近表面缺陷的超聲TOFDR和TOFDW檢測(cè)

盧 超，王 鑫，陳振華

(無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌330063)

0 引言

超聲Time of Flight Diffraction(TOFD)技術(shù)已越來越多的應(yīng)用于無損檢測(cè)領(lǐng)域。在焊縫的檢測(cè)中，超聲TOFD技術(shù)檢測(cè)效率高、缺陷檢出率高、定位定量準(zhǔn)確、直觀等優(yōu)點(diǎn)已越來越明顯地顯現(xiàn)出來［1］;但是，近表面盲區(qū)較大一直是該檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)弊端。解決近表面盲區(qū)問題，總體包括調(diào)整檢測(cè)工藝、圖像信號(hào)數(shù)字化處理、調(diào)整檢測(cè)方法等幾個(gè)方面，在檢測(cè)工藝中，主要是提高檢測(cè)探頭的頻率，縮小探頭間距，該方法的不足之處在于探頭的頻率不可能無限提高，探頭間距也不會(huì)無限制減小，通過調(diào)整工藝的方法始終存在一個(gè)近表面盲區(qū)檢測(cè)極限。近表面缺陷的檢查能力受直通波影響較大，為此，Chi D Z 等［2-3］、陳偉等［4］提出了1種基于圖像能量分布的方法，通過數(shù)字圖像處理方面，提取了混疊的缺陷波信號(hào)，并利用遞歸最小二乘法自適應(yīng)濾波技術(shù)對(duì)圖像背景雜波的去除，提高近表面缺陷的識(shí)別能力;但圖像處理結(jié)果受信號(hào)影響很大，對(duì)信號(hào)的信噪比要求較高。張銳等［5］、郝曉軍等［6］則結(jié)合 TOFD 和傳統(tǒng)脈沖回波法，設(shè)計(jì)出1種TOFD+A掃查復(fù)合檢測(cè)探頭，較好地解決了近表面缺陷的檢測(cè)問題，但喪失了TOFD原有的檢測(cè)速度快、成像直觀等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外一些研究人員通過分析TOFD信號(hào)中的眾多復(fù)雜缺陷波信息來改善TOFD近表面缺陷檢測(cè)問題。Baskaran G等［7］通過對(duì)缺陷橫波路徑分析，利用幾何聲學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出橫波檢測(cè)定位定量公式，不僅提高了近表面缺陷的發(fā)現(xiàn)能力，而且很精準(zhǔn)的對(duì)近表面缺陷進(jìn)行定位，但不足之處在于某些缺陷在一定情況下并不產(chǎn)生轉(zhuǎn)換橫波，或是缺陷轉(zhuǎn)換橫波能量較低而淹沒在背景噪聲中，導(dǎo)致缺陷橫波的無法識(shí)別，進(jìn)而無法檢測(cè)。而后，孫忠波等［8］、陳天璐等［9］、遲大釗等［10］通過二次波的識(shí)別來對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)近表面的檢測(cè)能力提升到接近1 mm，但還是由于缺陷的聲波能量相對(duì)較弱，且A信號(hào)中聲波相當(dāng)復(fù)雜，用于識(shí)別的缺陷波位置較難確認(rèn)等原因?qū)е聶z測(cè)實(shí)施較困難。

綜合TOFDR和TOFDW檢測(cè)方法，提出了1種新的檢測(cè)模式。通過重新設(shè)置TOFD檢測(cè)時(shí)間顯示窗口，利用底面回波和底面二次回波代替原來的直通波和底面回波作為新的檢測(cè)時(shí)間范圍，在新的時(shí)間窗口內(nèi)，驗(yàn)證表征同一缺陷的2種不同路徑聲波的存在，并進(jìn)一步分析各種波的傳播路徑，調(diào)整新的檢測(cè)工藝，以保證新的檢測(cè)方法下缺陷波的檢測(cè)能量，達(dá)到最優(yōu)的檢測(cè)效果。并通過人工缺陷檢測(cè)以證明此方法的有效性和可行性。

