TOFD方法對焊接缺陷的檢測能力

汪明輝，肖愛武

（國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

超聲衍射時差法（TOFD）檢測技術(shù)原理示意圖見圖1，檢測時采用一組頻率、晶片尺寸、角度相同的縱波斜探頭相對布置，并根據(jù)缺陷上、下端點衍射信號的高度差進(jìn)行缺陷高度測量［1］。從TOFD檢測技術(shù)的原理可以看出，該方法在缺陷檢出、平面缺陷高度尺寸測量、缺陷定性等方面具有很大的優(yōu)勢，但也存在檢測盲區(qū)［2］。筆者通過設(shè)計制作焊接缺陷試樣，開展TOFD檢測試驗，驗證了TOFD技術(shù)對焊接缺陷的檢測能力及高度尺寸測量方面的精度。

圖1 TOFD檢測原理示意圖

1 試驗方案

1.1 試驗方法

采用對稱非平行掃查方式對厚度分別為10，20，40mm的焊接試樣進(jìn)行檢測，檢測時采用手工掃查方法。

1.2 試驗設(shè)備

試驗用設(shè)備為TD－HS多功能超聲儀，配有TF10C3TOFD探頭和TF5C6TOFD探頭，用TOFD掃查架。

1.3 試驗工藝

10mm厚焊接試樣。①掃查面：焊縫上表面。②探頭型號：TF10C3。③探頭角度：70°。④探頭入射點間距（PCS）值：24mm。⑤掃查方式：對稱非平行掃查。

20mm厚焊接試樣。①掃查面：焊縫上表面。②探頭型號：TF5C6。③探頭角度：70°。④PCS值：49mm。⑤掃查方式：對稱非平行掃查。

40mm厚焊接試樣。①掃查面：焊縫上表面。②探頭型號：TF5C6。③探頭角度：60°。④探頭入射點間距（PCS）值：94mm。⑤掃查方式：對稱非平行掃查。

1.4 缺陷解剖

檢測能力驗證試驗完成后，采用線切割的方式對檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行切片，以獲得缺陷的真實高度值。切片時，每片的寬度一般為3mm。

1.5 結(jié)果驗證

將檢測結(jié)果與缺陷解剖結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，比較的項目包括檢出率、缺陷高度測量準(zhǔn)確率以及缺陷定性準(zhǔn)確率。

2 缺陷試樣的TOFD檢測結(jié)果

采用1.3節(jié)所述的檢測工藝，分別對厚度為10，20，40mm的焊接缺陷試樣進(jìn)行對稱非平行掃查，檢測結(jié)果見表1，信號圖見圖2。

表1 焊接缺陷試樣的TOFD檢測結(jié)果

從檢測結(jié)果和信號圖來看，TOFD檢測時可以發(fā)現(xiàn)所有的預(yù)埋缺陷，但同時在40mm厚缺陷試樣中還發(fā)現(xiàn)了一些非預(yù)埋缺陷。最終數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，3塊缺陷試樣中共發(fā)現(xiàn)12個缺陷，其中預(yù)埋缺陷7個，非預(yù)埋缺陷5個。

表1中將所有缺陷按其性質(zhì)分為體積性缺陷和面積性缺陷，當(dāng)在TOFD信號中不能區(qū)分缺陷的上下端點信號時，則將缺陷判定為體積性，如圖3所示，此時B掃圖中無法區(qū)分出缺陷的下端點，而僅能發(fā)現(xiàn)缺陷的反射信號，表1中無數(shù)據(jù)處表示無法測量缺陷自身高度。

圖2 不同厚度焊縫試樣缺陷信號

當(dāng)在TOFD信號中發(fā)現(xiàn)缺陷所在區(qū)域的直通波或者底波中斷，或者能夠清晰分辨缺陷的上下端點信號時，則將缺陷判定為面積性，如圖4（a）～（c）所示。其中圖4（a）所示為上表面開口面積性缺陷，此時A掃信號中的直通波信號會消失，B掃圖像中的直通波信號會中斷，同時可以發(fā)現(xiàn)較弱的下端點衍射信號，衍射信號A掃相位與直通波相同；圖4（b）所示為下表面開口面積性缺陷，此時A掃信號中底面反射信號消失或前移，B掃圖像中能發(fā)現(xiàn)缺陷上端點信號，且上端點信號A掃相位與底波相位相同；圖4（c）所示為埋藏面積性缺陷，此時A掃信號中能夠分別發(fā)現(xiàn)缺陷上、下端點信號，且兩信號相位相反，同時B掃圖像中也能夠同時呈現(xiàn)兩個相位相反的信號。

