汪明輝，肖愛(ài)武

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

超聲衍射時(shí)差法（TOFD）檢測(cè)技術(shù)原理示意圖見(jiàn)圖1，檢測(cè)時(shí)采用一組頻率、晶片尺寸、角度相同的縱波斜探頭相對(duì)布置，并根據(jù)缺陷上、下端點(diǎn)衍射信號(hào)的高度差進(jìn)行缺陷高度測(cè)量［1］。從TOFD檢測(cè)技術(shù)的原理可以看出，該方法在缺陷檢出、平面缺陷高度尺寸測(cè)量、缺陷定性等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，但也存在檢測(cè)盲區(qū)［2］。筆者通過(guò)設(shè)計(jì)制作焊接缺陷試樣，開(kāi)展TOFD檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了TOFD技術(shù)對(duì)焊接缺陷的檢測(cè)能力及高度尺寸測(cè)量方面的精度。

圖1 TOFD檢測(cè)原理示意圖

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法

采用對(duì)稱非平行掃查方式對(duì)厚度分別為10，20，40mm的焊接試樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)采用手工掃查方法。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用設(shè)備為TD－HS多功能超聲儀，配有TF10C3TOFD探頭和TF5C6TOFD探頭，用TOFD掃查架。

1.3 試驗(yàn)工藝

10mm厚焊接試樣。①掃查面：焊縫上表面。②探頭型號(hào)：TF10C3。③探頭角度：70°。④探頭入射點(diǎn)間距（PCS）值：24mm。⑤掃查方式：對(duì)稱非平行掃查。

20mm厚焊接試樣。①掃查面：焊縫上表面。②探頭型號(hào)：TF5C6。③探頭角度：70°。④PCS值：49mm。⑤掃查方式：對(duì)稱非平行掃查。

40mm厚焊接試樣。①掃查面：焊縫上表面。②探頭型號(hào)：TF5C6。③探頭角度：60°。④探頭入射點(diǎn)間距（PCS）值：94mm。⑤掃查方式：對(duì)稱非平行掃查。

1.4 缺陷解剖

檢測(cè)能力驗(yàn)證試驗(yàn)完成后，采用線切割的方式對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行切片，以獲得缺陷的真實(shí)高度值。切片時(shí)，每片的寬度一般為3mm。

1.5 結(jié)果驗(yàn)證

將檢測(cè)結(jié)果與缺陷解剖結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，比較的項(xiàng)目包括檢出率、缺陷高度測(cè)量準(zhǔn)確率以及缺陷定性準(zhǔn)確率。

2 缺陷試樣的TOFD檢測(cè)結(jié)果

采用1.3節(jié)所述的檢測(cè)工藝，分別對(duì)厚度為10，20，40mm的焊接缺陷試樣進(jìn)行對(duì)稱非平行掃查，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，信號(hào)圖見(jiàn)圖2。

表1 焊接缺陷試樣的TOFD檢測(cè)結(jié)果

從檢測(cè)結(jié)果和信號(hào)圖來(lái)看，TOFD檢測(cè)時(shí)可以發(fā)現(xiàn)所有的預(yù)埋缺陷，但同時(shí)在40mm厚缺陷試樣中還發(fā)現(xiàn)了一些非預(yù)埋缺陷。最終數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，3塊缺陷試樣中共發(fā)現(xiàn)12個(gè)缺陷，其中預(yù)埋缺陷7個(gè)，非預(yù)埋缺陷5個(gè)。

表1中將所有缺陷按其性質(zhì)分為體積性缺陷和面積性缺陷，當(dāng)在TOFD信號(hào)中不能區(qū)分缺陷的上下端點(diǎn)信號(hào)時(shí)，則將缺陷判定為體積性，如圖3所示，此時(shí)B掃圖中無(wú)法區(qū)分出缺陷的下端點(diǎn)，而僅能發(fā)現(xiàn)缺陷的反射信號(hào)，表1中無(wú)數(shù)據(jù)處表示無(wú)法測(cè)量缺陷自身高度。

圖2 不同厚度焊縫試樣缺陷信號(hào)

當(dāng)在TOFD信號(hào)中發(fā)現(xiàn)缺陷所在區(qū)域的直通波或者底波中斷，或者能夠清晰分辨缺陷的上下端點(diǎn)信號(hào)時(shí)，則將缺陷判定為面積性，如圖4（a）～（c）所示。其中圖4（a）所示為上表面開(kāi)口面積性缺陷，此時(shí)A掃信號(hào)中的直通波信號(hào)會(huì)消失，B掃圖像中的直通波信號(hào)會(huì)中斷，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)較弱的下端點(diǎn)衍射信號(hào)，衍射信號(hào)A掃相位與直通波相同；圖4（b）所示為下表面開(kāi)口面積性缺陷，此時(shí)A掃信號(hào)中底面反射信號(hào)消失或前移，B掃圖像中能發(fā)現(xiàn)缺陷上端點(diǎn)信號(hào)，且上端點(diǎn)信號(hào)A掃相位與底波相位相同；圖4（c）所示為埋藏面積性缺陷，此時(shí)A掃信號(hào)中能夠分別發(fā)現(xiàn)缺陷上、下端點(diǎn)信號(hào)，且兩信號(hào)相位相反，同時(shí)B掃圖像中也能夠同時(shí)呈現(xiàn)兩個(gè)相位相反的信號(hào)。

