基于幾何方法的焊縫傾斜裂紋TOFD定量檢測

康　達,張樹瀟,金士杰,劉麗麗,張　侃,張東輝,羅忠兵,楊會敏,林　莉,房云龍

(1.大連理工大學 無損檢測研究所, 大連 116085；2.中國核工業二三建設有限公司, 北京 101601)

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基于幾何方法的焊縫傾斜裂紋TOFD定量檢測

康達1,張樹瀟2,金士杰1,劉麗麗2,張侃1,張東輝2,羅忠兵1,楊會敏2,林莉1,房云龍2

(1.大連理工大學 無損檢測研究所, 大連 116085；2.中國核工業二三建設有限公司, 北京 101601)

摘要：針對合金鋼對接焊縫中傾斜裂紋定量困難的問題，提出了TOFD(超聲衍射時差法)定量檢測傾斜裂紋的方法?；诤缚p縱斷面方向上兩次B掃查間隔、兩次B掃查過程中聲程最短時編碼器移動距離差和傾斜裂紋三者所構成的三角形，利用三者之間幾何關系實現裂紋傾斜角度與長度定量。模擬結果表明：對長度5,10,60 mm，傾斜角度范圍為10°90°的裂紋進行定量驗證，角度定量誤差小于1°；長度定量相對誤差小于5%。試驗針對對接焊縫試塊中長度60 mm，傾斜角度范圍為30°60°的傾斜裂紋應用此方法進行定量驗證，可得裂紋角度定量誤差最大值為0.29°；長度定量誤差最大值為0.94 mm。

關鍵詞：超聲衍射時差法；幾何方法；傾斜裂紋；CIVA軟件仿真

焊接結構構件廣泛存在于石油化工、核電、航空航天等行業中，其焊接質量直接關系到構件的安全運行和使用壽命。其中，接頭焊縫中裂紋類缺陷是危害最嚴重的焊接缺陷，尤其是在焊接完成后接頭仍存在一定的殘余應力和變形，將會導致裂紋擴展甚至構件斷裂[1]。因此，對焊縫中的裂紋進行準確定量檢測是十分重要的。

與常規超聲檢測方法相比，超聲衍射時差(TOFD)技術以其檢出率高、檢測方便快捷、定量精度高等特點而被廣泛應用于焊縫結構裂紋的定量檢測研究中，且國內外均誕生了一系列的研究成果[2-6]。在裂紋長度定量方面，Zippel等利用TOFD對鋼板構件和全尺寸法蘭中的埋藏裂紋進行了檢測，結果表明對于距掃查面大于6 mm的裂紋，長度定量誤差在20%以內，而對于距掃查面小于3mm的裂紋則不能準確定量[7]；謝雪等將合成孔徑聚焦技術(SAFT)與D掃查成像相結合，以增強裂紋尖端衍射信號，并有效削弱甩弧現象的影響，使得裂紋長度定量誤差在0.8 mm以內[8]。在裂紋傾斜角度定量研究方面，遲大釗等提出一種與SAFT相結合的B掃查圖像灰度極值檢測方法，該方法能夠較為準確地確定裂紋上下尖端位置，從而實現裂紋角度定量，但在灰度極值檢測過程中易受噪聲信號的影響，給裂紋端點定位帶來一定困難[9]；陳婷婷利用TOFD-LWE(Locating With Ellipses of TOFD)方法改進了缺陷幾何參數計算方法，修正了在計算缺陷參數時由于缺陷偏離探頭中心距離而帶來的誤差，實現了裂紋的三維幾何特征描述，進而確定裂紋的傾斜角度,但此方法需要一個發射探頭和兩個接收探頭，常規TOFD超聲檢測儀不能滿足這一要求[10]。

筆者提出基于幾何關系的傾斜裂紋TOFD定量檢測方法，并從模擬和試驗兩方面對合金鋼對接焊縫試塊中不同長度、不同角度的傾斜裂紋進行了探討。其中，結合SAFT技術確定了裂紋投影長度。該方法原理簡單、可操作性強，為實際工程中傾斜裂紋定量困難的問題提供了有效的解決辦法。

