超声TOFD检测原理探析

梁玉梅,王 琳,王彦启

(山东科捷工程检测有限公司,济南 250100)

脉冲衍射时差法超声探伤(TOFD),辅以脉冲反射法超声探伤(UT),正作为射线探伤(RT)的一种替代方法,在我国处于试应用阶段。笔者学习了相关资料,从应用入门角度,撰写此文,以期在探讨中提高。

1 方法概述

常规超声探伤方法原理名称为“A型脉冲反射法”。该方法使用一个单发收探头,发出脉冲超声纵波,利用折射横波声轴(波束的中心波线)扫查焊缝横截面,遇到缺陷,产生基本按原路返回的反射脉冲横波,通过示波屏的A型显示发现缺陷。

TOFD法全称为A型脉冲衍射时差法。这种方法使用一发一收相对倾斜的两个探头(即探头对),垂直横跨焊缝放置,一个探头发出脉冲超声纵波,利用折射纵波声束扫查焊缝横截面,遇到缺陷,在缺陷端部(边界)产生近似柱面波或球面波的衍射脉冲纵波,接收探头从不同方向上都可能接收到这个信号,通过示波屏的A型显示发现它,并且随着探头沿焊缝长度方向移动。把无数个A型脉冲显示通过射频采样数字化后,转换成灰度不同的TOFD图像。这就是说A型显示脉冲超声波的知识,也是TOFD的基础。

2 脉冲非检波的A型显示和TOFD图像形成

2.1 脉冲非检波的A型显示

脉冲超声波是间歇发射的超声波。常规超声波探伤使用的脉冲是A型检波显示,TOFD则利用它的非检波显示,简称A型显示,如图1。

图1 脉冲超声波的非检波A型显示

图1中横座标显示了超声波的传输时间t,或者说声程S,纵坐标显示了脉冲超声波的双相(双向)波幅。tm是脉冲宽度,T是超声波中心频率f对应的周期。

TOFD法强调时差,所以对脉冲的A型显示,以及脉冲宽度、超声周期和相位的识别是很重要的。

2.2 TOFD图像形成

如图2所示,探头对在某一位置直通波的A型显示[图2(a)]的TOFD图像是一条白、黑相间的直线[图2(b)]。随着探头对位置的平稳移动,A型显示转换成无数条白、黑相间的直线,构成了 TOFD图像[图2(c)]。只要系统设置和探头与工件耦合符合标准要求,灵敏度选择恰当,TOFD图像形成是仪器的功能,操作者只要按说明书操作就行了,不必过多关注电子线路(如采样射频等)的问题。

图2 TOFD法成像原理示意

3 TOFD法折射纵波的扫查范围

3.1 扫查方式

不论是常规方法,还是TOFD法,都以探头移动,用折射波扫查整个焊缝(包括热影响区)体积为前提。图3为焊缝的三维显示。

图3 扫查空间

3.1.1 主要扫查方式——非平行扫查(D-scan)

非平行扫查时探头对仅沿x轴方向平行移动,如图4。其扫查方向(探头移动方向)和声束的yz平面不是平行的,而是垂直的。当工件厚度T为6～50 mm、扫查范围为0～T时,一次非平行扫查可检验整个焊缝体积。由于探头对横跨焊缝,焊缝余高不会影响扫查。通常探头对连线的中垂线就是焊缝中心线,声轴交叉点位于焊缝中心线所在的xz平面之中。如果探头对的声轴交叉点偏离焊缝中心线所在的xz平面,称其为偏置非平行扫查,如图5。

3.1.2 辅助扫查方式——平行扫查(B-scan)

平行扫查是探头对仅沿y轴方向平行移动的扫查,如图6。主要用于非平行扫查之后对缺陷准确定位,特别是用于精准确定缺陷埋藏深度和自身高度。由于焊缝宽度较之探头间距2S很小,不会出现探头对中一个探头位于焊缝余高上的情况。

3.2 TOFD法纵波波束扫查

常规探伤方法,实质上是用折射横波主声束声轴(或称中心波线)来扫查,用最高波幅来给缺陷定位,声轴的折射角βs是恒定的,tgβs=K。

TOFD法的主要扫查方式是非平行扫查(D扫查)。在这种情况下,仅用折射纵波中心波线扫查焊缝整个横截面是不可能的。因此这种扫查是利用β下～β上范围内的折射纵波的波束(即波束中的众多波线)扫查。扫查范围应在β下～β上声束覆盖的范围之内,如图7所示。

