基于半跨模式波的鋁合金板底面缺陷TOFD 檢測

金士杰，王志誠，田鑫，孫旭，林莉

大連理工大學 無損檢測研究所，大連 116085

鋁合金作為輕質(zhì)合金，比強度和延展性等性能較為優(yōu)異［1-2］，在航空航天領域應用廣泛［3-7］。為避免加工和服役過程中產(chǎn)生缺陷而導致結(jié)構(gòu)失效［8-9］，必須對其實施無損檢測。目前超聲檢測是常用的鋁合金無損檢測方法之一，利用超聲波與缺陷間的相互作用進行缺陷檢測具有高效直觀等特點，超聲檢測具體包括常規(guī)超聲［10］、相控陣超聲［11］、蘭姆波［12］、非線性超聲［13］和超聲衍射時差法（Time-of-Flight Diffraction，TOFD）［14］等。

TOFD 利用缺陷端點產(chǎn)生的衍射波進行定位和定量［15］。如對于厚度為10 mm 和30 mm 的鋁合金板中未熔合、密集氣孔、密集夾渣和裂紋等焊接缺陷，射線檢測只能給出缺陷長度，而TOFD 檢測可同時獲得缺陷長度、深度和高度信息［16］。然而TOFD 近表面盲區(qū)會對工件，尤其是中薄板類工件檢測帶來影響［17］。主要表現(xiàn)在工件厚度方向幾乎完全位于盲區(qū)范圍內(nèi)，直通波與衍射波的混疊導致難以直接采用衍射波進行檢測［18］。研究表明引入其他來自缺陷端點的間接衍射/散射波能有效抑制TOFD 近表面盲區(qū)，這些方法統(tǒng)稱為可替代TOFD 技術［19］。如模式轉(zhuǎn)換波是利用缺陷端點波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的橫波進行檢測，盲區(qū)內(nèi)2 mm 深度底面開口槽的定位誤差為0.24 mm［20-21］。Yeh 等［19］利用在工件底面發(fā)生一次反射和模式轉(zhuǎn)換的LS-L 波（L 為縱波，S 為橫波）檢測近表面缺陷，深度為9 mm 的擴展疲勞裂紋定量誤差為0.2 mm。TOFD-W 則是通過衍射前后的各一次底面反射延長聲程，可實現(xiàn)厚度為18～20 mm 的鋁合金焊縫埋深為1 mm 的人工缺陷的定位檢測［22］。根據(jù)聲傳播路徑和不同的縱、橫波速，這些其他形式的缺陷端點衍射/散射波的傳播聲程長于常規(guī)TOFD 采用的衍射波，避免了與直通波發(fā)生混疊，但仍會受到來自工件底面的反射縱波或反射橫波影響。隨著待測件厚度減小，衍射/散射波的傳播聲時與底面回波逐漸接近，信號容易發(fā)生混疊而導致方法適用性下降。

本文針對鋁合金板底面缺陷首先提出采用TOFD 半跨模式波實施檢測，推導定深公式。然后在此基礎上結(jié)合仿真模擬和實驗對具有不同深度底面缺陷的鋁合金板進行TOFD 掃查和深度定量，驗證方法的可行性。最后討論TOFD 半跨模式波與其他可替代TOFD 技術在鋁合金板底面缺陷檢測時的適用性。

1 TOFD 檢測

如圖1 所示，常規(guī)TOFD 檢測采用一發(fā)一收探頭布置。發(fā)射探頭激勵產(chǎn)生超聲波，接收探頭將先后接收到直通波和缺陷端點衍射波。當探頭對稱置于缺陷上方時可讀取衍射波與直通波傳播時差Δtl，利用式（1）計算缺陷端點埋深d：

式中：cL為材料縱波聲速；S為探頭中心距（Probe Center Separation，PCS）的1/2。

此外接收探頭也會收到來自工件底面的反射回波，但對于圖1 所示缺陷，底面回波傳播路徑被阻擋而導致信號難以接收，對應B 掃查圖像中的底面回波也會發(fā)生間斷。

隨著工件厚度或缺陷到工件表面距離減小，衍射波將會和直通波發(fā)生混疊，導致無法直接讀取時間差，即形成TOFD 檢測盲區(qū)。盲區(qū)深度ddz與直通波脈沖寬度tp、PCS 及材料聲速cL有關，其計算公式為［23］

