超聲TOFD法不敏感區內焊接缺陷檢測

張澤勇,姜鴻鵬,葛歡歡,王澤文,劉明,郭濤

（1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000； 2. 中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206；3. 哈爾濱工業大學，先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 前言

超聲衍射時差法（Time of flight diffraction， TOFD）是一種利用缺陷端點衍射波進行缺陷識別及定量檢測的方法，具有檢測精度高、可靠性好等技術優點，在現代工業中得到了廣泛的應用和研究。龔小俊等學者[1]研究了TOFD 法對鋼結構橋梁的檢測，結果表明TOFD 法與超聲檢測、X 射線檢測等技術相比，能縮短檢測時間，對橋梁主拱鋼結構焊縫未熔合、裂紋等缺陷靈敏度高、準確性好；趙亮等學者[2]將TOFD檢測技術應用于1000 MW級混流式水輪機組的蝸殼縱向焊縫檢測中，結果表明：TOFD法提高了缺陷的檢出率，檢測得到的數據可為長期監測蝸殼焊縫質量提供保證；康寶杰等學者[3]研究了管道縱縫的TOFD檢測，給出了在主聲束聚焦于所檢測區域的 2/3 深時的管道內壁和外壁TOFD檢測PCS和缺陷定位公式，試驗結果中缺陷定位誤差小于1%壁厚；盛朝陽等學者[4]開發了一種基于TOFD法的便攜式缺陷檢測及定位系統，采用便攜式缺陷檢測系統所獲得的掃描圖像清晰、直觀、噪聲低，同時能迅速確定缺陷位置。

超聲TOFD法也存在技術弊端，由于探頭的縱波聲場并不能有效覆蓋整個被檢測體，超聲TOFD法在被檢測體近表面存在很大范圍的不敏感區，在對近表面檢測時，由于缺陷偏離主軸聲束較遠，缺陷衍射波信號較弱，且與側向波混疊，不易于準確讀取，同時由于側向波的存在，近表面缺陷衍射波往往與之發生混疊，因此對近表面缺陷難以實施定位測量。針對這一問題，國內外專家學者開展了相關研究，羅志偉等學者[5]提出了超聲TOFD法的一種改進方法，試驗時將兩探頭布置在焊縫上方，通過水耦合，沿焊縫方向進行掃查，結果表明：該試驗方法能夠有效地對焊縫表面及內部的橫向裂紋進行定量和定位，相對誤差在10% 以內；Subbaratnam等學者[6]針對3 mm的不銹鋼板提出了 I-TOFD（水浸超聲TOFD）檢測技術，該技術采用水浸檢測方式，水浸有助于提供足夠的時間延遲、必要的探頭分離和所需的入射角，通過減小入射角，可以增加側波和后壁回波之間的時間差，水浸聚焦也保證了良好的耦合狀態，結果表明：可以檢出厚度為3 mm工件中的缺陷；Baskaran等學者[7]提出了“S-TOFD”方法，利用縱波在缺陷尖端衍射所產生的衍射橫波來定位缺陷，結果表明：“STOFD”方法可以檢測出被檢結構的近表面缺陷。

為解決超聲TOFD法對近表面缺陷不敏感這一問題，文中在常規TOFD法的基礎上，采取縱波二次底面反射法實現對近表面缺陷的檢測，克服常規TOFD法的技術局限性，使TOFD法的適用性進一步提高。

1 不敏感區缺陷檢測方法原理

超聲TOFD法檢測聲場如圖1所示，區域2為發射探頭的聲場覆蓋范圍，區域3為接收探頭的聲場覆蓋范圍，區域4為兩探頭的公共覆蓋區，只有當缺陷位于區域4時才能獲得較好的檢測信號，區域1超聲信號微弱，為檢測不敏感區。由于探頭間距受工件尺寸和掃查面條件限制，故不可避免的存在掃查不敏感區，且常規的超聲TOFD法無法有效識別區域1中缺陷。

