基于回波信號(hào)的縱橫波幅度相對(duì)量的缺陷性質(zhì)判定

虞雪芬，戈 浩，金南輝

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州310000）

超聲檢測(cè)是五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法之一，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)、特種設(shè)備等領(lǐng)域。檢測(cè)過(guò)程中，通常需要對(duì)超聲檢測(cè)出的缺陷進(jìn)行定位、定量和定性，進(jìn)而判斷其危害程度。超聲檢測(cè)（超聲A掃描、超聲衍射時(shí)差法、超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)）時(shí)，通過(guò)對(duì)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，一般都能夠較準(zhǔn)確測(cè)定缺陷的位置。在缺陷定量方面，超聲A掃描和超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)一般是通過(guò)對(duì)比自然缺陷與參考反射體回波幅度的差異對(duì)缺陷進(jìn)行定量，是一種半定量的方法；而TOFD（超聲衍射時(shí)差法）技術(shù)不是利用缺陷回波的幅度，而是利用缺陷上下端點(diǎn)衍射時(shí)間的差異對(duì)缺陷的尺寸進(jìn)行測(cè)量，提高了對(duì)缺陷尺寸定量的準(zhǔn)確度。但是這幾種超聲檢測(cè)方法，都難以準(zhǔn)確判定缺陷的性質(zhì)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730－2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》和DL/T 820－2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)缺陷性質(zhì)的判定，超聲A掃描技術(shù)可以將探頭沿不同方向掃查，觀察回波的動(dòng)態(tài)波形以判斷缺陷的性質(zhì)，但具有很大的主觀性；在進(jìn)行TOFD和超聲相控陣的檢測(cè)時(shí)，可以根據(jù)超聲A掃描的波形以及缺陷的圖像特征判定缺陷的性質(zhì)，也具有很大的主觀性。

在超聲檢測(cè)中，不管是縱波還是橫波入射，聲波遇到缺陷后都會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，缺陷的回波信號(hào)中都會(huì)有縱波、橫波、瑞麗波等分量，這在應(yīng)崇福等的光彈方面研究論文[1－3]中得到證實(shí)。目前的缺陷性質(zhì)判定方法，大多只是利用缺陷回波的一種波型（縱波或橫波）信號(hào)判定缺陷性質(zhì)，這主要是由于楔塊角度的限制。采用同一個(gè)探頭激勵(lì)和接收超聲波，所接收到的特定波型分量的幅度遠(yuǎn)高于其他波型分量。例如，超聲A掃描檢測(cè)（橫波檢測(cè)）時(shí)，是利用缺陷的橫波回波信號(hào)判定缺陷性質(zhì)的；TOFD檢測(cè)時(shí)，是利用缺陷的縱波回波信號(hào)對(duì)缺陷性質(zhì)進(jìn)行判定的；超聲相控陣檢測(cè)（橫波檢測(cè)）時(shí)，根據(jù)缺陷反射的橫波信號(hào)對(duì)缺陷性質(zhì)進(jìn)行判定。實(shí)際上，上述超聲檢測(cè)技術(shù)只是利用缺陷回波的一種波型信號(hào)判定缺陷性質(zhì)，會(huì)丟失很多其他波型的有用信息。

超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，探頭的激勵(lì)和接收參數(shù)可以分別進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)設(shè)置不同通道的延遲、聲速，選擇性地接收某種波型（縱波或者橫波）。筆者提出橫波入射時(shí)，可通過(guò)檢測(cè)參數(shù)的適當(dāng)設(shè)置，分別接收缺陷回波的縱波分量和橫波分量，利用縱波和橫波相對(duì)量的大小，區(qū)分出面積性缺陷和體積性缺陷，這為超聲檢測(cè)判定缺陷性質(zhì)提供了一種新的途徑。

1 不同性質(zhì)缺陷回波中縱橫波分量的CIVA軟件仿真

利用CIVA仿真軟件，設(shè)定鋼制試樣尺寸為300 mm×200 mm×100 mm。在試樣中心分別設(shè)置一個(gè)φ5 mm氣孔和一個(gè)裂紋缺陷（長(zhǎng)6 mm，高1 mm），分別用于模擬體積性缺陷和面積性缺陷，如圖1所示。設(shè)定相控陣探頭晶片數(shù)32，晶片間距0.6 mm，晶片長(zhǎng)度10 mm，相控陣探頭激勵(lì)和接收分開(kāi)進(jìn)行設(shè)置，激勵(lì)和接收的聚焦位置都設(shè)定為缺陷位置。相控陣探頭激勵(lì)時(shí)發(fā)出超聲橫波，接收時(shí)分別設(shè)置為橫波和縱波模式。橫波接收模式下，以缺陷位置為接收聚焦的焦點(diǎn)，再根據(jù)橫波聲速，設(shè)定各接收晶片的接收延遲時(shí)間τs；縱波接收模式下，以缺陷位置為接收聚焦的焦點(diǎn)，再根據(jù)縱波聲速設(shè)定各接收晶片的接收延遲時(shí)間τL。不同缺陷和不同接收模式下得到的信號(hào)波形如圖2所示。圖2中，裂紋－橫波接收 －0.195 points表示模擬的裂紋缺陷，采用橫波模式接收，得到的信號(hào)最高幅度為0.195points，其中points是CIVA軟件中的信號(hào)幅度單位。

