薄壁管環焊縫水浸超聲衍射時差檢測技術

付 悅，盧 超，陳 果，王 嬋

（1.南昌航空大學 科技學院，南昌 330034；2.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063；3.中航工業西安航空動力股份有限公司，西安 710021）

在實際檢測中，如果試件厚度小于12mm 或是缺陷位于盲區范圍內［1］，超聲TOFD（超聲衍射時差）法就存在檢測限制。針對TOFD 上表面盲區問題，可以通過使用多探頭B 掃描與TOFD 組合檢測、信號處理等方法改善盲區問題［2－4］。為了研究超聲TOFD 法在壁厚小于12mm 試件的缺陷檢測效果，采用超聲水浸TOFD 檢測法［5］。由于水的耦合，給聲波提供了一段傳播路徑，通過調節兩個探頭的發射角度，從而控制聲束在試塊表面的入射點，解除了探頭間距的限制。然而對于水浸TOFD 法檢測，收、發探頭不接觸試塊上表面，用于定標的基準直通波路徑發生改變。筆者針對薄壁管環試件，以新的直通波和底面回波為基準，對管環焊縫進行水浸TOFD 實際檢測。

1 檢測原理及成像分析

水浸TOFD 法檢測原理如圖1所示，超聲水浸發射探頭在水中激發縱波，經過水－鋼界面之后在鋼中進行傳播，遇到缺陷產生衍射波，衍射波再次經過鋼－水界面傳播到水中，被接收探頭接收。以水層為耦合層，可以避免薄壁TOFD 檢測的盲區，同時探頭角度和位置可調，為薄壁試塊的TOFD 檢測提供良好條件。試驗需確定探頭擺放角度、探頭水層高度（H）、聲波入射點間距（PCS）、探頭間距（S）、缺陷深度（d）等參數。

圖1 水浸TOFD 法檢測原理示意

由Snell定律可知水浸TOFD 法水－鋼界面折射角的計算公式為：

式中：CL1為水中縱波速度；CL2為鋼中縱波速度；αL為探頭入射角；βL為縱波折射角。

已知缺陷深度d和聲束折射角βL，則根據幾何關系，聲波入射點間距（PCS）的計算公式為：

則只要知道水層厚度H就可計算出兩探頭之間距離S為：

探頭掃描方向和兩個探頭連線方向垂直的模式稱為D 掃描。與常規TOFD 檢測設備不同，水浸TOFD 法檢測探頭固定在掃查架上，而掃查架只能沿著空間x／y／z軸直線運動，無法沿著鋼管周向旋轉。因此為了得到D 掃描圖像，需要通過手動旋轉鋼管來采集不同位置的A 掃描信號，并由這一系列的A 掃描信號在MATLAB中構成D 掃描圖像。D掃圖像中，橫坐標表示為管環周向方向的采集點個數，縱坐標為管環焊縫深度方向的各個波到達時間，A 掃波形上每一個點處的能量大小體現在D 掃圖像中各個點的灰度值上。

2 檢測方法仿真模擬

用Wave3000 模擬的模型與試驗試塊尺寸相同，均為外徑89mm，壁厚9mm 的薄壁管環焊縫。在管環內壁設置一個直徑為1.2mm，高度為4mm的半通孔。其模型三維立體圖及二維切片圖如圖2（a）、（b）所示。模擬時在水層中垂直添加一個空氣夾層作為隔斷，目的是為了阻隔發射探頭發出的波直接橫向傳播給接收探頭，避免干擾到缺陷的衍射波而發生波的重疊。

圖2 水浸TOFD 仿真模型三維立體及二維切片圖

根據式（1）～（3），得出αL為12.7°，βL為60°，S為20mm，H發為5mm，H收為8mm，d為5mm。

仿真得到不同時刻的聲場快照如圖3所示。盲孔缺陷A 掃信號如圖4所示。由圖3（b）可以看出，水中的入射縱波在經過水－鋼界面后，發生波形轉換，在前面傳播的是折射縱波，緊隨其后的是折射橫波。折射縱波不斷擴散，部分副瓣沿著水－鋼界面的下表面傳播，經過水－鋼界面折射回水中，最先到達接收探頭，此波被稱為水浸TOFD 法的直通波。折射縱波繼續傳播，到達缺陷后，在缺陷尖端發生衍射，產生衍射波，如圖3（c）所示。根據惠更斯－菲涅耳原理，衍射波以缺陷尖端為新的波源，發射出的子波以球形向四周擴散，使波的傳播方向改變，衍射波經過水－鋼界面回到水中，跟在直通波后被接收探頭接收如圖3（d）所示。

圖3 不同時刻盲孔衍射聲場快照圖片

圖4 盲孔缺陷A 掃信號

3 檢測及結果分析

為驗證水浸TOFD 法對薄壁管環焊縫的實際檢測效果，在管環試塊內表面由內向外用電火花鉆三個垂直的半通孔和三個垂直槽。半通孔的鉆孔深度皆為4mm，頂端距管環外表面距離均為5 mm，孔徑分別為：φ0.8、φ1.2、φ2mm；槽型缺陷內表面刻槽寬度均為0.4 mm，長度均為8 mm，刻槽深度分別為3，2，1mm，距管環外表面距離依次為6，7，8mm（稱作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號槽）。選擇中心頻率為10 MHz的水浸平探頭。調整S＝20mm，接收探頭水層厚度H1＝8 mm，發射探頭水層厚度H2＝5mm，對其進行水浸TOFD 檢測。

