衍射時差法超聲檢測技術(shù)非相關(guān)顯示圖譜解析

吳 濤，王紅希，黃自德，鄧春華

（中國長江三峽集團有限公司金屬結(jié)構(gòu)監(jiān)督檢測中心，湖北 宜昌 443100）

TOFD技術(shù)是一種依靠超聲波與工件中不連續(xù)端部相互作用發(fā)射出衍射波或反射波來檢出不連續(xù)并對其進行定量的檢測技術(shù)，由于衍射信號與角度無關(guān)，不連續(xù)量值的測量不依靠信號振幅，具有可靠性高、定量精度高、檢測數(shù)據(jù)可永久保存等優(yōu)點，隨著金屬結(jié)構(gòu)材料厚度、強度和質(zhì)量要求逐步提高，焊縫質(zhì)量的可靠性尤為重要。TOFD技術(shù)對其檢測結(jié)果的判定尤為重要。通過大量TOFD工程應(yīng)用，對檢測圖譜進行對比分析，發(fā)現(xiàn)一種規(guī)律性的非相關(guān)顯示。通過研究該顯示的共性以及產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)識別和判定該類圖譜的方法，降低了TOFD技術(shù)檢測結(jié)果地誤判。

1 TOFD相關(guān)顯示與非相關(guān)顯示

在TOFD檢測中對檢測結(jié)果的正確評判首先應(yīng)對檢測圖譜中的相關(guān)顯示與非相關(guān)顯示進行區(qū)分。相關(guān)顯示是由于工件中的不連續(xù)引起的顯示，非相關(guān)顯示是由于工件結(jié)構(gòu)、材料冶金成分的偏差及其他外部因素引起的顯示。在TOFD檢測過程中應(yīng)對相關(guān)顯示依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行評價，對非相關(guān)顯示進行正確分析。

2 TOFD圖譜解釋

TOFD圖譜一般采用A-B兩種掃描模式，檢測圖譜包含了A型顯示和B型顯示[1]，A型顯示是一系列的A掃組合，B型顯示是由A掃數(shù)據(jù)通過信號處理轉(zhuǎn)換而成。A型顯示和A型顯示中有直通波、缺欠回波、底面波、底面橫波，實際檢測工作中應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求合理設(shè)置A掃描時間窗口。未要求分區(qū)檢測[2]的TOFD圖譜如圖1。

圖1 未分區(qū)檢測的TOFD圖譜

3 非相關(guān)顯示案例解析

案例中使用的TOFD儀器型號為ISONIC-STAR，在檢測中遇到具有規(guī)律性的一些顯示，這種圖譜中的顯示經(jīng)過反復(fù)鑒別發(fā)現(xiàn)該顯示為非相關(guān)顯示，非相關(guān)顯示雖然出現(xiàn)的幾率比較低，但很容易引起誤判。

3.1 因工件結(jié)構(gòu)引起的底波顯示變化

工件結(jié)構(gòu)的變化直接決定TOFD成像的變化，在日常檢測中一般檢測員均能識別，如圖1為不等厚板T字頭檢測，因板厚變薄引起TOFD圖譜中的底波提前。對于底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件檢測人員因仔細(xì)核對工件結(jié)構(gòu)與圖譜中的變化是否一致，以免漏評近底面或底面缺欠[2]。

圖2 因工件結(jié)構(gòu)變化引起的底波變化圖譜

3.2 因材料冶金成分或組織類型的偏差引起的非相關(guān)顯示

負(fù)偏析[3]帶在連鑄坯斷面的硫印和酸浸低倍試片上呈白色線條，其厚度一般在5mm～10mm.軋制成鋼板后其厚度1mm～2mm，白亮帶出現(xiàn)位置與連鑄電磁攪拌開始時鑄坯的凝固前沿相對應(yīng)，即與電磁攪拌器安放位置有關(guān)，一般以常用公式x=kt 1/2來確定白亮帶位置，式中x為凝固層厚度；k為凝固系數(shù)；t為凝固時間。

在不同位置施加電磁攪拌，白亮帶表現(xiàn)不同，采用結(jié)晶器電磁攪拌(M—EMS)一般看不出白亮帶，二冷區(qū)電磁攪拌(s—EMS)白亮帶明顯，凝固末端電磁攪拌(F—EMS)白亮帶不明顯。它的亮度隨攪拌強度的增加和澆注溫度的提高而增大，在熱加工后仍然存在，一般不會對機械性能的不良影響，中國連鑄坯質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)對白亮帶還沒有確切的規(guī)定。負(fù)偏析處化學(xué)成分與基體相比略低，組織類型以粒狀貝氏體為主，基體則以板條貝氏體（馬氏體）為主，負(fù)偏析處晶粒度比基體略粗（基體晶粒度8.0級左右，負(fù)偏析處7.5級左右），因此化學(xué)成分、組織類型、晶粒度這三個因素對TOFD探傷可能產(chǎn)生影響。尤其是晶粒度，在負(fù)偏析處得白亮帶整體偏粗，波在傳播過程中遇到一條較粗的晶粒帶產(chǎn)生信號，是一種非相關(guān)顯示。如圖3中的偏析帶非相關(guān)顯示。

