TOFD法检测焊缝缺陷分析与研究.doc

TOFD法检测焊缝缺陷分析与研究摘要：超声波衍射时间检测技术(TOFD)是当前超声波检测领域的前沿技术之一。采用该技术对焊缝缺陷进行检测，具有检测速度快、测量精度高、检测结果显示直观等特点。因此在焊缝超声波检测中得到广泛应用。但是，在我国对该技术的应用目前还处在小范围的试用阶段。对该方法的应用特点、检测参数的选择、检测结果的处理和缺陷性质的分析等方面需要进行大量的研究工作。本论文使用PCUT 10型TOFD焊缝超声波检测仪进行了大量的实验和现场检测工作，得到了丰富的检测数据。在此基础上对TOFD检测结果的处理和缺陷性质的分析方面进行了研究。文章首先介绍了TOFD技术基本原理、对焊缝检测的特点及其检测的优缺点。然后根据被检测工件(焊缝)的特点，确定了检测参数计算和选择方法，并取得了大量的TOFD检测数据。在各种检测数据的基础上，重点分析了TOFD检测中，各类典型缺陷的响应特征，并得到些重要结论。最后把TOFD方法的检测结果与普通超声波探伤的检测结果以及x射线检测结果进行对比分析，总结出其优缺点，以及与其它检测方法的匹配关系，对该技术的应用范围做了初步的界定，对该技术的应用技术规范做了一定的研究。关键词：TOFD 焊缝 缺陷 对比 分析 超声波 X射线前言在材料、工件、设备及结构不被破坏的6提下，利用它们的物理性质凶缺陷的存在而发生变化的事实，测定其变化量，从而检出其内部是否存在缺陷以及缺陷的性质、形状、位置和大小，这一检测判断的整个过程称为无损检测或称非破坏性试验(nondestructi ve test，NDT)。自1900年x射线技术在法国海关开始得到应用以来，现代无损检测技术经过了一个多世纪的发展，已经成为现代科学的重要学科之一，其重要性在全世界得到了公认。应用无损检测技术可以对工程材料、零部件和结构件的内部结构进行检测，并根据检出缺陷的特征，依照常规力学和断裂力学的理论做出恰当的评价。它不仅为保证产品质量发挥了重要作用，还为提高劳动生产率和改进工艺提供依据。因此，无损检测技术愈来愈受到工业界的普遍重视，特别是在航空与航天、核技术、电站设备、石油与化工、锅炉和压力容器、建筑、冶金和机械制造等工业部门中得到了广泛的应用。二十世纪80年代以来，无损检测技术本身开始逐步向无损评价方向发展，除了要探测物体内部或表面的各种宏观缺陷，判断缺陷位置、大小、形状和性质外，更强调能对评价对象的固有属性、功能、状态、发展趋势(安全性和剩余寿命)等进行分析、预测和做出综合判断。伴随着在这一时期材料科学和制造技术的突飞猛进带来的检测方面的强烈需求，以及飞速发展的电子技术、信息技术提供的强大技术基础，无损检测在理论突破、仪器研究、方法创新等方面都呈现出百花齐放的局面，针对各种不同的检测对象，各种新的检测技术不断出现，如激光检测技术、红外检测技术、金属磁记忆检测技术、声发射检测技术、微波检测技术等。但迄今为Ir，五种常规检测技术(RT、UT、MT、PT、ET)仍在无损检测领域牢牢占据着不可替代的地位，其功能和应用范围也不断得到新的发展。在这五种常规检测方法中，用来检测材料的表面或近表面质量，磁粉检测、渗透检测和涡流检测多射线检测和超声波检测主要用来检测材料的内部质量。射线检测技术是发展的虽为成熟的检测技术之一，超声波检测技术则是发展最为活跃的技术之一，现场工作中常用这两种技术来检测材料或构件的内部质量。但在实际应用中又都有一些问题，比如对于最典型的检测对象焊缝的检测，射线检测本来是最可靠的检测手段，但随着焊缝的厚度不断增加，即使不考虑几何不清晰度给缺陷评判带来的困难，射线的穿透能力已经成为问题。虽然为检测大厚度焊缝或构件发展出了高能x射线、中子射线、电子加速器等检测技术或方法，但由于设备庞大，在现场应用受到很大限制，而广泛应用于现场一线的便携式X射线机截止目前为止最大的穿透厚度也只有60mm。另外，射线检测还有成本问题、污染问题、几何条件问题等。超声波检测技术恰好具有检测大厚度焊缝的物理基础，在一定条件下超声波可以在钢中传播到几米、几十米甚至更远的距离，但传统的A型脉冲显示超声波检测方法在检测焊缝时，检测结果不直观，缺陷的定性和判读对检测人员的依赖性很强，定量则采用当量的方法，无法实现精确的测量。