焊縫超聲波衍射時(shí)差法的研究現(xiàn)狀

趙軍偉 李亞瓊

摘 要：TOFD（焊縫超聲波衍射時(shí)差法）是現(xiàn)階段較為新穎的一種無損超聲檢測技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于各類鋼結(jié)構(gòu)焊縫問題檢測。對(duì)此本文從TOFD檢測原理出發(fā)，分析與對(duì)比TOFD與其他種類的無損檢測方式之間的優(yōu)劣，并總結(jié)與歸納TOFD自身的優(yōu)點(diǎn)與缺陷，闡述其具體應(yīng)用狀況，展望TOFD未來前景。

關(guān)鍵詞：超聲波衍射時(shí)差法 現(xiàn)場組焊 無損檢測 壓力容器

中圖分類號(hào)：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（b）-0086-02

鋼結(jié)構(gòu)最常見的連接方式就是焊接，不過受限于外在與內(nèi)在因素的雙重影響，焊接接頭部位時(shí)常會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷。焊接的缺陷會(huì)損壞鋼結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能，進(jìn)而導(dǎo)致組織不連續(xù)問題出現(xiàn)。為解決鋼結(jié)構(gòu)組織不連續(xù)這一問題，檢測者經(jīng)常會(huì)利用到無損檢測技術(shù)，檢測與控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

1 TOFD檢測原理

TOFD法基于惠更斯原理工作，即利用衍射現(xiàn)象[1]。在使用這種檢測技術(shù)時(shí)，當(dāng)探頭所發(fā)出的聲波觸碰到焊縫中存在的缺陷，那么超聲波一方面會(huì)被缺陷部位反射，另一方面反射波則會(huì)將缺陷部位的尖端作為新的聲源，向周圍發(fā)射球面波或柱面波的衍射波。

從圖表可知TOFD能夠產(chǎn)生①②③④4種信號(hào)波。其中，①號(hào)波屬于直通波是沿著檢測物體表面?zhèn)鞑サ牟ㄐ停虎谔?hào)波是上端衍射波；③號(hào)波是下端衍射波；④號(hào)波是底面波，即工件底部的反射波。在探頭發(fā)出超聲波以后，超聲波會(huì)經(jīng)過工件底面和缺陷上端部位，此時(shí)超聲波的相位會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此②號(hào)波與④號(hào)波的相位與波形是相同的。當(dāng)超聲波穿過缺陷下端時(shí)，因不存在異質(zhì)界面，因此超聲波相位并不會(huì)出現(xiàn)變化，所以①號(hào)波與③號(hào)波相位相同。事實(shí)上，TOFD更像是無數(shù)個(gè)A型脈沖現(xiàn)實(shí)合集[2]。

2 TOFD檢測優(yōu)點(diǎn)與局限

2.1 優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 檢測成功率高

由于TOFD衍射波波幅并不會(huì)受到聲束角影響，因此不論是任何方向的焊接接口缺陷問題都能夠被及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，缺陷問題檢測成功率極高。此外從手勁、手工角度、時(shí)間差計(jì)算、深度測量等角度來看，TOFD相較于傳統(tǒng)檢測模式獲取的深度數(shù)據(jù)也更為精準(zhǔn)。

2.1.2 問題定位準(zhǔn)確

結(jié)合TOFD檢測原理得知，通過三角函數(shù)關(guān)系我們就能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷位置的精準(zhǔn)定位，缺陷部位判斷公式可用表示。其中h表示上端檢測距離距地面高度。Ce則表示超聲波在寒風(fēng)中的縱波聲速。t1表示的是上頓反射波反射時(shí)間。S則表示探頭之間的距離。

2.1.3 定量缺陷標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合TOFD檢測原理得知，檢測缺陷高度計(jì)算可用。其中l(wèi)代表的是缺陷高度。t2代表的是下端反射波傳播時(shí)間。根據(jù)研究資料描述，線性缺陷即探測物缺陷長寬比大于3或是出現(xiàn)面積型缺陷即未熔合、裂紋等問題。那么TOFD檢測高度誤差大約在1mm以內(nèi)。而對(duì)于尺寸較大的裂紋缺陷，如缺陷超過3mm大小時(shí)，檢測高度誤差為零點(diǎn)幾毫米。

