表面開口缺陷高度的測(cè)量方法對(duì)比

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(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215004)

核電設(shè)備的在役零件和焊接構(gòu)件,不同程度存在著表面開口缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該類缺陷的檢測(cè)和高度的測(cè)量，對(duì)于核電設(shè)備壽命的評(píng)估有很大的幫助。其中，外表面開口缺陷可以用滲透、目視等方法較容易地檢出，且通過打磨、挖補(bǔ)等技術(shù)可以去除相關(guān)顯示。而內(nèi)表面開口缺陷受制于設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)工況，需要用超聲方法對(duì)其進(jìn)行定位、定量檢測(cè)。由于內(nèi)表面開口缺陷的顯示信號(hào)，有時(shí)易與內(nèi)表面結(jié)構(gòu)信號(hào)及底面回波信號(hào)重疊，因此對(duì)該類缺陷的檢測(cè)及高度測(cè)量就顯得尤為重要。

目前應(yīng)用超聲測(cè)量表面開口缺陷高度的常用方法主要有橫波串列式雙探頭法、相對(duì)靈敏度法(包括6 dB法，20 dB法)、端點(diǎn)衍射波法和端點(diǎn)反射回波法[1]。然而,橫波串列式雙探頭法操作復(fù)雜,回波難以確認(rèn)；相對(duì)靈敏度法測(cè)得的高度是表面開口缺陷高度的指示值,與實(shí)際高度有較大的誤差；端點(diǎn)反射回波法的精度不高，特別是對(duì)低高度的表面開口缺陷測(cè)量誤差較大,故應(yīng)用受到限制。與以上幾種方法不同，端點(diǎn)衍射法是利用超聲波在缺陷端點(diǎn)的衍射信號(hào)來測(cè)定缺陷高度的，相對(duì)比較準(zhǔn)確。因此，筆者利用端點(diǎn)衍射法原理對(duì)表面開口缺陷進(jìn)行檢測(cè)，通過常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法與TOFD衍射時(shí)差法進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1 原理及方法

1.1 端點(diǎn)衍射法測(cè)量原理

根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，若遇到缺陷，缺陷邊緣可以看作是發(fā)射子波的波源，使波的傳播方向發(fā)生改變，聲波向各個(gè)方向進(jìn)行衍射和反射。缺陷邊緣產(chǎn)生的衍射和反射波被探頭接收，通過衍射波和反射波傳播時(shí)間的不同來測(cè)量缺陷自身高度的方法，稱為超聲波端點(diǎn)衍射法[2]，其缺陷測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 表面開口缺陷測(cè)量原理示意

1.2 常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法

常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法采用單晶斜探頭對(duì)表面開口缺陷進(jìn)行高度測(cè)量。試驗(yàn)采用外壁掃查方式，檢測(cè)內(nèi)壁表面開口缺陷。首先在缺陷附近緩慢移動(dòng)探頭找到缺陷最大反射回波，提高相應(yīng)靈敏度，再緩慢前移探頭，尋找缺陷尖端衍射信號(hào)，當(dāng)衍射波達(dá)到最大幅值時(shí)，記錄此時(shí)缺陷的高度，即為表面開口缺陷的尖端位置(見圖1)。

1.3 TOFD時(shí)差衍射法

TOFD檢測(cè)技術(shù)利用超聲波的衍射現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測(cè)。其檢測(cè)原理示意如圖2所示，當(dāng)探頭發(fā)出的超聲波在被檢工件中的傳播過程中遇到缺陷時(shí)，會(huì)在缺陷的尖端發(fā)生衍射現(xiàn)象而產(chǎn)生衍射波，由惠更斯原理可知，衍射波會(huì)在大角度范圍內(nèi)散射，沒有明顯的方向性，因此可被另一側(cè)的探頭所接收。

圖2 TOFD檢測(cè)技術(shù)原理示意

從圖2可看出，TOFD檢測(cè)中A掃信號(hào)在遇到界面時(shí)會(huì)發(fā)生相位的變化，缺陷的上端衍射波與直通波的相位相反，變化了180°。對(duì)于缺陷的定量計(jì)算，通過信號(hào)傳播時(shí)間可計(jì)算缺陷埋藏的高度d，如式(1)所示。