1 TOFD法檢測(cè)原理及盲區(qū)分析

TOFD檢測(cè)依賴于超聲波和缺陷的作用，在此作用下，超聲波會(huì)在缺陷的尖端周向發(fā)散傳播，被接收探頭所接收。與此同時(shí)，接收探頭接收的波還包括探頭之間直達(dá)的直通波和經(jīng)底面反射的底面回波等波。以直通波到達(dá)的時(shí)間為基準(zhǔn)，通過缺陷衍射波和直通波的間隔時(shí)間，即可對(duì)缺陷進(jìn)行定位分析。其原理圖見圖1。圖1中，A為直通波，B為底面回波，C為缺陷衍射波，其各個(gè)波的聲程如下:

近表面直通波(基準(zhǔn)波)的聲程

近表面缺陷衍射波聲程

底面反射回波聲程

缺陷波和基準(zhǔn)波聲程差

圖1 TOFD檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic diagram of TOFD

當(dāng)缺陷位于近表面時(shí)，直通波和缺陷波的聲程差很小導(dǎo)致兩聲波的時(shí)間位置很近，由于探頭發(fā)出的脈沖波存在一定的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間tp，tp值取2倍直通波周期，這時(shí)的盲區(qū)Dds定義［11］為:

2 原理及工藝

2.1 檢測(cè)原理

傳統(tǒng)的TOFD檢測(cè)中，D掃查圖像的檢查對(duì)象為直通波和底面回波之間出現(xiàn)的缺陷衍射波，而本文的新檢測(cè)方法的檢測(cè)對(duì)象為底面回波和底面二次回波之間出現(xiàn)的缺陷反射衍射波和缺陷W反射波(圖2)。

圖2a中，探頭發(fā)出的超聲波經(jīng)底面一次反射到近表面缺陷衍射點(diǎn)，周向發(fā)散后直接被接收探頭所接收。圖2b中，探頭發(fā)出的超聲波同樣經(jīng)底面一次反射到近表面缺陷上，而與圖2a中不同的是，經(jīng)缺陷反射后再經(jīng)底面反射后被接收探頭所接收。

2.2 D掃查圖像范圍設(shè)置

在對(duì)近表面缺陷的檢測(cè)中，傳統(tǒng)檢測(cè)方法設(shè)定的檢測(cè)區(qū)域?yàn)橹蓖úㄖ螅酌婊夭ㄖ?。而綜合TOFDR和TOFDW方法的D掃查圖像顯示范圍如圖3所示，檢測(cè)D掃查圖像范圍為底面回波之后，底面二次回波之前。

圖2 TOFDR和TOFDW方法聲波路徑示意圖Fig.2 Path schemes of TOFDR and TOFDW

圖3 起始波和結(jié)束波對(duì)應(yīng)的顯示范圍Fig.3 Corresponding range of starting wave and end wave

圖4為反射衍射法和W反射法檢測(cè)原理示意圖，圖中，H為被檢工件厚度，D為缺陷深度，S為探頭間距的一半，θ為探頭的折射角度，延伸的虛線端點(diǎn)是缺陷以底面為對(duì)稱面的投影，由此得知綜合TOFDR和TOFDW方法檢測(cè)的新數(shù)學(xué)模型如下:

底面回波聲程

缺陷反射衍射波聲程

缺陷W反射波聲程

底面二次回波的聲程

缺陷反射衍射波與底面回波聲程差

缺陷W反射波和底面二次反射波聲程差

對(duì)任意工件中存在的近表面缺陷，都有s1＜s2＜s3＜s4，則對(duì)于任意近表面缺陷，缺陷反射衍射波都在底面回波之后，缺陷W反射波都在底面二次回波之前。則以底面回波s1作為D掃查的檢測(cè)起始波和底面二次回波s4作為結(jié)束波所框定的檢測(cè)范圍具有可行性。

