白 艷，邢 濤

(東北林業(yè)大學，哈爾濱 150040)

TOFD(即 Time－of－flight－diffraction technique超聲衍射時差法)檢測技術具有可靠性好、檢出率高、定量精度準、檢測效率高［1］和操作成本低等優(yōu)點，同時該檢測技術對于缺陷的檢出和定量只是依靠信號的傳播時間，不受聲束角度、缺陷表面粗糙度、試件表面狀態(tài)以及探頭壓力等因素的影響，故與常規(guī)的檢測方法相比，更能夠準確地確定缺陷的性質、位置和自身高度，是一種極具推廣前景的無損檢測新技術。

但是國內外現(xiàn)有的很多TOFD技術理論文獻中都提到了在采用TOFD技術進行檢測時，由于直通波和底面回波信號的存在，工件的近表面和底面存在檢測盲區(qū)［2］的現(xiàn)象。現(xiàn)有的很多解決方案是從信號處理的方法入手，利用濾波、頻譜分析和希爾伯特變換等方法來分離檢測盲區(qū)中的重疊信號，通過重新構建分解信號來計算出缺陷的位置和尺寸，從而解決TOFD技術的盲區(qū)問題。然而，在這些方法的使用中，參數(shù)的選擇以及操作上的復雜性等增加了TOFD技術的應用難度。本文基于TOFD技術的檢測原理及盲區(qū)產生的原因，分析探頭中心距PCS與盲區(qū)大小的關系，通過在檢測過程中改變探頭中心距PCS的方法來解決盲區(qū)問題，從而省去了在信號處理中大量復雜的數(shù)學運算。

1 TOFD 技術的基本原理［3，4］

TOFD技術采用的是雙探頭模式 (一發(fā)射與一接收)。探頭一般為縱波斜探頭，這是因為縱波在固體中聲速最快，最先到達接收探頭，且容易產生衍射，同時縱波的應用可以簡化接收信號的波形和顯示圖形的解釋。TOFD技術在測量缺陷時，發(fā)射的縱波將在缺陷的上下端點處產生出很大角度范圍內的衍射波，該衍射波能傳播到接收探頭處，形成缺陷上下端的衍射波信號。如圖1所示，當被測件內部沒有缺陷時，接收探頭只收到兩種波形，即表面直通波 (Surface direct wave)和底面回波 (Bottom echo);當被測件內部有缺陷時，接收探頭收到四種波形，即:在上述兩波之間還有缺陷上下端處的衍射波 (Diffraction wave)。如果忽略縱波在傳播過程中的波形轉換，被測件中缺陷產生的信號均在表面直通波與底面回波之間到達。因此，表面直通波和底面回波這兩個接收波就被作為缺陷測量的參考信號。表面直通波與缺陷上端產生的衍射波的傳播時間差與缺陷的位置有關，缺陷上下端產生的衍射波的傳播時間差與缺陷的自身高度有關，與信號的波幅無關。

圖1 TOFD技術的檢測原理及其典型A掃描信號Fig.1 Testing principle of TOFD technology and typical A scan signal

2 TOFD技術檢測盲區(qū)的理論研究［5］

采用TOFD技術進行檢測時，縱波信號從入射探頭進入工件后的擴散角度較大，幾乎覆蓋了整個工件的深度區(qū)域，但是不同區(qū)域處的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就越高;相反，距離主聲束較遠的工件近表面區(qū)域和底面區(qū)域的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有所加大，使得缺陷信號被埋藏在較寬的直通波和底波回波信號中容易被漏檢，形成工件近表面和底面的檢測盲區(qū)。

靠近掃查面附近的內部缺陷信號可能隱藏在直通波信號下，導致無法識別，形成近表面檢測盲區(qū)。因此，理論上近表面檢測盲區(qū)的深度Dds就是直通波信號所覆蓋的深度范圍。在超聲檢測電路中，發(fā)射探頭得到輸出脈沖的寬度為發(fā)射超聲波的時間間隔。

圖2 缺陷信號埋藏于直通波Fig.2 Defects signal buried in the direct wave

TOFD技術原理的數(shù)學模型存在三角關系，如圖2所示，當缺陷信號埋藏于直通波時:

因t0－tL=tp，故有

盲區(qū)的深度計算公式如下:

式中:t0為直通波在工件中的傳播時間，c為縱波聲速，s為探頭中心距 (PCS)/2，tp為直通波脈沖時間寬度 (可從振幅的10%處截取)。

TOFD技術檢測的底面檢測盲區(qū)是由于缺陷信號可能隱藏在底面回波信號中，導致無法識別。底面檢測盲區(qū)的高度則相當于底面回波信號的深度。同理，底面檢測盲區(qū)Ddw的高度計算公式如下:

式中:W為壁厚，tw為底面回波的傳播時間，tp為底面回波時間寬度 (從振幅的10%處截取)

