基于超聲TOFD法直通波幅度分布的近表面缺陷檢測

陳振華，胡懷輝，盧 超

（南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063）

超聲衍射回波法（Time of Flight Diffraction）技術(shù)具有可靠性好、檢出率高、定量準確、效率高、成本低［1－2］等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。然而，常規(guī)超聲TOFD檢測技術(shù)也有其局限性，表面檢測盲區(qū)問題即是超聲TOFD檢測方法需解決的問題之一。

降低檢測盲區(qū)的手段主要有檢測信號分析以及優(yōu)化檢測方法延長衍射波傳播路徑。遲大釗、陳偉［3－6］等人提出了一種基于圖像能量分布的方法，通過數(shù)字圖像處理及信號分析，提取了混疊的缺陷端衍射波信號，提高了近表面缺陷的識別能力，但該方法對缺陷信號的提取受待處理圖像的成像質(zhì)量影響很大，存在側(cè)向波抑制不完全或損傷缺陷信號的問題。張銳、陳天璐［7－11］等人通過優(yōu)化檢測方法增大衍射波的傳播聲程，提高對近表面缺陷的檢測能力。但由于衍射波聲程的增大，端部衍射衰減較大，且信號中聲波成分更加復(fù)雜，難于分析，造成對較小的近表面缺陷檢測困難。

筆者主要對近表面缺陷檢測的直通波信號幅度分布進行試驗，針對直通波時域范圍內(nèi)選取多個關(guān)鍵點，通過這些關(guān)鍵點在不同近表面缺陷的幅值變化，發(fā)現(xiàn)了與直通波重疊的端部衍射波?；谥蓖úǚ确植继岢隽藱z測特征值，根據(jù)該特征值分布能夠檢測近表面缺陷并估計其深度，提高對近表面缺陷的檢測能力。

1 試塊制作

試驗制備了用于近表面缺陷檢測的試塊。試塊材質(zhì)為 A7N01－T4鋁合金，尺寸為320mm×200mm×20mm。在垂直于鋁合金板的板面制備了深度不同的淺孔，直徑均為φ1mm，孔深分別為1，2，3，5，8，10mm，各淺孔間距40mm，如圖1所示。

圖1 試塊結(jié)構(gòu)尺寸

2 試驗方法

檢測中采用斜角為60度，中心頻率為5MHz的超聲TOFD檢測專用探頭。檢測系統(tǒng)的最大采樣率為60MHz。兩探頭以被檢孔為中心對稱放置，探頭間距設(shè)為5mm，如圖2所示。試驗對近表面各淺孔進行檢測，提取檢測波形。

圖2 探頭布置示意

人工缺陷的開口淺孔對板面破壞導(dǎo)致直通波衰減，圖3為檢測直徑φ1mm、深10mm孔與表面完整時的直通波信號。10mm深孔的檢測直通波不受端部衍射波的影響而僅由表面的破壞引起，因此為更準確地描述近表面缺陷尖端衍射對直通波幅度的影響，同時又不引入表面破壞的干擾，試驗中采用直徑φ1mm、深度10mm深孔的檢測直通波作為無近表面缺陷的檢測信號。

圖3 表面破壞對直通波波幅的影響

圖4 為各淺孔的超聲TOFD檢測直通波信號，其中虛線為10mm深孔的檢測信號（即無近表面缺陷時的直通波信號）。圖4顯示，孔深為1，2mm時幾乎看不到端部衍射波，孔深3mm時開始出現(xiàn)較明顯的衍射波形，當孔深增大到5mm時，能清晰地看到衍射波信號。

圖4 近表面缺陷波形與無近表面缺陷波形對比

圖4 顯示的試驗結(jié)果與理論一致。式（1）是衍射波與直通波時間差的理論公式，可見隨著缺陷深度的增大，衍射波與直通波的時間差值Δt逐漸增大，即端部衍射逐漸移出直通波并完全分離出來。

式中：s為兩探頭間的距離；h為缺陷深度；v為聲速；l0為探頭前沿長度。

此外，由圖4可知，直通波幅值分布隨著孔深的增大也發(fā)生了變化。直通波幅度的變化與淺孔深度存在一定聯(lián)系。因此探討直通波幅值分布隨孔深的變化規(guī)律可為近表面缺陷檢測提供依據(jù)。

