基于超聲TOFD法直通波幅度分布的近表面缺陷檢測(cè)

陳振華，胡懷輝，盧 超

（南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

超聲衍射回波法（Time of Flight Diffraction）技術(shù)具有可靠性好、檢出率高、定量準(zhǔn)確、效率高、成本低［1－2］等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于無損檢測(cè)領(lǐng)域。然而，常規(guī)超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)也有其局限性，表面檢測(cè)盲區(qū)問題即是超聲TOFD檢測(cè)方法需解決的問題之一。

降低檢測(cè)盲區(qū)的手段主要有檢測(cè)信號(hào)分析以及優(yōu)化檢測(cè)方法延長衍射波傳播路徑。遲大釗、陳偉［3－6］等人提出了一種基于圖像能量分布的方法，通過數(shù)字圖像處理及信號(hào)分析，提取了混疊的缺陷端衍射波信號(hào)，提高了近表面缺陷的識(shí)別能力，但該方法對(duì)缺陷信號(hào)的提取受待處理圖像的成像質(zhì)量影響很大，存在側(cè)向波抑制不完全或損傷缺陷信號(hào)的問題。張銳、陳天璐［7－11］等人通過優(yōu)化檢測(cè)方法增大衍射波的傳播聲程，提高對(duì)近表面缺陷的檢測(cè)能力。但由于衍射波聲程的增大，端部衍射衰減較大，且信號(hào)中聲波成分更加復(fù)雜，難于分析，造成對(duì)較小的近表面缺陷檢測(cè)困難。

筆者主要對(duì)近表面缺陷檢測(cè)的直通波信號(hào)幅度分布進(jìn)行試驗(yàn)，針對(duì)直通波時(shí)域范圍內(nèi)選取多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，通過這些關(guān)鍵點(diǎn)在不同近表面缺陷的幅值變化，發(fā)現(xiàn)了與直通波重疊的端部衍射波。基于直通波幅度分布提出了檢測(cè)特征值，根據(jù)該特征值分布能夠檢測(cè)近表面缺陷并估計(jì)其深度，提高對(duì)近表面缺陷的檢測(cè)能力。

1 試塊制作

試驗(yàn)制備了用于近表面缺陷檢測(cè)的試塊。試塊材質(zhì)為 A7N01－T4鋁合金，尺寸為320mm×200mm×20mm。在垂直于鋁合金板的板面制備了深度不同的淺孔，直徑均為φ1mm，孔深分別為1，2，3，5，8，10mm，各淺孔間距40mm，如圖1所示。

圖1 試塊結(jié)構(gòu)尺寸

2 試驗(yàn)方法

檢測(cè)中采用斜角為60度，中心頻率為5MHz的超聲TOFD檢測(cè)專用探頭。檢測(cè)系統(tǒng)的最大采樣率為60MHz。兩探頭以被檢孔為中心對(duì)稱放置，探頭間距設(shè)為5mm，如圖2所示。試驗(yàn)對(duì)近表面各淺孔進(jìn)行檢測(cè)，提取檢測(cè)波形。

圖2 探頭布置示意

人工缺陷的開口淺孔對(duì)板面破壞導(dǎo)致直通波衰減，圖3為檢測(cè)直徑φ1mm、深10mm孔與表面完整時(shí)的直通波信號(hào)。10mm深孔的檢測(cè)直通波不受端部衍射波的影響而僅由表面的破壞引起，因此為更準(zhǔn)確地描述近表面缺陷尖端衍射對(duì)直通波幅度的影響，同時(shí)又不引入表面破壞的干擾，試驗(yàn)中采用直徑φ1mm、深度10mm深孔的檢測(cè)直通波作為無近表面缺陷的檢測(cè)信號(hào)。

圖3 表面破壞對(duì)直通波波幅的影響

圖4 為各淺孔的超聲TOFD檢測(cè)直通波信號(hào)，其中虛線為10mm深孔的檢測(cè)信號(hào)（即無近表面缺陷時(shí)的直通波信號(hào)）。圖4顯示，孔深為1，2mm時(shí)幾乎看不到端部衍射波，孔深3mm時(shí)開始出現(xiàn)較明顯的衍射波形，當(dāng)孔深增大到5mm時(shí)，能清晰地看到衍射波信號(hào)。

