薄壁管環(huán)焊縫水浸超聲衍射時(shí)差檢測技術(shù)

付 悅，盧 超，陳 果，王 嬋

（1.南昌航空大學(xué) 科技學(xué)院，南昌 330034；2.南昌航空大學(xué) 無損檢測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；3.中航工業(yè)西安航空動(dòng)力股份有限公司，西安 710021）

在實(shí)際檢測中，如果試件厚度小于12mm 或是缺陷位于盲區(qū)范圍內(nèi)［1］，超聲TOFD（超聲衍射時(shí)差）法就存在檢測限制。針對TOFD 上表面盲區(qū)問題，可以通過使用多探頭B 掃描與TOFD 組合檢測、信號(hào)處理等方法改善盲區(qū)問題［2－4］。為了研究超聲TOFD 法在壁厚小于12mm 試件的缺陷檢測效果，采用超聲水浸TOFD 檢測法［5］。由于水的耦合，給聲波提供了一段傳播路徑，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)探頭的發(fā)射角度，從而控制聲束在試塊表面的入射點(diǎn)，解除了探頭間距的限制。然而對于水浸TOFD 法檢測，收、發(fā)探頭不接觸試塊上表面，用于定標(biāo)的基準(zhǔn)直通波路徑發(fā)生改變。筆者針對薄壁管環(huán)試件，以新的直通波和底面回波為基準(zhǔn)，對管環(huán)焊縫進(jìn)行水浸TOFD 實(shí)際檢測。

1 檢測原理及成像分析

水浸TOFD 法檢測原理如圖1所示，超聲水浸發(fā)射探頭在水中激發(fā)縱波，經(jīng)過水－鋼界面之后在鋼中進(jìn)行傳播，遇到缺陷產(chǎn)生衍射波，衍射波再次經(jīng)過鋼－水界面?zhèn)鞑サ剿?，被接收探頭接收。以水層為耦合層，可以避免薄壁TOFD 檢測的盲區(qū)，同時(shí)探頭角度和位置可調(diào)，為薄壁試塊的TOFD 檢測提供良好條件。試驗(yàn)需確定探頭擺放角度、探頭水層高度（H）、聲波入射點(diǎn)間距（PCS）、探頭間距（S）、缺陷深度（d）等參數(shù)。

圖1 水浸TOFD 法檢測原理示意

由Snell定律可知水浸TOFD 法水－鋼界面折射角的計(jì)算公式為：

式中：CL1為水中縱波速度；CL2為鋼中縱波速度；αL為探頭入射角；βL為縱波折射角。

已知缺陷深度d和聲束折射角βL，則根據(jù)幾何關(guān)系，聲波入射點(diǎn)間距（PCS）的計(jì)算公式為：

則只要知道水層厚度H就可計(jì)算出兩探頭之間距離S為：

探頭掃描方向和兩個(gè)探頭連線方向垂直的模式稱為D 掃描。與常規(guī)TOFD 檢測設(shè)備不同，水浸TOFD 法檢測探頭固定在掃查架上，而掃查架只能沿著空間x／y／z軸直線運(yùn)動(dòng)，無法沿著鋼管周向旋轉(zhuǎn)。因此為了得到D 掃描圖像，需要通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)鋼管來采集不同位置的A 掃描信號(hào)，并由這一系列的A 掃描信號(hào)在MATLAB中構(gòu)成D 掃描圖像。D掃圖像中，橫坐標(biāo)表示為管環(huán)周向方向的采集點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為管環(huán)焊縫深度方向的各個(gè)波到達(dá)時(shí)間，A 掃波形上每一個(gè)點(diǎn)處的能量大小體現(xiàn)在D 掃圖像中各個(gè)點(diǎn)的灰度值上。

2 檢測方法仿真模擬

用Wave3000 模擬的模型與試驗(yàn)試塊尺寸相同，均為外徑89mm，壁厚9mm 的薄壁管環(huán)焊縫。在管環(huán)內(nèi)壁設(shè)置一個(gè)直徑為1.2mm，高度為4mm的半通孔。其模型三維立體圖及二維切片圖如圖2（a）、（b）所示。模擬時(shí)在水層中垂直添加一個(gè)空氣夾層作為隔斷，目的是為了阻隔發(fā)射探頭發(fā)出的波直接橫向傳播給接收探頭，避免干擾到缺陷的衍射波而發(fā)生波的重疊。

圖2 水浸TOFD 仿真模型三維立體及二維切片圖

根據(jù)式（1）～（3），得出αL為12.7°，βL為60°，S為20mm，H發(fā)為5mm，H收為8mm，d為5mm。

仿真得到不同時(shí)刻的聲場快照如圖3所示。盲孔缺陷A 掃信號(hào)如圖4所示。由圖3（b）可以看出，水中的入射縱波在經(jīng)過水－鋼界面后，發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，在前面?zhèn)鞑サ氖钦凵淇v波，緊隨其后的是折射橫波。折射縱波不斷擴(kuò)散，部分副瓣沿著水－鋼界面的下表面?zhèn)鞑?，?jīng)過水－鋼界面折射回水中，最先到達(dá)接收探頭，此波被稱為水浸TOFD 法的直通波。折射縱波繼續(xù)傳播，到達(dá)缺陷后，在缺陷尖端發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射波，如圖3（c）所示。根據(jù)惠更斯－菲涅耳原理，衍射波以缺陷尖端為新的波源，發(fā)射出的子波以球形向四周擴(kuò)散，使波的傳播方向改變，衍射波經(jīng)過水－鋼界面回到水中，跟在直通波后被接收探頭接收如圖3（d）所示。

