劉禮良，鄭 暉，鄔冠華

（1.南昌航空大學 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013）

在超聲衍射時差法檢測（TOFD）技術(shù)中，工件表面缺陷信號可能隱藏在直通波信號下而導致漏檢，形成檢測盲區(qū)［1］，有研究者［2］試圖通過TOFD信號處理方法分離盲區(qū)內(nèi)缺陷，但是檢測結(jié)果的工程應(yīng)用缺乏驗證。

筆者采用超聲脈沖反射檢測、磁粉檢測及超聲爬波檢測，在檢測試塊和對比試塊上對TOFD 檢測表面盲區(qū)的檢測工藝進行了試驗，并在工程檢測中進行了應(yīng)用。

1 TOFD檢測技術(shù)表面盲區(qū)

1.1 表面盲區(qū)的理論計算

在TOFD 技術(shù)中，縱波信號從入射探頭進入工件后的擴散角度較大，不同區(qū)域處信號能量和頻率是不同的，越靠近主聲束區(qū)域的信號能量和頻率越高；而距離主聲束較遠的工件表面區(qū)域縱波信號能量和頻率則較低。較低的頻率造成信號的脈沖寬度加大，使得缺陷信號被埋藏在較寬的直通波信號中而造成漏檢，形成工件表面的檢測盲區(qū)［3］。

根據(jù)TOFD 技術(shù)原理數(shù)學模型存在的三角函數(shù)關(guān)系，盲區(qū)高度Dds的計算公式如下［4］：

式中：c為縱波聲速；s為探頭中心距P的一半；tp為直通波脈沖時間寬度。

通過式（1）可計算出表面盲區(qū)的理論值。表1為探頭頻率為5 MHz，縱波聲速取5 900m／s，不同P（探頭中心間距）值，tp取1個周期（0.2μs）時的理論表面盲區(qū)高度值。由于tp的取值受很多因素的影響且存在誤差，計算的理論表面盲區(qū)與實際表面盲區(qū)會有較大誤差。

表1 不同參數(shù)表面盲區(qū)理論值

圖1 檢測系統(tǒng)

1.2 表面盲區(qū)的實測試驗

試驗中，筆者采用OMNISCAN－MX TOFD 檢測系統(tǒng)作為超聲波發(fā)射和接收設(shè)備；OLYMPUS生產(chǎn)的頻率5 MHz，晶片尺寸φ6mm 探頭2只，探頭編號為：627822／627824；60°楔塊2 只，楔塊編號為：ST1－60LM－IHC／ST1－60LM－IHC。檢測系統(tǒng)裝置如圖1所示。在TOFD 檢測技術(shù)中，表面盲區(qū)分為開口型和埋藏型，為了更合理地測量在某一特定檢測參數(shù)條件下TOFD 表面盲區(qū)，采用40 mmTOFD 盲區(qū)專用試塊，設(shè)計不同深度的刻槽和側(cè)孔來模擬表面開口型和埋藏型缺陷，刻槽及側(cè)孔位置及深度如圖2所示。

圖2中，盲區(qū)試塊上端面有4個長2 0mm、寬0.2mm的刻槽，4 個深度分別為3，4，5，6 mm、長40mm的側(cè)孔；下端面同樣有4 個長20 mm、寬0.35mm的刻槽，4個深度分別為7，8，9，10mm、長40mm 的側(cè)孔。試驗時探頭分別對厚度15，21，30，43mm 時所對應(yīng)的P值在TOFD 盲區(qū)試塊上進行非平行掃查。但當工件厚度為15 mm 時，P值過小，不能進行試驗，故將其P調(diào)整為49mm，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）左邊為最小可見埋深為4mm 的槽，右邊為5mm 側(cè)孔；3（b）左邊為最小可見埋深為4mm的槽，右邊為5mm 側(cè)孔；3（c）左邊為最小可見埋深為5mm 的槽，右邊為6mm 側(cè)孔；3（d）左邊為最小可見埋深為5mm 的槽，右邊為7mm 側(cè)孔。試驗分析結(jié)果表2所示。