圖4 近表面缺陷波形與無近表面缺陷波形對(duì)比

圖4 顯示的試驗(yàn)結(jié)果與理論一致。式（1）是衍射波與直通波時(shí)間差的理論公式，可見隨著缺陷深度的增大，衍射波與直通波的時(shí)間差值Δt逐漸增大，即端部衍射逐漸移出直通波并完全分離出來。

式中：s為兩探頭間的距離；h為缺陷深度；v為聲速；l0為探頭前沿長度。

此外，由圖4可知，直通波幅值分布隨著孔深的增大也發(fā)生了變化。直通波幅度的變化與淺孔深度存在一定聯(lián)系。因此探討直通波幅值分布隨孔深的變化規(guī)律可為近表面缺陷檢測(cè)提供依據(jù)。

3 近表面缺陷尖端衍射波對(duì)直通波幅度分布的影響

在直通波時(shí)域范圍內(nèi)選取多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，通過各關(guān)鍵點(diǎn)的幅值變化，研究直通波與淺孔端部衍射波的相互作用，各關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)為A～E，如圖5（a）所示。1～5mm淺孔以及無近表面缺陷時(shí)直通波各個(gè)參考點(diǎn)的幅值變化數(shù)據(jù)如圖5（b）所示。與無近表面缺陷直通波信號(hào)相比，1mm淺孔的A點(diǎn)幅度變化最大，其余關(guān)鍵點(diǎn)幅度基本不變；2mm淺孔的B，C點(diǎn)幅度的變化較大；3mm淺孔的C，D點(diǎn)幅度變化最大；5mm淺孔的E點(diǎn)幅度變化最大，其余關(guān)鍵點(diǎn)基本恢復(fù)原幅值。通過圖5（b）的變化趨勢(shì)可推斷隨孔深的增大，其端部衍射波對(duì)直通波幅度的影響在時(shí)域上逐漸右移（即由A向E移動(dòng)）。

圖5 直通波各關(guān)鍵點(diǎn)幅值變化關(guān)系

進(jìn)一步分析直通波幅度分布變化的原因可知，近表面缺陷端部衍射波不僅存在且與直通波相互疊加。按圖5（b）的變化趨勢(shì)可模擬不同深度近表面缺陷端部衍射波對(duì)直通波的影響，如圖6所示。圖6（a）顯示1mm淺孔的端部衍射波與直通波相互疊加，造成A點(diǎn)幅度增大；圖6（b）顯示當(dāng)孔深為2mm時(shí)，尖端衍射波向右移動(dòng)一定距離，衍射波仍在直通波脈沖寬度內(nèi)并與之疊加，使得B，C點(diǎn)處幅度顯著降低；圖6（c）顯示淺孔深3mm時(shí)，尖端衍射波繼續(xù)遠(yuǎn)離直通波，C，D處疊加增強(qiáng)；圖6（d）顯示當(dāng)淺孔深5mm時(shí)，衍射波信號(hào)與直通波信號(hào)分離開來。因此可見，圖6中所模擬的衍射波特征與圖5（b）中由衍射波引起的各關(guān)鍵點(diǎn)幅值變化情況一致。

圖6 各不同深度缺陷模擬衍射波相對(duì)直通波的位置變化

在相同試驗(yàn)條件下采集8，10mm孔深的端部衍射波波形，如圖7所示。圖7是試驗(yàn)測(cè)得的衍射波波形特征。可見，衍射波的相位變化與入射界面兩側(cè)介質(zhì)有關(guān)，與孔深度無關(guān)。因此從衍射波相位及幅值分布看，圖6中模擬的端部衍射波與真實(shí)衍射波具有較好的一致性。

