TOFD檢測技術(shù)中聲束交點(diǎn)位置的探討

王 東,劉禮良,李付良,高杰宗

(1.中廣核工程有限公司, 深圳 518124; 2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029;3.國家市場監(jiān)督管理總局無損檢測與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

TOFD檢測技術(shù)中，聲束交點(diǎn)的選擇會(huì)影響衍射聲場覆蓋的檢測區(qū)域及掃查面盲區(qū)的大小，該參數(shù)對(duì)TOFD檢測結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。國內(nèi)外TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)中，推薦的探頭中心間距設(shè)置方法一般有如下幾類：① 使探頭對(duì)的聲束交點(diǎn)位于其所檢測最大深度的2/3處(如標(biāo)準(zhǔn)BS 7706：1993，BS DD CEN/TS 14751:2004，NB/T 47013.10-2015)；② 使探頭對(duì)的聲束交點(diǎn)位于缺陷可能發(fā)生的區(qū)域(標(biāo)準(zhǔn)BS DD ENV 583-6-2000)；③ 應(yīng)在試塊上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)以確定探頭對(duì)的聲束交點(diǎn)位置(如標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2373-04-2004)。

基于仿真技術(shù)對(duì)不同聲束交點(diǎn)衍射聲場的分布情況進(jìn)行分析，綜合考量有效聲場對(duì)檢測區(qū)域的覆蓋及掃查面盲區(qū)兩個(gè)因素，并采用不同聲束交點(diǎn)下的探頭中心間距在試塊上進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證聲束交點(diǎn)對(duì)檢測結(jié)果的影響。

1 聲場仿真分析

針對(duì)尺寸為457 mm×40 mm(長×寬)的工件進(jìn)行建模，焊縫工藝參數(shù)為：坡口角度為30°；間隙為2 mm；鈍邊高度為1 mm。選用標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10-2015中的推薦參數(shù)設(shè)置探頭頻率為5 MHz,晶片尺寸為φ6 mm，楔塊角度為65°，聲束交點(diǎn)深度分別選擇在0.5T(T工件厚度)，0.55T，0.6T，2/3T的位置，依次進(jìn)行聲場仿真分析，探頭中心間距(PCS)選擇如表1所示。

表1 仿真分析選擇的PCS mm

對(duì)上述仿真參數(shù)進(jìn)行CIVA軟件仿真計(jì)算,得到不同PCS及交點(diǎn)深度的仿真分析圖譜如圖1所示,圖中黑線區(qū)域?yàn)楹缚p及焊縫熱影響區(qū)，紅線區(qū)域?yàn)?12 dB聲場范圍；圖2所示為探頭聲束交點(diǎn)中心能量分布曲線。通過軟件分析-12 dB聲束在工件中的覆蓋范圍，分析結(jié)果如表2所示。

圖1 不同PCS及交點(diǎn)深度的仿真分析圖譜

圖2 探頭中心能量分布曲線

表2 -12 dB聲場覆蓋分析結(jié)果

分析圖1，2與表2可知，聲束交點(diǎn)深度在0.5T與0.55T的位置，檢測區(qū)域不能覆蓋底面區(qū)域;交點(diǎn)在0.6T與2/3T位置時(shí)，均能在-12 dB聲束覆蓋范圍內(nèi)有效覆蓋檢測區(qū)域，上表面盲區(qū)隨著聲束交點(diǎn)的位置下移而增大，探頭聲束交點(diǎn)中心能量不斷減小。對(duì)比分析可知，聲束交點(diǎn)在0.6T位置較2/3T位置的上表面盲區(qū)更小，探頭聲束交點(diǎn)中心能量大于1.4 dB，在檢測區(qū)域能更有效地利用聲場能量，分辨率更好。

2 TOFD檢測掃查面盲區(qū)的測量

2.1 TOFD上表面盲區(qū)

TOFD檢測技術(shù)存在上表面盲區(qū)，根據(jù)選擇工藝參數(shù)的不同，盲區(qū)大小也不同。筆者通過試驗(yàn)的方式實(shí)測聲束交點(diǎn)在工件不同位置的上表面掃查面盲區(qū)。

