彭國平，陳振華，葉偉文，李洪剛，盧 超

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 510663；2.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

鋼制對接焊縫內(nèi)部缺陷類型的超聲TOFD-D掃描圖像表征

彭國平1，陳振華2，葉偉文1，李洪剛1，盧 超2

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 510663；2.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

本研究針對對接焊縫常見缺陷的超聲TOFD-D掃描圖像，通過對比分析獲得可用于識別缺陷類型的圖像特征；結(jié)合檢測信號特征，識別焊縫常見缺陷的類型。研究結(jié)果表明：超聲TOFD-D掃描圖像與缺陷幾何形狀密切相關(guān)，可用于表征缺陷類型；焊縫常見缺陷如側(cè)壁未熔合、根部未焊透、氣孔、裂紋的D掃描圖像特征體現(xiàn)在條紋現(xiàn)狀、拋物線開口方向及端部曲率，基于這些圖像特征可識別缺陷類型；此外，將超聲TOFD-D掃描圖像特征與超聲TOFD檢測信號特征相結(jié)合可進(jìn)一步提高對缺陷類型的識別能力。

焊縫缺陷；超聲TOFD；圖像特征；信號特征；類型識別

0 引言

超聲衍射時差法(Time of flight diffraction)又稱為超聲TOFD法，是通過檢測入射縱波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射波信號，并根據(jù)檢測信號中的側(cè)向波、缺陷端衍射波和底面反射波傳播時間差進(jìn)行缺陷的定量與定位的無損檢測方法[1-2]。超聲TOFD檢測技術(shù)具有檢測信息豐富、抗噪聲強(qiáng)、效率高、定位定量準(zhǔn)確等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于焊縫檢測中[3-5]。焊縫缺陷的危害程度與缺陷的尺寸、位置、類型相關(guān)。因此，除了通過超聲TOFD檢測圖像對缺陷測深定高外，還應(yīng)對缺陷類型進(jìn)行有效評價。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要開展了針對于超聲TOFD檢測方法研究、檢測信號分析、圖像去噪等方面的研究工作[6-9]。然而，由于焊縫自然缺陷的人工制備較為復(fù)雜且難以控制、判定缺陷類型的金相觀察工序繁雜且成本較高，針對焊縫缺陷類型的超聲TOFD-D掃描圖像特征的研究工作并不充分。

本研究開展了焊縫常見缺陷的TOFD-D掃描圖像特征的研究工作，委托專業(yè)超聲試塊制造廠家制備了含常見缺陷，包括：根部未焊透、側(cè)壁未融合、夾渣、裂紋、氣孔的鋼制對接焊縫，獲得各類缺陷的超聲TOFD-D掃描圖像；通過對缺陷D掃描圖像的分類對比，總結(jié)可用于識別缺陷類型的圖像特征；提取缺陷的超聲TOFD檢測信號，分析缺陷的信號特征。

1 試樣制備與檢測方法

檢測試塊為開V型坡口的Q235結(jié)構(gòu)鋼平板對接焊縫、長寬均為300 mm、厚度為T，在焊縫中制備根部未焊透、側(cè)壁未熔合、氣孔、夾渣、裂紋。焊縫內(nèi)缺陷與試塊左端的距離為LF，缺陷沿焊縫延伸方向的長度為fl。所有試塊均委托具有資質(zhì)的檢測試塊生產(chǎn)廠家制備，試塊均有超聲和射線檢測證書。試驗采用中心頻率10 MHz的超聲TOFD專用探頭、探頭發(fā)射聲束在鋼中折射角度為60°、探頭前沿及延遲實(shí)測分別為8 mm和3.1 μs；兩探頭關(guān)于焊縫中心對稱布置并沿焊縫延伸方向掃描成像，如圖1所示。綜合檢測聲束的交點(diǎn)位置、余高形狀、焊縫附近母材的表面狀況，調(diào)整探頭間距(PCS)，以獲得較為清晰的超聲TOFD-D掃描成像；此外，為分析PCS對缺陷圖像的影響，試驗采用了多種PCS進(jìn)行掃描程序。

圖1 檢測試樣及試驗方法

超聲TOFD檢測的特征波形包括直通波、缺陷上下端衍射波、底波，缺陷端部衍射波的傳播時間可表示為：

(1)

式中：t為缺陷端衍射波傳播時間；S為探頭聲束入射點(diǎn)間距(PCS)的一半；d為缺陷端深度，對于直通波d=0、對于底波d=板厚；c為縱波聲速5 850 m/s；t0為探頭延遲，參見圖2。

圖2 超聲TOFD檢測原理

表1為試驗所用的10塊檢測試塊N1～N10及其缺陷分布信息，對這些試塊進(jìn)行D掃描成像檢測，并選取具有代表性的典型缺陷圖像進(jìn)行對比，確定與缺陷類型相關(guān)的TOFD-D掃描圖像特征。