圖1 聲場覆蓋范圍示意圖

文中提出的不敏感區缺陷檢測法是利用超聲波在工件中二次底面反射，使檢測聲場覆蓋近表面區域，從而實現對近表面缺陷的有效識別和定位，其原理如圖2所示，其中聲波1為側向波，發射探頭發射的聲波沿被檢測體近表面傳播，直接被接收探頭所接收；聲波2為縱波一次底面反射波；聲波3為衍射波，探頭發射超聲波經底面反射到達缺陷端部D處發生衍射，衍射波經底面反射被探頭接收；聲波4為多次反射波以及波形轉換波。圖2b為檢測典型缺陷體所得到的А信號，其中信號2和4分別為一次底面反射波和二次底面反射波，二者之間為超聲縱波在底面反射一次后到達缺陷端部產生的衍射波。

圖2 不敏感區缺陷檢測方法原理

圖3為不敏感區缺陷檢測的聲路和缺陷之間的幾何關系，根據幾何關系確定近表面缺陷定量化測量模型。D點為缺陷端部，由幾何關系可得

圖3 缺陷信號聲路幾何關系

式中：d為試塊厚度；h為缺陷埋藏深度；S為探頭至焊縫中心距離；v為超聲在試塊中傳播速度；t為超聲在試塊中傳播時間。v，S及d為已知量，從獲取的А掃描信號中讀取缺陷衍射信號的到達時間，再由式（1）就可以計算出缺陷埋藏深度h。

2 人工缺陷檢測

2.1 人工缺陷設計

采用電腐蝕法在高強鋁合金板上制作了人工缺陷，各人工缺陷在試塊中的相對位置如圖4所示，5處近表面缺陷的埋藏深度尺寸見表1。

表1 近表面缺陷尺寸

圖4 人工缺陷示意圖

對試塊中5處近表面人工缺陷進行了TOFD法А，B和D掃描檢測，對檢測結果進行了對比，并確定了最優檢測參數。

2.2 人工缺陷檢測

由于人工缺陷端部距離檢測面尺度小，常規TOFD法А掃描信號中側向波和缺陷上端衍射波易于發生混疊，導致缺陷無法有效識別， 其混疊程度受探頭間距、所用探頭頻率及頻帶寬度等參數影響。在探頭間距設定為20 mm情況下，埋藏深度小于5 mm的缺陷衍射信號與側向波重疊嚴重，難以確定其到達時間。采用不敏感區缺陷檢測方法，設定探頭間距110 mm，采用直徑φ6 mm、頻率5 MHz、鋁中縱波折射角45°的超聲探頭對，在試塊上表面沿水平基線進行超聲TOFD法的D掃描檢測，其中缺陷4檢測的А掃描振動信號如圖5所示，可見缺陷信號3幅值較高，易于辨識。

圖5 缺陷4檢測的А信號

采用不敏感區缺陷檢測方法，選擇同樣的檢測參數對人工缺陷4分別進行了D和B掃描檢測，結果如圖6所示，缺陷判斷區域在縱波一次、二次底面反射之間，側向波和一次底面反射波區域作為缺陷輔助判別區域。從人工缺陷4的檢測結果中可以看到缺陷的衍射條紋圖像，其中D掃描圖像中，缺陷衍射條紋呈直線形，客觀反映人工缺陷端部形貌；在B掃描圖像中，缺陷衍射條紋呈拋物線形，這與B掃描過程中缺陷端部和兩探頭之間的動態幾何位置相關。