圖1　TOFD原理示意

1TOFD原理及傾斜裂紋定量檢測方法

1.1TOFD原理

TOFD技術一般利用縱波在缺陷端部產生的衍射波的傳播時間差來進行缺陷高度定量。如圖1所示，通常采用一對頻率、晶片尺寸和角度等參數均相同的縱波斜探頭相向對稱放置，一個作為發射探頭，另一個作為接收探頭。發射探頭發射縱波，最先到達接收探頭的聲波是沿被檢工件表面傳播的直通波。當焊縫結構中不存在缺陷時，隨后到達接收探頭的聲波是底面回波；當焊縫結構中存在缺陷時，在直通波和底面回波之間出現的回波信號就是缺陷上下端的衍射回波。

當對傾斜裂紋進行D掃查時，聲波發射和接收過程存在一定時間差，導致聲程不一致。由于掃查過程中各位置聲程的不同，裂紋D掃查圖像為具有一定曲率的弧線，如果直接對裂紋進行定量，會存在較大的誤差。

1.2傾斜裂紋定量檢測原理

1.2.1傾斜裂紋角度定量檢測原理

利用TOFD技術進行B掃查時，受聲束擴散角影響，裂紋B掃查圖像存在甩弧現象，這將影響裂紋定量檢測結果。當發射探頭和接收探頭對稱置于裂紋正上方時，根據費馬定理[11]可知，缺陷圖像頂點位置的衍射信號傳播時間最短，即聲程最短(見圖2)。

圖2　B掃查聲程最短位置示意

如圖3所示，在對裂紋角度進行定量時，探頭從同一起始位置開始進行多次B掃查，且相鄰兩次平行B掃查之間的間隔為d。B掃查間隔d的選取與裂紋長度有關，必須小于裂紋長度與最大傾斜角度的乘積，即裂紋的最小投影長度。

(1)

式中:X0為探頭移動起始位置;L1,L2分別為探頭第一次,第二次移動聲程最短時的位置;d為兩次B掃查沿焊縫縱斷面方向間隔。

1.2.2傾斜裂紋長度定量檢測原理

圖3　傾斜裂紋角度定量檢測原理示意

圖4　傾斜裂紋長度定量檢測原理示意

(2)

2仿真模擬

根據對接焊縫試塊的聲學和彈性特性，在CIVA 數值模擬仿真軟件中建立相同材料的檢測模型，如圖5(a)所示。其中，模型材料為合金鋼，厚度為48 mm，材料縱波聲速為5 900 m·s-1,密度為7.8 g·cm-3。在檢測模型中設置9個不同傾斜角度的底面開口槽代替裂紋，其長度和高度分別為60,20 mm，與焊縫縱斷面夾角分別為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°。模擬中選用探頭主頻為5 MHz，楔塊角度為60°。

圖5　檢測模型與D掃查圖像

對其進行整體D掃查，所得D掃查圖像如圖5(b)所示，初步確定傾斜裂紋位置并讀取裂紋投影長度。由于探頭聲束具有一定的擴散角，使得裂紋成像結果中存在甩弧現象，引起的定量誤差可達±5 mm[12]。在B掃查之前需預先劃定水平參考線，從而減小編碼器移動距離偏差。

進一步對各傾斜裂紋進行B掃查，設置掃查間隔時以同一參考位置為基準，B掃查間隔為5 mm，并從圖6中讀取衍射信號聲程最短時的B掃查位置，則由式(1)可實現對傾斜裂紋的角度定量，如圖7(a)所示。最后，將確定的投影長度和傾斜角度代入式(2)，即可實現傾斜裂紋長度定量，如圖7(b)所示。當B掃查方向與裂紋方向平行，即裂紋傾斜角度為90°時，裂紋D掃查圖像和點狀缺陷D掃查圖像類似，無法獲得其長度信息[13]。此時，該方法不再適用于傾斜裂紋定量。

圖6　同一傾斜裂紋多次模擬B掃查聲程最短位置示意

圖7　長度60 mm裂紋模擬定量檢測結果

圖8　長度5 mm裂紋模擬定量檢測結果

圖9　長度10 mm裂紋模擬定量檢測結果

為了進一步驗證此方法的定量能力，分別針對長度為5,10 mm，傾斜角度為10°、30°和60°的傾斜裂紋進行了模擬研究，其中B掃查間隔分別為1,2 mm，定量檢測模擬結果如圖8,9所示。由模擬結果可知，利用提出的TOFD檢測幾何定量方法能夠實現傾斜裂紋角度和長度定量。針對不同長度、不同傾斜角度的裂紋進行了模擬分析，結果表明角度定量誤差最大為0.73°，長度定量相對誤差最大值為4.60%。