3 近表面缺陷尖端衍射波對直通波幅度分布的影響

在直通波時域范圍內(nèi)選取多個關(guān)鍵點，通過各關(guān)鍵點的幅值變化，研究直通波與淺孔端部衍射波的相互作用，各關(guān)鍵點編號為A～E，如圖5（a）所示。1～5mm淺孔以及無近表面缺陷時直通波各個參考點的幅值變化數(shù)據(jù)如圖5（b）所示。與無近表面缺陷直通波信號相比，1mm淺孔的A點幅度變化最大，其余關(guān)鍵點幅度基本不變；2mm淺孔的B，C點幅度的變化較大；3mm淺孔的C，D點幅度變化最大；5mm淺孔的E點幅度變化最大，其余關(guān)鍵點基本恢復(fù)原幅值。通過圖5（b）的變化趨勢可推斷隨孔深的增大，其端部衍射波對直通波幅度的影響在時域上逐漸右移（即由A向E移動）。

圖5 直通波各關(guān)鍵點幅值變化關(guān)系

進一步分析直通波幅度分布變化的原因可知，近表面缺陷端部衍射波不僅存在且與直通波相互疊加。按圖5（b）的變化趨勢可模擬不同深度近表面缺陷端部衍射波對直通波的影響，如圖6所示。圖6（a）顯示1mm淺孔的端部衍射波與直通波相互疊加，造成A點幅度增大；圖6（b）顯示當孔深為2mm時，尖端衍射波向右移動一定距離，衍射波仍在直通波脈沖寬度內(nèi)并與之疊加，使得B，C點處幅度顯著降低；圖6（c）顯示淺孔深3mm時，尖端衍射波繼續(xù)遠離直通波，C，D處疊加增強；圖6（d）顯示當淺孔深5mm時，衍射波信號與直通波信號分離開來。因此可見，圖6中所模擬的衍射波特征與圖5（b）中由衍射波引起的各關(guān)鍵點幅值變化情況一致。

圖6 各不同深度缺陷模擬衍射波相對直通波的位置變化

在相同試驗條件下采集8，10mm孔深的端部衍射波波形，如圖7所示。圖7是試驗測得的衍射波波形特征?？梢姡苌洳ǖ南辔蛔兓c入射界面兩側(cè)介質(zhì)有關(guān)，與孔深度無關(guān)。因此從衍射波相位及幅值分布看，圖6中模擬的端部衍射波與真實衍射波具有較好的一致性。

圖7 各不同深度缺陷所檢測的波形

此外，根據(jù)式（1）可計算出各淺孔端部衍射波位置與直通波的時間差值。隨孔深的增大，直通波與尖端衍射波的疊加狀態(tài)不斷發(fā)生改變，直到尖端衍射波完全與直通波分離。圖8的計算值與圖6的衍射波位置基本一致，進一步證明了淺孔尖端衍射波的存在及其與直通波的疊加規(guī)律。

圖8 各淺孔的衍射波與直通波起點的時間差

通過以上分析可知，超聲TOFD檢測近表面缺陷時，其直通波的幅值變化包含著大量的近表面缺陷信息，通過直通波幅度的分布特征可以對近表面缺陷進行檢測。為了能夠更直觀地檢測近表面缺陷，試驗基于直通波幅度分布定義了檢測特征值，如式（2）。

式中：A（i）為檢測特征值；Bf（i）為近表面缺陷直通波幅值分布；B（i）為無近表面缺陷時的直通波分布。

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)可得到各淺孔的檢測特征分布如圖9所示。各類缺陷情況下，其特征值分布具有明顯差異，依據(jù)該特征分布能夠?qū)砻嫒毕葸M行檢測并估計缺陷深度。

圖9 近表面缺陷超聲TOFD直通波幅度檢測特征值分布

4 結(jié)語

近表面缺陷的端部衍射波與直通波相互疊加，影響直通波的幅度分布，直通波幅度分布中包含大量的缺陷信息?；谥蓖úǚ确植继岢隽私砻嫒毕莸臋z測特征值。通過該特征值的分布可以檢測近表面缺陷并估計缺陷的位置，可提高超聲TOFD技術(shù)對近表面缺陷的檢測能力?；谥蓖úǚ植妓鶛z測特征值容易受到表面狀態(tài)，如污染、腐蝕、劃痕的影響，因此文中所述方法對被檢件的表面狀態(tài)要求較高。

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