超聲TOFD檢測原理探析

梁玉梅,王 琳,王彥啟

(山東科捷工程檢測有限公司,濟南 250100)

脈沖衍射時差法超聲探傷(TOFD),輔以脈沖反射法超聲探傷(UT),正作為射線探傷(RT)的一種替代方法,在我國處于試應用階段。筆者學習了相關資料,從應用入門角度,撰寫此文,以期在探討中提高。

1 方法概述

常規超聲探傷方法原理名稱為“A型脈沖反射法”。該方法使用一個單發收探頭,發出脈沖超聲縱波,利用折射橫波聲軸(波束的中心波線)掃查焊縫橫截面,遇到缺陷,產生基本按原路返回的反射脈沖橫波,通過示波屏的A型顯示發現缺陷。

TOFD法全稱為A型脈沖衍射時差法。這種方法使用一發一收相對傾斜的兩個探頭(即探頭對),垂直橫跨焊縫放置,一個探頭發出脈沖超聲縱波,利用折射縱波聲束掃查焊縫橫截面,遇到缺陷,在缺陷端部(邊界)產生近似柱面波或球面波的衍射脈沖縱波,接收探頭從不同方向上都可能接收到這個信號,通過示波屏的A型顯示發現它,并且隨著探頭沿焊縫長度方向移動。把無數個A型脈沖顯示通過射頻采樣數字化后,轉換成灰度不同的TOFD圖像。這就是說A型顯示脈沖超聲波的知識,也是TOFD的基礎。

2 脈沖非檢波的A型顯示和TOFD圖像形成

2.1 脈沖非檢波的A型顯示

脈沖超聲波是間歇發射的超聲波。常規超聲波探傷使用的脈沖是A型檢波顯示,TOFD則利用它的非檢波顯示,簡稱A型顯示,如圖1。

圖1 脈沖超聲波的非檢波A型顯示

圖1中橫座標顯示了超聲波的傳輸時間t,或者說聲程S,縱坐標顯示了脈沖超聲波的雙相(雙向)波幅。tm是脈沖寬度,T是超聲波中心頻率f對應的周期。

TOFD法強調時差,所以對脈沖的A型顯示,以及脈沖寬度、超聲周期和相位的識別是很重要的。

2.2 TOFD圖像形成

如圖2所示,探頭對在某一位置直通波的A型顯示[圖2(a)]的TOFD圖像是一條白、黑相間的直線[圖2(b)]。隨著探頭對位置的平穩移動,A型顯示轉換成無數條白、黑相間的直線,構成了 TOFD圖像[圖2(c)]。只要系統設置和探頭與工件耦合符合標準要求,靈敏度選擇恰當,TOFD圖像形成是儀器的功能,操作者只要按說明書操作就行了,不必過多關注電子線路(如采樣射頻等)的問題。

圖2 TOFD法成像原理示意

3 TOFD法折射縱波的掃查范圍

3.1 掃查方式

不論是常規方法,還是TOFD法,都以探頭移動,用折射波掃查整個焊縫(包括熱影響區)體積為前提。圖3為焊縫的三維顯示。

圖3 掃查空間

3.1.1 主要掃查方式——非平行掃查(D-scan)

非平行掃查時探頭對僅沿x軸方向平行移動,如圖4。其掃查方向(探頭移動方向)和聲束的yz平面不是平行的,而是垂直的。當工件厚度T為6～50 mm、掃查范圍為0～T時,一次非平行掃查可檢驗整個焊縫體積。由于探頭對橫跨焊縫,焊縫余高不會影響掃查。通常探頭對連線的中垂線就是焊縫中心線,聲軸交叉點位于焊縫中心線所在的xz平面之中。如果探頭對的聲軸交叉點偏離焊縫中心線所在的xz平面,稱其為偏置非平行掃查,如圖5。

3.1.2 輔助掃查方式——平行掃查(B-scan)

平行掃查是探頭對僅沿y軸方向平行移動的掃查,如圖6。主要用于非平行掃查之后對缺陷準確定位,特別是用于精準確定缺陷埋藏深度和自身高度。由于焊縫寬度較之探頭間距2S很小,不會出現探頭對中一個探頭位于焊縫余高上的情況。

3.2 TOFD法縱波波束掃查

常規探傷方法,實質上是用折射橫波主聲束聲軸(或稱中心波線)來掃查,用最高波幅來給缺陷定位,聲軸的折射角βs是恒定的,tgβs=K。

TOFD法的主要掃查方式是非平行掃查(D掃查)。在這種情況下,僅用折射縱波中心波線掃查焊縫整個橫截面是不可能的。因此這種掃查是利用β下～β上范圍內的折射縱波的波束(即波束中的眾多波線)掃查。掃查范圍應在β下～β上聲束覆蓋的范圍之內,如圖7所示。