圖1 CIVA仿真模型

圖2 不同缺陷，不同接收模式獲得的波形

檢測(cè)面積性缺陷時(shí)，縱波和橫波最大幅度分貝數(shù)之差約為－16 dB；檢測(cè)體積性缺陷時(shí)，縱波和橫波最大幅度之差約為－32.6 dB。由于CIVA軟件仿真時(shí)所設(shè)置的裂紋和氣孔缺陷的表面都是光滑的，與實(shí)際情況有差異，因此不同類型的缺陷，橫波入射時(shí)，接收到的縱波和橫波之間分貝數(shù)的差值需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。

2 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

為了驗(yàn)證CIVA軟件仿真得到的結(jié)果，對(duì)試樣中的不同類型缺陷進(jìn)行試驗(yàn)分析。試樣1為30 mm厚的鋼板對(duì)接焊縫，其中有兩個(gè)模擬缺陷：缺陷1為夾渣缺陷，長(zhǎng)34 mm、寬3 mm，用于模擬體積性缺陷；缺陷2為未焊透缺陷，長(zhǎng)19 mm、寬0.5 mm，用于模擬面積性缺陷。試樣2為20 mm厚的平板對(duì)接焊縫，其中有兩個(gè)缺陷，一個(gè)為氣孔缺陷，另一個(gè)為未熔合缺陷。試樣3為20 mm厚的對(duì)接焊縫平板，焊縫上表面分別有兩個(gè)裂紋。試樣4為20 mm厚的平板對(duì)接焊縫，焊縫中有個(gè)刻槽，高5 mm、寬0.2 mm、長(zhǎng)20 mm。除此之外，還對(duì)CSK－ⅡA試塊中直徑2 mm的橫通孔和RB試塊中直徑3 mm的橫通孔進(jìn)行分析，檢測(cè)和分析結(jié)果如圖3～10所示。

圖3 試樣1的射線檢測(cè)結(jié)果

圖4 試樣1中不同缺陷的分析結(jié)果

圖5 試樣2的射線檢測(cè)結(jié)果

圖6 試樣2中不同缺陷的分析結(jié)果

圖7 試樣3的TOFD檢測(cè)結(jié)果

圖8 試樣3中不同缺陷的分析結(jié)果

圖9 試樣4中刻槽缺陷的分析結(jié)果

每個(gè)缺陷回波的分析結(jié)果中，上方的波形為接收到的橫波信號(hào)，下方波形為接收到的縱波信號(hào)，回波中縱波分量和橫波分量dB數(shù)之差用符號(hào)KIs表示。試樣中各個(gè)缺陷的KIs值如表1所示。

從測(cè)得的結(jié)果可以看到：體積性缺陷的KIs值都小于等于－25 dB，面積性缺陷的KIs值都大于－20 dB，與CIVA軟件的模擬結(jié)果吻合。實(shí)際檢測(cè)對(duì)缺陷性質(zhì)判定時(shí)，KIs不大于－25 dB時(shí)，判定為體積性缺陷；KIs大于－20 dB時(shí)，判定為面積性缺陷。

圖10 不同直徑橫通孔的分析結(jié)果

表1 不同類型缺陷對(duì)應(yīng)的KIs值 dB

3 結(jié)果分析

基于回波縱波、橫波幅度相對(duì)量判定缺陷性質(zhì)時(shí)，首先設(shè)置超聲相控陣為單晶片模式，找到最高缺陷回波，保持探頭不動(dòng)，將激勵(lì)和接收聲束的焦點(diǎn)設(shè)置為缺陷位置，通過(guò)改變聲速，分別接收缺陷回波的縱波和橫波信號(hào)，比較縱波和橫波相對(duì)量的大小。

假定試樣中存在一個(gè)缺陷，如圖11所示。缺陷是夾渣（體積性缺陷）或者相同尺寸的裂紋（面積性缺陷）。由于缺陷尺寸相同，反射橫波的幅度相當(dāng)，但是缺陷邊緣的銳利程度不同，導(dǎo)致裂紋缺陷的回波信號(hào)中縱波分量比夾渣高。需要指出的是，由于聲束是聚焦的，探頭只能接收到聲束覆蓋范圍內(nèi)的缺陷回波信號(hào)，缺陷長(zhǎng)度的影響不大。同時(shí)，缺陷高度方向的尺寸不能太大，缺陷應(yīng)當(dāng)在聚焦聲束的范圍內(nèi)，否則接收不到波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的縱波信號(hào)，影響判定結(jié)果。

圖11 橫波入射時(shí)，缺陷回波中含縱波、橫波分量原理示意

4 結(jié)論

CIVA軟件模擬仿真以及對(duì)模擬缺陷的檢測(cè)試驗(yàn)表明：面積性缺陷和體積性缺陷的回波信號(hào)中，縱波分量和橫波分量幅度的相對(duì)量有差異，可以通過(guò)相對(duì)量的大小，判定缺陷是面積性缺陷還是體積性缺陷。

[1]應(yīng)崇福，張守玉，王麗生.固體中圓柱形空腔上爬波的光彈法試驗(yàn)研究[J].中國(guó)科學(xué)，1981（6）：681－686.

[2]沈建中，應(yīng)崇福.掠入射脈沖縱波在帶形裂縫上的散射——光彈方法試驗(yàn)驗(yàn)證 [J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，1989，14（3）：216－219.

[3]沈建中，李明軒，應(yīng)崇福.固體中帶狀裂縫散射聲場(chǎng)的光彈方法觀測(cè)[J].中國(guó)科學(xué)，1986（4）：399－407.