高建奎，李金梅，吳險(xiǎn)峰，安 濤，李雅新

(1.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.傳感與檢測技術(shù)應(yīng)用研究中心，甘肅 蘭州 730314)

TOFD是通過測量缺陷邊緣的衍射時(shí)間差，以D型顯示為主，對缺陷進(jìn)行定量定位；以B型顯示為輔；以A型非檢波的相位顯示對缺陷進(jìn)行定性表征。TOFD技術(shù)衍射信號(hào)與角度無關(guān)，缺陷的尺寸不依靠信號(hào)振幅，與常規(guī)超聲波檢測相比，對缺陷的定量定位更精確，檢出率高，檢測速度快，檢測結(jié)果可永久保存[1]。無損檢測過程中獲悉的缺陷大小、屬性以及使用過程中是否擴(kuò)展等缺陷屬性，對零件及產(chǎn)品的使用性能及失效模式影響重大[2-3]。由于TOFD技術(shù)的局限性，行業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中沒有對缺陷的定性分析[4]，但鑒于缺陷對工件使用性能的影響，本文結(jié)合多年工作實(shí)際，對典型缺陷圖像進(jìn)行特征分析。

1 非相關(guān)顯示

TOFD圖像中，由于工件結(jié)構(gòu)或者材料成分等非缺陷引起的顯示為非相關(guān)顯示。非相關(guān)顯示的影響見圖1，非相關(guān)顯示見圖2、圖3。

圖1 非相關(guān)顯示的影響Fig.1 The influence of unrelated display

圖2 晶粒噪聲Fig.2 Grain noise

圖3 熔合線Fig.3 Fusion line

2 相關(guān)顯示

TOFD圖像中由缺陷引起的顯示為相關(guān)顯示，主要包括氣孔、夾雜、未熔合和裂紋等缺陷。

2.1 氣孔

焊接過程中金屬凝固的速度大于氣體逸出的速度時(shí)，形成氣孔，氣孔圖譜特征見圖4。氣孔缺陷高度小于脈沖寬度，點(diǎn)狀缺陷圖像呈拋物線狀，呈弧形，信號(hào)圖像尾部向底面墜落，通常無法明顯分辨上、下端點(diǎn)信號(hào)，上部反射信號(hào)較強(qiáng)，得不到衍射信號(hào)，只有下部的回波是衍射產(chǎn)生的。

圖4 氣孔Fig.4 Pore

2.2 夾渣

夾渣是指焊后熔渣殘存在焊縫中的現(xiàn)象。夾渣上、下端點(diǎn)一般也無法分辨，呈弧形，上端點(diǎn)信號(hào)較強(qiáng)，有明顯的亮點(diǎn)。條狀?yuàn)A渣往往會(huì)斷成幾節(jié)，圖像黑白對比較為鮮明。圖5為夾渣圖譜特征，圖6為夾渣+氣孔圖譜特征。

圖5 夾渣Fig.5 Slag inclusion

圖6 夾渣+氣孔Fig.6 Slag inclusion with pore

2.3 未熔合

未熔合指焊縫金屬和母材之間或焊縫金屬之間未熔化結(jié)合在一起的缺陷。未熔合上、下端點(diǎn)信號(hào)較規(guī)則，圖譜一般成較直或光滑過渡的主線，在主線上側(cè)或下側(cè)一般會(huì)伴有相位相反的不規(guī)則狀線組(拋物線狀或不連續(xù)的小段)雜散信號(hào)較少。坡口未熔合一般口開的小，兩端處向中間微閉合，呈口唇狀。衍射弱，邊緣清楚[5]，如圖7(a)所示；層間未熔合呈“黑白相間的條紋”，或長或短，如圖7(b)所示。

圖7 未熔合Fig.7 Lack of fusion

2.4 裂紋

裂紋是金屬原子的結(jié)合遭到破壞，形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙。裂紋是焊接缺陷中危害性最大的一種缺陷，它能減少承載面積，裂紋端部有尖銳的缺口，應(yīng)力高度集中，易擴(kuò)展導(dǎo)致破壞工件。

裂紋一般有一定的自身高度，可區(qū)分上、下端點(diǎn)，焊接產(chǎn)生的裂紋上、下端點(diǎn)一般不太規(guī)則，上、下端點(diǎn)之間有些雜散信號(hào)，一般裂紋下端點(diǎn)衍射信號(hào)強(qiáng)于上端點(diǎn)[6]。兩端和主線有時(shí)伴有不規(guī)則的拋物線組。裂紋圖譜特征見圖8。

圖8 裂紋Fig.8 Cracks

2.5 掃查面開口缺陷

直通波減弱、下沉、消失或變形，僅有下尖端信號(hào)且與直通波相位相同，相應(yīng)的底波無變化。掃查面開口直通波減弱圖譜見圖9。

圖9 減弱的掃查面開口直通波Fig.9 The weakened lateral wave at the opening of scanning surface

2.6 底面開口缺陷

底面回波減弱、下沉或消失，僅有下尖端信號(hào)且與直通波相位相反，相應(yīng)位置無變化(直通波可見)。底面開口的缺陷具有一定的輪廓，其TOFD圖形向兩邊有較大的延伸，與底波連接是清晰和連續(xù)的，見圖10(a)。當(dāng)缺陷輪廓相對于底面邊緣形成大角度過渡時(shí)，衍射的有效能量下降，信號(hào)可能不會(huì)延伸到底面。例如裂紋或表面氣孔，其TOFD信號(hào)與底波連接往往是不清晰和連續(xù)的，底面開口缺陷見圖10(b)。

圖10 底面開口缺陷Fig.10 Bottom opening defect

3 結(jié)論

TOFD檢測對于近表面和近底面的缺陷，需要用常規(guī)超聲波斜探頭或相控陣探頭進(jìn)行補(bǔ)充檢測，以克服直通波和底面脈沖回波寬度的影響。

不同缺陷的TOFD圖像尖端衍射信號(hào)的相位和A掃波形隨位置變化情況都有差異，分析圖譜時(shí)應(yīng)同時(shí)觀察、比照分析。除了信號(hào)特征外，還應(yīng)結(jié)合工件材質(zhì)、坡口形式、熱處理狀態(tài)、焊接工藝等對缺陷進(jìn)行分析。增加超聲波輔助檢測可得到更多更詳細(xì)的信息，能為判斷缺陷類型提供重要提示。