圖6 平行掃查

圖7 掃查范圍 0～T的β上和β下

當掃查范圍為0～T時,β上=90°,兩探頭之間有直通的折射縱波(簡稱直通波,也叫側向波),位于A,B兩點中垂線上的底面C點有縱波的反射波,簡稱底面回波。須注意的是直通波不是表面波,它是在表面下(深度約為1～2個金屬原子)的縱波。

波束掃查的最大缺點是：無法獲知掃查到缺陷的折射縱波波線的折射角,因此缺陷埋藏深度h和聲程不能簡單地成正比關系。

3.3 β上 和 β下 的計算

盡管TOFD法是用折射縱波波束掃查,但TOFD探頭特性參數“聲束角度”仍用聲軸的折射角表示。研究折射聲束的擴散聲束是學習 TOFD方法的基礎理論之一。

3.3.1 入射角α

式中cL1——探頭楔塊縱波聲速;

cL1=2.4mm/μs;

cL2——鋼中縱波聲速;

cL2=5.95mm/μs;

β——鋼中縱波主聲束中心波線折射角。

如已知β=70°,將有關數值代入公式(1)得：

第一臨界角α1=sin-1(cL1/cL2)=sin-1(2.4/5.95)≈23.8°。

3.3.2 發射聲束的半擴散角θ

式中F為人為取定的擴散因子,最大為1.22,TOFD 法規定F=0.7。當F=1.22時,θ=θ0,稱為主聲束零值半擴散角;λL1為縱波在探頭楔塊中的波長,λL1=cL1/f。TOFD法較常規法使用頻率f高,波長λL1很小;D為探頭晶片直徑,較常規探傷法使用的晶片直徑要小。

例如,當工件厚度T為6～10mm 時,掃查范圍為0～T,EN/TS14751—2004標準《焊縫超聲波TOFD檢測》推薦使用的中心頻率f=15MHz,晶片直徑D=2mm。計算得λL1=cL1/f=2.4/15=0.16mm。已知F=0.7,將有關數值代入公式(2),得θ=sin-1(0.7×0.16/2)≈3.2°。3.3.3 β上

設入射波前沿波線的入射角為α前：

已知掃查范圍從0開始時,也可用下列方式判定 β上=90°,即 ：

3.3.4 β下

設α后為入射波后沿波線的入射角：

3.3.5 TOFD法折射縱波的特點

TOFD法折射縱波范圍很寬,以β=70°為例,波束在 54.2°～90°,即大約為 36°的扇面范圍。當掃查范圍從 0開始時,β上=90°。

3.4 EN標準關于掃查范圍的具體規定

上述計算是為理解所用,實際應用并不需要計算β上和β下,只要按標準的表2推薦數據設置(選擇)相關參數,就可以保證掃查范圍在β下～β上覆蓋的區域之內。概括來分兩種情況。

3.4.1 一次掃查(或稱設置一個“探頭對”的掃查)

當工件厚度T為6～50mm時,可選大折射角度(即標準所謂“主聲束角度”),β為 70°(或 60°探頭),一次掃查整個(焊縫的)橫截面,掃查范圍當然則是0～T。探頭間距：

即當折射縱波中心波線交叉點在到工件厚度T的2/3時,就可以認為β上=90°的波束掃查范圍為0～T。

3.4.2 多次掃查(或稱分層多通道掃查、設置數大于1的掃查)

當工件厚度T＞50mm時,應進行多次掃查。如T=100mm,要進行兩次掃查。設置兩組不同折射角探頭對的掃查,第一次要用折射角β為70°時(或 60°)的探頭 ,創造 β上=90 °的條件,掃查焊縫上半部,掃查范圍是0～T/2(即0～50mm),探頭間距：

第二次要用折射角β為45°(或60°)的探頭,掃查焊縫下半部,掃查范圍是50～100mm工件厚度,此時β上不必為90°,探頭間距：

當T＞100mm時,要進行三次或四次掃查。

4 0～T掃查無缺陷工件時TOFD的A型顯示

4.1 可接收的脈沖信號

如圖8所示,圖中A和B分別代表發射探頭的入射點和接收探頭的接收點,A0=B0,AC=BC。可以看出,B點可以接收的脈沖信號有三個：A,B之間掃查面的直通縱波;底面C點的反射縱波;底面E點(位于C點右側)反射的變形橫波。至于C點的變形橫波,E點反射的反射縱波,以及C,E外的其他底面一次反射波,B點無法接收。

