超声TOFD法不敏感区内焊接缺陷检测

2023-07-26张泽勇姜鸿鹏葛欢欢王泽文刘明郭涛

焊接 2023年7期

张泽勇,姜鸿鹏,葛欢欢,王泽文,刘明,郭涛

（1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000； 2. 中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司，河北秦皇岛 066206；3. 哈尔滨工业大学，先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001）

0 前言

超声衍射时差法（Time of flight diffraction， TOFD）是一种利用缺陷端点衍射波进行缺陷识别及定量检测的方法，具有检测精度高、可靠性好等技术优点，在现代工业中得到了广泛的应用和研究。龚小俊等学者[1]研究了TOFD 法对钢结构桥梁的检测，结果表明TOFD 法与超声检测、X 射线检测等技术相比，能缩短检测时间，对桥梁主拱钢结构焊缝未熔合、裂纹等缺陷灵敏度高、准确性好；赵亮等学者[2]将TOFD检测技术应用于1000 MW级混流式水轮机组的蜗壳纵向焊缝检测中，结果表明：TOFD法提高了缺陷的检出率，检测得到的数据可为长期监测蜗壳焊缝质量提供保证；康宝杰等学者[3]研究了管道纵缝的TOFD检测，给出了在主声束聚焦于所检测区域的 2/3 深时的管道内壁和外壁TOFD检测PCS和缺陷定位公式，试验结果中缺陷定位误差小于1%壁厚；盛朝阳等学者[4]开发了一种基于TOFD法的便携式缺陷检测及定位系统，采用便携式缺陷检测系统所获得的扫描图像清晰、直观、噪声低，同时能迅速确定缺陷位置。

超声TOFD法也存在技术弊端，由于探头的纵波声场并不能有效覆盖整个被检测体，超声TOFD法在被检测体近表面存在很大范围的不敏感区，在对近表面检测时，由于缺陷偏离主轴声束较远，缺陷衍射波信号较弱，且与侧向波混叠，不易于准确读取，同时由于侧向波的存在，近表面缺陷衍射波往往与之发生混叠，因此对近表面缺陷难以实施定位测量。针对这一问题，国内外专家学者开展了相关研究，罗志伟等学者[5]提出了超声TOFD法的一种改进方法，试验时将两探头布置在焊缝上方，通过水耦合，沿焊缝方向进行扫查，结果表明：该试验方法能够有效地对焊缝表面及内部的横向裂纹进行定量和定位，相对误差在10% 以内；Subbaratnam等学者[6]针对3 mm的不锈钢板提出了 I-TOFD（水浸超声TOFD）检测技术，该技术采用水浸检测方式，水浸有助于提供足够的时间延迟、必要的探头分离和所需的入射角，通过减小入射角，可以增加侧波和后壁回波之间的时间差，水浸聚焦也保证了良好的耦合状态，结果表明：可以检出厚度为3 mm工件中的缺陷；Baskaran等学者[7]提出了“S-TOFD”方法，利用纵波在缺陷尖端衍射所产生的衍射横波来定位缺陷，结果表明：“STOFD”方法可以检测出被检结构的近表面缺陷。

为解决超声TOFD法对近表面缺陷不敏感这一问题，文中在常规TOFD法的基础上，采取纵波二次底面反射法实现对近表面缺陷的检测，克服常规TOFD法的技术局限性，使TOFD法的适用性进一步提高。

1 不敏感区缺陷检测方法原理

超声TOFD法检测声场如图1所示，区域2为发射探头的声场覆盖范围，区域3为接收探头的声场覆盖范围，区域4为两探头的公共覆盖区，只有当缺陷位于区域4时才能获得较好的检测信号，区域1超声信号微弱，为检测不敏感区。由于探头间距受工件尺寸和扫查面条件限制，故不可避免的存在扫查不敏感区，且常规的超声TOFD法无法有效识别区域1中缺陷。

图1 声场覆盖范围示意图

文中提出的不敏感区缺陷检测法是利用超声波在工件中二次底面反射，使检测声场覆盖近表面区域，从而实现对近表面缺陷的有效识别和定位，其原理如图2所示，其中声波1为侧向波，发射探头发射的声波沿被检测体近表面传播，直接被接收探头所接收；声波2为纵波一次底面反射波；声波3为衍射波，探头发射超声波经底面反射到达缺陷端部D处发生衍射，衍射波经底面反射被探头接收；声波4为多次反射波以及波形转换波。图2b为检测典型缺陷体所得到的А信号，其中信号2和4分别为一次底面反射波和二次底面反射波，二者之间为超声纵波在底面反射一次后到达缺陷端部产生的衍射波。

图2 不敏感区缺陷检测方法原理

图3为不敏感区缺陷检测的声路和缺陷之间的几何关系，根据几何关系确定近表面缺陷定量化测量模型。D点为缺陷端部，由几何关系可得

图3 缺陷信号声路几何关系

式中：d为试块厚度；h为缺陷埋藏深度；S为探头至焊缝中心距离；v为超声在试块中传播速度；t为超声在试块中传播时间。v，S及d为已知量，从获取的А扫描信号中读取缺陷衍射信号的到达时间，再由式（1）就可以计算出缺陷埋藏深度h。