圖4 缺陷深度計(jì)算示意圖Fig.4 Calculation schemes of defect depth

2.3 檢測(cè)方法

1)探頭角度選擇。對(duì)于近表面缺陷的檢測(cè)，為了使探頭的主聲束反射到近表面缺陷上，保證缺陷波具有足夠的檢測(cè)能量，則應(yīng)選擇探頭折射角較小的探頭，常用TOFD檢測(cè)探頭斜楔有3種，分別是 45°、60°、70°，故應(yīng)選擇 45°斜楔，條件允許，應(yīng)選擇折射角度更小的探頭。

2)探頭間距選擇。TOFDR和TOFDW方法都是基于底波與缺陷的作用，保證了底波能量就保證了缺陷回波的能量。其原理圖如圖4所示。

由圖4可以得出探頭間距應(yīng)滿足以下關(guān)系:

2S=2tanθ×(2H －D) (12)對(duì)近表面缺陷而言，當(dāng)檢測(cè)試樣有一定厚度時(shí)，D的值相對(duì)H很小，以常用的45°探頭檢測(cè)時(shí)，上式關(guān)系可近似等效于S=2H。

3 超聲TOFDR+TOFDW法的分辨能力及實(shí)際檢測(cè)結(jié)果

3.1 缺陷波區(qū)分度

近表面缺陷識(shí)別能力的高低是由缺陷回波與其相鄰波聲程差決定的，當(dāng)固有波與缺陷波聲程差很小時(shí)，2種聲波有較大重疊，區(qū)分度較低，反之區(qū)分度較高。傳統(tǒng)TOFD檢測(cè)方法與近表面缺陷相鄰的波為兩探頭之間直線傳播的直通波，而新方法中表征缺陷的存在有2種波，與缺陷反射衍射波相鄰的波為底面回波，而與缺陷W反射波相鄰的波為底面二次回波。對(duì)于傳統(tǒng)的TOFD檢測(cè)方法，檢測(cè)近表面缺陷選擇折射角較大的70°探頭，探頭主聲束聚焦到試樣板厚的2/3處，則探頭間距2S=4/3·Htanθ。對(duì)于反射衍射法和W反射法，在常用的3種探頭中，選擇45°探頭，探頭間距應(yīng)滿足關(guān)系式2S=2tanθ·(2H－D)。對(duì)于板厚較薄的試件，近表面缺陷深度可近似為D≈0.3H，厚度較大的試件，D相比于H可忽略不計(jì)。3種方法的工藝參數(shù)、缺陷波與鄰近波聲程差由式(4)、(10)、(11)求得，具體數(shù)據(jù)見表1。

由表1可以看出，對(duì)于近表面缺陷的檢測(cè)，W反射法區(qū)分度最大，反射衍射法區(qū)分度居中，傳統(tǒng)檢測(cè)方法最差。則采用綜合TOFDR和TOFDW方法具有理論可行性，且由式(7)可知對(duì)于越近的表面缺陷，反射衍射波與底面回波的區(qū)分度越大。

3.2 TOFDR和TOFDW方法的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證TOFDR和TOFDW方法對(duì)近表面缺陷的實(shí)際檢查能力，設(shè)計(jì)了一塊厚度為11 mm的平板試塊，在平板中間加工了深度分別為5、3、1 mm的3個(gè)垂直、孔徑為φ1 mm的孔。3個(gè)孔的位置位于板長20 mm處起，兩兩之間的距離都為30 mm，孔的最深點(diǎn)作為兩種路徑的缺陷衍射點(diǎn)，試塊的幾何尺寸如圖5所示。