(1)

式中:c為縱波聲速；t為衍射信號(hào)傳播時(shí)間；S為探頭間距的一半。

對(duì)于缺陷高度，由于為表面開口缺陷，因此只需用工件板厚減去缺陷上端點(diǎn)高度即可。為了進(jìn)行端點(diǎn)衍射法與TOFD在缺陷測(cè)高方面的精度對(duì)比，TOFD試驗(yàn)采用非平行掃查方式，并采用相同試塊進(jìn)行缺陷高度測(cè)量。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)儀器及試塊

常規(guī)超聲儀器采用CTS-9009型數(shù)字超聲儀，為了保證較高的測(cè)量精度，要求儀器的水平線性誤差不大于1%；TOFD儀器采用Z-SCAN-UT多通道超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。常規(guī)超聲探頭采用2.5P8×12K1探頭；TOFD探頭型號(hào)為OLYMPUS C543，頻率為5 MHz，晶片直徑為6.3 mm，有一發(fā)一收兩個(gè)探頭。試塊材料為20鋼板材，板厚40 mm，表面刻有1，2，3，4，5，6，7，8 mm高度的EDM(電火花槽)開口槽，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)儀器外觀

2.2 常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法測(cè)量過程及結(jié)果

常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)，首先測(cè)量出探頭前沿及角度，將探頭與數(shù)字超聲儀連接，調(diào)節(jié)時(shí)基比例為聲程1∶1;然后將探頭放置在外壁掃查面上，移動(dòng)探頭找到缺陷最大反射波；由于45°探頭端角反射明顯，因此缺陷最大反射波顯示的高度即為平板厚度值H。

找到最大反射波后，適當(dāng)提高增益，緩慢前移探頭，此時(shí)發(fā)現(xiàn)反射波左側(cè)出現(xiàn)幅值較低的回波信號(hào)，這就是缺陷的端點(diǎn)衍射信號(hào)。將閘門調(diào)至衍射波信號(hào)上，前后緩慢移動(dòng)探頭找到衍射波最大幅值，提高增益使衍射波最大幅值為滿屏的80%，記錄此時(shí)缺陷端點(diǎn)衍射波顯示的高度h1，此時(shí)缺陷的高度即為：Δh=H-h1。

隨著探頭的向前緩慢移動(dòng)，探頭聲束軸線遠(yuǎn)離端角反射區(qū)域，因此缺陷反射回波明顯下降。當(dāng)找到缺陷最大衍射波后，將閘門調(diào)至缺陷反射波上，調(diào)節(jié)自動(dòng)增益使此時(shí)缺陷的反射波達(dá)到滿屏的80%。由此可以發(fā)現(xiàn)，衍射波信號(hào)劇烈下降，波高低于滿屏的10%。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[2]可知，衍射波與反射波幅值差約20～30 dB。表1為不同高度刻槽反射波與衍射波測(cè)量結(jié)果。從表1可以看出，隨著高度的增加，衍射波波幅與反射波波幅差呈增加趨勢(shì)，其最小值為23.5 dB，最大值為28.0 dB。

表1 不同高度刻槽反射波與衍射波測(cè)量結(jié)果

圖4 常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法A掃信號(hào)

當(dāng)反射波波高為滿屏的80%時(shí)，通過式(2)可計(jì)算得出波幅差ΔA。

ΔA=20lg(80/h1)

(2)

即使當(dāng)波幅差值為23.5 dB時(shí)，h1的衍射波波幅只為滿屏的5.35%。因此，需要強(qiáng)調(diào)的是尋找衍射波時(shí)，要緩慢移動(dòng)探頭，仔細(xì)觀察反射波左側(cè)的波幅變化，以免造成衍射波信號(hào)缺失而無法測(cè)高。常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法A掃信號(hào)如圖4所示。從圖4可看出，測(cè)量表面開口缺陷時(shí)，對(duì)于不同高度的開口槽，其高度測(cè)量值與實(shí)際值誤差不大，最大誤差為0.3 mm。

