超聲波聲束擴(kuò)散理論在TOFD技術(shù)中的應(yīng)用

關(guān)磊，雷海，丁鵬，李勤，徐靈

(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州 310012)

0 引言

衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)(TOFD)技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，用于工業(yè)產(chǎn)品焊縫的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。該技術(shù)工作效率高、定量準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于水利、電力、火電、石油、鋼鐵等領(lǐng)域。在研究和應(yīng)用的實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，TOFD技術(shù)存在表面盲區(qū)這一技術(shù)弊端。近表面的缺陷因?yàn)椤半[藏”在表面盲區(qū)內(nèi)而不能被發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致缺陷漏檢，而這些漏檢的近表面缺陷對(duì)焊接產(chǎn)品的危害非常大。在焊縫的承載過(guò)程中，焊縫的近表面是缺陷最容易產(chǎn)生及擴(kuò)展的區(qū)域，一旦缺陷擴(kuò)展，將會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，威脅工程的安全，也會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的損失。

針對(duì)TOFD技術(shù)存在表面盲區(qū)這一現(xiàn)象，目前，國(guó)內(nèi)一些研究人員常采取優(yōu)化工藝參數(shù)，尤其是減小探頭中心間距的措施，以減小表面盲區(qū)的高度，使近表面缺陷盡可能暴露出來(lái)。但減小探頭中心間距意味著聚焦深度上移，不能達(dá)到聲束的全覆蓋，致使超聲波不能完全覆蓋所檢區(qū)域，導(dǎo)致工件根部范圍內(nèi)的缺陷漏檢。

因此，筆者提出，從超聲波聲束擴(kuò)散的原理進(jìn)行分析探討，在減小表面盲區(qū)高度并保證聲束全覆蓋的前提下，使探頭晶片尺寸和頻率等工藝參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化，以提高焊縫缺陷的檢出率。

1 TOFD技術(shù)的表面盲區(qū)

TOFD技術(shù)利用2個(gè)寬頻帶、窄脈沖探頭進(jìn)行探傷，一個(gè)作為發(fā)射探頭，一個(gè)作為接收探頭，相對(duì)于焊縫中心線對(duì)稱布置。TOFD通常使用頻率為2～10 MHz的縱波探頭，接收探頭接收到直達(dá)的直通波、缺陷尖端產(chǎn)生的衍射波和經(jīng)底面反射的底面回波等。以直通波到達(dá)的時(shí)間為基準(zhǔn)，根據(jù)缺陷衍射波和直通波的時(shí)間間隔對(duì)缺陷進(jìn)行定位。

研究者對(duì)TOFD技術(shù)的檢測(cè)盲區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和分析[1]，掃查面盲區(qū)的高度與直通波聲學(xué)脈沖長(zhǎng)度和探頭中心間距有關(guān)，而探頭的頻率是影響直通波聲學(xué)脈沖長(zhǎng)度的因素，為了盡可能減小盲區(qū)高度，TOFD掃查中通常選用頻率較高的探頭，以取得較小的直通波聲學(xué)脈沖長(zhǎng)度。工件厚度一定時(shí)，探頭的角度決定探頭中心間距，角度越小，探頭中心間距越小，相應(yīng)的掃查面盲區(qū)高度就越小。因此，實(shí)際檢測(cè)中采用較小角度的探頭來(lái)減小盲區(qū)的高度，探頭的角度越小，超聲波在工件中的時(shí)間范圍越大[2]，測(cè)量的精度也越高。

由上述分析可知，選用頻率較高和角度較小的探頭可減小表面盲區(qū)高度。但在TOFD檢測(cè)中，選用探頭時(shí)還要保證所檢部位的超聲波聲束全覆蓋。

2 聲束擴(kuò)散理論及應(yīng)用

2.1 楔塊中的聲束擴(kuò)散角

TOFD檢測(cè)所使用的探頭晶片振蕩器發(fā)出的超聲波束半擴(kuò)散角[3]γ定義為

sinγ=Fλ/D=Fc/(Df) ，

(1)

