TOFD檢測技術(shù)中聲束交點位置的探討

王 東,劉禮良,李付良,高杰宗

(1.中廣核工程有限公司, 深圳 518124; 2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029;3.國家市場監(jiān)督管理總局無損檢測與評價重點實驗室, 北京 100029)

TOFD檢測技術(shù)中，聲束交點的選擇會影響衍射聲場覆蓋的檢測區(qū)域及掃查面盲區(qū)的大小，該參數(shù)對TOFD檢測結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。國內(nèi)外TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)中，推薦的探頭中心間距設(shè)置方法一般有如下幾類：① 使探頭對的聲束交點位于其所檢測最大深度的2/3處(如標(biāo)準(zhǔn)BS 7706：1993，BS DD CEN/TS 14751:2004，NB/T 47013.10-2015)；② 使探頭對的聲束交點位于缺陷可能發(fā)生的區(qū)域(標(biāo)準(zhǔn)BS DD ENV 583-6-2000)；③ 應(yīng)在試塊上進(jìn)行驗證試驗以確定探頭對的聲束交點位置(如標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2373-04-2004)。

基于仿真技術(shù)對不同聲束交點衍射聲場的分布情況進(jìn)行分析，綜合考量有效聲場對檢測區(qū)域的覆蓋及掃查面盲區(qū)兩個因素，并采用不同聲束交點下的探頭中心間距在試塊上進(jìn)行試驗，以驗證聲束交點對檢測結(jié)果的影響。

1 聲場仿真分析

針對尺寸為457 mm×40 mm(長×寬)的工件進(jìn)行建模，焊縫工藝參數(shù)為：坡口角度為30°；間隙為2 mm；鈍邊高度為1 mm。選用標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10-2015中的推薦參數(shù)設(shè)置探頭頻率為5 MHz,晶片尺寸為φ6 mm，楔塊角度為65°，聲束交點深度分別選擇在0.5T(T工件厚度)，0.55T，0.6T，2/3T的位置，依次進(jìn)行聲場仿真分析，探頭中心間距(PCS)選擇如表1所示。

表1 仿真分析選擇的PCS mm

對上述仿真參數(shù)進(jìn)行CIVA軟件仿真計算,得到不同PCS及交點深度的仿真分析圖譜如圖1所示,圖中黑線區(qū)域為焊縫及焊縫熱影響區(qū)，紅線區(qū)域為-12 dB聲場范圍；圖2所示為探頭聲束交點中心能量分布曲線。通過軟件分析-12 dB聲束在工件中的覆蓋范圍，分析結(jié)果如表2所示。

圖1 不同PCS及交點深度的仿真分析圖譜

圖2 探頭中心能量分布曲線

表2 -12 dB聲場覆蓋分析結(jié)果

分析圖1，2與表2可知，聲束交點深度在0.5T與0.55T的位置，檢測區(qū)域不能覆蓋底面區(qū)域;交點在0.6T與2/3T位置時，均能在-12 dB聲束覆蓋范圍內(nèi)有效覆蓋檢測區(qū)域，上表面盲區(qū)隨著聲束交點的位置下移而增大，探頭聲束交點中心能量不斷減小。對比分析可知，聲束交點在0.6T位置較2/3T位置的上表面盲區(qū)更小，探頭聲束交點中心能量大于1.4 dB，在檢測區(qū)域能更有效地利用聲場能量，分辨率更好。

2 TOFD檢測掃查面盲區(qū)的測量

2.1 TOFD上表面盲區(qū)

TOFD檢測技術(shù)存在上表面盲區(qū)，根據(jù)選擇工藝參數(shù)的不同，盲區(qū)大小也不同。筆者通過試驗的方式實測聲束交點在工件不同位置的上表面掃查面盲區(qū)。

選用奧林巴斯的OMINISCAN MX型的TOFD設(shè)備，其探頭頻率為5 MHz,晶片尺寸為φ6 mm，楔塊角度為65°，選擇探頭中心間距分別為103 mm與114 mm;聲束交點深度分別為0.6T和2/3T，并進(jìn)行試驗。試塊選用帶不同深度刻槽和側(cè)孔的試塊(見圖3)，實測結(jié)果如圖4所示。