圖3為PCS=56 mm時，試塊N3的超聲TOFD-D掃描圖像及相應(yīng)缺陷的A掃描信號。圖3a顯示掃描距離30、180 mm處分別出現(xiàn)側(cè)壁未熔合和夾渣，與試樣情況一致。圖3b、圖3c為掃描距離側(cè)壁未熔合和氣孔的超聲A掃描信號，側(cè)壁未熔合的超聲衍射波脈沖位于16.3 μs，氣孔的超聲衍射波脈沖位于16.1 μs，據(jù)式(1)計算側(cè)壁未熔合的深度為9.42 mm，氣孔的深度為7.38 mm，基本與試樣制備情況一致。由于表1所示為制備焊縫缺陷時設(shè)置或測量的缺陷位置，受制備工藝和測量工藝本身具有一定誤差，因此除非采用破壞性試驗解剖檢測試樣，否則無法確定缺陷的準(zhǔn)確深度，也就無從分析超聲TOFD檢測的測量誤差了。由于本研究的目的是分析缺陷的超聲TOFD圖像特征，與缺陷的精確定量、定位無關(guān)，因此本研究未對測量誤差進(jìn)行深入分析。

2 檢測圖像與檢測信號分析

2.1 各類典型焊縫缺陷的檢測圖像特征分析

按缺陷類型從焊縫檢測圖像中截取相同掃描長度的缺陷特征圖像并按類分組對比，圖像截取的掃描長度為93 mm；特征圖像的縱坐標(biāo)為D掃描長度(探頭掃描移動的絕對值)，橫軸為檢測信號的時間長度(深度)。

表1 檢測試塊所含自然缺陷情況一覽

圖3 試塊N3的超聲TOFD-D掃描圖及缺陷A掃描信號

圖4顯示從試塊N1、N2、N3、N10的超聲D掃描圖中截取的焊縫根部未焊透和側(cè)壁未熔合特征圖像。未焊透的D掃描圖像特征是，在焊縫根部出現(xiàn)向外凸的拋物線條紋、底面反射波條紋、以及焊縫金屬的反射波條紋(圖4a、圖4b)。圖4a顯示，17 μs處的焊縫外拋物線條紋是由焊縫金屬未填滿導(dǎo)致底面反射波聲程變長形成的，16.25 μs處的條紋是母材底面反射形成的底波條紋，15.5 μs則是焊縫金屬面(未填滿焊縫)形成的反射波條紋。側(cè)壁未熔合缺陷的圖像特征表現(xiàn)為：掃描圖深度范圍內(nèi)存在上下兩條平行于焊縫延伸方向的條紋，條紋具有較好的連續(xù)性，對應(yīng)未熔合缺陷的形狀較為規(guī)則的上下端，顯示缺陷為沿著焊縫方向延伸且端部平滑的層片型缺陷(圖4c、圖4d)。

圖5顯示了從試塊N2、N4、N5、N8的超聲TOFD-D掃描圖中截取的夾渣特征圖像，圖像底部(離焊縫根部較近)呈拋物線狀，拋物線開口朝向焊縫余高側(cè)，夾渣特征圖像的上部(離焊縫余高較近)呈粗糙、斷續(xù)的條紋狀特征。圖4的夾渣缺陷底部為外凸的體積型缺陷，與夾渣制備工藝相關(guān)；盡管如此，拋物線形狀及朝向依然可作為區(qū)分裂紋、氣孔的重要標(biāo)志。特別應(yīng)注意的是，夾渣上端掃描圖呈現(xiàn)粗糙、斷續(xù)條紋特征，該特征顯示夾渣的體積型粗糙輪廓，是夾渣物的一般形狀特征，可作為夾渣物類型的重要判據(jù)。

圖6顯示了裂紋的超聲TOFD-D掃描圖像，掃描圖像截取自試塊N4、N6、N7、N8，裂紋的D掃描圖像主要表現(xiàn)為尖銳的拋物線形狀且開口背向檢測面。試塊N6、N8的D掃描圖像由尖銳的拋物線條紋特征構(gòu)成，且沿焊縫深度較深范圍分布并呈現(xiàn)分散狀，這種圖像特征與尖銳的裂紋端部及裂紋朝多個方向擴(kuò)展相關(guān)；試塊N4裂紋圖像顯示為平行于檢測面，且位于直通波附近的尖銳、明亮的拋物線條紋特征，與平行于焊縫延伸方向的橫向近表面裂紋的形態(tài)一致；此外，試樣N7的D掃描圖像顯示不清，但依然可觀察到尖銳的小拋物線圖形特征。裂紋D掃描圖像的拋物線條紋開口方向朝向檢測面相反的方向，拋物線條紋尖銳且端部明亮是判斷裂紋的重要特征。