2 人工缺陷检测

2.1 人工缺陷设计

采用电腐蚀法在高强铝合金板上制作了人工缺陷，各人工缺陷在试块中的相对位置如图4所示，5处近表面缺陷的埋藏深度尺寸见表1。

表1 近表面缺陷尺寸

图4 人工缺陷示意图

对试块中5处近表面人工缺陷进行了TOFD法А，B和D扫描检测，对检测结果进行了对比，并确定了最优检测参数。

2.2 人工缺陷检测

由于人工缺陷端部距离检测面尺度小，常规TOFD法А扫描信号中侧向波和缺陷上端衍射波易于发生混叠，导致缺陷无法有效识别，其混叠程度受探头间距、所用探头频率及频带宽度等参数影响。在探头间距设定为20 mm情况下，埋藏深度小于5 mm的缺陷衍射信号与侧向波重叠严重，难以确定其到达时间。采用不敏感区缺陷检测方法，设定探头间距110 mm，采用直径φ6 mm、频率5 MHz、铝中纵波折射角45°的超声探头对，在试块上表面沿水平基线进行超声TOFD法的D扫描检测，其中缺陷4检测的А扫描振动信号如图5所示，可见缺陷信号3幅值较高，易于辨识。

图5 缺陷4检测的А信号

采用不敏感区缺陷检测方法，选择同样的检测参数对人工缺陷4分别进行了D和B扫描检测，结果如图6所示，缺陷判断区域在纵波一次、二次底面反射之间，侧向波和一次底面反射波区域作为缺陷辅助判别区域。从人工缺陷4的检测结果中可以看到缺陷的衍射条纹图像，其中D扫描图像中，缺陷衍射条纹呈直线形，客观反映人工缺陷端部形貌；在B扫描图像中，缺陷衍射条纹呈抛物线形，这与B扫描过程中缺陷端部和两探头之间的动态几何位置相关。

图6 人工缺陷4扫描图像

2.3 探头间距对缺陷信号能量的影响

在不同探头间距下，接收到的衍射波信号能量也不同。当缺陷位于主轴声束附近时，其衍射信号幅值较大，试验使用的探头角度为18° ，在人工缺陷试块中的折射角为45° ，人工缺陷试块厚度为20 mm。经计算可知，二次底面回波能量最强时的探头间距为80 mm，理论上可预测，在利用不敏感区缺陷检测法对近表面缺陷进行检测时，为了确保主轴声束覆盖更为有效的近表面区域，探头间距选择应在80 mm左右。为探究二次回波能量最强时的探头间距，对缺陷4在不同探头间距下进行了检测试验，检测所得的А信号如图7所示，随探头间距增加，侧向波能量连续降低，侧向波到达时间延迟增大；缺陷波波幅随探头间距的增加先增大后降低，并在探头间距110 mm左右缺陷波幅达到最高。在不同探头间距下对不敏感区进行缺陷检测所得到的缺陷衍射波幅值如图8所示。实际检测时，应先理论计算目标区域回波幅值最大时对应的探头间距，再以该间距为参考进行检测，能有效提高缺陷信号的幅度，便于缺陷识别。

图7 不同探头间距下缺陷4 检测的А信号

图8 探头间距对缺陷4波幅值的影响

2.4 人工缺陷定位测量结果

以人工缺陷4为代表，检测时将探头在缺陷两侧对称布置，采用不同的探头间距对其进行检测，读取各个测点的缺陷衍射波达到时间，再通过计算获得不同测点的缺陷埋藏深度，检测结果见表2，缺陷的埋藏深度测量平均值为3.0 mm，实际埋藏深度为2.9 mm。

表2 人工缺陷4检测结果

对其它4个人工缺陷分别进行不敏感区缺陷检测法的检测，并取多次测量平均值。不敏感区缺陷检测法获得的缺陷埋藏深度与实际深度的对比结果如图9所示，无损检测的最大误差为0.8 mm，最小误差为0.08 mm，平均误差为0.3 mm。

图9 人工缺陷位置计算值与实际值对比

3 焊接缺陷检测

对实际焊缝缺陷进行了检测试验，检测对象为厚度20 mm的高强铝合金TIG焊缝。首先对其进行D扫描，检测参数如下：设定探头间距110 mm，采用直径φ6 mm、频率5 MHz、铝中纵波折射角45°的超声探头对，检测结果如图10所示。图像中一次、二次底面反射波中间区域显示明显的缺陷衍射条纹，且表示为连续性缺陷，在相对应的侧向波区域，可以观察到侧向波的扰动，表现为侧向波拖尾能量的降低，但在常规缺陷识别区域中无法对缺陷进行定量化识别。