上端衍射波信號(圖6(c))。

圖4 超聲TOFD 檢測波Fig 4 Ultrasonic TOFD testing wave

圖5 超聲TOFD 檢測結果Fig 5 Ultrasonic TOFD testing result

2.3 超聲TOFD 檢測的軸偏離底面盲區

上文所述計算均以缺陷位于探頭對稱中心處為模板，以便能夠直觀的展示超聲TOFD 檢測原理。需要說明的是，在實際檢測過程中，缺陷并不一定都位于探頭對稱中心位置，當缺陷偏離模型對稱中心并靠近圖7 所示的橢圓軌跡時，缺陷信號同樣會出現缺失，而這種缺失與上述的信號缺失不同。這是因為當缺陷處于如上所述橢圓軌跡時，缺陷衍射信號與底面反射回波信號的傳播時間基本相等，雖然缺陷衍射信號仍然存在，但該橢圓曲線以下區域(即軸偏離底面盲區)中的缺陷衍射信號會被底面反射信號所覆蓋，不能有效顯示。修改有限元幾何模型，使缺陷位于盲區處，仿真結果如圖8 所示。可見，缺陷下端衍射信號與底面反射信號相重疊，以至于難以區分，也就是在使用超聲TOFD檢測法進行實際檢測時，需要多次調整探頭位置進行掃查，以便得出清晰準確的檢測信號。

圖6 特殊位置缺陷的超聲TOFD 檢測結果Fig 6 Ultrasonic TOFD detecting results of defects in special locations

圖7 軸偏離底面盲區示意圖Fig 7 Schematic diagram of axis deviated from blind area of bottom surface

圖8 缺陷位于底面盲區的超聲TOFD 檢測結果Fig 8 Ultrasonic TOFD detecting result of defect located within blind area of bottom surface

3 缺陷幾何尺寸對超聲TOFD 檢測信號的影響

3.1 不同缺陷高度下的超聲TOFD 檢測信號

運用1.2 節所建立的有限元模型，在不改變其它任何參數的情況下，仿真計算不同缺陷高度下的超聲TOFD 檢測結果。設置高度為8，10，12 mm 的三組缺陷，仿真計算結果如圖9 所示?？梢园l現:1)隨缺陷高度的增加，直通波幅值與到達時間均未發生改變，這是由于直通波沿工件表面傳播，其波形僅與超聲探頭陣列位置與待檢測工件材料有關，與工件內部缺陷無關;2)隨缺陷高度的增加，缺陷上端衍射波幅值增大，到達時間提前，而缺陷下端衍射波幅值減小，到達時間推后，這是由聲波傳播距離和傳播過程中的衰減特性決定的;3)底面反射波的幅值發生變化，這是由于隨缺陷尺寸的改變，缺陷衍射波發生變化，而底面發射波在傳播過程中與缺陷衍射波發生疊加，會對最終波形產生一定的影響。

圖9 不同缺陷高度下的TOFD 檢測結果Fig 9 TOFD detecting results of defects at different heights

3.2 不同缺陷寬度下的超聲TOFD 檢測信號

在不改變其它任何參數的情況下，仿真計算不同缺陷寬度下的超聲TOFD 檢測結果。設置寬度為0.4，0.8，1.2 mm的三組缺陷，圖10 為截取的缺陷衍射信號。分析結果表明:隨缺陷寬度的增加，缺陷上端衍射波和下端衍射波的到達時間均未發生變化，但是衍射波幅值減小。這是由于隨缺陷寬度的增加，橢圓形缺陷尖端趨于平滑，此時衍射現象減弱。

圖10 不同缺陷寬度下的TOFD 檢測結果Fig 10 TOFD detecting results of defects with different widths

4 結 論

1)超聲TOFD 檢測中，底面反射波、直通波、上端衍射波、下端衍射波信號幅值依次減小，且相位依次變化180°。

2)當缺陷位于工件上表面或下表面時，部分超聲波的傳播路徑受到阻斷，探頭只能接收到四種超聲基本信號中的一部分。當缺陷位于軸偏離底面盲區時，缺陷衍射信號會被底面反射信號所覆蓋。

3)隨缺陷高度的增加，缺陷上端衍射波幅值增大，到達時間前移，而缺陷下端衍射波幅值減小，到達時間延遲。隨缺陷寬度的增加，缺陷上端衍射波和下端衍射波的到達時間均未發生變化，但衍射波幅值減小。

［1］ 代 真，王 昕，敬尚前，等.核電厚壁承壓容器內壁缺陷TOFD 檢測優化研究［J］.核動力工程，2014，35(2):79－82.

［2］ 遲大釗，剛 鐵，盛朝陽.超聲渡越時差法檢測圖像中裂紋端部信號的識別［J］.機械工程學報，2007，43(10):103－107.

［3］ Nath S K，Balasubramaniam K，Krishnamurthy C V，et al.Reliability assessment of manual ultrasonic time of flight diffraction(TOFD)inspection for complex geometry components［J］.NDT＆E International，2010，43(2):152－162.

［4］ Carvalho A A，Rebello J M A，Souza M P V，et al.Reliability of non－destructive test techniques in the inspection of pipelines used in the oil industry［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2008，85(11):745－751.

［5］ 何 莎，袁宗明，喻建勝，等.超聲衍射時差法檢測技術研究［J］.中國測試，2009，35(3):104－106.

［6］ Chen Hanxin，Sun Kui，Ke Chanli，et al.Simulation of ultrasonictesting technique by finite element method［C］∥2012 Prognostics＆System Health Management Conference，2012:1－5，10.

［7］ 丁守寶，劉富君.無損檢測新技術及應用［M］.北京:高等教育出版社，2012.