， ，，

(中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215004)

核電設(shè)備的在役零件和焊接構(gòu)件,不同程度存在著表面開口缺陷的風(fēng)險，如果能夠?qū)崿F(xiàn)對該類缺陷的檢測和高度的測量，對于核電設(shè)備壽命的評估有很大的幫助。其中，外表面開口缺陷可以用滲透、目視等方法較容易地檢出，且通過打磨、挖補(bǔ)等技術(shù)可以去除相關(guān)顯示。而內(nèi)表面開口缺陷受制于設(shè)備及現(xiàn)場工況，需要用超聲方法對其進(jìn)行定位、定量檢測。由于內(nèi)表面開口缺陷的顯示信號，有時易與內(nèi)表面結(jié)構(gòu)信號及底面回波信號重疊，因此對該類缺陷的檢測及高度測量就顯得尤為重要。

目前應(yīng)用超聲測量表面開口缺陷高度的常用方法主要有橫波串列式雙探頭法、相對靈敏度法(包括6 dB法，20 dB法)、端點(diǎn)衍射波法和端點(diǎn)反射回波法[1]。然而,橫波串列式雙探頭法操作復(fù)雜,回波難以確認(rèn)；相對靈敏度法測得的高度是表面開口缺陷高度的指示值,與實(shí)際高度有較大的誤差；端點(diǎn)反射回波法的精度不高，特別是對低高度的表面開口缺陷測量誤差較大,故應(yīng)用受到限制。與以上幾種方法不同，端點(diǎn)衍射法是利用超聲波在缺陷端點(diǎn)的衍射信號來測定缺陷高度的，相對比較準(zhǔn)確。因此，筆者利用端點(diǎn)衍射法原理對表面開口缺陷進(jìn)行檢測，通過常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法與TOFD衍射時差法進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對檢測結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。

1 原理及方法

1.1 端點(diǎn)衍射法測量原理

根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，超聲波在介質(zhì)中傳播時，若遇到缺陷，缺陷邊緣可以看作是發(fā)射子波的波源，使波的傳播方向發(fā)生改變，聲波向各個方向進(jìn)行衍射和反射。缺陷邊緣產(chǎn)生的衍射和反射波被探頭接收，通過衍射波和反射波傳播時間的不同來測量缺陷自身高度的方法，稱為超聲波端點(diǎn)衍射法[2]，其缺陷測量原理如圖1所示。

圖1 表面開口缺陷測量原理示意

1.2 常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法

常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法采用單晶斜探頭對表面開口缺陷進(jìn)行高度測量。試驗(yàn)采用外壁掃查方式，檢測內(nèi)壁表面開口缺陷。首先在缺陷附近緩慢移動探頭找到缺陷最大反射回波，提高相應(yīng)靈敏度，再緩慢前移探頭，尋找缺陷尖端衍射信號，當(dāng)衍射波達(dá)到最大幅值時，記錄此時缺陷的高度，即為表面開口缺陷的尖端位置(見圖1)。

1.3 TOFD時差衍射法

TOFD檢測技術(shù)利用超聲波的衍射現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)對缺陷的檢測。其檢測原理示意如圖2所示，當(dāng)探頭發(fā)出的超聲波在被檢工件中的傳播過程中遇到缺陷時，會在缺陷的尖端發(fā)生衍射現(xiàn)象而產(chǎn)生衍射波，由惠更斯原理可知，衍射波會在大角度范圍內(nèi)散射，沒有明顯的方向性，因此可被另一側(cè)的探頭所接收。

圖2 TOFD檢測技術(shù)原理示意

從圖2可看出，TOFD檢測中A掃信號在遇到界面時會發(fā)生相位的變化，缺陷的上端衍射波與直通波的相位相反，變化了180°。對于缺陷的定量計(jì)算，通過信號傳播時間可計(jì)算缺陷埋藏的高度d，如式(1)所示。

(1)

式中:c為縱波聲速；t為衍射信號傳播時間；S為探頭間距的一半。

對于缺陷高度，由于為表面開口缺陷，因此只需用工件板厚減去缺陷上端點(diǎn)高度即可。為了進(jìn)行端點(diǎn)衍射法與TOFD在缺陷測高方面的精度對比，TOFD試驗(yàn)采用非平行掃查方式，并采用相同試塊進(jìn)行缺陷高度測量。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)儀器及試塊

常規(guī)超聲儀器采用CTS-9009型數(shù)字超聲儀，為了保證較高的測量精度，要求儀器的水平線性誤差不大于1%；TOFD儀器采用Z-SCAN-UT多通道超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。常規(guī)超聲探頭采用2.5P8×12K1探頭；TOFD探頭型號為OLYMPUS C543，頻率為5 MHz，晶片直徑為6.3 mm，有一發(fā)一收兩個探頭。試塊材料為20鋼板材，板厚40 mm，表面刻有1，2，3，4，5，6，7，8 mm高度的EDM(電火花槽)開口槽，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)儀器外觀

2.2 常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法測量過程及結(jié)果

常規(guī)超聲檢測時，首先測量出探頭前沿及角度，將探頭與數(shù)字超聲儀連接，調(diào)節(jié)時基比例為聲程1∶1;然后將探頭放置在外壁掃查面上，移動探頭找到缺陷最大反射波；由于45°探頭端角反射明顯，因此缺陷最大反射波顯示的高度即為平板厚度值H。