圖5 人工缺陷試樣尺寸示意圖Fig.5 Sample size of artificial defects

表1 3種方法參數(shù)設(shè)置對(duì)比Table 1 Parameter contrast of the three methods

針對(duì)圖5所示試塊，傳統(tǒng)TOFD檢測(cè)方法選擇頻率為10 MHz(本實(shí)驗(yàn)用5 MHz)、角度為70°的探頭，探頭間距2S=40 mm，檢測(cè)結(jié)果如圖6a所示。綜合TOFDR和TOFDW方法與傳統(tǒng)方法相比，可以選擇頻率相對(duì)較低的檢測(cè)探頭，本研究的新方法所采用的探頭選擇頻率為5 MHz、角度為45°的探頭，探頭間距2S=40 mm，檢測(cè)結(jié)果如圖6b、圖6c所示，圖6b和圖6c分別為采用新方法對(duì)工件完好處和有缺陷處的D掃圖形，以達(dá)到對(duì)比作用。通過新數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，缺陷尺寸為5、3、1 mm反射衍射波的出現(xiàn)時(shí)間分別為13.44、13.60、13.81 μs，缺陷 W 反射波出現(xiàn)時(shí)間分別為14.70、15.10、15.57 μs。從圖 6a 可以看出，傳統(tǒng)TOFD方法可以發(fā)現(xiàn)板長分別為20 mm和50 mm處的5 mm和3 mm深的缺陷，但3 mm缺陷能量已經(jīng)很弱了，對(duì)于80 mm處的1 mm的缺陷完全無法發(fā)現(xiàn)，且均無法進(jìn)行深度定位分析。而與傳統(tǒng)方法所檢測(cè)的D掃圖形圖6a相比，圖6c中板長80 mm處，可以看到緊貼底面回波之后的圖像中出現(xiàn)了明顯的灰度變化圖，表達(dá)該處缺陷的波為缺陷反射衍射波。在圖6c中已標(biāo)明，并且可以與圖6b中板長80 mm處圖像做對(duì)比，比較2處的差異，即可判斷80 mm處缺陷的存在。15.57 μs的位置沒有出現(xiàn)缺陷，是因?yàn)樵撐恢锰幈碚魅毕莸氖侨毕軼反射波，該波形由于1 mm缺陷較淺，被淹沒在底面二次回波之中，但新方法對(duì)于同1個(gè)缺陷有2種波對(duì)其進(jìn)行表征，雖然此時(shí)1 mm的缺陷W反射波無法表征，但是反射衍射波已能發(fā)現(xiàn)該處的缺陷。而在板長50 mm處，相對(duì)于80 mm處的1 mm缺陷，通過缺陷W反射波能準(zhǔn)確的定位3 mm深度的缺陷，且還有一定的提升余地。對(duì)于3 mm缺陷反射衍射波未出現(xiàn)的原因可能是由于所鉆孔的底部面積較平，使得衍射信號(hào)較弱，或是此時(shí)的缺陷波相位與一次底面反射波相位相反，導(dǎo)致缺陷波被一次反射波所掩蓋。而板長20 mm處，無論是缺陷反射衍射波還是缺陷W反射波，都能很好的發(fā)現(xiàn)該處的5 mm深度的缺陷，且通過缺陷W反射波還能夠?qū)θ毕莸纳疃冗M(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

圖6 D掃檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Detection result of D scan

4 結(jié)論

1)檢測(cè)工藝的選擇對(duì)于TOFDR+TOFDW方法至關(guān)重要，D掃圖像檢測(cè)范圍設(shè)置為底面回波之后，底面二次回波之前，能很好地發(fā)現(xiàn)近表面缺陷，應(yīng)選擇較小的探頭角度，探頭間距的一半設(shè)置為S=tanθ·(2H －D)。

2)提出的TOFDR+TOFDW模式有效地解決了常規(guī)超聲TOFD法存在近表面檢測(cè)盲區(qū)。將超聲TOFDR方法和TOFDW方法結(jié)合能很好地發(fā)現(xiàn)試件近表面缺陷，TOFDR+TOFDW方法可以識(shí)別1 mm深度的缺陷。

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