圖8 B點可接收的直通波和底面一次反射波

B點接收的三個脈沖信號,是發射探頭同時發出的一束脈沖信號中的三個,由于它們各自的聲程不同,到達B點的時間也不同。直通波的聲程AB(2S)最短,在工件中傳輸時間tz也最短。底面回波的聲程ACB=AC+BC＞AB,其傳輸時間tB＞tz。E點反射變型波的聲程AEB=AE+BE最長。可用簡單的幾何方法證明：AEB＞ACB。加上通過BE段的是速度將近慢一半的橫波,所以其傳輸時間tE＞tB＞tz。

4.2 A型顯示

如果刪去E點反射的變型橫波脈沖信號,TOFD的A型顯示如圖9所示,圖9中直通波Z信號很弱。前述 TOFD法的擴散因子F=0.7,而非1.22,這是為保證掃查波束邊緣波線聲壓不致太低,它與中心波線聲壓波幅僅差12dB。但因為折射縱波在很大范圍變化,通常而言,直通波與底面回波的波幅(聲壓)還是相差二十幾dB。而由于底面回波通常不是由中心波線引起的,直通波與中心波線的波幅(聲壓)之差應該還要更大。

圖9 無缺陷工件的A型顯示

TOFD法掃查無缺陷工件時,直通波信號強弱或有無底面回波決定于掃查范圍。當掃查范圍不從0開始,如為T/2～T時,通常不會有直通波信號;當掃查范圍不達T,如0～T/2,則可能無底面回波信號。

此處強調“無缺陷工件”的意義在于如果掃查工件上表面有開口裂紋,其將阻斷直通波的聲程,就不會有圖9的Z脈沖顯示。同理,底面回波的聲程如果被一個片狀缺陷阻斷,也就將沒有B脈沖的顯示了。

5 0～T有缺陷工件時的TOFD圖像

5.1 缺陷衍射波的產生及其特點

超聲縱波掃查工件時,遇到缺陷會發生反射、透射(包括折射)等界面效應,還會在缺陷的端部或邊界(對氣孔類缺陷宜稱“邊界”)產生衍射。這是惠更斯原理揭示的一條必然的波動規律。缺陷衍射波的特點有：

(1)衍射波沒有波型轉換,掃查波是脈沖縱波,衍射波也是脈沖縱波,兩者聲速相同。這是 TOFD法時差計算的主要依據。

(2)衍射波近似呈柱面波(平面狀缺陷所致)或球面波(點狀或體積狀缺陷所致)形狀向外發射,沒有特定的方向性(指向性),接收探頭通常總會收到衍射波信號,如圖10所示,處于B1,B2,B3點的接收探頭都能收到衍射波信號。當然,與特定方向上的反射波(如底面回波)信號相比,衍射波信號要弱得多,通常差20～30dB。但由于坡口未熔合、縱向裂紋端部發出的衍射柱面波中心軸是x方向的,所以接收探頭處于B1,B2,B3位置均可接收到衍射波信號;如果是橫向裂紋,衍射柱面波中心軸是y方向的,信號接收要困難得多。TOFD法對橫向裂紋的檢出率很低。

圖10 工件表面上可接收到衍射信號的點

(3)在缺陷波端部或邊界形狀一定時,衍射波聲壓和掃查波聲壓成正比,這是TOFD儀器發射功率大和擴散因子F=0.7的原因。當掃查波聲壓一定時,衍射波聲壓和缺陷端部或邊界形狀有關,越尖銳,衍射波聲壓越大,這是材料的應力集中現象在聲學中的反映。點狀、線狀和體積狀缺陷與平面狀缺陷相比,衍射波聲壓會更加微弱,這是 TOFD難以發現它們的原因。

5.2 A型顯示

圖11 平面狀缺陷的A型脈沖顯示

當工件厚度T=6～50mm,可用一次掃查法,掃查范圍為0～T。在這種情況下,缺陷衍射波脈沖通常應出現在Z和B脈沖之間。圖11所示為平面缺陷上(D)、下(E)端部衍射波脈沖,可以通過它們與Z波的時差ΔtF1和ΔtF2,分別計算出D和E點的埋藏深度h1和h2,進而求出缺陷的自身高度H。必須注意的是各脈沖起始相位的不同(如直通波Z和底面回波B,缺陷上、下端衍射波F1和F2,起始相位相反)。