图6 平行扫查

图7 扫查范围 0～T的β上和β下

当扫查范围为0～T时,β上=90°,两探头之间有直通的折射纵波(简称直通波,也叫侧向波),位于A,B两点中垂线上的底面C点有纵波的反射波,简称底面回波。须注意的是直通波不是表面波,它是在表面下(深度约为1～2个金属原子)的纵波。

波束扫查的最大缺点是：无法获知扫查到缺陷的折射纵波波线的折射角,因此缺陷埋藏深度h和声程不能简单地成正比关系。

3.3 β上 和 β下 的计算

尽管TOFD法是用折射纵波波束扫查,但TOFD探头特性参数“声束角度”仍用声轴的折射角表示。研究折射声束的扩散声束是学习 TOFD方法的基础理论之一。

3.3.1 入射角α

式中cL1——探头楔块纵波声速;

cL1=2.4mm/μs;

cL2——钢中纵波声速;

cL2=5.95mm/μs;

β——钢中纵波主声束中心波线折射角。

如已知β=70°,将有关数值代入公式(1)得：

第一临界角α1=sin-1(cL1/cL2)=sin-1(2.4/5.95)≈23.8°。

3.3.2 发射声束的半扩散角θ

式中F为人为取定的扩散因子,最大为1.22,TOFD 法规定F=0.7。当F=1.22时,θ=θ0,称为主声束零值半扩散角;λL1为纵波在探头楔块中的波长,λL1=cL1/f。TOFD法较常规法使用频率f高,波长λL1很小;D为探头晶片直径,较常规探伤法使用的晶片直径要小。

例如,当工件厚度T为6～10mm 时,扫查范围为0～T,EN/TS14751—2004标准《焊缝超声波TOFD检测》推荐使用的中心频率f=15MHz,晶片直径D=2mm。计算得λL1=cL1/f=2.4/15=0.16mm。已知F=0.7,将有关数值代入公式(2),得θ=sin-1(0.7×0.16/2)≈3.2°。3.3.3 β上

设入射波前沿波线的入射角为α前：

已知扫查范围从0开始时,也可用下列方式判定 β上=90°,即 ：

3.3.4 β下

设α后为入射波后沿波线的入射角：

3.3.5 TOFD法折射纵波的特点

TOFD法折射纵波范围很宽,以β=70°为例,波束在 54.2°～90°,即大约为 36°的扇面范围。当扫查范围从 0开始时,β上=90°。

3.4 EN标准关于扫查范围的具体规定

上述计算是为理解所用,实际应用并不需要计算β上和β下,只要按标准的表2推荐数据设置(选择)相关参数,就可以保证扫查范围在β下～β上覆盖的区域之内。概括来分两种情况。

3.4.1 一次扫查(或称设置一个“探头对”的扫查)

当工件厚度T为6～50mm时,可选大折射角度(即标准所谓“主声束角度”),β为 70°(或 60°探头),一次扫查整个(焊缝的)横截面,扫查范围当然则是0～T。探头间距：

即当折射纵波中心波线交叉点在到工件厚度T的2/3时,就可以认为β上=90°的波束扫查范围为0～T。

3.4.2 多次扫查(或称分层多通道扫查、设置数大于1的扫查)

当工件厚度T＞50mm时,应进行多次扫查。如T=100mm,要进行两次扫查。设置两组不同折射角探头对的扫查,第一次要用折射角β为70°时(或 60°)的探头 ,创造 β上=90 °的条件,扫查焊缝上半部,扫查范围是0～T/2(即0～50mm),探头间距：

第二次要用折射角β为45°(或60°)的探头,扫查焊缝下半部,扫查范围是50～100mm工件厚度,此时β上不必为90°,探头间距：

当T＞100mm时,要进行三次或四次扫查。

4 0～T扫查无缺陷工件时TOFD的A型显示

4.1 可接收的脉冲信号

如图8所示,图中A和B分别代表发射探头的入射点和接收探头的接收点,A0=B0,AC=BC。可以看出,B点可以接收的脉冲信号有三个：A,B之间扫查面的直通纵波;底面C点的反射纵波;底面E点(位于C点右侧)反射的变形横波。至于C点的变形横波,E点反射的反射纵波,以及C,E外的其他底面一次反射波,B点无法接收。