2 TOFD 半跨模式檢測

TOFD 半跨模式波是一種來自缺陷端點的間接衍射波，也可歸類為可替代TOFD 技術［19］，其檢測原理如圖2 所示［24］。TOFD 檢測時采用B掃查，掃查方向與直通波傳播方向一致。S1和S2分別為缺陷端點到發(fā)射探頭M和接收探頭N的水平距離，缺陷在掃查范圍內(nèi)時滿足S1+S2=2S。此外h為板狀工件厚度。設缺陷端點為O點，其關于工件底面的對稱點為O′。如圖2 所示，常規(guī)TOFD 檢測采用的衍射波傳播路徑為M-O-N。與之相比，半跨模式下的超聲波會在工件底面發(fā)生一次反射［25］，其傳播路徑 為M-P-O-N或M-O-Q-N，其中點P和Q為底面反射點。由于O′為O的對稱點，路徑M-PO的長度等于M-P-O′的長度，且路徑O-Q-N與O′-Q-N的長度一致，則根據(jù)半跨模式波傳播路徑幾何關系，其傳播聲時ths-1和ths-2可分別表示為

圖2 TOFD 半跨模式波檢測示意圖Fig. 2 Schematic diagram of TOFD inspection with half-skip mode wave

在TOFD 掃查過程中S1和S2的值未知，且隨著探頭移動發(fā)生變化。此時可通過讀取不同掃查位置處接收信號中的半跨模式波到達時間反演缺陷深度d與端點橫向距離S1。特別地當發(fā)射和接收探頭對稱置于缺陷端點上方時S1=S2=S。兩種傳播路徑關于垂直缺陷面成軸對稱關系，可將式（3）和式（4）改寫為

由此可得半跨模式波與直通波傳播時差：

當對板狀工件實施B 掃查時，圖像中將同時呈現(xiàn)傳播路徑M-P-O-N或M-O-Q-N的兩種模式波。當TOFD 探頭對稱置于缺陷正上方時兩種模式波傳播時間相等，在B 掃查圖像中相交且式（6）成立。只要從圖像中讀取交點對應時差Δt就可依據(jù)式（6）反演底面缺陷端點埋深d。

3 仿真模擬

使用CIVA 軟件進行仿真模擬，驗證提出的底面缺陷檢測方法。待測鋁合金板厚度為7.0 mm，縱波聲速為6 600 m/s。在其底面設置3 個無寬度的理想垂直面積型缺陷，頂端距工件表面分別為2.0、2.5、3.0 mm，分別記為缺陷1、缺陷2 和缺陷3，缺陷橫向間距為60 mm。仿真模型與圖2 相似，兩探頭分別位于缺陷兩側(cè)進行B掃查，掃查方向與直通波方向一致。采用中心頻率 為10 MHz、直 徑 為7 mm、PCS 為40 mm 的TOFD 探頭，楔塊角度為60°，脈沖寬度視為激勵信號周期的2 倍。由式（2）計算可得盲區(qū)范圍約為5.6 mm，則缺陷端點全部位于盲區(qū)內(nèi)。B 掃查步進為0.5 mm，所得掃查圖像如圖3 所示，其中直通波、缺陷端點衍射波和半跨模式波分別用LW、LL 和HS 表示。

圖3 鋁合金板中不同深度缺陷的TOFD-B 掃查仿真圖像Fig. 3 Simulated TOFD B-scan images for defects with different depths in aluminum alloy plate

由于缺陷位于盲區(qū)范圍內(nèi)，衍射波與直通波發(fā)生混疊，難以直接獲得二者聲時差。與之相比TOFD 底面反射波被底面缺陷阻斷，可識別半跨模式波。對于每個預設缺陷，對應兩組半跨模式波交點處的A 掃描信號如圖4 所示，可確定半跨模式波到達時間。此時缺陷位于探頭連線中垂面正下方，端點衍射波會與直通波混疊，干擾后者到達時間tL的精度讀取。因此，采用B 掃查圖像中無缺陷干擾處的直通波作為定位的參考信號，如圖4 所示。讀取半跨模式波與直通波到達時間計算時差Δt，利用式（6）即可反演得到缺陷端點埋深。結(jié)果顯示缺陷1～缺陷3 的計算深度分別為1.98、2.48、3.04 mm，相對測量誤差不超過1.32%。

