TOFD技術(shù)檢測盲區(qū)的研究

白 艷，邢 濤

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040)

TOFD(即 Time－of－flight－diffraction technique超聲衍射時差法)檢測技術(shù)具有可靠性好、檢出率高、定量精度準(zhǔn)、檢測效率高［1］和操作成本低等優(yōu)點，同時該檢測技術(shù)對于缺陷的檢出和定量只是依靠信號的傳播時間，不受聲束角度、缺陷表面粗糙度、試件表面狀態(tài)以及探頭壓力等因素的影響，故與常規(guī)的檢測方法相比，更能夠準(zhǔn)確地確定缺陷的性質(zhì)、位置和自身高度，是一種極具推廣前景的無損檢測新技術(shù)。

但是國內(nèi)外現(xiàn)有的很多TOFD技術(shù)理論文獻(xiàn)中都提到了在采用TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測時，由于直通波和底面回波信號的存在，工件的近表面和底面存在檢測盲區(qū)［2］的現(xiàn)象。現(xiàn)有的很多解決方案是從信號處理的方法入手，利用濾波、頻譜分析和希爾伯特變換等方法來分離檢測盲區(qū)中的重疊信號，通過重新構(gòu)建分解信號來計算出缺陷的位置和尺寸，從而解決TOFD技術(shù)的盲區(qū)問題。然而，在這些方法的使用中，參數(shù)的選擇以及操作上的復(fù)雜性等增加了TOFD技術(shù)的應(yīng)用難度。本文基于TOFD技術(shù)的檢測原理及盲區(qū)產(chǎn)生的原因，分析探頭中心距PCS與盲區(qū)大小的關(guān)系，通過在檢測過程中改變探頭中心距PCS的方法來解決盲區(qū)問題，從而省去了在信號處理中大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算。

1 TOFD 技術(shù)的基本原理［3，4］

TOFD技術(shù)采用的是雙探頭模式 (一發(fā)射與一接收)。探頭一般為縱波斜探頭，這是因為縱波在固體中聲速最快，最先到達(dá)接收探頭，且容易產(chǎn)生衍射，同時縱波的應(yīng)用可以簡化接收信號的波形和顯示圖形的解釋。TOFD技術(shù)在測量缺陷時，發(fā)射的縱波將在缺陷的上下端點處產(chǎn)生出很大角度范圍內(nèi)的衍射波，該衍射波能傳播到接收探頭處，形成缺陷上下端的衍射波信號。如圖1所示，當(dāng)被測件內(nèi)部沒有缺陷時，接收探頭只收到兩種波形，即表面直通波 (Surface direct wave)和底面回波 (Bottom echo);當(dāng)被測件內(nèi)部有缺陷時，接收探頭收到四種波形，即:在上述兩波之間還有缺陷上下端處的衍射波 (Diffraction wave)。如果忽略縱波在傳播過程中的波形轉(zhuǎn)換，被測件中缺陷產(chǎn)生的信號均在表面直通波與底面回波之間到達(dá)。因此，表面直通波和底面回波這兩個接收波就被作為缺陷測量的參考信號。表面直通波與缺陷上端產(chǎn)生的衍射波的傳播時間差與缺陷的位置有關(guān)，缺陷上下端產(chǎn)生的衍射波的傳播時間差與缺陷的自身高度有關(guān)，與信號的波幅無關(guān)。

圖1 TOFD技術(shù)的檢測原理及其典型A掃描信號Fig.1 Testing principle of TOFD technology and typical A scan signal

2 TOFD技術(shù)檢測盲區(qū)的理論研究［5］

采用TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測時，縱波信號從入射探頭進(jìn)入工件后的擴(kuò)散角度較大，幾乎覆蓋了整個工件的深度區(qū)域，但是不同區(qū)域處的信號能量和頻率是不同的，越靠近主聲束區(qū)域的信號能量和頻率就越高;相反，距離主聲束較遠(yuǎn)的工件近表面區(qū)域和底面區(qū)域的縱波信號能量和頻率則較低。較低的頻率造成信號的脈沖寬度有所加大，使得缺陷信號被埋藏在較寬的直通波和底波回波信號中容易被漏檢，形成工件近表面和底面的檢測盲區(qū)。

靠近掃查面附近的內(nèi)部缺陷信號可能隱藏在直通波信號下，導(dǎo)致無法識別，形成近表面檢測盲區(qū)。因此，理論上近表面檢測盲區(qū)的深度Dds就是直通波信號所覆蓋的深度范圍。在超聲檢測電路中，發(fā)射探頭得到輸出脈沖的寬度為發(fā)射超聲波的時間間隔。

圖2 缺陷信號埋藏于直通波Fig.2 Defects signal buried in the direct wave

TOFD技術(shù)原理的數(shù)學(xué)模型存在三角關(guān)系，如圖2所示，當(dāng)缺陷信號埋藏于直通波時:

因t0－tL=tp，故有

盲區(qū)的深度計算公式如下:

式中:t0為直通波在工件中的傳播時間，c為縱波聲速，s為探頭中心距 (PCS)/2，tp為直通波脈沖時間寬度 (可從振幅的10%處截取)。

TOFD技術(shù)檢測的底面檢測盲區(qū)是由于缺陷信號可能隱藏在底面回波信號中，導(dǎo)致無法識別。底面檢測盲區(qū)的高度則相當(dāng)于底面回波信號的深度。同理，底面檢測盲區(qū)Ddw的高度計算公式如下:

式中:W為壁厚，tw為底面回波的傳播時間，tp為底面回波時間寬度 (從振幅的10%處截取)

由公式 (2)可知，理論上減小底面檢測盲區(qū)高度的措施有使用短脈沖探頭或減小探頭的中心距(PCS)。

根據(jù)上述理論分析，如采用標(biāo)稱頻率為5 MHz，入射角為60°的探頭，檢測厚度為44 mm的工件，探頭中心間距PCS設(shè)定為70 mm［6，7］，縱波聲速c=5.9 mm/μs，根據(jù)公式 (1)和公式(2)便可求得近表面檢測盲區(qū)和底面檢測盲區(qū)的理論值分別為Dds=7.9 mm和Ddw=1.5 mm。(一般情況下，計算近表面檢測盲區(qū)時，tp取直通波的1.5倍周期;計算底面檢測盲區(qū)時，tp取直通波的2倍周期。)

雖然通過公式 (1)和公式 (2)可以算出近表面和底面檢測盲區(qū)的理論值，但是由于tp的取值受很多因素的影響，計算的理論檢測盲區(qū)與實際值可能會有一定誤差，所以在實際檢測時，檢測盲區(qū)的深度最好通過對比試塊的實測來確定。

3 試驗驗證分析

試驗采用長×寬×厚為150 mm×100 mm×44 mm的鋼試塊，參照文獻(xiàn) ［8］，在距離近表面1 mm、4 mm、7 mm、10 mm處的位置加工了直徑為2 mm的橫通孔 (1、2、3和4)和距離底面1 mm、4 mm的位置加工相同直徑的橫通孔 (5和6)來模擬工件的內(nèi)在缺陷，以評定檢測盲區(qū)的大小，如圖3所示。

圖3 試塊主視圖 (單位:mm)Fig.3 Test block main view(Unit:mm)

TOFD技術(shù)在檢測過程中探頭的參數(shù)設(shè)置分別為:標(biāo)稱頻率5 MHz、入射角60°，選用水為耦合劑，通過改變探頭中心間距PCS的大小，得到探頭中心間距PCS與檢測盲區(qū)大小的關(guān)系。試驗結(jié)果見表1。

表1 不同探頭中心距PCS與缺陷檢出的關(guān)系Tab.1 The relationship between the different probe center spacing PCS and defect detection

從表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著探頭中心距PCS的減小，近表面和底面檢測盲區(qū)的深度明顯減小。當(dāng)PCS=114 mm時，在檢測上表面的圖像中只能檢測到橫通孔4的缺陷信號，如圖4所示。隨著PCS的減小，工件中靠近上下表面橫通孔的缺陷信號能夠逐漸被識別。當(dāng)PCS=70 mm時，橫通孔3處的缺陷信號能夠被檢測出來。如圖5所示，雖然橫通孔3的缺陷信號與直通波的信號有重合，但其到達(dá)時間已經(jīng)可以識別。根據(jù)圖像上缺陷信號的到達(dá)時間，代入公式 (1)和公式 (2)便可以求得近表面和底面檢測盲區(qū)的深度。這時近表面檢測盲區(qū)的深度≤7 mm，底面檢測盲區(qū)的深度≤1 mm，這與理論計算的檢測盲區(qū) (近表面檢測盲區(qū)7.9 mm和底面檢測盲區(qū)1.5 mm)有一定的誤差。因此，在采用TOFD技術(shù)進(jìn)行實際檢測的過程中，可以通過減小探頭中心距PCS的方法來減小TOFD技術(shù)的檢測盲區(qū)，從而提高缺陷的檢出率。

圖4 PCS=114 mm時橫通孔4的檢測圖像Fig.4 The test image of the horizontal hole 4 with PCS value equalling 114 mm

圖5 PCS=70 mm時橫通孔3的檢測圖像Fig.5 The test image of the horizontal hole 3 with PCS value equalling 70 mm

4 結(jié)論

由上述理論計算和試驗得:

(1)TOFD技術(shù)在進(jìn)行缺陷檢測時，由于直通波和底面回波信號的存在，在工件的近表面和底面上存在檢測盲區(qū)，檢測盲區(qū)的大小決定了缺陷的檢出率，因此減小檢測盲區(qū)就成了提高TOFD技術(shù)檢出率的一個重要方面。

(2)近表面和底面的檢測盲區(qū)可以通過理論計算得到，但是因為探頭的聲束在工件中并非是均勻覆蓋，計算時直通波脈沖時間寬度tp的取值只是一個近似值，所以實際的檢測盲區(qū)大小還要根據(jù)對比試塊的實測來決定［9］。

(3)減小近表面和底面的檢測盲區(qū)都可以通過減小探頭中心距來實現(xiàn)，但是無論怎樣，檢測盲區(qū)都不可能減小到可以被忽略，常規(guī)的TOFD設(shè)備這個盲區(qū)的大小在5 mm以上［10］。所以應(yīng)用TOFD技術(shù)在實際檢測時有必要結(jié)合應(yīng)用其他的超聲無損檢測技術(shù) (如脈沖回波法、超聲相控陣探傷法)來對焊縫的缺陷進(jìn)行綜合的分析，以提高焊縫的檢出率。

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