图8 B点可接收的直通波和底面一次反射波

B点接收的三个脉冲信号,是发射探头同时发出的一束脉冲信号中的三个,由于它们各自的声程不同,到达B点的时间也不同。直通波的声程AB(2S)最短,在工件中传输时间tz也最短。底面回波的声程ACB=AC+BC＞AB,其传输时间tB＞tz。E点反射变型波的声程AEB=AE+BE最长。可用简单的几何方法证明：AEB＞ACB。加上通过BE段的是速度将近慢一半的横波,所以其传输时间tE＞tB＞tz。

4.2 A型显示

如果删去E点反射的变型横波脉冲信号,TOFD的A型显示如图9所示,图9中直通波Z信号很弱。前述 TOFD法的扩散因子F=0.7,而非1.22,这是为保证扫查波束边缘波线声压不致太低,它与中心波线声压波幅仅差12dB。但因为折射纵波在很大范围变化,通常而言,直通波与底面回波的波幅(声压)还是相差二十几dB。而由于底面回波通常不是由中心波线引起的,直通波与中心波线的波幅(声压)之差应该还要更大。

图9 无缺陷工件的A型显示

TOFD法扫查无缺陷工件时,直通波信号强弱或有无底面回波决定于扫查范围。当扫查范围不从0开始,如为T/2～T时,通常不会有直通波信号;当扫查范围不达T,如0～T/2,则可能无底面回波信号。

此处强调“无缺陷工件”的意义在于如果扫查工件上表面有开口裂纹,其将阻断直通波的声程,就不会有图9的Z脉冲显示。同理,底面回波的声程如果被一个片状缺陷阻断,也就将没有B脉冲的显示了。

5 0～T有缺陷工件时的TOFD图像

5.1 缺陷衍射波的产生及其特点

超声纵波扫查工件时,遇到缺陷会发生反射、透射(包括折射)等界面效应,还会在缺陷的端部或边界(对气孔类缺陷宜称“边界”)产生衍射。这是惠更斯原理揭示的一条必然的波动规律。缺陷衍射波的特点有：

(1)衍射波没有波型转换,扫查波是脉冲纵波,衍射波也是脉冲纵波,两者声速相同。这是 TOFD法时差计算的主要依据。

(2)衍射波近似呈柱面波(平面状缺陷所致)或球面波(点状或体积状缺陷所致)形状向外发射,没有特定的方向性(指向性),接收探头通常总会收到衍射波信号,如图10所示,处于B1,B2,B3点的接收探头都能收到衍射波信号。当然,与特定方向上的反射波(如底面回波)信号相比,衍射波信号要弱得多,通常差20～30dB。但由于坡口未熔合、纵向裂纹端部发出的衍射柱面波中心轴是x方向的,所以接收探头处于B1,B2,B3位置均可接收到衍射波信号;如果是横向裂纹,衍射柱面波中心轴是y方向的,信号接收要困难得多。TOFD法对横向裂纹的检出率很低。

图10 工件表面上可接收到衍射信号的点

(3)在缺陷波端部或边界形状一定时,衍射波声压和扫查波声压成正比,这是TOFD仪器发射功率大和扩散因子F=0.7的原因。当扫查波声压一定时,衍射波声压和缺陷端部或边界形状有关,越尖锐,衍射波声压越大,这是材料的应力集中现象在声学中的反映。点状、线状和体积状缺陷与平面状缺陷相比,衍射波声压会更加微弱,这是 TOFD难以发现它们的原因。

5.2 A型显示

图11 平面状缺陷的A型脉冲显示

当工件厚度T=6～50mm,可用一次扫查法,扫查范围为0～T。在这种情况下,缺陷衍射波脉冲通常应出现在Z和B脉冲之间。图11所示为平面缺陷上(D)、下(E)端部衍射波脉冲,可以通过它们与Z波的时差ΔtF1和ΔtF2,分别计算出D和E点的埋藏深度h1和h2,进而求出缺陷的自身高度H。必须注意的是各脉冲起始相位的不同(如直通波Z和底面回波B,缺陷上、下端衍射波F1和F2,起始相位相反)。

