超聲波衍射時(shí)差法掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊

裴延?xùn)|，楊興斌，張佳臣，馬昌全

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 鄭州國(guó)電機(jī)械設(shè)計(jì)研究所有限公司，鄭州 450046)

超聲衍射時(shí)差法(TOFD)檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)效率高、定量準(zhǔn)確、精度高、檢測(cè)結(jié)果直觀、檢測(cè)時(shí)無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在國(guó)內(nèi)工業(yè)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。準(zhǔn)確確定掃查面盲區(qū)、減小掃查面盲區(qū)是TOFD技術(shù)避免漏檢的關(guān)鍵因素之一，因此在制定工藝時(shí)必須仔細(xì)考慮盲區(qū)的問(wèn)題[1]。

NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn) 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》 中提出了對(duì)盲區(qū)的控制要求，并規(guī)定了采用掃查面盲區(qū)試塊。文中提出了一種新型的TOFD技術(shù)掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊，該試塊為制定檢測(cè)工藝時(shí)確定掃查面盲區(qū)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

1 TOFD技術(shù)的掃查面盲區(qū)特征

TOFD檢測(cè)技術(shù)采用探頭對(duì)一發(fā)一收的放置方法來(lái)控制發(fā)射短脈沖，通過(guò)計(jì)算遇到缺陷尖端轉(zhuǎn)變的衍射信號(hào)到達(dá)時(shí)間來(lái)分析缺陷的位置及大小。受信號(hào)脈沖寬度的限制，近表面缺陷的端點(diǎn)衍射波與直通波發(fā)生重疊，形成掃查面盲區(qū)，導(dǎo)致缺陷定位困難。

盲區(qū)深度為d，聲速為c，探頭中心距為2S，直通波的傳輸時(shí)間TL=2S/c，直通波脈沖時(shí)間寬度Tp可從振幅的10%處截取得到，一般情況下取直通波兩倍周期，則盲區(qū)的深度d可按式(1)算出。目前，通過(guò)優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)(減小探頭中心距、提高探頭頻率等)來(lái)控制掃查面盲區(qū)，但上述參數(shù)無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)都無(wú)法使盲區(qū)減小到可忽略的程度。由于掃查面盲區(qū)較大，實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要采取其他有效措施解決掃查面盲區(qū)內(nèi)缺陷漏檢的問(wèn)題[2]。

(1)

2 掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊

NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)要求使用掃查面盲區(qū)高度測(cè)定試塊來(lái)確定初始掃查面盲區(qū)的高度[3]。

該試塊上有距離掃查面不同深度、不同長(zhǎng)度的8個(gè)φ2 mm橫孔，從標(biāo)準(zhǔn)中可以看出對(duì)試塊加工工藝有很高的要求，這些橫孔孔徑較小且長(zhǎng)度較長(zhǎng)。

3 新型TOFD掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊

設(shè)計(jì)的新型TOFD掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊采用深度連續(xù)變化的矩形槽(見(jiàn)圖1)。該試塊所用材料需經(jīng)過(guò)MT(磁粉檢測(cè))、UT(超聲檢測(cè))、PAUT(相控陣超聲檢測(cè))等方法嚴(yán)格檢測(cè)，試塊聲束通過(guò)區(qū)不得有大于等于φ2 mm的平底孔當(dāng)量的缺陷存在。該對(duì)比試塊采用電火花數(shù)控線切割機(jī)床加工而成，加工工藝簡(jiǎn)單，成本較低，數(shù)控加工精度可控，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比驗(yàn)證的需要。有條件的情況下，可以在試塊上表面刻上長(zhǎng)度，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度位置處盲區(qū)的高度。

圖1 新型TOFD掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)示意

制作方法及要求：加工如圖1所示的人工缺陷試塊，試板厚度T不小于20 mm，對(duì)比試塊應(yīng)選用聲學(xué)性能與工件相同或相似的母材。采用電火花數(shù)控線切割機(jī)床從鋼板下表面向鋼板上表面切割一個(gè)矩形槽，矩形槽高度為2 mm，矩形槽的長(zhǎng)度不小于100 mm，矩形槽缺陷距離鋼板上表面最小高度為0 mm，最大高度Y不小于10 mm，且該矩形槽與鋼板上表面成一定夾角X(推薦夾角為2°～8°)。需要保證人工缺陷與試塊上表面夾角X為已知角度，以便于后期的驗(yàn)證計(jì)算。

4 兩種對(duì)比試塊的比較

在使用NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)要求的掃查面盲區(qū)高度對(duì)比試塊時(shí)，除規(guī)定深度的盲區(qū)能夠準(zhǔn)確對(duì)比外，其余深度的掃查面盲區(qū)只能粗略判定，不能對(duì)具體技術(shù)檢測(cè)條件下掃查面對(duì)應(yīng)的盲區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。該試塊的盲孔必須一次性加工成型，因?yàn)槊恳淮毋@孔后會(huì)在孔壁上留下細(xì)微的臺(tái)槽[3]。加工出符合要求的高精度盲孔試塊的加工成本較高，且需要多張圖譜才能驗(yàn)證當(dāng)前參數(shù)下的盲區(qū)范圍。