圖6 人工缺陷4掃描圖像

2.3 探頭間距對缺陷信號能量的影響

在不同探頭間距下，接收到的衍射波信號能量也不同。當缺陷位于主軸聲束附近時，其衍射信號幅值較大，試驗使用的探頭角度為18° ，在人工缺陷試塊中的折射角為45° ，人工缺陷試塊厚度為20 mm。經計算可知，二次底面回波能量最強時的探頭間距為80 mm，理論上可預測，在利用不敏感區缺陷檢測法對近表面缺陷進行檢測時，為了確保主軸聲束覆蓋更為有效的近表面區域，探頭間距選擇應在80 mm左右。為探究二次回波能量最強時的探頭間距，對缺陷4在不同探頭間距下進行了檢測試驗，檢測所得的А信號如圖7所示，隨探頭間距增加，側向波能量連續降低，側向波到達時間延遲增大；缺陷波波幅隨探頭間距的增加先增大后降低，并在探頭間距110 mm左右缺陷波幅達到最高。在不同探頭間距下對不敏感區進行缺陷檢測所得到的缺陷衍射波幅值如圖8所示。實際檢測時，應先理論計算目標區域回波幅值最大時對應的探頭間距，再以該間距為參考進行檢測，能有效提高缺陷信號的幅度，便于缺陷識別。

圖7 不同探頭間距下缺陷4 檢測的А信號

圖8 探頭間距對缺陷4波幅值的影響

2.4 人工缺陷定位測量結果

以人工缺陷4為代表，檢測時將探頭在缺陷兩側對稱布置，采用不同的探頭間距對其進行檢測，讀取各個測點的缺陷衍射波達到時間，再通過計算獲得不同測點的缺陷埋藏深度，檢測結果見表2，缺陷的埋藏深度測量平均值為3.0 mm，實際埋藏深度為2.9 mm。

表2 人工缺陷4檢測結果

對其它4個人工缺陷分別進行不敏感區缺陷檢測法的檢測，并取多次測量平均值。不敏感區缺陷檢測法獲得的缺陷埋藏深度與實際深度的對比結果如圖9所示，無損檢測的最大誤差為0.8 mm，最小誤差為0.08 mm，平均誤差為0.3 mm。

圖9 人工缺陷位置計算值與實際值對比

3 焊接缺陷檢測

對實際焊縫缺陷進行了檢測試驗，檢測對象為厚度20 mm的高強鋁合金TIG焊縫。首先對其進行D掃描，檢測參數如下：設定探頭間距110 mm，采用直徑φ6 mm、頻率5 MHz、鋁中縱波折射角45°的超聲探頭對，檢測結果如圖10所示。圖像中一次、二次底面反射波中間區域顯示明顯的缺陷衍射條紋，且表示為連續性缺陷，在相對應的側向波區域，可以觀察到側向波的擾動，表現為側向波拖尾能量的降低，但在常規缺陷識別區域中無法對缺陷進行定量化識別。

圖10 實際焊縫D掃描圖像

采用不敏感區缺陷檢測方法，選擇一列А信號進行缺陷量化檢測，檢測結果見表3。

表3 實際焊縫中缺陷的定量檢測結果

從檢測結果中可知，不敏感區缺陷檢測法對近表面缺陷的檢測效果優于常規TOFD法，對實際焊縫破壞，經拋光腐蝕，發現一個未熔合缺陷。經測量，該未熔合缺陷離近表面7.7 mm，偏離水平基線0.2 mm，計算所得缺陷埋藏深度以及偏離水平基線值分別為7.1和0.6 mm，誤差分別為0.6和0.4 mm。

4 結論

（1）針對傳統超聲TOFD法對近表面缺陷檢測不敏感的問題，提出了一種基于縱波兩次底面反射的改進超聲TOFD法，縱波在試件底面的兩次反射，使得檢測聲場覆蓋了近表面區域。

（2）采用不敏感區缺陷檢測法對人工缺陷檢測的最大誤差為0.8 mm，最小誤差為0.08 mm，平均誤差為0.3 mm；對實際未熔合缺陷檢測的埋藏深度及偏離水平基線值的誤差分別為0.6 mm和0.4 mm。試驗表明不敏感區缺陷檢測法能有效檢測近表面缺陷，克服常規超聲TOFD法的技術弊端。