式中：λ為介質(zhì)中超聲波波長(zhǎng)；c為波速；f為頻率；D為晶片直徑；F為聲束邊界截取系數(shù)，也稱擴(kuò)散因子，與截取的幅度降低值有關(guān)，通常取聲壓下降12 dB時(shí)的F值為0.8。

探頭發(fā)出的超聲波聲束擴(kuò)散如圖1所示。探頭近場(chǎng)區(qū)N區(qū)的情況比較復(fù)雜，因此，式(1)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)范圍是適合的[3]。

圖1 主聲束的擴(kuò)散

已知超聲波在有機(jī)玻璃/聚苯乙烯楔塊中的聲速c為2 400 m/s，擴(kuò)散因子F取0.8，根據(jù)式(1)計(jì)算常規(guī)探頭在楔塊中的波長(zhǎng)和波束擴(kuò)散角，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，要得到最大的聲束擴(kuò)散角，需要使用頻率相對(duì)較低、直徑相對(duì)較小的晶片。而從減小表面盲區(qū)高度方面考慮，則需要選用頻率較高的探頭，因此，必須加以優(yōu)化，以取得合理的探頭頻率和晶片尺寸等工藝參數(shù)。

表1 楔塊中的聲束半擴(kuò)散角γ計(jì)算結(jié)果

2.2 工件中的聲束擴(kuò)散角計(jì)算原則

TOFD檢測(cè)所使用的探頭是具有寬頻帶窄脈沖的縱波直探頭，加上不同角度的楔塊，就構(gòu)成了縱波斜探頭。為了獲得以典型角度進(jìn)入工件的縱波，與探頭探測(cè)面相連的楔塊應(yīng)切削成適當(dāng)?shù)慕嵌取?個(gè)不同介質(zhì)邊界處的折射角用Snell定律計(jì)算，如圖2所示。

c1/c2=sinθ1/sinθ2，

(2)

式中：θ為法向角度；下標(biāo)1，2分別表示介質(zhì)1和介質(zhì)2。

圖2 Snell定律示意

為計(jì)算超聲波在被測(cè)工件中的聲束擴(kuò)散，需要執(zhí)行以下4個(gè)步驟[3]。

(1)計(jì)算楔塊中入射角度θP。

sinθP=cP/cLsinθL，

(3)

式中：cL為工件中的聲速(取鋼中聲速為5 950 m/s)；cP為楔塊中的聲速(取有機(jī)玻璃/聚苯乙烯楔塊中聲速為2 400 m/s)。

(2)計(jì)算楔塊中聲束半擴(kuò)散角γ。

sinγ=Fγ/D=FcP/(Df) 。

(4)

(3)求楔塊中聲束的上、下擴(kuò)散角γs，γx。

γs=θp+γ，γx=θp-γ。

(5)

(4)用Snell定律分別求出工件中聲束擴(kuò)散角。

sinγLs=cL/cPsinγs，sinγLx=cL/cPsinγx。

(6)

圖3為聲束覆蓋示意圖，在聲束上擴(kuò)散角接近90°時(shí)，聲束上邊界才能到達(dá)上表面，而在選擇探頭時(shí)，聲束下擴(kuò)散角也要求盡量小，才能實(shí)現(xiàn)聲束的全覆蓋。

圖3 超聲波聲束覆蓋示意

2.3 聲束下擴(kuò)散角的計(jì)算

由上述可知，聲束上擴(kuò)散角接近90°時(shí)最佳，而聲束下擴(kuò)散角越小越好，但由Snell定律公式可以看出，上擴(kuò)散角增大的同時(shí)，聲束下擴(kuò)散角也會(huì)增大。以下就從實(shí)際應(yīng)用的角度，對(duì)聲束下擴(kuò)散角的最大值進(jìn)行探討。

