焊缝超声ofd法衍射方差法应用现状

焊缝超声ofd法衍射方差法应用现状

超声vsd法（时间分割法）是一种有效的检测方法。早在10年前,欧洲就对此作了许多实验、研究和分析,随后转入实际应用。迄今为止,在欧洲已有关于TOFD法的BS标准(1993)和CEN标准(2000);日本也于2001年制定了NDIS2423标准:用TOFD法对缺陷定深测高。美ASME则在最新版的标准范例中详述了TOFD法用于锅炉、压力容器焊缝检测的具体程序和要求。但现行的TOFD法,大多采用自动探伤,而探伤结果也都是在最佳条件下获得的。有关TOFD法的基础试验,几乎是凤毛鳞角,基础研究也寥若晨星。这里介绍国外一家超声探头公司,用电火花加工的人工裂纹试块,使用TOFD法进行基础试验的概况。由试验过程,即可洞悉TOFD法的种种技术细节。以下将有关这方面的试验结果与英标(BS)、欧标(CEN)所记述的内容作一比较、分析、意在为该项技术在国内推广应用“鸣锣开道”。1tofd法的原理和模式1.1表面传播的侧向波与眼底反射波TOFD法就是用两个探头相向对置,一发一收,利用缺陷端部产生的散射波和衍射波,来检出缺陷和评定缺陷的方法。图1即表示TOFD法的探伤原理、探伤波形的模式图及对缺陷进行定深测高的示例。图1(a)中,A为沿试件表面传播的侧向波(Lateralwave),C为底面反射波(Back-wallreflection),当有缺陷存在时,在AC间会接收到缺陷上端的散射波和缺陷下端的衍射波。这里只考虑纵波声速V,忽略缺陷处的波型变换产生的横波等,又设缺陷端部产生的散射波或衍射波的接收时间为t,缺陷位置偏离两探头间距中线的距离为Y(图1(b)),则超声自一探头发出,入射到缺陷端部,经散射或衍射,被另一探头接收到的整个传播声程,可用下式表示:Vt=[d2+(s-Y)2]1/2+[d2+(s+Y)2]1/2(1)当缺陷处于两探头间距的中线位置时,t值最小,此时(1)式可简化为(2)式:Vt=2[d2+s2]1/2(2)1.2传播时间差td用TOFD法时,通常是测定沿试件表面传播的侧面波与缺陷端部产生的散射波(或衍射波)的传播时间差tD。只要已知试件纵波声速V,两探头间距2S,则缺陷端部离试件表面的埋茂深度d,可根据上述时差tD由下式求出:d=12[td2V2+4tDVS]1/2(3)d=12[td2V2+4tDVS]1/2(3)由缺陷两端部的深度差即可求出缺陷在板厚方向的高度。2试验过程2.1仪器试验用的超声波探伤仪是德克劳特克莱末公司制的USD15型和日三菱电机公司制的UI-22型,后者用于频率分析。2.2疲劳裂纹的定量评价试验用的试块为低合金钢,用电火花加工(EDM)了代表人工裂纹的窄槽(图2)。一般要搞到疲劳裂纹定量的试块很难,故用电火花加工的试块作试验,又因为疲劳裂纹的端部形状和尺寸不同,会使散射波或衍射波强度和波形有可能不同,故以电火花加工的窄槽尺寸为基准,通过灵敏度补偿处理,来对实际裂纹进行定量评价。2.3表面活性剂及金面的加标试验试验用的探头是一对宽带纵波斜探头,取一种尺寸(5mm×5mm),两种角度(45°、60°),三种频率(2MHz、5MHz、10MHz),见表1。探头入射点、折射角用IIW-I型试块测定。超声波探伤仪上声速设定为5900m/s时,通过调整仪器脉冲延迟,使R100圆弧面的最高回波声程为100mm,以此测出探头入射点。作TOFD法试验时,需由此入射点延迟一定时间,这点很重要!