找到最大反射波后，適當(dāng)提高增益，緩慢前移探頭，此時發(fā)現(xiàn)反射波左側(cè)出現(xiàn)幅值較低的回波信號，這就是缺陷的端點(diǎn)衍射信號。將閘門調(diào)至衍射波信號上，前后緩慢移動探頭找到衍射波最大幅值，提高增益使衍射波最大幅值為滿屏的80%，記錄此時缺陷端點(diǎn)衍射波顯示的高度h1，此時缺陷的高度即為：Δh=H-h1。

隨著探頭的向前緩慢移動，探頭聲束軸線遠(yuǎn)離端角反射區(qū)域，因此缺陷反射回波明顯下降。當(dāng)找到缺陷最大衍射波后，將閘門調(diào)至缺陷反射波上，調(diào)節(jié)自動增益使此時缺陷的反射波達(dá)到滿屏的80%。由此可以發(fā)現(xiàn)，衍射波信號劇烈下降，波高低于滿屏的10%。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[2]可知，衍射波與反射波幅值差約20～30 dB。表1為不同高度刻槽反射波與衍射波測量結(jié)果。從表1可以看出，隨著高度的增加，衍射波波幅與反射波波幅差呈增加趨勢，其最小值為23.5 dB，最大值為28.0 dB。

表1 不同高度刻槽反射波與衍射波測量結(jié)果

圖4 常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法A掃信號

當(dāng)反射波波高為滿屏的80%時，通過式(2)可計(jì)算得出波幅差ΔA。

ΔA=20lg(80/h1)

(2)

即使當(dāng)波幅差值為23.5 dB時，h1的衍射波波幅只為滿屏的5.35%。因此，需要強(qiáng)調(diào)的是尋找衍射波時，要緩慢移動探頭，仔細(xì)觀察反射波左側(cè)的波幅變化，以免造成衍射波信號缺失而無法測高。常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法A掃信號如圖4所示。從圖4可看出，測量表面開口缺陷時，對于不同高度的開口槽，其高度測量值與實(shí)際值誤差不大，最大誤差為0.3 mm。

2.3 TOFD測量過程及結(jié)果

TOFD檢測的工藝參數(shù)包括探頭頻率、探頭角度以及探頭中心間距等。探頭頻率的大小與TOFD檢測的精度和分辨率有關(guān)，筆者選取了5 MHz的探頭。在選擇探頭間距與角度時，既要保證超聲波能夠覆蓋檢測區(qū)域，又要保證缺陷端點(diǎn)的衍射信號有足夠的能量。筆者選取楔塊角度為60°，超聲波的主聲束聚焦在工件底面，這主要是因?yàn)閷?shí)際焊縫檢測時， 因不清楚裂紋(缺陷)偏離焊縫中心的情況，因此選擇更大的探頭間距(2S)以減小軸偏離底面盲區(qū)高度，探頭間距的計(jì)算如式(3)所示。

2S=2×H×tanθ

(3)

式中：H為工件厚度；θ為探頭折射角。

板材厚度H為40 mm，探頭折射角為60°，通過式(3)計(jì)算得到探頭間距2S為138 mm。

利用以上的試驗(yàn)參數(shù)獲得了TOFD檢測的數(shù)據(jù)，如表2所示。

圖5為不同高度表面開口槽TOFD檢測的D掃描圖像。根據(jù)工件的厚度和探頭間距，選取直通波和底面反射波對TOFD圖像進(jìn)行了高度校準(zhǔn)。然后選擇D掃圖像中含有缺陷衍射波的A掃信號對缺陷的高度進(jìn)行測量。

表2 不同高度刻槽TOFD方法測量結(jié)果 mm

圖5 不同高度表面開口槽TOFD檢測的D掃圖像

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1) 采用常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法測量時，隨著開口槽高度的降低，其衍射波與反射波難以分辨，甚至衍射波信號被反射波所覆蓋。從圖4可以看出，當(dāng)缺陷高度大于4 mm時，衍射波與反射波可明顯區(qū)分，且分辨力隨著缺陷高度的增加而提高。

(2) 通過圖5可以看出，當(dāng)表面開口槽高度為1 mm時，D掃圖像很難區(qū)分其衍射信號與噪聲信號，且底面反射波信號飽和造成對比度下降。但在A掃信號中，可通過相位來判斷該缺陷。其他高度缺陷均可通過TOFD方法測量出來，最大誤差為0.14 mm。

(3) 由常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法和TOFD方法對不同高度表面開口槽的測量結(jié)果可以看出，隨著槽高度的增加，兩種方法測量結(jié)果基本一致。對于高度小于4 mm的開口槽，常規(guī)超聲A掃信號分辨力下降;缺陷高度小于2 mm時，衍射波與反射波信號無法區(qū)分。

4 結(jié)論

在現(xiàn)場實(shí)際工況中，表面開口缺陷形狀并不規(guī)則，衍射波信號的強(qiáng)弱受缺陷角度及方向的影響較大。尤其是表面開口缺陷端點(diǎn)衍射信號一般很弱，不易分辨。在工況具備條件時，為了保證缺陷高度測量的準(zhǔn)確性,一般選用TOFD方法。在對復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件進(jìn)行缺陷高度測量時，考慮到常規(guī)超聲端點(diǎn)衍射法操作簡便、不需專用掃查器以及不受現(xiàn)場空間環(huán)境的影響，當(dāng)TOFD方法不具備檢驗(yàn)條件時，采用端點(diǎn)衍射法也能夠獲得較好的效果。

參考文獻(xiàn):

[1] 王春艷，柯常波，陳鐵群.表面開口裂紋高度的超聲無損測定[J].壓力容器,2008,25(12):49-52.

[2] 宋正升. 超聲端點(diǎn)衍射法測定柱孔高度[J].無損檢測,2004,26(10):520-522.