超聲波聲束擴散理論在TOFD技術中的應用

關磊，雷海，丁鵬，李勤，徐靈

(水利部產(chǎn)品質量標準研究所，杭州 310012)

0 引言

衍射時差法超聲檢測(TOFD)技術是一種應用廣泛的無損檢測技術，用于工業(yè)產(chǎn)品焊縫的內部質量檢測。該技術工作效率高、定量準確，廣泛應用于水利、電力、火電、石油、鋼鐵等領域。在研究和應用的實踐過程中發(fā)現(xiàn)，TOFD技術存在表面盲區(qū)這一技術弊端。近表面的缺陷因為“隱藏”在表面盲區(qū)內而不能被發(fā)現(xiàn)，從而導致缺陷漏檢，而這些漏檢的近表面缺陷對焊接產(chǎn)品的危害非常大。在焊縫的承載過程中，焊縫的近表面是缺陷最容易產(chǎn)生及擴展的區(qū)域，一旦缺陷擴展，將會影響產(chǎn)品的質量，威脅工程的安全，也會給國民經(jīng)濟帶來巨大的損失。

針對TOFD技術存在表面盲區(qū)這一現(xiàn)象，目前，國內一些研究人員常采取優(yōu)化工藝參數(shù)，尤其是減小探頭中心間距的措施，以減小表面盲區(qū)的高度，使近表面缺陷盡可能暴露出來。但減小探頭中心間距意味著聚焦深度上移，不能達到聲束的全覆蓋，致使超聲波不能完全覆蓋所檢區(qū)域，導致工件根部范圍內的缺陷漏檢。

因此，筆者提出，從超聲波聲束擴散的原理進行分析探討，在減小表面盲區(qū)高度并保證聲束全覆蓋的前提下，使探頭晶片尺寸和頻率等工藝參數(shù)達到最優(yōu)化，以提高焊縫缺陷的檢出率。

1 TOFD技術的表面盲區(qū)

TOFD技術利用2個寬頻帶、窄脈沖探頭進行探傷，一個作為發(fā)射探頭，一個作為接收探頭，相對于焊縫中心線對稱布置。TOFD通常使用頻率為2～10 MHz的縱波探頭，接收探頭接收到直達的直通波、缺陷尖端產(chǎn)生的衍射波和經(jīng)底面反射的底面回波等。以直通波到達的時間為基準，根據(jù)缺陷衍射波和直通波的時間間隔對缺陷進行定位。

研究者對TOFD技術的檢測盲區(qū)進行了詳細的計算和分析[1]，掃查面盲區(qū)的高度與直通波聲學脈沖長度和探頭中心間距有關，而探頭的頻率是影響直通波聲學脈沖長度的因素，為了盡可能減小盲區(qū)高度，TOFD掃查中通常選用頻率較高的探頭，以取得較小的直通波聲學脈沖長度。工件厚度一定時，探頭的角度決定探頭中心間距，角度越小，探頭中心間距越小，相應的掃查面盲區(qū)高度就越小。因此，實際檢測中采用較小角度的探頭來減小盲區(qū)的高度，探頭的角度越小，超聲波在工件中的時間范圍越大[2]，測量的精度也越高。

由上述分析可知，選用頻率較高和角度較小的探頭可減小表面盲區(qū)高度。但在TOFD檢測中，選用探頭時還要保證所檢部位的超聲波聲束全覆蓋。

2 聲束擴散理論及應用

2.1 楔塊中的聲束擴散角

TOFD檢測所使用的探頭晶片振蕩器發(fā)出的超聲波束半擴散角[3]γ定義為

sinγ=Fλ/D=Fc/(Df) ，

(1)

式中：λ為介質中超聲波波長；c為波速；f為頻率；D為晶片直徑；F為聲束邊界截取系數(shù)，也稱擴散因子，與截取的幅度降低值有關，通常取聲壓下降12 dB時的F值為0.8。

探頭發(fā)出的超聲波聲束擴散如圖1所示。探頭近場區(qū)N區(qū)的情況比較復雜，因此，式(1)在遠場區(qū)范圍是適合的[3]。

圖1 主聲束的擴散

已知超聲波在有機玻璃/聚苯乙烯楔塊中的聲速c為2 400 m/s，擴散因子F取0.8，根據(jù)式(1)計算常規(guī)探頭在楔塊中的波長和波束擴散角，計算結果見表1。由表1可知，要得到最大的聲束擴散角，需要使用頻率相對較低、直徑相對較小的晶片。而從減小表面盲區(qū)高度方面考慮，則需要選用頻率較高的探頭，因此，必須加以優(yōu)化，以取得合理的探頭頻率和晶片尺寸等工藝參數(shù)。

表1 楔塊中的聲束半擴散角γ計算結果

2.2 工件中的聲束擴散角計算原則

TOFD檢測所使用的探頭是具有寬頻帶窄脈沖的縱波直探頭，加上不同角度的楔塊，就構成了縱波斜探頭。為了獲得以典型角度進入工件的縱波，與探頭探測面相連的楔塊應切削成適當?shù)慕嵌取?個不同介質邊界處的折射角用Snell定律計算，如圖2所示。

c1/c2=sinθ1/sinθ2，

(2)