圖7 各不同深度缺陷所檢測(cè)的波形

此外，根據(jù)式（1）可計(jì)算出各淺孔端部衍射波位置與直通波的時(shí)間差值。隨孔深的增大，直通波與尖端衍射波的疊加狀態(tài)不斷發(fā)生改變，直到尖端衍射波完全與直通波分離。圖8的計(jì)算值與圖6的衍射波位置基本一致，進(jìn)一步證明了淺孔尖端衍射波的存在及其與直通波的疊加規(guī)律。

圖8 各淺孔的衍射波與直通波起點(diǎn)的時(shí)間差

通過以上分析可知，超聲TOFD檢測(cè)近表面缺陷時(shí)，其直通波的幅值變化包含著大量的近表面缺陷信息，通過直通波幅度的分布特征可以對(duì)近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。為了能夠更直觀地檢測(cè)近表面缺陷，試驗(yàn)基于直通波幅度分布定義了檢測(cè)特征值，如式（2）。

式中：A（i）為檢測(cè)特征值；Bf（i）為近表面缺陷直通波幅值分布；B（i）為無近表面缺陷時(shí)的直通波分布。

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到各淺孔的檢測(cè)特征分布如圖9所示。各類缺陷情況下，其特征值分布具有明顯差異，依據(jù)該特征分布能夠?qū)砻嫒毕葸M(jìn)行檢測(cè)并估計(jì)缺陷深度。

圖9 近表面缺陷超聲TOFD直通波幅度檢測(cè)特征值分布

4 結(jié)語

近表面缺陷的端部衍射波與直通波相互疊加，影響直通波的幅度分布，直通波幅度分布中包含大量的缺陷信息。基于直通波幅度分布提出了近表面缺陷的檢測(cè)特征值。通過該特征值的分布可以檢測(cè)近表面缺陷并估計(jì)缺陷的位置，可提高超聲TOFD技術(shù)對(duì)近表面缺陷的檢測(cè)能力。基于直通波分布所檢測(cè)特征值容易受到表面狀態(tài)，如污染、腐蝕、劃痕的影響，因此文中所述方法對(duì)被檢件的表面狀態(tài)要求較高。

［1］伊新.TOFD檢測(cè)技術(shù)基本原理及其應(yīng)用探討［J］.石油化工應(yīng)用，2008，27（3）：29－31.

［2］Gang Tie，Chi Dazhao.Novel approach to the enhancement of ultrasonic TOFD B－scan image for the measurement of weld crack［J］.Science and Technology of Welding and Joining，2007 ，12（1）：87－93.

［3］遲大釗.基于超聲TOFD法的焊縫缺陷表征研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007：52－71.

［4］陳偉，詹紅慶，楊貴德，等.基于直通波抑制的超聲TOFD圖像缺陷檢測(cè)新方法［J］.無損檢測(cè)，2010，32（6）：402－405.

［5］Atkinson I.High accuracy defect sizing for CRDM penetration adapters using the ultrasonic TOFD technique［J］.Insight：Non– Destructive Testing and Condition Monitoring，1995，37（3）：175－178.

［6］Chi D Z，Gang T，Gao S S.Background removal and weld defect detection based on energy distribution of image［J］.China Welding，2007，16（1）：14－18.

［7］張 銳，萬明習(xí)，Cao W W.超聲衍射—回波渡越時(shí)間方法焊縫裂紋原位定量無損估計(jì)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36（5）：54－57.

［8］陳天璐，闕沛文.基于超聲衍射反射回波渡越時(shí)間的缺陷識(shí)別技術(shù)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2006，33（4）：50－52.

［9］Baskaran G，Balasubramaniam K，Rao C L.Shearwave time of flight diffraction （S－TOFD）technique［J］.NDT＆E International，2006，39（6）：458－467.

［10］孫忠波，齊向前，張平.TOFD檢測(cè)中采用二次波評(píng)定進(jìn)掃查面缺陷尺寸的方法［J］.無損檢測(cè)，2009，31（9）：694－696.

［11］遲大釗，剛鐵，姚英學(xué)，等.一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷檢測(cè)模式［J］.焊接學(xué)報(bào)，2011，32（2）：25－28.