波数和频率则由频率分析仪测定,图3即为示例。2.4双表面材料用锭子油。2.5人工裂纹上下两端部位置的确定为提高试验精度,保证有重复性,使两探头相向布置,装在一个探头夹具内,以使两探头间距易于调整(见图4)。超声波探伤仪采用AC波形显示,以便能利用图1所示的侧向波、缺陷散射波或衍射波及底面回波的相位信息,判定缺陷有无、缺陷性质及深度位置和高度尺寸。在上一节已提到,利用(1)～(3)式,由衍射时差tD,纵波声速V及两探头间距半值S,即可求出缺陷埋藏深度d,并由缺陷上下两端深度差求出缺陷自身高度h。作试验时,为能推断人工裂纹上下两端部位置,需采用下述方法:(1)探头间距L:通过设定探伤仪闸门为侧向波声和(W侧向),以0.1mm为单位读出模拟输出值。(2)人工裂纹上端部和下端部的声程W上端、W下端的测定:将探伤仪测定范围调为满刻度10mm,并将探伤仪AC波形打印输出,侧向波与裂纹上端的散射波和下端的衍射波的峰值间距X以0.5mm单位测出,然后由下列(4)式以0.1mm为单位求出:W上端或W下端=2X/21(4)(测定范围10mm,每一刻度代表2mm,在记录纸上标出21mm。)这样,人工裂纹上端和下端的深度位置d上端和d下端,可由以下(5)、(6)式求出,而裂纹高度h则由(7)式求得,即[d上端=(W2上端−W2侧向)1/2(5)d下端=(W2下端−W2侧向)1/2(6)h=d上端−d下端(7)[d上端=(W2上端-W2侧向)1/2(5)d下端=(W2下端-W2侧向)1/2(6)h=d上端-d下端(7)3试验结果和分析3.1主局部缺陷识别图5是用B5Z5×5LA60纵波斜探头探测深度17.5mm、高为5mm的人工裂纹时所得到的探伤波形图。图中符号:●——侧向波,▲——裂纹上端部散射波,ᐁ——裂纹下端部衍射波,□——底面回波。若以侧向波相位为基准,则裂纹下端部衍射波与之同相位,而裂纹上端部散射波和底面回波与之反相位。用TOFD法时,因示波屏上有侧向波和底面回波存在,可作为状态监视波使用,故缺陷识别一目了然。换言之,TOFD法有可利用相位信息的重要特点。对表1中的其他探头也不乏此共性。本试验结果,对照欧洲标准(CEN)的说明及某些资深专家对人工裂纹回波的计算,与表示裂纹上端部和下端部相位反转的结果,也完全一致。3.2侧向波传播衰减特性TOFD法中,示波屏上的侧向波起着举足轻重的参考基准作用,所以有必要测试TOFD法用的探头有关侧向波的距离特性。图6表示将两个纵波斜探头相向对置放在图2所示试块的无缺陷部位,改变两探头间距L(mm)时,有关侧向波距离特性的测试结果。由图6可见,使探头间距L由0变为30～40mm时,侧向波的波幅约降低20dB。虽与探头型式也有关,但间距L=100～130mm时,侧向波波幅会降低约40dB。此时侧向波的接收灵敏度就很低。侧向波实际上是在试件表面传播的爬波(Creepingwave,又称表面下纵波)。在表面,此纵波又会通过波型转换变成横波,故其距离波幅特性会急剧下降。一般爬波的距离特性,根据实验值和前苏I.N.埃莫洛夫(Ermolov)的文献值,可用下式表示:W=K·CW-(1.6～2.0)(8)式中CW—爬波传播距离K—常数日本一家超声探头公司在TOFD基础试验中所测得的侧向波传播衰减特性,远大于(8)式所求出的数值。究其原因,分析如下:通常爬波探头有指向性的主声束,总是设计为LA90°,就是在近表面传播的具有强指向性的纵波。