陳振華,胡懷輝,盧 超
(南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室,南昌 330063)
超聲衍射回波法(Time of Flight Diffraction)技術(shù)具有可靠性好、檢出率高、定量準確、效率高、成本低[1-2]等優(yōu)點,越來越多地應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。然而,常規(guī)超聲TOFD檢測技術(shù)也有其局限性,表面檢測盲區(qū)問題即是超聲TOFD檢測方法需解決的問題之一。
降低檢測盲區(qū)的手段主要有檢測信號分析以及優(yōu)化檢測方法延長衍射波傳播路徑。遲大釗、陳偉[3-6]等人提出了一種基于圖像能量分布的方法,通過數(shù)字圖像處理及信號分析,提取了混疊的缺陷端衍射波信號,提高了近表面缺陷的識別能力,但該方法對缺陷信號的提取受待處理圖像的成像質(zhì)量影響很大,存在側(cè)向波抑制不完全或損傷缺陷信號的問題。張銳、陳天璐[7-11]等人通過優(yōu)化檢測方法增大衍射波的傳播聲程,提高對近表面缺陷的檢測能力。但由于衍射波聲程的增大,端部衍射衰減較大,且信號中聲波成分更加復(fù)雜,難于分析,造成對較小的近表面缺陷檢測困難。
筆者主要對近表面缺陷檢測的直通波信號幅度分布進行試驗,針對直通波時域范圍內(nèi)選取多個關(guān)鍵點,通過這些關(guān)鍵點在不同近表面缺陷的幅值變化,發(fā)現(xiàn)了與直通波重疊的端部衍射波?;谥蓖úǚ确植继岢隽藱z測特征值,根據(jù)該特征值分布能夠檢測近表面缺陷并估計其深度,提高對近表面缺陷的檢測能力。
試驗制備了用于近表面缺陷檢測的試塊。試塊材質(zhì)為 A7N01-T4鋁合金,尺寸為320mm×200mm×20mm。在垂直于鋁合金板的板面制備了深度不同的淺孔,直徑均為φ1mm,孔深分別為1,2,3,5,8,10mm,各淺孔間距40mm,如圖1所示。
圖1 試塊結(jié)構(gòu)尺寸
檢測中采用斜角為60度,中心頻率為5MHz的超聲TOFD檢測專用探頭。檢測系統(tǒng)的最大采樣率為60MHz。兩探頭以被檢孔為中心對稱放置,探頭間距設(shè)為5mm,如圖2所示。試驗對近表面各淺孔進行檢測,提取檢測波形。
圖2 探頭布置示意
人工缺陷的開口淺孔對板面破壞導(dǎo)致直通波衰減,圖3為檢測直徑φ1mm、深10mm孔與表面完整時的直通波信號。10mm深孔的檢測直通波不受端部衍射波的影響而僅由表面的破壞引起,因此為更準確地描述近表面缺陷尖端衍射對直通波幅度的影響,同時又不引入表面破壞的干擾,試驗中采用直徑φ1mm、深度10mm深孔的檢測直通波作為無近表面缺陷的檢測信號。
圖3 表面破壞對直通波波幅的影響
圖4 為各淺孔的超聲TOFD檢測直通波信號,其中虛線為10mm深孔的檢測信號(即無近表面缺陷時的直通波信號)。圖4顯示,孔深為1,2mm時幾乎看不到端部衍射波,孔深3mm時開始出現(xiàn)較明顯的衍射波形,當孔深增大到5mm時,能清晰地看到衍射波信號。
圖4 近表面缺陷波形與無近表面缺陷波形對比
圖4 顯示的試驗結(jié)果與理論一致。式(1)是衍射波與直通波時間差的理論公式,可見隨著缺陷深度的增大,衍射波與直通波的時間差值Δt逐漸增大,即端部衍射逐漸移出直通波并完全分離出來。
式中:s為兩探頭間的距離;h為缺陷深度;v為聲速;l0為探頭前沿長度。
此外,由圖4可知,直通波幅值分布隨著孔深的增大也發(fā)生了變化。直通波幅度的變化與淺孔深度存在一定聯(lián)系。因此探討直通波幅值分布隨孔深的變化規(guī)律可為近表面缺陷檢測提供依據(jù)。