圖3 不同時(shí)刻盲孔衍射聲場快照圖片

圖4 盲孔缺陷A 掃信號(hào)

3 檢測及結(jié)果分析

為驗(yàn)證水浸TOFD 法對薄壁管環(huán)焊縫的實(shí)際檢測效果，在管環(huán)試塊內(nèi)表面由內(nèi)向外用電火花鉆三個(gè)垂直的半通孔和三個(gè)垂直槽。半通孔的鉆孔深度皆為4mm，頂端距管環(huán)外表面距離均為5 mm，孔徑分別為：φ0.8、φ1.2、φ2mm；槽型缺陷內(nèi)表面刻槽寬度均為0.4 mm，長度均為8 mm，刻槽深度分別為3，2，1mm，距管環(huán)外表面距離依次為6，7，8mm（稱作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)槽）。選擇中心頻率為10 MHz的水浸平探頭。調(diào)整S＝20mm，接收探頭水層厚度H1＝8 mm，發(fā)射探頭水層厚度H2＝5mm，對其進(jìn)行水浸TOFD 檢測。

圖5 水浸TOFD 檢測裝置及部件實(shí)物圖

水浸TOFD檢測裝置如圖5所示。圖5（a）中右邊的控制屏用來控制掃查架的前后左右以及上下移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)探頭在三維空間中的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，從而滿足控制聲束入射點(diǎn)的要求，試驗(yàn)制作兩個(gè)探頭夾具（見圖5（b））并將其固定在分度盤（見圖5（c））上，而分度盤則固定在控制軸上。從5 077脈沖發(fā)射器的輸出和輸入端口接出的Q9線分別接到水浸發(fā)射探頭端和接收探頭端。將示波器和5 077連接，通過示波器觀察接收波形，計(jì)算確定各個(gè)波到達(dá)的大致時(shí)間，從而對缺陷的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

薄壁管環(huán)焊縫的水浸TOFD 檢測時(shí)，無缺陷處的A 掃信號(hào)如圖6（a）所示，可以看出，直通波的能量很微弱，從圖3的仿真結(jié)果也可說明，水浸TOFD法的直通波是折射縱波的副瓣沿著鋼下表面?zhèn)鞑ゲ⒄凵浠厮械?。由于副瓣能量微弱且水－鋼界面的透射率低，?dǎo)致了直通波的能量較低。直通波和底面回波出現(xiàn)的時(shí)間分別是12.1μs和13.4μs，與理論計(jì)算的12μs和13.3μs絕對誤差不超過0.1μs。φ2 mm孔、φ1.2mm 孔和Ⅰ槽的A 掃信號(hào)如圖6（b）、（c）、（d）所示?？梢钥闯?，雖然Ⅰ槽距外表面比φ2mm孔要大1mm，但是槽型缺陷的尖端衍射波幅度比孔型缺陷的大，其底面回波比孔型缺陷的幅值要低很多，由于φ1.2mm 孔直徑比φ2mm 小，所以其回波的相對幅值比φ2mm 的弱。φ1.2mm、φ2mm 孔缺陷產(chǎn)生的衍射波到達(dá)時(shí)間均為12.73μs，與理論計(jì)算的12.53μs相差0.2μs。Ⅰ槽型缺陷到達(dá)時(shí)間為12.83μs，與理論計(jì)算值12.63μs相差0.17μs。對φ0.8mm孔和Ⅱ、Ⅲ號(hào)槽也進(jìn)行了檢測，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，各個(gè)缺陷波到達(dá)時(shí)間分別為12.72，12.99，13.16μs，與理論計(jì)算值12.53，12.83，13.05μs之間的絕對誤差分別為0.19，0.16，0.11μs，誤差均在允許范圍內(nèi)。

圖6 水浸TOFD 檢測A 掃信號(hào)

得到各個(gè)缺陷的A 掃信號(hào)后，筆者按照圖1給出的D 掃描方式對φ0.8、φ1.2、φ2 mm 孔和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)槽附近的周向旋轉(zhuǎn)方向上采集多組數(shù)據(jù)，后期在MATLAB中處理成像。φ1.2 mm 孔和Ⅲ槽的D 掃圖像如圖7所示。由于直通波能量很微弱，所以D 掃成像中直通波并不明顯。

圖7 缺陷D 掃圖像

4 結(jié)論

（1）對于水浸TOFD 法檢測，傳統(tǒng)TOFD 的A信號(hào)中，直通波路徑發(fā)生改變。通過仿真模擬，觀察出水中的入射縱波，在經(jīng)過水－鋼界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換后，折射縱波不斷擴(kuò)散，其副瓣沿著水－鋼界面的下表面?zhèn)鞑?，再次?jīng)過水－鋼界面折射回水中，最先到達(dá)接收探頭，此波被稱為水浸TOFD 方法的直通波。在新的直通波后，依次出現(xiàn)缺陷衍射波和底面回波。

（2）在水浸TOFD 法的實(shí)際檢測中，直通波、缺陷波和底面回波的到達(dá)時(shí)間與理論計(jì)算時(shí)間之間的絕對誤差不超過0.2μs，誤差在允許范圍內(nèi)。通過采集多組數(shù)據(jù)可以得出清晰的缺陷D 掃圖像。

（3）使用水浸TOFD 法對薄壁管環(huán)焊縫的實(shí)際探傷進(jìn)行研究，試驗(yàn)初期制作的人工缺陷都接近管環(huán)內(nèi)表面。試驗(yàn)通過水浸TOFD 法，可檢測到距離內(nèi)表面1mm 的槽型缺陷。

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