圖4 模擬參考直通波及不同深度缺陷的A 掃描信號Fig. 4 Simulated reference lateral wave and A-scan signals for defects with different depths

4 實驗結(jié)果與分析

如圖5 所示，實驗對象為厚度7.0 mm 的鋁合金板。在工件底面每隔60 mm 加工1 個底面開口槽，從左至右分別記為缺陷4～缺陷6，其端點埋藏深度分別為2.0、2.5、3.0 mm。檢測時采用的TOFD 探頭中心頻率為10 MHz、直徑為7 mm、PCS 為40 mm、楔塊角度為60°。沿工件表面從左至右依次對各缺陷進行B 掃查，掃查步進為0.5 mm，獲得對應的掃查圖像如圖6 所示。

圖5 不同深度底面缺陷的鋁合金板Fig. 5 Aluminum alloy plate with bottom defects of different depths

圖6 鋁合金板中不同深度缺陷的實驗TOFD-B 掃查圖像Fig. 6 Experimental TOFD B-scan images for defects with different depths in aluminum alloy plate

由圖6 給出的B 掃查圖像可知3 個缺陷的衍射波都與直通波發(fā)生混疊，而在直通波下方可清晰觀察到兩組半跨模式波。分別提取各缺陷半跨模式波交點處的A 掃描信號及無缺陷情況下的直通波，如圖7 所示。其中半跨模式波與直通波完全分離，且相位與直通波相反，易于識別。讀取直通波傳播聲時為10.89 μs，缺陷4～缺陷6 的半跨模式波傳播聲時分別為11.41、11.37、11.35 μs。計算可得3個缺陷的埋深分別為1.98、2.66、3.04 mm，結(jié)果表明半跨模式法能定位盲區(qū)內(nèi)埋深不小于2.0 mm 的缺陷，即將盲區(qū)范圍從5.6 mm 減小至2.0 mm 以內(nèi)，抑制效果達約64%。對于埋深不小于2.0 mm 的缺陷，利用半跨模式波的深度測量誤差不超過6.32%。

圖7 實驗參考直通波及不同深度缺陷的A 掃描信號Fig. 7 Experimental reference lateral wave and A-scan signals for defects with different depths

5 討 論

采用的TOFD 半跨模式波法屬于一種可替代TOFD 技術，通過延長關注信號聲程避免缺陷波與直通波混疊，從而實現(xiàn)鋁合金板底面缺陷深度定位?；趯嶒灆z測結(jié)果進一步對比半跨模式波法與其他可替代TOFD 技術［19-20］，分析該方法在底面缺陷檢測時的優(yōu)勢。

以深度為2.0 mm 的底面缺陷為例，圖8 給出了更大時間范圍（10～12 μs）內(nèi)的TOFD 實驗B掃查圖像。其中位于缺陷下方兩側(cè)產(chǎn)生的模式轉(zhuǎn)換波（L-S）均與底面反射縱波發(fā)生混疊，難以讀取到達時間；經(jīng)兩次底面反射的TOFD-W 波位于缺陷端點下方，但波幅較半跨模式波低18 dB，難以從掃查圖像中辨認。相比之下半跨模式波距直通波最近，易于識別和辨認且位于斷開的底波之間，避免了與其他信號發(fā)生耦合。

圖8 埋深2.0 mm 缺陷的TOFD-B 掃查圖像（10～12 μs）Fig. 8 TOFD B-scan image for defect with depth of 2.0 mm （10～12 μs）

一般來說，可替代TOFD 技術中采用的端點衍射/散射波與直通波的傳播時差ΔT越小越不容易被后續(xù)信號干擾。前期研究表明模式轉(zhuǎn)換波傳播路徑與樣品厚度無關，傳播聲時僅長于端點衍射波，與其他衍射/散射波相比更易從A 掃描信號或B 掃查圖像中識別［20］。模式轉(zhuǎn)換波傳播路徑為圖2 中的M-O-N，其中M-O段為縱波，O-N段為橫波，總聲時為