選用奧林巴斯的OMINISCAN MX型的TOFD設(shè)備，其探頭頻率為5 MHz,晶片尺寸為φ6 mm，楔塊角度為65°，選擇探頭中心間距分別為103 mm與114 mm;聲束交點(diǎn)深度分別為0.6T和2/3T，并進(jìn)行試驗(yàn)。試塊選用帶不同深度刻槽和側(cè)孔的試塊(見圖3)，實(shí)測結(jié)果如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)試塊結(jié)構(gòu)三視圖

圖4 盲區(qū)實(shí)測圖譜

圖4(a)中PCS為103 mm，圖譜中左邊為最小可見埋深為5 mm的槽，右邊可見φ7 mm側(cè)孔；圖4(b)中PCS為114 mm，圖譜中左邊為最小可見埋深為5 mm的槽，右邊可見φ8 mm側(cè)孔。試驗(yàn)分析結(jié)果如表3所示。

從表3分析可知，隨著聲束交點(diǎn)深度的增加，TOFD檢測上表面盲區(qū)也逐漸增大。同時(shí)隨著PCS的不斷增大，檢測分辨率降低，進(jìn)而導(dǎo)致盲區(qū)增大。

表3 不同參數(shù)設(shè)置的試驗(yàn)分析結(jié)果 mm

2.2 TOFD底面盲區(qū)

底面盲區(qū)分為焊縫中心底面盲區(qū)和軸偏離盲區(qū)[1]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫中心底面盲區(qū)一般情況下應(yīng)不大于1 mm。底面盲區(qū)主要為軸偏離盲區(qū)Δh，其計(jì)算公式為

(1)

式中:T為工件厚度；s為探頭中心距的一半；x為軸偏離值。

運(yùn)用式(1)分別計(jì)算聲束交點(diǎn)深度在0.6T與2/3T位置的底面盲區(qū)高度理論值，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同PCS底面盲區(qū)理論值

從表4分析可知，隨著聲束交點(diǎn)深度的增加，底面盲區(qū)不斷減小，但減小的幅度較小，底面盲區(qū)高度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

此外，該探頭的-12 dB聲束擴(kuò)散角的測量結(jié)果為41.5°88.1°。從實(shí)測結(jié)果進(jìn)一步分析，-12 dB聲束范圍能覆蓋底面檢測區(qū)域。

3 模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)設(shè)備與器材選用上述TOFD設(shè)備與探頭，模擬試驗(yàn)采用尺寸為φ457 mm×40 mm(直徑×壁厚)的模擬試塊，在模擬試塊中，制作了5處缺陷，模擬試塊實(shí)物如圖5所示。

圖5 模擬試塊實(shí)物

分別采用聲束交點(diǎn)深度在2/3T處與優(yōu)化后的聲束交點(diǎn)深度在0.6T處的檢測工藝在模擬試塊上進(jìn)行檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 模擬試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比分析可知，兩種工藝參數(shù)設(shè)置均能有效檢出缺陷，在探頭設(shè)備相同，檢測靈敏度相同的情況下，聲束交點(diǎn)深度在0.6T位置的圖譜中底波能量比2/3T位置的能量更強(qiáng)；對(duì)于1#，4#，5#缺陷,兩種工藝參數(shù)設(shè)置檢測效果基本相當(dāng)；對(duì)于2#缺陷，聲束交點(diǎn)在0.6T位置的分辨率比2/3T位置的更好，

檢測效果更好；對(duì)于3#缺陷，聲束交點(diǎn)在0. 6T位置，缺陷與直通波可完全分開，而2/3T位置的圖譜中缺陷與直通波無法完全分開，因此0.6T位置較2/3T位置而言，缺陷測量結(jié)果準(zhǔn)確度更優(yōu)。試驗(yàn)結(jié)果證明，聲束交點(diǎn)深度優(yōu)化后的檢測工藝有利于缺陷的檢出，檢測分辨率更好。

4 結(jié)論

(1) 軟件仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，聲束交點(diǎn)深度在0.6T位置較2/3T位置而言，-12 dB聲場能量在檢測區(qū)域范圍內(nèi)能得到更好的利用，探頭聲束交點(diǎn)位置中心能量更大，上表面盲區(qū)較小，檢測效果更好。

(2) 根據(jù)不同檢測對(duì)象及焊縫結(jié)構(gòu)，選用性能參數(shù)不同的探頭時(shí)，建議可對(duì)聲束交點(diǎn)深度位置進(jìn)行優(yōu)化，以提高檢測質(zhì)量。