表2 不同參數(shù)設(shè)置試驗分析結(jié)果 mm

由表2可知，隨著P值的增加，TOFD 檢測表面盲區(qū)也逐漸增大。因為當探頭折射角不變，增大P值意味著焦點下移，使得在上表面檢測區(qū)域的分辨率與檢測精度降低，從而導致上表面盲區(qū)增大。

由表2中檢測編號A 與B可知，試驗所得盲區(qū)高度是相同的，但從圖譜中，可以明顯看出，圖3（a）中發(fā)現(xiàn)的缺陷均比圖3（b）中的缺陷分辨率與清晰度高。并且可知，試驗發(fā)現(xiàn)刻槽的能力比發(fā)現(xiàn)孔的能力強，因為刻槽的衍射信號更強。

對比分析表1與表2可知，在相同的設(shè)置參數(shù)下，理論計算值比試驗實際所測值要大，并且隨著P值的增加，理論值與測量值誤差增大。因為當根據(jù)式（1）計算表面盲區(qū)時，tp的取值對計算結(jié)果影響很大，并且在實際應(yīng)用中，在直通波區(qū)域并不是完全不能發(fā)現(xiàn)缺陷，實際測量也存在一定的誤差，所以導致理論計算值與試驗值有誤差。

并且從上述分析可知，隨著P值的增大，上表面檢測區(qū)域的分辨率與檢測精度降低，故導致誤差逐漸增大。由理論分析與試驗結(jié)果可知，TOFD檢測在表面檢測區(qū)域存在較大的盲區(qū)，為了提高TOFD檢測可靠性，需要其他有效的方法對其進行補充。

表3 超聲脈沖反射法試驗結(jié)果

2 TOFD盲區(qū)內(nèi)缺陷檢測方法

2.1 常用無損檢測方法

2.1.1 超聲脈沖反射法

超聲脈沖反射法采用汕頭超聲研究所生產(chǎn)的斜探頭對15，21，30，43mm 厚的TOFD 對比試塊的上表面缺陷分別進行檢測，檢測時采用一次反射法，選用機油為耦合劑。試驗參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

由試驗結(jié)果可知：超聲脈沖反射法可解決TOFD 檢測中試件表面盲區(qū)問題，為TOFD 檢測結(jié)果的可靠性提供了有效依據(jù)。但隨著被檢工件厚度的增加，超聲波能量的衰減較大，并且橫波比縱波衰減嚴重，導致散射回的缺陷信號湮沒在草狀雜波中無法辨認［5］。故：對TOFD 檢測表面盲區(qū)，超聲脈沖反射法可作為一種有效的輔助檢測方法，但應(yīng)注意隨著工件厚度的增加，缺陷信號的信噪比會降低，對檢測結(jié)果會產(chǎn)生影響。

2.1.2 磁粉檢測法

采用交流磁軛法對盲區(qū)試塊的側(cè)孔進行檢測時發(fā)現(xiàn)：埋深為3mm 的側(cè)孔不能有效檢出。據(jù)大量研究表明，對表面下2mm 以內(nèi)的缺陷，磁粉檢測有較高的檢出率［6］。所以，在TOFD 檢測應(yīng)用中，對于表面下2mm 以內(nèi)的盲區(qū)，磁粉檢測可作為一種有效的輔助檢測方法。

2.2 超聲爬波檢測方法

超聲爬波是在自由表面的位移有垂直分量的縱波［7］。當縱波以第一臨界角α1附近的角度入射到界面時，就會在第二介質(zhì)中產(chǎn)生表面下的縱波，即為爬波。爬波產(chǎn)生原理如圖4所示。圖4中的α1為第一臨界角，β1 為橫波折射角，β2 為縱波折射角，其指向即為爬波聲束方向。并且由于爬波在傳播時，大部分能量主要集中在表面下某個范圍內(nèi)，對工件表面粗糙不敏感［8］，但其在往下傳播的過程中，能量急劇衰減，因此適用于檢測表面及近表面的缺陷。