由公式 (2)可知，理論上減小底面檢測盲區(qū)高度的措施有使用短脈沖探頭或減小探頭的中心距(PCS)。

根據上述理論分析，如采用標稱頻率為5 MHz，入射角為60°的探頭，檢測厚度為44 mm的工件，探頭中心間距PCS設定為70 mm［6，7］，縱波聲速c=5.9 mm/μs，根據公式 (1)和公式(2)便可求得近表面檢測盲區(qū)和底面檢測盲區(qū)的理論值分別為Dds=7.9 mm和Ddw=1.5 mm。(一般情況下，計算近表面檢測盲區(qū)時，tp取直通波的1.5倍周期;計算底面檢測盲區(qū)時，tp取直通波的2倍周期。)

雖然通過公式 (1)和公式 (2)可以算出近表面和底面檢測盲區(qū)的理論值，但是由于tp的取值受很多因素的影響，計算的理論檢測盲區(qū)與實際值可能會有一定誤差，所以在實際檢測時，檢測盲區(qū)的深度最好通過對比試塊的實測來確定。

3 試驗驗證分析

試驗采用長×寬×厚為150 mm×100 mm×44 mm的鋼試塊，參照文獻 ［8］，在距離近表面1 mm、4 mm、7 mm、10 mm處的位置加工了直徑為2 mm的橫通孔 (1、2、3和4)和距離底面1 mm、4 mm的位置加工相同直徑的橫通孔 (5和6)來模擬工件的內在缺陷，以評定檢測盲區(qū)的大小，如圖3所示。

圖3 試塊主視圖 (單位:mm)Fig.3 Test block main view(Unit:mm)

TOFD技術在檢測過程中探頭的參數(shù)設置分別為:標稱頻率5 MHz、入射角60°，選用水為耦合劑，通過改變探頭中心間距PCS的大小，得到探頭中心間距PCS與檢測盲區(qū)大小的關系。試驗結果見表1。

表1 不同探頭中心距PCS與缺陷檢出的關系Tab.1 The relationship between the different probe center spacing PCS and defect detection

從表1中的數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，隨著探頭中心距PCS的減小，近表面和底面檢測盲區(qū)的深度明顯減小。當PCS=114 mm時，在檢測上表面的圖像中只能檢測到橫通孔4的缺陷信號，如圖4所示。隨著PCS的減小，工件中靠近上下表面橫通孔的缺陷信號能夠逐漸被識別。當PCS=70 mm時，橫通孔3處的缺陷信號能夠被檢測出來。如圖5所示，雖然橫通孔3的缺陷信號與直通波的信號有重合，但其到達時間已經可以識別。根據圖像上缺陷信號的到達時間，代入公式 (1)和公式 (2)便可以求得近表面和底面檢測盲區(qū)的深度。這時近表面檢測盲區(qū)的深度≤7 mm，底面檢測盲區(qū)的深度≤1 mm，這與理論計算的檢測盲區(qū) (近表面檢測盲區(qū)7.9 mm和底面檢測盲區(qū)1.5 mm)有一定的誤差。因此，在采用TOFD技術進行實際檢測的過程中，可以通過減小探頭中心距PCS的方法來減小TOFD技術的檢測盲區(qū)，從而提高缺陷的檢出率。

圖4 PCS=114 mm時橫通孔4的檢測圖像Fig.4 The test image of the horizontal hole 4 with PCS value equalling 114 mm

圖5 PCS=70 mm時橫通孔3的檢測圖像Fig.5 The test image of the horizontal hole 3 with PCS value equalling 70 mm

4 結論

由上述理論計算和試驗得:

(1)TOFD技術在進行缺陷檢測時，由于直通波和底面回波信號的存在，在工件的近表面和底面上存在檢測盲區(qū)，檢測盲區(qū)的大小決定了缺陷的檢出率，因此減小檢測盲區(qū)就成了提高TOFD技術檢出率的一個重要方面。

(2)近表面和底面的檢測盲區(qū)可以通過理論計算得到，但是因為探頭的聲束在工件中并非是均勻覆蓋，計算時直通波脈沖時間寬度tp的取值只是一個近似值，所以實際的檢測盲區(qū)大小還要根據對比試塊的實測來決定［9］。

(3)減小近表面和底面的檢測盲區(qū)都可以通過減小探頭中心距來實現(xiàn)，但是無論怎樣，檢測盲區(qū)都不可能減小到可以被忽略，常規(guī)的TOFD設備這個盲區(qū)的大小在5 mm以上［10］。所以應用TOFD技術在實際檢測時有必要結合應用其他的超聲無損檢測技術 (如脈沖回波法、超聲相控陣探傷法)來對焊縫的缺陷進行綜合的分析，以提高焊縫的檢出率。

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