为解决这些问题，迫切需要发展新的检测技术，以期望能在一定条件下弥补以上检测技术的不足，并确保检测结果的准确性高于传统检测技术所能达到的最佳水平。为此，世界各国相继发展出了超声波B扫描、c扫描、P扫描等检测技术，试图在检测仪或计算机的屏幕上尽可能逼真地模拟出焊缝内部的情况，实现类似于射线检测的直观效果。本文所研究的超声波衍射时间测量技术则在理论上突破了单纯应用超声波的反射回波作为评判信号，综合应用超声波的反射回波和衍射波作为评判信号，从而得到了更为丰富的关于焊缝内部缺陷的信息，为缺陷的成像和评判奠定了物理基础，高速发展的电子技术和信息技术则为信号的处理分析提供了强大的工具，使该技术的发展越来越引起世界各国的关注。20世纪70年代末，超声波衍射时间测量技术在欧洲问世，当时只是作为一种用于科学研究的工具引起科学界的关注，而作为一种用于现场检测技术的开发则是在80年代以后的事，其最直接的应用需求就是检测大英帝国的高压核反应堆。尽管这类反应堆在别的发达国家也很平常，但在英国，人们尤其关注反应堆的安全问题，为了满足公众的要求，就必须保证整个系统的绝对安全，这就要求必须有先进的检测技术来检测噩力容器，以保障系统的安全运行。核反应堆的压力容器都是由很厚的钢板拼焊构成，承受着内部相当高的工作压力，因此就要求母材钢板和焊缝内部的质量达到很高的水平，不允许出现大于临界尺寸的缺陷，所以检测仪器必须可以精确地测量内部缺陷的尺寸。恰在此时，英国要建造一座新的核反应堆，而测试结果表明，传统的超声波检测技术不能准确地测量内部缺陷的尺寸是否达到或超过了临界尺寸。面对这种情况，英国以及其他欧洲国家的核工业部门都投入巨大的人力物力用于开发新的检测技术，以提高超声波检测厚钢板的检测能力。在英国，此项开发计划不止包括了传统的脉冲回波法超声波检测技术，而且在超声波衍射时间测量技术方面也做了很大努力，因为超声波衍射时问测量技术所具备的对于内部缺陷精确的测量潜力已经被认识到，特别是对内部裂纹的检测能力，而这恰好是核工业部门最为关心的问题。正是这种工业实践发展中对新技术的迫切需求，导致了该技术的快速发展。1。进入90年代以后，随着计算机技术和制造技术的飞速发展，TOFD技术在欧美发达国家得NT快速发展，相关理论逐渐成熟，研制与开发的仪器逐渐成型，1993年英国又制订并颁布了该检测技术的标准规范，即Bs一7706标准，一些学者认为该技术可以替代传统的射线检测技术。但在进一步的研究和应用中发现，该技术还存在着很多需要完善的地方，甚至存在着从原理出发就难以逾越的技术局限，因此在2000年罗马召开的第十五届世界无损检测大会上对Bs一7706标准提出了质疑，建议应对该技术做更深入的研究，并在与其他检测技术相配合的情况下使用，不赞成单独作为一种检测技术应用于现场检测。在我国，该技术仍处于起步阶段，有部分学者翻译了一些国外有关该技术的文献，有几家单位在进行仪器开发方面的努力，波达科技有限公司率先在国内开发出具有TOFD功能的PCUTl0超声波焊缝检测仪，其主机和软件具有自主产权，但由于国内探头的加工水平达不到要求，需要从美国进口，扫查器则是由台湾制造。该仪器开发成型后，仍处在实验室应用和研究阶段，没有在检测现场应用过，对各类焊接缺陷的检测结果缺乏系统的分析，也难以验证检测结果的准确性，这就给该技术的发展带来了一定的限制，本课题的研究目的就是要试图部分地解决该技术在从实验室应用过渡到现场应用前必须解决的问题。全文可大概分为四部分。第一部分包括文章的第1、2两章，介绍超声波衍射时间测量技术的基本原理，概述其优点和局限，研究仪器和探头的配置原则，对实验和现场检测中的检测参数进行计算与分析，以验证检测方法和所使用的检测仪器的可行性和可靠性，这部分的工作性质是学习和实验，目的是为大量现场检测以及检测结果的分析奠定基础。第二部分包括第3、4、5、6、7共五章，是论文的核心部分，主要内容是在大量现场检测的基础上，结合焊接结构中各类典型缺陷的产生机理和特征，分析并总结各类典型缺陷的响应特征，概括出简便的评判方法，通过普通超声波检测和X射线检测与该方法的互相印证，分析使用超声波衍射法检测焊缝时的定位、定性、定量。