由圖3可知，聲束下擴(kuò)散角越小，聲束覆蓋工件的下表面就越寬，對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，聲束的下覆蓋面要覆蓋整個(gè)焊縫的寬度，才能保證焊縫的根部被聲束覆蓋。本文就以不同厚度工件的焊縫寬度作為界定聲束下擴(kuò)散角最大值的依據(jù)。

在工件焊接中，焊接工藝對(duì)工件的焊縫寬度有一定的技術(shù)要求，下面先以30 mm厚的工件為例進(jìn)行分析討論。在工程上，對(duì)30 mm厚的工件進(jìn)行對(duì)接焊，一般采用雙V形坡口，如圖4所示。

圖4 工件焊接橫截面示意

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中雙面對(duì)接焊坡口的規(guī)定，焊接30 mm厚的工件，α控制在60°左右，b控制在1～3 mm，一般取2 mm，h控制在 0.5t，即 15 mm，由此可以計(jì)算出坡口的寬度L為19 mm。因此，板厚30 mm工件的最小焊縫寬度為19 mm，同樣可以計(jì)算出不同板厚的最小焊縫寬度，表2為板厚50 mm以下工件的最小焊縫寬度。

由上文可知，為盡可能減小表面盲區(qū)高度，應(yīng)選擇角度較小的探頭。對(duì)板厚t為30 mm的工件進(jìn)行TOFD檢測(cè)，選用常規(guī)60°探頭，由此可以計(jì)算出探頭中心間距為69 mm。如圖5所示，可以求出γLx為40°，也就是說(shuō)聲束下擴(kuò)散角不大于40°即可實(shí)現(xiàn)焊縫根部的聲束全覆蓋。同樣，根據(jù)此方法可以計(jì)算出對(duì)板厚50 mm以下的工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，60°，70°探頭下擴(kuò)散角的最大值，見(jiàn)表2。

表2 焊縫寬度及聲束下擴(kuò)散角計(jì)算結(jié)果

因此，在對(duì)探頭的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的推薦，根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，選擇合適的探頭角度、晶片尺寸和頻率，在盡可能減小表面盲區(qū)高度的同時(shí)保證聲束的全覆蓋，以保證檢測(cè)工藝的完善。

圖5 聲束下擴(kuò)散角計(jì)算示意

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的規(guī)定，工件厚度為12～50 mm，推薦的探頭頻率為10～3 MHz，主聲束角度為70°～60°，晶片直徑為2～6 mm。因此，可以計(jì)算出常規(guī)探頭選用的頻率，見(jiàn)表3。

表3 聲束上、下擴(kuò)散角均滿足要求時(shí)的工藝參數(shù)優(yōu)化

3 結(jié)論

(1)使用頻率相對(duì)較低、尺寸相對(duì)較小的晶片可以獲得較大的聲束擴(kuò)散范圍，以保證聲束的全覆蓋，而從減小表面盲區(qū)高度方面考慮，則需要選用頻率較高的探頭。因此，對(duì)厚度50 mm以下工件進(jìn)行TOFD檢測(cè)時(shí)，通過(guò)優(yōu)化，取得了合理的探頭頻率和晶片尺寸等工藝參數(shù)推薦值。

(2)單V形坡口的底部焊縫寬度會(huì)小，因此，在檢測(cè)工藝編制過(guò)程中可根據(jù)本文所述的方法進(jìn)行計(jì)算，以取得合理的工藝參數(shù)。

(3)對(duì)厚度50 mm以上工件進(jìn)行TOFD檢測(cè)，可采用相同的研究方法得出不同板厚的最佳工藝參數(shù)；但工件的厚度越大，超聲波的衰減越嚴(yán)重，因此，對(duì)于大厚度的工件，同一板厚也要考慮采用不同的工藝參數(shù)，這一方面還需進(jìn)一步研究。