在直通波時域范圍內(nèi)選取多個關(guān)鍵點,通過各關(guān)鍵點的幅值變化,研究直通波與淺孔端部衍射波的相互作用,各關(guān)鍵點編號為A~E,如圖5(a)所示。1~5mm淺孔以及無近表面缺陷時直通波各個參考點的幅值變化數(shù)據(jù)如圖5(b)所示。與無近表面缺陷直通波信號相比,1mm淺孔的A點幅度變化最大,其余關(guān)鍵點幅度基本不變;2mm淺孔的B,C點幅度的變化較大;3mm淺孔的C,D點幅度變化最大;5mm淺孔的E點幅度變化最大,其余關(guān)鍵點基本恢復(fù)原幅值。通過圖5(b)的變化趨勢可推斷隨孔深的增大,其端部衍射波對直通波幅度的影響在時域上逐漸右移(即由A向E移動)。
圖5 直通波各關(guān)鍵點幅值變化關(guān)系
進一步分析直通波幅度分布變化的原因可知,近表面缺陷端部衍射波不僅存在且與直通波相互疊加。按圖5(b)的變化趨勢可模擬不同深度近表面缺陷端部衍射波對直通波的影響,如圖6所示。圖6(a)顯示1mm淺孔的端部衍射波與直通波相互疊加,造成A點幅度增大;圖6(b)顯示當孔深為2mm時,尖端衍射波向右移動一定距離,衍射波仍在直通波脈沖寬度內(nèi)并與之疊加,使得B,C點處幅度顯著降低;圖6(c)顯示淺孔深3mm時,尖端衍射波繼續(xù)遠離直通波,C,D處疊加增強;圖6(d)顯示當淺孔深5mm時,衍射波信號與直通波信號分離開來。因此可見,圖6中所模擬的衍射波特征與圖5(b)中由衍射波引起的各關(guān)鍵點幅值變化情況一致。
圖6 各不同深度缺陷模擬衍射波相對直通波的位置變化
在相同試驗條件下采集8,10mm孔深的端部衍射波波形,如圖7所示。圖7是試驗測得的衍射波波形特征??梢姡苌洳ǖ南辔蛔兓c入射界面兩側(cè)介質(zhì)有關(guān),與孔深度無關(guān)。因此從衍射波相位及幅值分布看,圖6中模擬的端部衍射波與真實衍射波具有較好的一致性。
圖7 各不同深度缺陷所檢測的波形
此外,根據(jù)式(1)可計算出各淺孔端部衍射波位置與直通波的時間差值。隨孔深的增大,直通波與尖端衍射波的疊加狀態(tài)不斷發(fā)生改變,直到尖端衍射波完全與直通波分離。圖8的計算值與圖6的衍射波位置基本一致,進一步證明了淺孔尖端衍射波的存在及其與直通波的疊加規(guī)律。
圖8 各淺孔的衍射波與直通波起點的時間差
通過以上分析可知,超聲TOFD檢測近表面缺陷時,其直通波的幅值變化包含著大量的近表面缺陷信息,通過直通波幅度的分布特征可以對近表面缺陷進行檢測。為了能夠更直觀地檢測近表面缺陷,試驗基于直通波幅度分布定義了檢測特征值,如式(2)。
式中:A(i)為檢測特征值;Bf(i)為近表面缺陷直通波幅值分布;B(i)為無近表面缺陷時的直通波分布。
依據(jù)試驗數(shù)據(jù)可得到各淺孔的檢測特征分布如圖9所示。各類缺陷情況下,其特征值分布具有明顯差異,依據(jù)該特征分布能夠?qū)砻嫒毕葸M行檢測并估計缺陷深度。
圖9 近表面缺陷超聲TOFD直通波幅度檢測特征值分布
近表面缺陷的端部衍射波與直通波相互疊加,影響直通波的幅度分布,直通波幅度分布中包含大量的缺陷信息?;谥蓖úǚ确植继岢隽私砻嫒毕莸臋z測特征值。通過該特征值的分布可以檢測近表面缺陷并估計缺陷的位置,可提高超聲TOFD技術(shù)對近表面缺陷的檢測能力?;谥蓖úǚ植妓鶛z測特征值容易受到表面狀態(tài),如污染、腐蝕、劃痕的影響,因此文中所述方法對被檢件的表面狀態(tài)要求較高。
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