肖 雄，劉東梅

（1.江蘇中宇檢測有限公司，南京 210012；2.徐州東方工程檢測有限責任公司，徐州 221008）

隨著超聲波衍射時差法（TOFD）檢測技術的廣泛應用，其一些技術難點也顯現(xiàn)出來，有些是由技術的局限性帶來的難點，如檢測面的盲區(qū)、橫向裂紋的檢測等，也有些是由于檢測人員的經(jīng)驗不足帶來的，如缺陷的定性、定量、定位等，還有一些是工件結構相對復雜帶來的問題，如非平面工件的對接焊縫、管座的對接焊縫等。

1 非平面工件對接焊縫坡口型式

非平面工件包括不等厚工件的對接、錐體與筒節(jié)的對接、法蘭與筒節(jié)／直管的對接以及管道或筒節(jié)的縱縫（此類一般稱為曲面工件）等，其中比較常見的是壓力容器中的不等厚工件的對接焊縫，如封頭與筒體的焊縫。焊縫兩側母材常常是不等厚的，厚的一側母材一般都會削邊處理，其結構有以下兩種形式：單面削邊（圖1（a））和雙面削邊（圖1（b））。其它的類似結構還有法蘭與筒節(jié)／直管、錐體與筒節(jié)等部位。

圖1 單、雙面削邊坡口示意圖

2 聲場覆蓋的仿真及計算

目前大多TOFD檢測儀器的設置和測量計算都是基于探頭在同一水平面對稱放置的條件下進行的。在此條件下，一般將發(fā)射和接收探頭的中心線對準焊縫的中心線即可完成非平行掃查，此時參數(shù)的設置按照相關標準的推薦方法設置［1］即可。但是在對類似圖1（a）或圖1（b）的兩側不等厚的焊縫進行TOFD檢測時，如按相關標準推薦的方法以及常用的工藝進行設置［2－3］，探頭在焊縫中心線兩側對稱放置時，探頭中心聲束交點則會偏離焊縫中心線位置，造成探頭聲束覆蓋不足甚至漏檢的可能。筆者根據(jù)多年從事TOFD現(xiàn)場檢測的經(jīng)驗，通過仿真軟件模擬探頭聲場對被檢工件的覆蓋及計算，根據(jù)實際情況總結了一些經(jīng)驗和計算公式。

采用超聲仿真軟件進行超聲檢測模擬可減少加工試塊的成本，還可幫助相關人員更直觀地了解檢測過程及結果［4］。CSSP diffraction simulator是一款簡單的超聲聲場模擬軟件，可以進行普通超聲探頭、相控陣超聲探頭的聲場模擬計算，其應用界面如圖2。為了顯示更直觀和便于計算，設定一個焊縫工件，左側母材厚度80mm，右側母材厚度50mm，坡口角度50°，削邊坡口角度一種為30°，一種為16°，用該軟件分別模擬5MHzφ6mm探頭使用60°縱波楔塊和70°縱波楔塊的聲場。圖4（a）～（d）楔塊角度全部都是60°，圖4（e）左側楔塊角度為70°。圖3，4中虛線是理論計算所得－12dB下擴散角值（擴散因子取0.8，楔塊聲速2.4mm／μs），與軟件仿真結果相比，該下擴散角值略微偏大，覆蓋區(qū)域則會偏小。

圖2 CSSP diffraction simulator設置界面

表1是5MHzφ6mm探頭分別使用60°和70°縱波楔塊理論計算時，－12dB聲束擴散角的范圍以及聲束所覆蓋的下邊緣寬度，和仿真軟件的聲場覆蓋范圍相比略微偏小一些。表1中負號表示在焊縫中心線對側。

3 檢測工藝設置

3.1 探頭的選擇

圖3 5MHzφ6mm探頭使用不同角度縱波楔塊的聲場模擬

表1 5MHzφ6mm探頭使用不同角度縱波楔塊計算的聲束擴散角及聲束覆蓋下邊緣寬度

在圖4（a）～（d）工件上，探頭的選擇一般參照NB／T 47013.10—2010中的表1進行。對于檢測面焊縫兩側母材平面相差比較大的情況，在靈敏度滿足要求的情況下，應按較薄的一側母材厚度來選擇探頭參數(shù)。在圖4（e）工件上，由于探頭放置于坡口斜面上，根據(jù)聲場仿真的結果，考慮到楔塊角度過小會影響聲束對上表面的覆蓋，因此其楔塊角度不宜小于60°。在存在斜面的情況下，其楔塊角度也應該參照此方法進行選擇。