3試驗驗證

在合金鋼對接焊縫試塊中采用線切割加工4個不同角度底面開口槽，長度為60 mm，高度20 mm，與焊縫縱斷面方向夾角分別為30°、45°、60°和90°。采用Omnisacn MX2超聲檢測儀對傾斜裂紋進行定量檢測，探頭頻率為5 MHz，楔塊角度為60°，編碼器精度為0.01 mm。

圖10　長度60 mm裂紋試驗定量檢測結果

首先進行D掃查，確定裂紋位置，并結合SAFT技術確定投影長度。然后從同一位置開始沿劃定的水平參考線進行多次間隔為5 mm的B掃查，根據傾斜角度定量原理確定傾斜角度，如圖10(a),此外,需注意該定量方法不適用于傾斜角度為90°的裂紋;根據長度定量原理確定裂紋長度，定量結果如圖10(b)所示。由圖10可知，該方法對傾斜裂紋角度定量最大偏差為0.29°，長度定量相對誤差最大值為1.57%。從定量結果可看出，該方法在實際檢測中能夠對傾斜裂紋進行較為準確的定量，但編碼器步進精度對定量結果具有一定影響。此外，受聲束擴散角、工件表面加工狀態、探頭耦合狀態、掃查速度不穩定等因素的影響，試驗定量結果也存在一定誤差。

4結論

(1) 根據TOFD檢測基本原理結合B掃查間隔和傾斜裂紋的關系，提出了傾斜裂紋定量檢測的幾何方法，實現了對傾斜裂紋角度和長度的定量檢測。

(2) 根據合金鋼對接焊縫試塊的聲學和彈性特性，建立TOFD傾斜裂紋檢測模型，并運用文章提出的幾何方法對模型中不同角度、不同長度的傾斜裂紋進行定量檢測。仿真和試驗結果表明，該方法能夠對非平行于B掃查方向的裂紋進行角度定量檢測，定量誤差均在±1°以內，長度定量誤差在5%以內，仿真和試驗結果具有較好的一致性。

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The Quantitative TOFD Detection of Inclined Crack in Bult Weld Based on Geometric Method

KANG Da1, ZHANG Shu-xiao2, JIN Shi-jie1, LIU Li-li2, ZHANG Kan1, ZHANG Dong-hui2, LUO Zhong-bing1,YANG Hui-min2, LIN Li1, FANG Yun-long2

(1.Nondestructive Testing & Evaluation Laboratory, Dalian University of Technology, Dalian 116085, China;2.China Nuclear Industry 23 Construction Co., Ltd., Beijing 101601, China)

Abstract：To solve the problem that the inclined crack in butt weld of alloy steel is difficult to be quantified, a method of time-of-flight-diffraction (TOFD) for inclined crack is proposed. There is a triangle composed by the interval of two B-scans along with the direction of vertical section of weld profile, the difference of moving distance of encoder where the acoustic distance is minimum and the inclined crack. Taking advantage of this geometric relationship, the length and tilting angle of inclined crack can be detected quantitatively. In the simulation , artificial inclined crack with lengths of 5,10,60 mm and tilting angles from 10° to 90 ° were made. The simulation results showed that the quantitative error of angle was less than 1°, and the relative error of length was less than 5%. In the experiment, attention was paid to quantitative detection of inclined crack whose length was 60mm and tilting angle was from 30° to 60°. The result presented the maximum of absolute error of angle and length was 0.29° and 0.94 mm, respectively.

Key words:Time-of-flight-diffraction; Geometric method; Inclined crack; CIVA software simulation

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)04-0001-05

DOI:10.11973/wsjc201604001

作者簡介：康達(1991-)，男，碩士研究生,主要研究方向為TOFD檢測技術、超聲相控陣成像檢測技術研究。通信作者:林莉(1970-),女,博士,教授,博士生導師,主要研究方向為材料無損檢測與評價，E-mail: linli@dlut.edu.cn。

基金項目：“十二五”國防技術基礎科研資助項目(Z022014T001)

收稿日期：2015-07-29