新設(shè)計(jì)的TOFD掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊利用三角關(guān)系計(jì)算人工缺陷至試塊表面的高度和該人工缺陷垂直的高度，可以驗(yàn)證掃查面盲區(qū)真實(shí)準(zhǔn)確的深度數(shù)據(jù)，而且能夠驗(yàn)證任何檢測(cè)條件下實(shí)際盲區(qū)的大小。該試塊加工制作工藝簡(jiǎn)單、成本低，操作性強(qiáng)、重復(fù)性強(qiáng)，掃查面盲區(qū)深度覆蓋范圍大。

5 新型TOFD掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊驗(yàn)證試驗(yàn)

筆者制作了新型TOFD掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊，該試塊采用線徑為0.12 mm的電火花數(shù)控線切割機(jī)床加工而成，人工缺陷(槽)寬度、高度均為2 mm，試塊規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為200 mm×250 mm×24 mm，人工槽角度為8°。使用OmniScan MX2型檢測(cè)設(shè)備，配置10 MHz,φ6 mm探頭對(duì)，楔塊角度為60°，在此配置下，采用非平行掃查的方式，檢測(cè)數(shù)據(jù)圖譜如圖2所示。根據(jù)式(1)，直通波時(shí)間寬度Tp取1.5個(gè)周期(0.15 μs)，聲速c=5.95 mm·μs-1，可以計(jì)算出掃查面盲區(qū)深度d。通過(guò)直通波去除后的圖譜驗(yàn)證，可以得到人工缺陷的最小深度為d1。該人工缺陷可以清晰地顯示在圖譜中。

圖2 新型TOFD掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊檢測(cè)圖譜

6 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)際驗(yàn)證

筆者采用制作的試塊，分別對(duì)26,40 mm厚的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊縫進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證，使用OmniScan MX2型檢測(cè)設(shè)備，配置10 MHz,φ6 mm探頭對(duì)，楔塊角度為60°，采用非平行掃查方式，直通波時(shí)間寬度Tp取1.5個(gè)周期(0.15 μs)，縱波聲速c為5.95 mm·μs-1，根據(jù)式(1)計(jì)算理論盲區(qū)數(shù)值d，用對(duì)比試塊驗(yàn)證的盲區(qū)深度為d1，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊縫盲區(qū)深度為d2，對(duì)以上3個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(見(jiàn)表1)。

表1 檢測(cè)技術(shù)相同時(shí)不同探頭中心距對(duì)應(yīng)的盲區(qū)參數(shù) mm

通過(guò)表1和圖3,4分析可知，在上述檢測(cè)參數(shù)下，式(1)計(jì)算的盲區(qū)與人工對(duì)比試塊得到的盲區(qū)，以及真實(shí)缺陷盲區(qū)深度在數(shù)值上有差別，但是相差不大。有文獻(xiàn)指出實(shí)際測(cè)量的盲區(qū)深度與理論計(jì)算的盲區(qū)深度并不一致，前者比后者要大[1]，這個(gè)觀點(diǎn)在表1中也得到了證實(shí)。實(shí)際焊縫的盲區(qū)數(shù)值要稍小于對(duì)比試塊的盲區(qū)數(shù)值，但是差別很小。從數(shù)據(jù)上看，檢測(cè)前采用該對(duì)比試塊驗(yàn)證可以較為精準(zhǔn)地得到當(dāng)前檢測(cè)參數(shù)下的掃查面盲區(qū)深度。

圖3 探頭中心距為60 mm的掃查面盲區(qū)

圖4 探頭中心距為92 mm的掃查面盲區(qū)

7 結(jié)語(yǔ)

(1) 新型掃查面盲區(qū)對(duì)比試塊的制作工藝簡(jiǎn)單，試塊精度容易保證，且制作成本較低，可以驗(yàn)證任何檢測(cè)條件下掃查面盲區(qū)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

(2) 通過(guò)驗(yàn)證人工缺陷得到的掃查面盲區(qū)深度，可以為掃查面盲區(qū)補(bǔ)充檢測(cè)方法的選擇提供依據(jù)。

(3) 新型試塊可以驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的性能，即圖譜顯示盲區(qū)深度與實(shí)際位置人工孔高度是否一致。

(4) 從圖2可以推測(cè)，如果將人工缺陷深度加工到工件的全厚度，該試塊同樣可以驗(yàn)證檢測(cè)參數(shù)下初始底面盲區(qū)的大小。