圖4 根部未焊透及側(cè)壁未熔合的超聲TOFD-D掃描圖像

圖5 夾渣超聲TOFD-D掃描圖像

圖7顯示氣孔的超聲TOFD-D掃描圖特征，4 組氣孔的D掃描圖像特征取自試塊N3、N6、N7、N9，圖像特征表現(xiàn)為拋物線條紋特征，呈群聚狀態(tài)且拋物線條紋頂端較為平緩。與裂紋缺陷缺陷相比，拋物線條紋的開口方向相同，但尖端明顯更為平緩，這種圖像特征與氣孔光滑球面輪廓密切相關(guān)；此外，試塊N3、N6、N7顯示氣孔條紋特征在焊縫深度方向具有更好的聚集性，這與氣孔產(chǎn)生后上浮無法在焊縫深度方向分散分布相關(guān)；盡管試塊N9顯示了氣孔在深度范圍方向分布，但其分布范圍比裂紋更小，且拋物線條紋端部更為平緩。因此，從拋物線條紋的端部形狀及其聚集狀態(tài)可將氣孔和裂紋區(qū)分開來。

圖6 裂紋的超聲TOFD-D掃描圖像

圖7 氣孔的超聲TOFD-D掃描圖像

綜上，超聲TOFD檢測的衍射波信號與缺陷幾何形狀密切相關(guān)，通過對比分析超聲TOFD檢測圖像可區(qū)分缺陷類型。缺陷超聲TOFD-D掃描圖像特征及其與缺陷形狀特征的關(guān)系參見表2。

表2 焊縫中各類缺陷超聲TOFD-D掃描圖像特征及其表現(xiàn)的缺陷結(jié)構(gòu)特征

2.2 焊縫缺陷的檢測信號分析

超聲A掃描信號是TOFD-D掃描圖像的基礎(chǔ)，因此對A信號特征進(jìn)行分析對于識別缺陷類型具有一定作用，上述焊縫典型缺陷的A掃描信號如圖8所示。圖8a為試塊N1的根部未焊透檢測信號，其中15.3 μs為未焊透焊縫金屬的底面反射脈沖，16.1 μs處為焊縫底波，16.7 μs處為由于焊縫根部未填滿導(dǎo)致的延遲底面反射波脈沖，在D掃描圖像中表現(xiàn)為向焊縫外凸出的拋物線條紋。圖8b顯示試塊N2的夾渣檢測信號，13.6、14.0 μs處分別為夾渣的上下端衍射波脈沖且相位相反，與側(cè)壁未熔合相似，需結(jié)合夾渣D掃描圖中斷續(xù)的條紋特征進(jìn)一步區(qū)分。圖8c顯示的是試塊N8的裂紋檢測信號，12.36 μs處為裂紋端部的衍射波脈沖，由于裂紋端部的衍射波非常強(qiáng)烈，該衍射波特征表現(xiàn)得非常尖銳。圖8d顯示了試塊N6的氣孔缺陷檢測信號，氣孔衍射波脈沖位于12.62 μs；由于氣孔為直徑較小的球形結(jié)構(gòu)，氣孔的上下端產(chǎn)生的衍射波由于時差較小而相互疊加，形成寬度較寬的脈沖波形；此外，由于球端的衍射波不如裂紋端強(qiáng)烈，使得氣孔的衍射波脈沖波形趨向更寬、更平緩。

圖8 典型缺陷檢測信號特征

3 結(jié)論

1)獲得了焊縫常見缺陷，包括：氣孔、裂紋、根部未焊透、夾渣的超聲TOFD-D掃描圖像特征，基于該圖像特征可識別焊縫中常見缺陷類型。

2)焊縫常見缺陷的D掃描圖像特征：側(cè)壁未熔合為兩平行條紋；夾渣為開口朝向檢測面的拋物線條紋且拋物線端部曲率較??；根部未焊透為鄰近底面波且開口朝向檢測面的拋物線；氣孔和裂紋均為開口朝向檢測面相反方向的拋物線條紋，裂紋的拋物線條紋端部特征最為尖銳。

3)將超聲TOFD-D掃描圖像特征與超聲TOFD檢測信號特征相結(jié)合可提高對缺陷類型的識別能力。

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Ultrasonic TOFD-D Scanning Image Characterization on the Type of Inner Defect of Steel Butt Welds

PENG Guo-ping1，CHEN Zhen-hua2，YE Wei-wen1，LI Hong-gang1，LU Chao2

(1.GuangzhouSpecialPressureEquipmentInspectionandResearchInstitute,Guangzhou834009,China; 2.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

In the research, the method of charactering the type of weld defects is proposed, and image features which can be used to identify the type of defects can be obtained through comparing and analyzing on the imagery from different samples. Moreover, the characteristics of testing signal are analyzed to help identify defect types. The result indicates that the ultrasonic TOFD-D scan image is closely related to the geometry of the defect, and the extracted image features can be used to characterize the geometric shape of the defect, and then characterizing the defect's type. Combining with ultrasonic test signal, the types of common defects，such as crack, lack of penetration, incomplete fusion, slag inclusion, and porosity can be effectively identify through TOFD D scan imagery of defects.

weld defect；ultrasonic TOFD；imagery characteristics；signal characteristics；type identify

2016年7月10日

2016年9月30日

國家自然科學(xué)基金(11104129)；廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目(2015kj15)

彭國平(1984年-)，男，工程師，主要從事無損檢測技術(shù)等方面的研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.006

1673-6214(2016)05-0293-07