式中：cS為材料橫波聲速。

在此基礎上比較模式轉(zhuǎn)換波與半跨模式波到直通波的聲時差ΔT。以實驗中的端點深度為2.0 mm 缺陷為例，在檢測頻率和PCS 不變的前提下給出兩種情況下時差ΔT與工件厚度h的關系如圖9 所示。由于模式轉(zhuǎn)換波的聲程與工件厚度無關，對應ΔT為常數(shù)0.58 μs。相比之下，跨模式波的ΔT隨工件厚度的減小而減小。當厚度小于7.4 mm 時半跨模式波的ΔT較模式轉(zhuǎn)換波更小，即接收信號和掃查圖像中的半跨模式波更接近直通波。同時由圖8 可知隨著待測板厚度降低，模式轉(zhuǎn)換波逐漸與較強的底面反射波耦合，不利于信號識別與到達時間讀取。因此當待測鋁合金板較薄時采用半跨模式波進行檢測更有利于缺陷識別和定位。

圖9 缺陷端點衍射/散射波到直通波時差ΔT 與工件厚度h 關系Fig.9 Relationship between time difference ΔT from defect tip-diffracted/scattered wave to lateral wave and workpiece thickness h

需要指出的是，隨著工件厚度不斷減小，直通波、衍射波、底面波與半跨模式波的時間間隔逐漸減小并可能發(fā)生耦合?？紤]底面缺陷檢測時底面波發(fā)生阻斷，則半跨模式波不與耦合的直通波和衍射波混疊時即可利用半跨模式波進行缺陷定量檢測。仍以仿真和實驗部分埋深為2.0、2.5、3.0 mm 的缺陷為例，在探頭頻率為10 MHz、PCS=40 mm 的檢測條件下不同厚度鋁合金板對應的半跨模式波交點與直通波的理論傳播時差Δt如圖10 所示。圖10 給出了不同深度缺陷衍射波（脈沖寬度為兩個周期）結(jié)束時間到直通波的時差ΔtP。當半跨模式波交點不與衍射波混疊時滿足Δt＞ΔtP，則由圖10 可得鋁合金板厚度h＞3.8 mm、h＞4.2 mm 和h＞4.5 mm 時分別適合埋深2.0、2.5、3.0 mm 缺陷的定量檢測。檢測的厚度為7.0 mm 的鋁合金板是滿足該范圍的。

圖10 半跨模式波到直通波時差Δt 與工件厚度h 關系Fig.10 Relationship between time difference Δt from half-skip mode wave to lateral wave and workpiece thickness h

最后在半跨模式波法實施過程中，試塊表面粗糙度和耦合層厚度等因素均會對接收信號產(chǎn)生影響。其中表面粗糙度過高導致耦合變差，使直通波和半跨模式波波幅減弱，影響信號到達時間準確讀取；耦合層厚度增加會導致各信號到達時間增加，特別是兩個楔塊耦合層厚度不一致時B掃查圖像中的信號特征發(fā)生改變，各計算公式中的時差偏離真實值。這些因素都會導致缺陷深度定量誤差增大。因此實驗前應對工件掃查面進行打磨拋光，降低粗糙度，并讓TOFD 楔塊與待測樣品表面充分耦合接觸，盡量減小耦合層厚。

6 結(jié) 論

1）具有較長傳播聲時的TOFD 半跨模式波能避免與直通波發(fā)生混疊，可結(jié)合其傳播特征有效抑制TOFD 檢測盲區(qū)。

2）仿真和實驗結(jié)果表明采用半跨模式波可將厚度為7.0 mm 鋁合金板的TOFD 盲區(qū)抑制64%以上，且埋深不小于2.0 mm 的底面缺陷定位誤差不超過6.32%。

3）當待檢鋁合金板較薄時相較于模式轉(zhuǎn)換波等可替代TOFD 技術，半跨模式波離直通波最近且受底面波干擾較小，適用性相對更強。