圖4 爬波產(chǎn)生原理

筆者通過在盲區(qū)試塊上進行試驗，來測定爬波可檢測表面區(qū)域范圍。采用4 MHz鳳凰爬波探頭進行試驗，工藝設(shè)計為：在盲區(qū)試塊上以埋深3mm的表面刻槽為校準缺陷對象，來設(shè)置爬波檢測［9］靈敏度及探頭前端與有效檢測區(qū)域的距離；首先將爬波探頭前端與3mm 刻槽的一端重合，找到爬波圖譜上的缺陷信號；將該信號調(diào)節(jié)為滿屏高的80%，并提高增益12dB 后，此時靈敏度即為檢測應(yīng)用靈敏度；探頭向后移動（垂直于缺陷對象），當移動一定距離后，波高降為滿屏80%時，測量探頭前端與缺陷對象的距離，即為檢測應(yīng)用時探頭前端距離焊縫中心線的距離。按以上方法進行測試，試驗結(jié)果為：爬波探頭前端距缺陷對象距離為40mm，靈敏度為63dB。

按照以上的超聲爬波工藝，分別用40mm 盲區(qū)試塊上的刻槽及側(cè)孔進行試驗，試驗結(jié)果表明：該盲區(qū)試塊上的刻槽及側(cè)孔均能有效檢出。超聲爬波檢測中，隨著檢測深度的增加，爬波信號有較大的衰減，距離表面越近，缺陷的爬波信號越強。圖5是埋深為8mm 刻槽和10mm 的側(cè)孔的爬波檢測圖譜，由圖5可清晰判別刻槽及側(cè)孔缺陷。雖然由于超聲爬波檢測的特點，無法測量缺陷深度，對水平位置的測定也存在一定誤差，但在目前對厚工件表面盲區(qū)無有效解決方案的情況下，超聲爬波檢測不失為一種解決TOFD 表面盲區(qū)檢測的有效輔助方法。

3 工程實例

在某壓力容器廠，對規(guī)格為φ6 100×（98＋5）mm容器的對接環(huán)焊縫進行TOFD 檢測，第一通道的部分檢測參數(shù)分別為：頻率為5 MHz；晶片尺寸為φ6mm；楔塊角度為70°；P為147mm。上表面盲區(qū)高度實測值為9mm。

現(xiàn)場采用100%TOFD＋100%脈沖反射UT（針對上表面盲區(qū)部分）＋100%MT＋100%超聲爬波的檢測工藝，保證焊縫的100%全檢測，進而驗證各個TOFD 表面盲區(qū)輔助檢測方法。

在進行超聲爬波檢測中，爬波工藝參數(shù)設(shè)置為4 MHz爬波探頭，探頭前端距焊縫中心為40 mm，靈敏度為63dB進行掃查，在該工藝參數(shù)設(shè)置下進行爬波檢測共發(fā)現(xiàn)3處缺陷。其中一例缺陷在檢測區(qū)域內(nèi)的回波信號，如圖6所示。在同一位置處進行TOFD 檢測，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷顯示。同樣，在該缺陷位置處采用手動超聲及磁粉檢測，均未發(fā)現(xiàn)該缺陷顯示。

對上述發(fā)現(xiàn)缺陷進行返修，發(fā)現(xiàn)該缺陷為未熔合缺陷，經(jīng)測量，缺陷距離上表面為8 mm，返修結(jié)果照片如圖7所示。

從以上的工程實例可知：在幾種常用的TOFD表面盲區(qū)輔助檢測方法中，超聲脈沖反射法對壁厚較大工件的表面盲區(qū)有一定的局限性，對壁厚較薄工件的盲區(qū)是一種有效輔助檢測；爬波檢測對工件壁厚無特殊要求，且以成像的方式反映缺陷，對TOFD 表面盲區(qū)檢測是一種很好的補充檢測方法。

圖7 缺陷返修結(jié)果

4 結(jié)論

（1）常用無損檢測方法中超聲脈沖反射法與磁粉檢測法在一定程度上可有效地解決TOFD 表面盲區(qū)檢測問題。

（2）超聲爬波檢測法對近表面缺陷的檢出與工件壁厚無關(guān)，當采用4 MHz爬波探頭，探頭前端距焊縫中心為40mm，靈敏度為63dB進行試驗時，可發(fā)現(xiàn)1～8mm 深的刻槽及埋深為3～10 mm 的側(cè)孔，并且缺陷以成像的方式直觀反映，因此，爬波檢測法是TOFD 表面盲區(qū)檢測中一種有效的輔助檢測方法。

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