圖3 試驗試塊結(jié)構(gòu)三視圖

圖4 盲區(qū)實測圖譜

圖4(a)中PCS為103 mm，圖譜中左邊為最小可見埋深為5 mm的槽，右邊可見φ7 mm側(cè)孔；圖4(b)中PCS為114 mm，圖譜中左邊為最小可見埋深為5 mm的槽，右邊可見φ8 mm側(cè)孔。試驗分析結(jié)果如表3所示。

從表3分析可知，隨著聲束交點深度的增加，TOFD檢測上表面盲區(qū)也逐漸增大。同時隨著PCS的不斷增大，檢測分辨率降低，進(jìn)而導(dǎo)致盲區(qū)增大。

表3 不同參數(shù)設(shè)置的試驗分析結(jié)果 mm

2.2 TOFD底面盲區(qū)

底面盲區(qū)分為焊縫中心底面盲區(qū)和軸偏離盲區(qū)[1]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫中心底面盲區(qū)一般情況下應(yīng)不大于1 mm。底面盲區(qū)主要為軸偏離盲區(qū)Δh，其計算公式為

(1)

式中:T為工件厚度；s為探頭中心距的一半；x為軸偏離值。

運用式(1)分別計算聲束交點深度在0.6T與2/3T位置的底面盲區(qū)高度理論值，計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同PCS底面盲區(qū)理論值

從表4分析可知，隨著聲束交點深度的增加，底面盲區(qū)不斷減小，但減小的幅度較小，底面盲區(qū)高度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

此外，該探頭的-12 dB聲束擴(kuò)散角的測量結(jié)果為41.5°88.1°。從實測結(jié)果進(jìn)一步分析，-12 dB聲束范圍能覆蓋底面檢測區(qū)域。

3 模擬試驗驗證

試驗設(shè)備與器材選用上述TOFD設(shè)備與探頭，模擬試驗采用尺寸為φ457 mm×40 mm(直徑×壁厚)的模擬試塊，在模擬試塊中，制作了5處缺陷，模擬試塊實物如圖5所示。

圖5 模擬試塊實物

分別采用聲束交點深度在2/3T處與優(yōu)化后的聲束交點深度在0.6T處的檢測工藝在模擬試塊上進(jìn)行檢測試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 模擬試驗結(jié)果

對比分析可知，兩種工藝參數(shù)設(shè)置均能有效檢出缺陷，在探頭設(shè)備相同，檢測靈敏度相同的情況下，聲束交點深度在0.6T位置的圖譜中底波能量比2/3T位置的能量更強(qiáng)；對于1#，4#，5#缺陷,兩種工藝參數(shù)設(shè)置檢測效果基本相當(dāng)；對于2#缺陷，聲束交點在0.6T位置的分辨率比2/3T位置的更好，

檢測效果更好；對于3#缺陷，聲束交點在0. 6T位置，缺陷與直通波可完全分開，而2/3T位置的圖譜中缺陷與直通波無法完全分開，因此0.6T位置較2/3T位置而言，缺陷測量結(jié)果準(zhǔn)確度更優(yōu)。試驗結(jié)果證明，聲束交點深度優(yōu)化后的檢測工藝有利于缺陷的檢出，檢測分辨率更好。

4 結(jié)論

(1) 軟件仿真及試驗結(jié)果表明，聲束交點深度在0.6T位置較2/3T位置而言，-12 dB聲場能量在檢測區(qū)域范圍內(nèi)能得到更好的利用，探頭聲束交點位置中心能量更大，上表面盲區(qū)較小，檢測效果更好。

(2) 根據(jù)不同檢測對象及焊縫結(jié)構(gòu)，選用性能參數(shù)不同的探頭時，建議可對聲束交點深度位置進(jìn)行優(yōu)化，以提高檢測質(zhì)量。