但TOFD法所用探头有指向性的主声束则与折射角一致。一般纵波90°附近的指向性就较弱。换言之,TOFD法中由于入射波和接收波的声场较弱,侧向波的距离衰减也较大。用动态探头测试B5Z5×5LA60的指向性,发现90°方向的指向性要比主声束指向性低14dB,往复指向性则低28dB。但用TOFD法探伤有胜过常规波幅法探伤不可多得的长处:可根据被检材料的几何尺寸,充分利用侧向波的相位和缺陷端部的时间差信息,来对缺陷进行测深定高评价。3.3单斜激发法与单斜激发法的特性进行了比较图7比较了TOFD法与单斜探头纵波法的探伤波形。TOFD法与单斜探头纵波法相比有以下不同处:3.3.1tofd法缺陷评定(1)图7左上方是TOFD的AC波形图,由于侧向波和底面回波的存在,缺陷的上下端部位置很容易判断。而且由相位信息,也易于区分上端部的散射波和下端部的衍射波。图7左下方是双斜探头DC波形图,因无相位信息,就难于区分端部回波孰上孰下。图7右上方和右下方分别是单探头纵波法AC波形和DC波形图,要从中判明缺陷回波,就很有难度了。(2)用TOFD法对缺陷定深测高,与缺陷端部散射波和衍射波的强度无关,只要探头收到散射波和衍射波,就很容易根据声程差(时间差)测出缺陷深度位置和高度尺寸;即使缺陷有方向性也没有什么影响。(3)即使探头入射点和折射角不明,只要测出侧向波和缺陷散射波、衍射波的传播时间(声程),也不难求出缺陷位置和高度。(4)TOFD法中示波屏上显示的侧向波和底面回波(图5、图7),可作为判断超声传播情况和缺陷有无的参考信号。(5)令探头间距一定,例如对焊缝作垂直方向的前后扫查,求出散射波和衍射波的最短距离(时间),就可使缺陷位于两探头间距中点的正下方。这样就能为正确推断缺陷位置提供最佳数据。3.3.2检查板厚的范围(1)TOFD法要用两个探头同时进行扫查,所以要有较复杂的探头夹持机构(见图4)。(2)若缺陷靠近表面或底面,在缺陷端部产生的散射波或衍射波,有可能与侧向波或底面回波相重叠,以致在工件表面或底面附近产生盲区。(3)当板厚较大时,用一对探头扫查,要对整个板厚作全范围探伤就有困难,此时要根据实际需要,分割若干检查范围,用几组探头进行扫查。综上所述,用TOFD法的最大优点是:无缺陷时,探伤仪示波屏上只有侧向波和底面回波信号显示;有缺陷时,在示波屏上述两参考信号之间会出现缺陷上下端部的散射波和衍射波信号。根据侧向波与上下端波的信号传播时差,易于算出缺陷的深度位置和自身高度;而且根据缺陷端部信号与参考信号(侧向波、底波)的相位正反异同情况,可估判缺陷性质:是面状还是体状,是表面开口缺陷还是底面开口缺陷(有关TOFD法缺陷定性方法及示例见笔者另文:“焊缝TOFD法超声检测新技术的特性和应用”)。而一般的单斜探头纵波法,因无侧向波和底面回波作参考,又无缺陷波的相位信息,要判别缺陷的存在及其位置、大小和性质,就非轻而易举。3.4人工裂纹上前端部位置的测评精度用图4所示探头夹具,改变双探头间距L,测定人工裂纹位置和高度。人工裂纹深度位置d上端、d下端,可用(5)、(6)式计算。图8即为测评结果。可见,探头间距L即使如表2所示作多种变化,人工裂纹上下端部位置的测评精度也都很好。用图8左侧的B5Z5×5LA60纵波斜探头,当间距L=20mm时,探测深度d上端=7.5mm,d下端=12.5mm的人工裂纹,因散射波高很低,信号峰值位置不明显。