第三部分即论文的第8章，主要内容是根据其检测效果与传统检测方法的比较，深入研究超声波衍射时间测量技术的应用范围，探讨该方法与其它检测方法的匹配关系。第四部分即论文的第9章，主要内容是概括对超声波衍射法焊缝检测技术学习和应用的几点体会，并从理论推演、仪器改进、应用研究和标准制定等四个方面对该技术的发展进行了展望。第一章基本原理与优缺点11 基本原理超声波衍射时间测量技术(TOFD)是一种全新的检测技术，它与传统的脉冲回波检测方法的fi同之处在于：这种方法是检测缺陷边缘的衍射超声波信号，从而对缺陷的位置和大小进行测量。超声波从探头发射出来进入待测工件，当入射的超声波遇到缺陷时，比如裂纹，除T JE常的反射回波外，超声波会在缺陷的尖端发生衍射，如图I所示。缺陷的每个边缘都会变成一个超声波的信号源，向外发射超声波，这些非常弱的超卢波信号我们称之为衍射波，这些衍射波将被记录F来作为判定缺陷的依据。而传统的脉冲回波法是根据由缺陷反射回米的能量大小来作为判定缺陷的依据。1一入射波2一反射波3一透射波4一缺陷T贞端的衍射波5一缺陷底部的衍射波图11超声波衍射波发生示意图TOFD检测技术采用两个探头，按照发射一接收的形式排列探头的布置，方式如图2所示，一个是发射探头，一个是接收探头。通常采用纵波斜探头，衍射波的信号由接收探头获得，在超声波系统中进行计算评估生成B一扫描图像。图12超声波衍射法检测焊缝示意图如果对焊缝面进行解剖，则横向波、反射波和缺陷的衍射波的情况如图3所示。1一横向波2一缺陷顶端的衍射波3一缺陷底部的衍射波4一底面的反射波图13超声波衍射法检测焊缝剖面图计算机软件处理系统将会计算评估这些衍射信号，生成有黑白梯度的B一扫描图像。根据扫查探头对的扫查方向，主要有两种B扫描图像(被检测物体方向的横断面或纵端面图像)：1沿着焊缝或缺陷的走向形成的扫描图像。这种B一扫描主要用来对缺陷定位和测量大小尺寸。这通常被称作线性、非平行或纵向扫描。2超声波的声束扫查方向垂直焊缝或缺陷的走向。这种B一扫描主要用来测量缺陷的大小尺寸。这通常被称作断面、平行或横向扫查。对于走向垂直于工作表面的缺陷，我们可计算出该缺陷的大小和深度。对典型缺陷的计算精度可达到01mm。我们假定超声波都是在固定点进入和离开工作的，并且两探头之间的距离是2s。这是对缺陷真实情况的简化，但是，对于实际情况下的缺陷的计算，却有非常重大的意义。时间T是指超声波传播到D处，D处缺陷的尖端又产生衍射波传播到接收探头的时间和。这样：C7r=d2+(SX)2)“2+(矛+(S+X)2)“2 (11)这里，C=超声波的声速；T=时间：d=I件表面下D处的深度；X=D处与两个探头中间面的偏移值。当X值是零时，T的值最小，这种简化情况下，上面的公式就变为：通常是采用表面波的传播时间作为参考值，D处的深度值d是通过两处超声波的传播时间的差值T。计算出来的。R即是表面波和D处衍射波的时间差值。衍射波信号的振幅显示不出来，但是这些信号的时间间隔却能测量出来。因此，这就能精确地测量出缺陷的位置、缺陷的长度和缺陷的高度”1。12缺陷定性的理论基础在焊接结构中，缺陷可粗略地分为两大类，危害性缺陷和非危害性缺陷，危害性缺陷即面积型缺陷，主要包括裂纹、未焊透和未熔合，在绝大部分焊接结构中，均不允许存在上述缺陷：非危害性缺陷即体积型缺陷，主要包括气孔和夹渣，在很多焊接结构中允许存在，但对其数量、大小、形状均有详细的规定。对于体积型缺陷，入射超声波入射到缺陷时，在其上表面会有一个具有一定面积的反射面，超声波会发生反射，该反射波会与在相邻位置发生的衍射波共同到达接收探头，由于反射波的能量一般远大于衍射波的能量，衍射波被覆盖，接收到的信号主要反映反射波的特征，而超声波在反射时会发生位相损失，即反射超声波的位相与入射超声波的位相恰好相反。对于面积型缺陷的边缘，以及体积型缺陷的底部，均不可能发生超声波反射，衍射信号占据主导地位，而超声衍射波的特性是不改变入射波本身的特性，即相位和频率不发生改变，衍射波的位相与入射波的位相完全相同。因此，根据接收到的信号的相位，可以判断接收到的信号是反射波还是衍射波，从而可以判断缺陷是体积型缺陷还是面积型缺陷。13该技术的优点和局限131该技术的优点与传统的脉冲回波方法不