3.2 探頭位置的選擇

不同的工件結構，檢測設置工藝的優(yōu)先選擇是不一樣的，如圖1（a）中，應優(yōu)先選擇在平面上進行TOFD檢測，只有當條件不具備或是工藝要求雙面檢測時，才需要在非平面的表面進行檢測，此處只討論在非平面表面檢測的一些情況。

圖4 探頭置于工件表面不同位置，使用不同角度的縱波楔塊時，對工件檢測區(qū)域的聲場模擬

在實際情況中，不等厚工件的兩側母材厚度相差少則2mm，多則相差一倍板厚左右，其較厚側母材削邊的坡度各不相同，一般坡度約在15°～60°間，因此TOFD檢測時對探頭的放置也無法統(tǒng)一規(guī)定，探頭既可能放置在平面上，也可能放置在削邊的坡面上，如圖5所示。

3.3 探頭中心距離的計算

TOFD檢測非平行掃查過程中，通常要確保探頭中心距離的中心位置對準焊縫的中心線，其目的是為了保證探頭聲束能比較均勻地覆蓋被檢測區(qū)域。在平面工件上，此時探頭中心聲束的交叉點位置也是落在焊縫中心線上的；但是在兩側不等厚的工件上掃查時，為了保證聲束的均勻覆蓋和便于工藝參數(shù)的計算，同樣應該使探頭聲束交叉點位置繼續(xù)落在焊縫中心線上，此時探頭在焊縫中心線兩側的位置不再是對稱關系（圖5），因此需要根據(jù)探頭聲束交點的實際位置來確定探頭位置，即探頭中心距離（S＋S′）。對非平面工件，計算探頭中心距離時應分別計算焊縫兩側探頭至焊縫中心線的距離S和S′；一般是根據(jù)工件厚度（或分區(qū)厚度）來確定中心聲束與焊縫中心線交點的深度位置d，先計算工件薄壁側的探頭距離S（這與平面工件的計算方法相同），然后再以此深度d來計算工件厚壁側的探頭至焊縫中心線的距離S′。

圖5 探頭放置在較厚側母材不同位置的示意圖

圖5（a）的情況一般用在焊縫兩側母材厚度相差不大，或者厚側母材的削邊坡口角度比較大的情況下，此時探頭可放置于兩側的平面上進行掃查。根據(jù)前面聲場仿真及聲束覆蓋范圍的計算結果，此時探頭聲束的覆蓋相對比較均勻，其中心聲束與焊縫中心線交點的深度位置按工件薄壁側厚度來計算。探頭中心距離計算先得到一個初步的LPCS值，根據(jù)圖5（a）所示的參數(shù)條件，得到以下計算：

式中：ΔS為探頭中心距離的增加量；α為探頭在工件中的折射角；β為工件削邊坡度；Δt為兩側工件厚度相差值；L′PCS為實際檢測時使用的探頭中心距離值；LPCS為薄側工件探頭中心距離的計算值。

圖5（a）這種情況的計算比較簡單，已知焊縫兩側的厚度差Δt和楔塊的角度α就可以得出厚壁側工件上設置探頭的偏移量ΔS，兩個探頭的楔塊角度α相同，按照前面提供的案例參數(shù)，其L′PCS＝LPCS＋ΔS＝LPCS＋30·tg60°＝（115＋52）mm，即其左側探頭距離中心線約為109.5mm，右側探頭距離中心線約為57.5mm。