本次檢測試驗中發(fā)現(xiàn)的面積性缺陷均為表面開口缺陷。

圖3 埋藏缺陷信號特征

圖4 上，下表面開口，及埋藏面積性缺陷信號特征

3 其他檢測方法檢測試驗

3.1 常規(guī)超聲檢測

常規(guī)超聲檢測試驗工藝由檢測人員按照一般原則自行確定，共有5組檢測人員參與了本次檢測，檢測結(jié)果見表2。進(jìn)行常規(guī)超聲檢測時，要求檢測人員根據(jù)自身經(jīng)驗，選擇合適的方法測定缺陷的自身高度，例如端點衍射法或者－6dB法。

3.2 射線檢測

射線檢測的結(jié)果分別見圖5（a）～（c），從射線底片來看，在底片上不能觀察到20mm厚試樣上的埋藏裂紋和未熔合缺陷，以及40mm厚試樣上的橫向裂紋和未焊透。

3.3 磁粉檢測

磁粉檢測采用磁軛法，檢測時分別進(jìn)行橫向和縱向掃查。磁粉檢測在20mm厚缺陷試樣上發(fā)現(xiàn)1處表面縱向裂紋，在40mm厚缺陷試樣上發(fā)現(xiàn)1處表面橫向裂紋，詳見圖6（a）、（b）。

4 缺陷試樣解剖結(jié)果

采用線切割的方式將預(yù)埋缺陷從試樣中取出，取出的部分是一塊包含預(yù)埋缺陷在內(nèi)的長方體，然后再采用線切割的方式垂直于缺陷方向進(jìn)行切片，以獲取缺陷的真實深度及高度尺寸。

缺陷解剖結(jié)果見表3，解剖圖片見圖7（a）～（d）。

表4是缺陷尺寸的設(shè)計值、TOFD測量值以及解剖值對比表。

從解剖情況來看，缺陷的設(shè)計高度與實際高度值偏差較大，缺陷預(yù)埋時的尺寸控制工藝有待改進(jìn)。

表2 試樣缺陷常規(guī)超聲檢測結(jié)果mm

從TOFD測量高度與缺陷解剖高度對比結(jié)果來看，TOFD檢測對于自身高度超過2mm的面積性缺陷，尤其是表面開口的面積性缺陷，缺陷自身高度測量的結(jié)果比較準(zhǔn)確，而對于自身高度小于2mm的面積性缺陷或者體積性缺陷，由于缺陷的上下端點信號較難分辨，高度測量的難度和不準(zhǔn)確度都增大。

圖5 10，20，40mm厚缺陷試樣射線底片

圖6 磁粉檢測20，40mm厚試樣的表面橫向裂紋

5 人為因素對檢測結(jié)果的影響分析

從常規(guī)超聲檢測結(jié)果和TOFD檢測結(jié)果的比較來看，兩者在缺陷定位、定量的準(zhǔn)確性方面存在比較大的偏差。

從不同檢測人員實施常規(guī)超聲檢測和TOFD檢測的結(jié)果來看，常規(guī)超聲檢測的定位、定量結(jié)果也存在很大的差異，而TOFD檢測的定位、定量結(jié)果差異則相對小很多。

將不同檢測人員實施常規(guī)超聲檢測和TOFD檢測的結(jié)果按照定位和高度測量兩項結(jié)果制作成折線圖進(jìn)行對比，圖8為其中一個預(yù)埋缺陷采用不同方法的定位和測高結(jié)果比較圖，從這些圖的對比可以直觀看出，常規(guī)超聲檢測結(jié)果受人為因素影響比較大，而TOFD檢測結(jié)果受人為因素影響明顯要小，在檢測高度大于2mm的面積性缺陷時表現(xiàn)的更為明顯。

表3 焊接缺陷試樣部分缺陷解剖結(jié)果

表4 預(yù)埋缺陷尺寸的設(shè)計值、TOFD測量值以及解剖值對比表

圖7 試樣解剖圖片

圖8 1＃缺陷定位定量比較

6 結(jié)論

（1）TOFD方法能夠檢出缺陷試樣中所有的7處預(yù)埋缺陷，常規(guī)超聲檢測漏檢1處橫向裂紋，射線檢測漏檢1處橫向裂紋、1處埋藏裂紋、1處未熔合以及1處未焊透，磁粉檢測則只能發(fā)現(xiàn)表面開口的1處縱向裂紋和1處橫向裂紋，因此，TOFD方法在缺陷檢出率方面具有比較明顯的優(yōu)勢。

（2）TOFD方法可以比較準(zhǔn)確地測量高度大于2mm的面積性缺陷的自身高度，測量誤差可以達(dá)到－0.2～0.2mm。

（3）通過對TOFD信號特征進(jìn)行分析，檢測人員可以判斷缺陷是體積性還是面積性。

（4）TOFD檢測結(jié)果受人為因素影響的程度明顯低于常規(guī)超聲檢測。

［1］劉富君，丁守寶，胡東明，等.國內(nèi)TOFD檢測技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展［J］.無損檢測，2009，31（10）：19－25.

［2］鄭紅霞，孫忠波.TOFD檢測中掃查方式與檢測盲區(qū)的關(guān)系［Z］.無損檢測，2011，33（5）：43－49.