圖3 因材料冶金成分的偏差的非相關(guān)顯示

3.3 因表面狀況引起的非相關(guān)顯示

表面狀況對TOFD成像有直接的影響，如果檢測表面凹凸不平嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致成像無法判讀，或者掩蓋工件內(nèi)缺欠信號，因此檢測前必須對檢測面進行處理，表面粗燥度因≤6.3μm。如圖4，檢測面有2段凹凸不平，凹坑內(nèi)充滿檢測耦合劑，由于工件表面凹凸不平、耦合劑的厚度不一致、耦合劑與鋼的聲速差異導(dǎo)致聲波在工件表面?zhèn)鬏敃r間不一致，引起直通波與底波均發(fā)生變化，形成非相關(guān)顯示。

圖4 因表面狀況引起的非相關(guān)顯示

3.4 工件外部存在液體引起的非相關(guān)顯示

在超聲波檢測中，超聲波在介質(zhì)中沿直線傳播，遇到界面產(chǎn)生折射、反射、透射、波形轉(zhuǎn)換等，其界面反射率、透射率與界面兩種介質(zhì)的聲阻抗差異有關(guān)[4]。TOFD技術(shù)是用縱波檢測，因縱波可在液體、氣體中傳播，故在固體/液體/氣體界面產(chǎn)生反射、折射以及波形轉(zhuǎn)換形成如圖5底面非相關(guān)顯示。

圖5 因工件表面存在液體引起的非相關(guān)顯示

4 非相關(guān)顯示的特征

（1）焊縫內(nèi)部TOFD非相關(guān)顯示一般顯示有一定高度，長度較長，幾乎整張圖譜存在這種顯示且顯示之間具有一定的規(guī)則性；用脈沖反射法超聲波檢測反射信號波幅極低或未發(fā)現(xiàn)發(fā)射信號，用磁粉或滲透檢測剖面均無顯示。焊縫返修后用TOFD復(fù)驗，仍然出現(xiàn)與原圖譜相同顯示，其產(chǎn)生與焊接過程無關(guān)。

（2）焊縫外部引起的TOFD非相關(guān)顯示，一般在圖譜中的直通波和底波附近形成顯示，此顯示通過檢測面修整、異物清楚或可消除，或由工件結(jié)構(gòu)變化引起。

5 非相關(guān)顯示判定方法

在使用TOFD技術(shù)檢測中會出現(xiàn)一種非相關(guān)顯示圖譜容易引起誤判，經(jīng)解剖、對比、分析和驗證研究，得出此類圖譜的特征、產(chǎn)生原因及判定方法，可以防止誤判，從而大大提高TOFD技術(shù)因為人為原因影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性。為了方便快捷有效的解決現(xiàn)場檢測出現(xiàn)的非相關(guān)顯示圖譜疑問，可以通過以下方式有效判定。

（1）非相關(guān)顯示的存在與焊接過程過程中的錯誤無關(guān)，在不影響工件使用和各項性能的前提下才可評定為非相關(guān)顯示。如某種原因引起的非相關(guān)顯示影響工件的使用和性能指標(biāo)下降，應(yīng)考慮合適方案消除產(chǎn)生非相關(guān)顯示的因素。

（2）遇到譜中的顯示有一定高度，長度較長，幾乎整張圖譜存在這種顯示且顯示之間具有一定的規(guī)則性和特征性，且由多個密集的點狀組成。首先在母材上進行TOFD非平行掃查，如母材上也有類似顯示，然后采用A型脈沖反射法超聲波檢測，使用直探頭檢測焊縫兩側(cè)板材，如果焊縫兩側(cè)板材復(fù)合板材標(biāo)準(zhǔn)要求，可初步認(rèn)定該顯示為非相關(guān)顯示。

（3）遇到譜中的顯示有一定高度，長度與檢測長度一致，這種顯示在某一深度范圍內(nèi)平直均勻存在且顯示無明顯黑白分界線。采用A型脈沖反射法超聲波檢測時，使用多種角度的橫波斜探頭，并在原有檢測靈敏度的基礎(chǔ)上提高12dB作為掃查靈敏度。在圖譜中的存在顯示的位置做雙面雙側(cè)超聲波檢測，如果未發(fā)現(xiàn)顯示回波，說明該圖譜中的缺陷是偽缺陷圖譜顯示。

（4）存在于直通波附近的非相關(guān)顯示容易引起漏判或誤判：一是直通波附近的非相關(guān)顯示容易掩蓋工件近表面的缺欠信號；二是表面開口缺陷顯示與此類非相關(guān)顯示容易混淆。此類非相關(guān)顯示一般均由檢測面未達到標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)生。在檢測前應(yīng)對檢測面進行清理，盡量確保在直通波附近不存在非相關(guān)顯示。

（5）對于存在底波附近的非相關(guān)顯示，檢測人員在檢測時發(fā)現(xiàn)圖譜中底波異常，因查看工件背面是否存在引起底波異常的因素。

6 結(jié)論

TOFD技術(shù)在國內(nèi)得到了快速的發(fā)展，給焊縫檢測工作帶來了極大的便利，非相關(guān)顯示的存在要求我們每位檢測人員都應(yīng)時刻保持認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，仔細(xì)分析每一組檢測數(shù)據(jù)，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。