2.3 TOFD測(cè)量過程及結(jié)果

TOFD檢測(cè)的工藝參數(shù)包括探頭頻率、探頭角度以及探頭中心間距等。探頭頻率的大小與TOFD檢測(cè)的精度和分辨率有關(guān)，筆者選取了5 MHz的探頭。在選擇探頭間距與角度時(shí)，既要保證超聲波能夠覆蓋檢測(cè)區(qū)域，又要保證缺陷端點(diǎn)的衍射信號(hào)有足夠的能量。筆者選取楔塊角度為60°，超聲波的主聲束聚焦在工件底面，這主要是因?yàn)閷?shí)際焊縫檢測(cè)時(shí)， 因不清楚裂紋(缺陷)偏離焊縫中心的情況，因此選擇更大的探頭間距(2S)以減小軸偏離底面盲區(qū)高度，探頭間距的計(jì)算如式(3)所示。

2S=2×H×tanθ

(3)

式中：H為工件厚度；θ為探頭折射角。

板材厚度H為40 mm，探頭折射角為60°，通過式(3)計(jì)算得到探頭間距2S為138 mm。

利用以上的試驗(yàn)參數(shù)獲得了TOFD檢測(cè)的數(shù)據(jù)，如表2所示。

圖5為不同高度表面開口槽TOFD檢測(cè)的D掃描圖像。根據(jù)工件的厚度和探頭間距，選取直通波和底面反射波對(duì)TOFD圖像進(jìn)行了高度校準(zhǔn)。然后選擇D掃圖像中含有缺陷衍射波的A掃信號(hào)對(duì)缺陷的高度進(jìn)行測(cè)量。

表2 不同高度刻槽TOFD方法測(cè)量結(jié)果 mm

圖5 不同高度表面開口槽TOFD檢測(cè)的D掃圖像

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1) 采用常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法測(cè)量時(shí)，隨著開口槽高度的降低，其衍射波與反射波難以分辨，甚至衍射波信號(hào)被反射波所覆蓋。從圖4可以看出，當(dāng)缺陷高度大于4 mm時(shí)，衍射波與反射波可明顯區(qū)分，且分辨力隨著缺陷高度的增加而提高。

(2) 通過圖5可以看出，當(dāng)表面開口槽高度為1 mm時(shí)，D掃圖像很難區(qū)分其衍射信號(hào)與噪聲信號(hào)，且底面反射波信號(hào)飽和造成對(duì)比度下降。但在A掃信號(hào)中，可通過相位來判斷該缺陷。其他高度缺陷均可通過TOFD方法測(cè)量出來，最大誤差為0.14 mm。

(3) 由常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法和TOFD方法對(duì)不同高度表面開口槽的測(cè)量結(jié)果可以看出，隨著槽高度的增加，兩種方法測(cè)量結(jié)果基本一致。對(duì)于高度小于4 mm的開口槽，常規(guī)超聲A掃信號(hào)分辨力下降;缺陷高度小于2 mm時(shí)，衍射波與反射波信號(hào)無法區(qū)分。

4 結(jié)論

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況中，表面開口缺陷形狀并不規(guī)則，衍射波信號(hào)的強(qiáng)弱受缺陷角度及方向的影響較大。尤其是表面開口缺陷端點(diǎn)衍射信號(hào)一般很弱，不易分辨。在工況具備條件時(shí)，為了保證缺陷高度測(cè)量的準(zhǔn)確性,一般選用TOFD方法。在對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件進(jìn)行缺陷高度測(cè)量時(shí)，考慮到常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法操作簡(jiǎn)便、不需專用掃查器以及不受現(xiàn)場(chǎng)空間環(huán)境的影響，當(dāng)TOFD方法不具備檢驗(yàn)條件時(shí)，采用端點(diǎn)衍射法也能夠獲得較好的效果。

參考文獻(xiàn):

[1] 王春艷，柯常波，陳鐵群.表面開口裂紋高度的超聲無損測(cè)定[J].壓力容器,2008,25(12):49-52.

[2] 宋正升. 超聲端點(diǎn)衍射法測(cè)定柱孔高度[J].無損檢測(cè),2004,26(10):520-522.