式中：θ為法向角度；下標1，2分別表示介質1和介質2。

圖2 Snell定律示意

為計算超聲波在被測工件中的聲束擴散，需要執(zhí)行以下4個步驟[3]。

(1)計算楔塊中入射角度θP。

sinθP=cP/cLsinθL，

(3)

式中：cL為工件中的聲速(取鋼中聲速為5 950 m/s)；cP為楔塊中的聲速(取有機玻璃/聚苯乙烯楔塊中聲速為2 400 m/s)。

(2)計算楔塊中聲束半擴散角γ。

sinγ=Fγ/D=FcP/(Df) 。

(4)

(3)求楔塊中聲束的上、下擴散角γs，γx。

γs=θp+γ，γx=θp-γ。

(5)

(4)用Snell定律分別求出工件中聲束擴散角。

sinγLs=cL/cPsinγs，sinγLx=cL/cPsinγx。

(6)

圖3為聲束覆蓋示意圖，在聲束上擴散角接近90°時，聲束上邊界才能到達上表面，而在選擇探頭時，聲束下擴散角也要求盡量小，才能實現(xiàn)聲束的全覆蓋。

圖3 超聲波聲束覆蓋示意

2.3 聲束下擴散角的計算

由上述可知，聲束上擴散角接近90°時最佳，而聲束下擴散角越小越好，但由Snell定律公式可以看出，上擴散角增大的同時，聲束下擴散角也會增大。以下就從實際應用的角度，對聲束下擴散角的最大值進行探討。

由圖3可知，聲束下擴散角越小，聲束覆蓋工件的下表面就越寬，對焊縫進行檢測時，聲束的下覆蓋面要覆蓋整個焊縫的寬度，才能保證焊縫的根部被聲束覆蓋。本文就以不同厚度工件的焊縫寬度作為界定聲束下擴散角最大值的依據(jù)。

在工件焊接中，焊接工藝對工件的焊縫寬度有一定的技術要求，下面先以30 mm厚的工件為例進行分析討論。在工程上，對30 mm厚的工件進行對接焊，一般采用雙V形坡口，如圖4所示。

圖4 工件焊接橫截面示意

根據(jù)文獻[4]中雙面對接焊坡口的規(guī)定，焊接30 mm厚的工件，α控制在60°左右，b控制在1～3 mm，一般取2 mm，h控制在 0.5t，即 15 mm，由此可以計算出坡口的寬度L為19 mm。因此，板厚30 mm工件的最小焊縫寬度為19 mm，同樣可以計算出不同板厚的最小焊縫寬度，表2為板厚50 mm以下工件的最小焊縫寬度。

由上文可知，為盡可能減小表面盲區(qū)高度，應選擇角度較小的探頭。對板厚t為30 mm的工件進行TOFD檢測，選用常規(guī)60°探頭，由此可以計算出探頭中心間距為69 mm。如圖5所示，可以求出γLx為40°，也就是說聲束下擴散角不大于40°即可實現(xiàn)焊縫根部的聲束全覆蓋。同樣，根據(jù)此方法可以計算出對板厚50 mm以下的工件進行檢測時，60°，70°探頭下擴散角的最大值，見表2。

表2 焊縫寬度及聲束下擴散角計算結果

因此，在對探頭的工藝參數(shù)進行優(yōu)化選擇時，可以根據(jù)現(xiàn)行標準的推薦，根據(jù)表2的計算結果，選擇合適的探頭角度、晶片尺寸和頻率，在盡可能減小表面盲區(qū)高度的同時保證聲束的全覆蓋，以保證檢測工藝的完善。

圖5 聲束下擴散角計算示意

根據(jù)文獻[5]的規(guī)定，工件厚度為12～50 mm，推薦的探頭頻率為10～3 MHz，主聲束角度為70°～60°，晶片直徑為2～6 mm。因此，可以計算出常規(guī)探頭選用的頻率，見表3。

表3 聲束上、下擴散角均滿足要求時的工藝參數(shù)優(yōu)化

3 結論

(1)使用頻率相對較低、尺寸相對較小的晶片可以獲得較大的聲束擴散范圍，以保證聲束的全覆蓋，而從減小表面盲區(qū)高度方面考慮，則需要選用頻率較高的探頭。因此，對厚度50 mm以下工件進行TOFD檢測時，通過優(yōu)化，取得了合理的探頭頻率和晶片尺寸等工藝參數(shù)推薦值。

(2)單V形坡口的底部焊縫寬度會小，因此，在檢測工藝編制過程中可根據(jù)本文所述的方法進行計算，以取得合理的工藝參數(shù)。

(3)對厚度50 mm以上工件進行TOFD檢測，可采用相同的研究方法得出不同板厚的最佳工藝參數(shù)；但工件的厚度越大，超聲波的衰減越嚴重，因此，對于大厚度的工件，同一板厚也要考慮采用不同的工藝參數(shù)，這一方面還需進一步研究。