此时,裂纹上端部和下端部的声束角度分别是53.1°和38.7°,而测评的裂纹深度有一定误差,即d上端=7.0mm,d下端=11.5mm。除此间距外,其余测评误差均在±0.3mm以内。当探头间距L大于一定值时,即使L固定,人工裂纹埋藏深度在7.5～25mm范围内,一般也都能被有效检出和准确测评。使用图4所示的专用探头夹具对保证TOFD法缺陷测深定高结果的重复性和稳定性很有用。3.5人工裂纹的测定用TOFD法测评人工裂纹高度时,应以裂纹上端部散射波与下端部衍射波能分离开来,其声程可测定为前提。这是确定面状缺陷能否测高的关键因素。为此,需用图2所示的试块,通过计算和试验求出探头间距L与人工裂纹上下端部声程的关系,并对计算和试验值进行比较。图9表示探头间距L与裂纹上下端部声程差△W的关系。图中条件:裂纹高h=5mm,裂纹离表面深度d上端.1=17.5mm,d上端.2=7.5mm。符号●和○分别表示5MHz和10MHz的试验结果,实线表示计算结果。可见,计算与试验结果颇为一致。这就表明:人工裂纹的上端部散射波和下端部衍射波能可靠地被检出,裂纹测高前提成立。若要增大裂纹上下端部声程差,就要设法减小两探头间距L。假定上下端声程差△W=2λ(λ:波长)时,能识别高h=5mm的人工裂纹,则2MHz时,△W2λ=5.9mm;5MHz时,△W2λ=2.36mm;10MHz时,△W2λ=1.18mm。图10是用B2Z5×5LA60纵波斜探头作TOFD法探伤时的波形图。可见用频率2MHz的纵波斜探头探测图2中高h=5mm的人工裂纹,由于分辩力差,就很不合适。裂纹上下端声程差△W可由下式算出:由试验测出的上下端声程差△WEX,则由下式算出:WEX=W上端-W下端(10)上述分析表明:用TOFD法时,为能检出面状缺陷上端部的散射波和下端部的衍射波,为能在探伤仪示波屏上将以上两波信号分辨开来,最好根据需要检出的缺陷深度位置和自身高度,选定合适的探伤频率、声束角度及两探头间距。3.6偏偏造成的缺陷深度离表面深度为d(mm)的面状缺陷,若不处于两探头间距中点(S=L2)(S=L2)的正下方,而与中心线偏差为Y时,根据(1)式测评的缺陷深度就会产生误差。声程W就是(1)式中的Vt。W最小时的Wmin,由∂W/∂Y=0求出,故Y=0时的Wmin即为:Wmin=(S2+d2)1/2(11)Y≠0时,W>Wmin。若偏离Y时的缺陷深度为d,Y=0时的缺陷深度为dy=0,则d>dy=0。因此面状缺陷偏离间距中线位置时所求出的缺陷深度,往往大于实际深度。此深度误差δ(mm)可用下式表示:δ=d-dy=0(12)图11表示缺陷偏离间距中线为Ymm时,对缺陷深度测评结果的影响。图中实线是(12)式计算结果,●是试验结果。可见试验结果与计算结果基本上一致。为使测深误差δ最小,在检出缺陷散射波和衍射波信号后,就要使双探头对着焊缝作前后扫查,当示波屏上显示的缺陷信号(上端波)处于最小声程位置时,与之相应的深度位置才是缺陷的准确位置。4超声tofd法探伤的可行性TOFD法是焊缝探伤缺陷定位、定量、定性的一种有效技术。由使用电火花加工的人工裂纹试块所作出的有关TOFD法探伤的基础试验可知,利用示波屏上具有相位信息的AC波形显示,以侧向波为基准,测出面状缺陷上下端部的散射波和衍射波声程,就可对缺陷埋藏深度和自身高度作出适当评价。由测试结果可得出以下结论:(1)在示波屏上可确认侧向波、缺陷上端部的散射波、下端部的衍射波及底面回波四种信号的相位反转关系。(2)准确测出侧向波、