5.3 有缺陷的TOFD正常圖像

儀器將圖11的A型脈沖顯示轉90°,得圖12(a)所示A型顯示。隨探頭對沿焊縫平行移動,得到黑白相間的TOFD圖像,如圖12(b)。

圖12 有缺陷的TOFD圖像

正常情況下,直通波Z和底面回波B與焊縫同長,而缺陷波F1和F2則較短。

5.4 可能接收到的缺陷反射信號

面積較大的層間未熔合和位于焊縫中心的氣孔的反射縱波有可能被接收探頭接收到。

6 TOFD法的表面盲區

6.1 TOFD法盲區的概念

在既定的設置和探傷靈敏度下,可檢出的缺陷至掃查面或底面的最小距離,稱為TOFD法的掃查盲區。它實際上是平行掃查時(缺陷位于探頭對連線中垂線上),直通波和傷波,或傷波與底面回波的深度分辨率,是由直通波和底波脈沖寬度所致。傷波應錯開直通波或底波才可分辨,原理如圖13所示。圖中tm為直通波寬度,Δtm上為缺陷上端點衍射波與直通波時差,Δtm下為缺陷的下端點衍射波與直通波時差,ΔtB為底面回波時差。

圖13 上下盲區時差示意

表1 掃查范圍為0～T時,五種不同厚度工件的表面盲區

6.2 表面盲區的計算

知道缺陷脈沖時差Δt后求缺陷埋藏深度h為：

式中c——鋼中縱波速度;

c=5.95 mm/μs;

s——探頭對間距的一半,mm。若把圖13中 Δtm上代入式(3),可求出上盲區DS。若把圖13中 Δtm下代入式(3),可求出近底面可分辨缺陷的最大埋藏深度h′,則下盲區Db：

從圖13可以看出,Δtm上應等于直通波寬度tm,一般tm=2/f,f為超聲波公稱頻率。圖中把傷波脈沖寬度也近似看作tm。底面回波時差ΔtB可用下式求出：

如前所述,近底面缺陷應位于探頭對中垂線上(焊縫中心),傷脈沖錯開底面回波的唯一可能是圖13所示的超前,不會出現滯后現象。因此筆者的計算不涉及底面回波脈沖寬度。

表1是筆者根據EN/T S14751—2004推薦的設置(S=2/3tgβ?T),對五種不同厚度工件盲區計算的結果。

從表1可以看出,TOFD法上、下表面盲區所占工件厚度的比例還是很大的,工件厚度T=6 mm時為 67%,T=50 mm時為42%。這就是說,TOFD法存在著較大盲區。

7 總結

(1)TOFD法使用折射縱波波束掃查焊縫橫截面,不同于常規方法的聲軸定位,因此衍射波出現的時間和中心波線折射角β沒有簡單的函數關系,衍射波的波幅也并不代表缺陷在任何一個方向上的面積或尺寸,確定缺陷埋藏深度和其自身高度只能靠時差(如圖11所示 ΔtF1和 ΔtF2)來計算。對衍射波波幅的唯一要求是希望它足夠大,以便可以識別,即可以從TOFD的A型顯示和圖像上把它識別出來。和常規方法一樣,缺陷沿x方向上的當量尺寸要靠探頭沿x方向移動確定,TOFD法不同之處是還可以通過圖像顯示。

(2)盡管擴散因子F=0.7,人為認定的發射聲束半擴散角θ較小,但因為聲速比cL2/cL1(5.95/2.4)較大,入射角 α后和 α前對應的折射角 β下和 β上的范圍還是很大的。較寬的折射縱波波束,可以掃查較大的范圍。當掃查范圍從0(上表面)開始時,β上應為 90°。

(3)缺陷的衍射波呈近乎柱面或球面向外發射,不論它與接收探頭相對位置、角度如何,一般地講接收探頭總可以收到它的衍射波信號。縱向裂紋、坡口未熔合這些平面狀缺陷有上下兩個端點,TOFD法對它們的檢出率很高,這也是常規超聲以及射線探傷所不可以比的。但這種方法對橫向裂紋檢出率很低。

(4)TOFD圖像不是缺陷的三維影像,也不是缺陷在某一方向上的投影,它只是用白、黑相間線段來表示的無數條A型顯示的組合。所以它仍具有A型顯示不直觀的缺點。

(5)當被檢測工件厚度為6～50 mm時,其上、下表面盲區約占工件厚度的67%～42%,加之對橫向裂紋檢出率低的特點,因此TOFD法是不可以單獨檢驗就給整條焊縫質量作出評價的方法。通常將其與常規超探相結合,在某些適合探頭對放置的對接接頭焊縫檢驗上,作為RT的替代方法之一。