本次檢測(cè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的面積性缺陷均為表面開(kāi)口缺陷。

圖3 埋藏缺陷信號(hào)特征

圖4 上，下表面開(kāi)口，及埋藏面積性缺陷信號(hào)特征

3 其他檢測(cè)方法檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 常規(guī)超聲檢測(cè)

常規(guī)超聲檢測(cè)試驗(yàn)工藝由檢測(cè)人員按照一般原則自行確定，共有5組檢測(cè)人員參與了本次檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)，要求檢測(cè)人員根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的方法測(cè)定缺陷的自身高度，例如端點(diǎn)衍射法或者－6dB法。

3.2 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)的結(jié)果分別見(jiàn)圖5（a）～（c），從射線底片來(lái)看，在底片上不能觀察到20mm厚試樣上的埋藏裂紋和未熔合缺陷，以及40mm厚試樣上的橫向裂紋和未焊透。

3.3 磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)采用磁軛法，檢測(cè)時(shí)分別進(jìn)行橫向和縱向掃查。磁粉檢測(cè)在20mm厚缺陷試樣上發(fā)現(xiàn)1處表面縱向裂紋，在40mm厚缺陷試樣上發(fā)現(xiàn)1處表面橫向裂紋，詳見(jiàn)圖6（a）、（b）。

4 缺陷試樣解剖結(jié)果

采用線切割的方式將預(yù)埋缺陷從試樣中取出，取出的部分是一塊包含預(yù)埋缺陷在內(nèi)的長(zhǎng)方體，然后再采用線切割的方式垂直于缺陷方向進(jìn)行切片，以獲取缺陷的真實(shí)深度及高度尺寸。

缺陷解剖結(jié)果見(jiàn)表3，解剖圖片見(jiàn)圖7（a）～（d）。

表4是缺陷尺寸的設(shè)計(jì)值、TOFD測(cè)量值以及解剖值對(duì)比表。

從解剖情況來(lái)看，缺陷的設(shè)計(jì)高度與實(shí)際高度值偏差較大，缺陷預(yù)埋時(shí)的尺寸控制工藝有待改進(jìn)。

表2 試樣缺陷常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果mm

從TOFD測(cè)量高度與缺陷解剖高度對(duì)比結(jié)果來(lái)看，TOFD檢測(cè)對(duì)于自身高度超過(guò)2mm的面積性缺陷，尤其是表面開(kāi)口的面積性缺陷，缺陷自身高度測(cè)量的結(jié)果比較準(zhǔn)確，而對(duì)于自身高度小于2mm的面積性缺陷或者體積性缺陷，由于缺陷的上下端點(diǎn)信號(hào)較難分辨，高度測(cè)量的難度和不準(zhǔn)確度都增大。

圖5 10，20，40mm厚缺陷試樣射線底片

圖6 磁粉檢測(cè)20，40mm厚試樣的表面橫向裂紋

5 人為因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響分析

從常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果和TOFD檢測(cè)結(jié)果的比較來(lái)看，兩者在缺陷定位、定量的準(zhǔn)確性方面存在比較大的偏差。

從不同檢測(cè)人員實(shí)施常規(guī)超聲檢測(cè)和TOFD檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看，常規(guī)超聲檢測(cè)的定位、定量結(jié)果也存在很大的差異，而TOFD檢測(cè)的定位、定量結(jié)果差異則相對(duì)小很多。

將不同檢測(cè)人員實(shí)施常規(guī)超聲檢測(cè)和TOFD檢測(cè)的結(jié)果按照定位和高度測(cè)量?jī)身?xiàng)結(jié)果制作成折線圖進(jìn)行對(duì)比，圖8為其中一個(gè)預(yù)埋缺陷采用不同方法的定位和測(cè)高結(jié)果比較圖，從這些圖的對(duì)比可以直觀看出，常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響比較大，而TOFD檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響明顯要小，在檢測(cè)高度大于2mm的面積性缺陷時(shí)表現(xiàn)的更為明顯。

表3 焊接缺陷試樣部分缺陷解剖結(jié)果

表4 預(yù)埋缺陷尺寸的設(shè)計(jì)值、TOFD測(cè)量值以及解剖值對(duì)比表

圖7 試樣解剖圖片

圖8 1＃缺陷定位定量比較

6 結(jié)論

（1）TOFD方法能夠檢出缺陷試樣中所有的7處預(yù)埋缺陷，常規(guī)超聲檢測(cè)漏檢1處橫向裂紋，射線檢測(cè)漏檢1處橫向裂紋、1處埋藏裂紋、1處未熔合以及1處未焊透，磁粉檢測(cè)則只能發(fā)現(xiàn)表面開(kāi)口的1處縱向裂紋和1處橫向裂紋，因此，TOFD方法在缺陷檢出率方面具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

（2）TOFD方法可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量高度大于2mm的面積性缺陷的自身高度，測(cè)量誤差可以達(dá)到－0.2～0.2mm。

（3）通過(guò)對(duì)TOFD信號(hào)特征進(jìn)行分析，檢測(cè)人員可以判斷缺陷是體積性還是面積性。

（4）TOFD檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響的程度明顯低于常規(guī)超聲檢測(cè)。

［1］劉富君，丁守寶，胡東明，等.國(guó)內(nèi)TOFD檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展［J］.無(wú)損檢測(cè)，2009，31（10）：19－25.

［2］鄭紅霞，孫忠波.TOFD檢測(cè)中掃查方式與檢測(cè)盲區(qū)的關(guān)系［Z］.無(wú)損檢測(cè)，2011，33（5）：43－49.