圖5（b）的情況也比較常見，當工件兩側厚度相差較大，且厚壁側工件削邊坡口角度較小時，或探頭中心距離設置較小時，都可能需將一個探頭放置于削邊坡面上。實際檢測中，除了要考慮坡口表面平整度要求以及坡口角度的不均勻因素的影響外，在TOFD檢測工藝的計算上還存在2個變量，一個是探頭到焊縫中心線的距離S′，另一個是聲束在工件中的折射角度，根據(jù)圖4（c）～（e）的仿真和表1的計算結果，三種方法都能滿足聲場覆蓋要求，三者主要在靈敏度和分辨率方面會存在細微的差異。圖4（c）所示工藝更簡單易用，檢測時不需要改變探頭中心距離值就能有效進行檢測，理論上不論坡口角度β多少，其探頭聲束都應該能滿足對被檢區(qū)域的覆蓋要求。圖4（d），（e）上采用不同角度楔塊時計算相對復雜些，根據(jù)圖5（b）所示參數(shù)，得到以下計算結果：

式中：t′為削邊坡面上探頭入射點位置工件厚度的相差值；S′為削邊坡面上探頭入射點位置至焊縫中心線的距離；β為削邊坡口角度；α為探頭在工件中的折射角；d為聲束交點的深度值。

式（5）中，d、α和β值都是已知條件，因此可以計算出S′值，按照前面提供的案例參數(shù)，S′＝33.3·tg（70°－16°）／［1－tg16°·tg（70°－16°）＝75mm，即其左側探頭距離中心線約為75mm，右側探頭距離中心線約為57.5mm。

因此在對不等厚工件進行TOFD檢測時，根據(jù)削邊坡口的實際情況分別選擇式（2）或式（5）就可以計算出不同厚度工件（或分區(qū)）的實際探頭中心距離值，得到的掃查結果與非平行掃查結果一致；此時如果有需要進一步做偏置的非平行掃查，只需要將兩個探頭同時偏移一定的距離即可，這與平面工件的偏置非平行掃查做法相同。

4 深度測量

TOFD檢測中探頭中心線偏離焊縫中心線時，會對缺陷定位和測量產(chǎn)生誤差［5］。在對不等厚工件的TOFD檢測數(shù)據(jù)進行分析測量時，由于兩個探頭不在同一水平平面上，且實際探頭中心距離的中心與焊縫中心線也不再重合，目前TOFD軟件還沒有此類變量的設置，直接利用軟件測量會存在一定的測量誤差。因此，實際測量此類數(shù)據(jù)時，一般可以采用直通波與底波兩點校準的方法，固定工件聲速和楔塊的延遲時間，重新計算一個虛擬的探頭中心距離值（參考值），以此來測量缺陷深度位置，可以減小部分誤差值，如果再能考慮實際探頭中心距離的中心與焊縫中心線位置的偏移量，重新人工計算缺陷深度位置，還能減小部分誤差值，測量結果會更接近實際值。

5 實際應用案例

某公司制造的一臺產(chǎn)品，其中一條焊縫兩側母材分別是42，24mm，坡口參數(shù)滿足圖3探頭放置的條件，因此用式（2）很快就可以算出實際探頭中心距離應該為：

其中左側（厚壁側）探頭到焊縫中心線的距離應該為58mm，右側探頭到焊縫中心線的距離應該為28mm。按照上述探頭中心距離的設置進行掃查的結果如圖6所示，缺陷的檢測效果與其它對接焊縫的檢測效果看不出差別。

6 結語

筆者介紹了不同形狀的非平面工件的對接焊縫TOFD檢測工藝的設置；通過仿真軟件模擬探頭聲場對被檢工件的覆蓋及計算，總結了2個簡單實用的計算公式，以幫助現(xiàn)場檢測人員快速方便地對這類工件的對接焊縫進行TOFD檢測。

圖6 非平面工件對接焊縫TOFD檢測結果

［1］ NB／T 47013.10—2010 承壓設備無損檢測 第10部分 衍射時差法超聲檢測［S］.

［2］ 孔令昌.TOFD檢測技術及其工藝參數(shù)設置［J］.無損檢測，2010，30（7）：549－550.

［3］ 劉紅霞.TOFD檢測中相關工藝參數(shù)計算［J］.技術與市場，2012，34（4）：23.

［4］ 強天鵬，肖雄，李智軍，等.TOFD技術的檢測盲區(qū)計算和分析［J］.無損檢測，2008，30（10）：738－741.

［5］ 萬林青，毛民.TOFD檢測中心線偏離對檢測結果的影響分析［J］.中國化工裝備，2011（5）：23－25.