圖5 水浸TOFD 檢測裝置及部件實物圖

水浸TOFD檢測裝置如圖5所示。圖5（a）中右邊的控制屏用來控制掃查架的前后左右以及上下移動。為了實現探頭在三維空間中的移動和旋轉，從而滿足控制聲束入射點的要求，試驗制作兩個探頭夾具（見圖5（b））并將其固定在分度盤（見圖5（c））上，而分度盤則固定在控制軸上。從5 077脈沖發射器的輸出和輸入端口接出的Q9線分別接到水浸發射探頭端和接收探頭端。將示波器和5 077連接，通過示波器觀察接收波形，計算確定各個波到達的大致時間，從而對缺陷的信號進行識別。

薄壁管環焊縫的水浸TOFD 檢測時，無缺陷處的A 掃信號如圖6（a）所示，可以看出，直通波的能量很微弱，從圖3的仿真結果也可說明，水浸TOFD法的直通波是折射縱波的副瓣沿著鋼下表面傳播并折射回水中的。由于副瓣能量微弱且水－鋼界面的透射率低，導致了直通波的能量較低。直通波和底面回波出現的時間分別是12.1μs和13.4μs，與理論計算的12μs和13.3μs絕對誤差不超過0.1μs。φ2 mm孔、φ1.2mm 孔和Ⅰ槽的A 掃信號如圖6（b）、（c）、（d）所示?？梢钥闯?，雖然Ⅰ槽距外表面比φ2mm孔要大1mm，但是槽型缺陷的尖端衍射波幅度比孔型缺陷的大，其底面回波比孔型缺陷的幅值要低很多，由于φ1.2mm 孔直徑比φ2mm 小，所以其回波的相對幅值比φ2mm 的弱。φ1.2mm、φ2mm 孔缺陷產生的衍射波到達時間均為12.73μs，與理論計算的12.53μs相差0.2μs。Ⅰ槽型缺陷到達時間為12.83μs，與理論計算值12.63μs相差0.17μs。對φ0.8mm孔和Ⅱ、Ⅲ號槽也進行了檢測，通過試驗數據得出，各個缺陷波到達時間分別為12.72，12.99，13.16μs，與理論計算值12.53，12.83，13.05μs之間的絕對誤差分別為0.19，0.16，0.11μs，誤差均在允許范圍內。

圖6 水浸TOFD 檢測A 掃信號

得到各個缺陷的A 掃信號后，筆者按照圖1給出的D 掃描方式對φ0.8、φ1.2、φ2 mm 孔和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號槽附近的周向旋轉方向上采集多組數據，后期在MATLAB中處理成像。φ1.2 mm 孔和Ⅲ槽的D 掃圖像如圖7所示。由于直通波能量很微弱，所以D 掃成像中直通波并不明顯。

圖7 缺陷D 掃圖像

4 結論

（1）對于水浸TOFD 法檢測，傳統TOFD 的A信號中，直通波路徑發生改變。通過仿真模擬，觀察出水中的入射縱波，在經過水－鋼界面發生波型轉換后，折射縱波不斷擴散，其副瓣沿著水－鋼界面的下表面傳播，再次經過水－鋼界面折射回水中，最先到達接收探頭，此波被稱為水浸TOFD 方法的直通波。在新的直通波后，依次出現缺陷衍射波和底面回波。

（2）在水浸TOFD 法的實際檢測中，直通波、缺陷波和底面回波的到達時間與理論計算時間之間的絕對誤差不超過0.2μs，誤差在允許范圍內。通過采集多組數據可以得出清晰的缺陷D 掃圖像。

（3）使用水浸TOFD 法對薄壁管環焊縫的實際探傷進行研究，試驗初期制作的人工缺陷都接近管環內表面。試驗通過水浸TOFD 法，可檢測到距離內表面1mm 的槽型缺陷。

［1］梁玉梅，王琳，王彥啟.超聲TOFD 檢測原理探析［J］.無損檢測，2010，32（7）：33－38.

［2］薛永盛，李玉軍.TOFD 檢測上表面盲區的討論［J］.無損探傷，2014，38（4）：41－42.

［3］劉禮良，鄭輝，鄔冠華.超聲衍射時差法檢測表面盲區分析及盲區內缺陷的超聲爬波檢測工藝和應用［J］.無損檢測，2013，35（7）：42－46.

［4］遲大釗，剛鐵，姚英學.一種基于超聲TOFD 法的近表面缺陷檢測模式［J］.焊接學報，2011，32（2）：25－28.

［5］SAJU R S，ABRAHAM T，VENKATRAMAN B.Immersion and TOFD（I－TOFD）：a novel combination for examination of lower thickness［J］.J Nondestruct Eval，2011，30：137－142.