5.3 有缺陷的TOFD正常图像

仪器将图11的A型脉冲显示转90°,得图12(a)所示A型显示。随探头对沿焊缝平行移动,得到黑白相间的TOFD图像,如图12(b)。

图12 有缺陷的TOFD图像

正常情况下,直通波Z和底面回波B与焊缝同长,而缺陷波F1和F2则较短。

5.4 可能接收到的缺陷反射信号

面积较大的层间未熔合和位于焊缝中心的气孔的反射纵波有可能被接收探头接收到。

6 TOFD法的表面盲区

6.1 TOFD法盲区的概念

在既定的设置和探伤灵敏度下,可检出的缺陷至扫查面或底面的最小距离,称为TOFD法的扫查盲区。它实际上是平行扫查时(缺陷位于探头对连线中垂线上),直通波和伤波,或伤波与底面回波的深度分辨率,是由直通波和底波脉冲宽度所致。伤波应错开直通波或底波才可分辨,原理如图13所示。图中tm为直通波宽度,Δtm上为缺陷上端点衍射波与直通波时差,Δtm下为缺陷的下端点衍射波与直通波时差,ΔtB为底面回波时差。

图13 上下盲区时差示意

表1 扫查范围为0～T时,五种不同厚度工件的表面盲区

6.2 表面盲区的计算

知道缺陷脉冲时差Δt后求缺陷埋藏深度h为：

式中c——钢中纵波速度;

c=5.95 mm/μs;

s——探头对间距的一半,mm。若把图13中 Δtm上代入式(3),可求出上盲区DS。若把图13中 Δtm下代入式(3),可求出近底面可分辨缺陷的最大埋藏深度h′,则下盲区Db：

从图13可以看出,Δtm上应等于直通波宽度tm,一般tm=2/f,f为超声波公称频率。图中把伤波脉冲宽度也近似看作tm。底面回波时差ΔtB可用下式求出：

如前所述,近底面缺陷应位于探头对中垂线上(焊缝中心),伤脉冲错开底面回波的唯一可能是图13所示的超前,不会出现滞后现象。因此笔者的计算不涉及底面回波脉冲宽度。

表1是笔者根据EN/T S14751—2004推荐的设置(S=2/3tgβ◦T),对五种不同厚度工件盲区计算的结果。

从表1可以看出,TOFD法上、下表面盲区所占工件厚度的比例还是很大的,工件厚度T=6 mm时为 67%,T=50 mm时为42%。这就是说,TOFD法存在着较大盲区。

7 总结

(1)TOFD法使用折射纵波波束扫查焊缝横截面,不同于常规方法的声轴定位,因此衍射波出现的时间和中心波线折射角β没有简单的函数关系,衍射波的波幅也并不代表缺陷在任何一个方向上的面积或尺寸,确定缺陷埋藏深度和其自身高度只能靠时差(如图11所示 ΔtF1和 ΔtF2)来计算。对衍射波波幅的唯一要求是希望它足够大,以便可以识别,即可以从TOFD的A型显示和图像上把它识别出来。和常规方法一样,缺陷沿x方向上的当量尺寸要靠探头沿x方向移动确定,TOFD法不同之处是还可以通过图像显示。

(2)尽管扩散因子F=0.7,人为认定的发射声束半扩散角θ较小,但因为声速比cL2/cL1(5.95/2.4)较大,入射角 α后和 α前对应的折射角 β下和 β上的范围还是很大的。较宽的折射纵波波束,可以扫查较大的范围。当扫查范围从0(上表面)开始时,β上应为 90°。

(3)缺陷的衍射波呈近乎柱面或球面向外发射,不论它与接收探头相对位置、角度如何,一般地讲接收探头总可以收到它的衍射波信号。纵向裂纹、坡口未熔合这些平面状缺陷有上下两个端点,TOFD法对它们的检出率很高,这也是常规超声以及射线探伤所不可以比的。但这种方法对横向裂纹检出率很低。

(4)TOFD图像不是缺陷的三维影像,也不是缺陷在某一方向上的投影,它只是用白、黑相间线段来表示的无数条A型显示的组合。所以它仍具有A型显示不直观的缺点。

(5)当被检测工件厚度为6～50 mm时,其上、下表面盲区约占工件厚度的67%～42%,加之对横向裂纹检出率低的特点,因此TOFD法是不可以单独检验就给整条焊缝质量作出评价的方法。通常将其与常规超探相结合,在某些适合探头对放置的对接接头焊缝检验上,作为RT的替代方法之一。