2.2 局限性

雖然TOFD具有很多傳統(tǒng)檢測法不具備的優(yōu)勢和特性而深受檢測人員喜愛，不過TOFD也存在一些檢測弊端，如在檢測幾何工件等復(fù)雜工件時(shí)，就很容易出現(xiàn)問題，必須制定相應(yīng)的工藝才能繼續(xù)檢測。此外還有在檢測點(diǎn)狀缺陷時(shí)尺寸測量也并不夠精確，在檢測粗晶材料如奧氏體焊縫、橫向缺陷時(shí)檢測也并不準(zhǔn)確。在檢測表面材料時(shí)候很容易出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)。TOFD圖像判讀與識(shí)別較為困難，缺陷定性準(zhǔn)確性較低[3]。

3 TOFD檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 容器檢測應(yīng)用

現(xiàn)階段我國有21個(gè)鍋爐壓力制造單位與特種設(shè)備研究機(jī)構(gòu)開展了TOFD檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用工作[4]。這是因?yàn)門OFD檢測能夠有效辨別壓力容器的危險(xiǎn)源問題，精準(zhǔn)判斷壓力容器的密封性、剛度、穩(wěn)定性問題，確保壓力容器的能力與質(zhì)量時(shí)刻保持在高效的狀態(tài)。此外TOFD配合MT、UT兩種檢測技術(shù)能夠掃描壓力容器面盲區(qū)近表面裂紋，實(shí)現(xiàn)壓力容器的全方位質(zhì)量檢查。

3.2 工業(yè)管道檢測應(yīng)用

工業(yè)管道經(jīng)常需要輸送有毒、易爆、易燃、高壓、高溫的液體與氣體。一旦發(fā)生管道泄漏，那么這些液體與氣體將嚴(yán)重危害人類的生存環(huán)境，進(jìn)而造成生態(tài)環(huán)境破壞。對(duì)此我們就必須加強(qiáng)工業(yè)管道的質(zhì)量管理，而在工業(yè)管道質(zhì)量中，除了管道自身的質(zhì)量要求以外，管道接頭的焊接質(zhì)量也予以足夠的保障。TOFD在改造掃查架以后，能夠?qū)崿F(xiàn)小直徑閉關(guān)無損檢測。此外如厄瓜多爾辛克雷水電站便利用了TOFD檢測方式，對(duì)其壓力鋼管進(jìn)行了全方位檢測。也因此厄瓜多爾辛克雷水電站才會(huì)有如此的質(zhì)量，被當(dāng)?shù)厝朔Q為中國人帶來的工程奇跡。

4 結(jié)語

TOFD作為一種較為新穎且功能全面的無損檢測手段，其憑借著傳統(tǒng)檢測方式所不具備的特性，被越來越多的焊縫處理工作者及檢測人員所使用與接納。當(dāng)然為了加強(qiáng)TOFD的推廣與應(yīng)用，我們就必須盡快克服TOFD的使用局限性。我們除了要加強(qiáng)TOFD理論知識(shí)的深入研究外，還要加快TOFD檢測方式的創(chuàng)新改革，從而提高其檢測精度。當(dāng)前國內(nèi)在TOFD的研究仍存有不足和缺陷，需要廣大研究者與檢測者將其健全。相信在這項(xiàng)技術(shù)越來越成熟的同時(shí)，TOFD在我國的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] 遲大釗，齊聰成.國內(nèi)焊接缺陷聲學(xué)無損檢測研究綜述[J].精密成形工程，2018（1）：74-81.

[2] 汪慈高.超聲TOFD圖像缺陷檢測配準(zhǔn)方法研究[D].西南交通大學(xué)，2016.