厚壁焊缝超声TOFD法检测原理应用及发展现状.docVIP

厚壁焊缝超声TOFD法检测原理、应用及发展现状 焊接作为制造业的基础工艺与技术，在现代科学技术和生产中得到了广泛的应用。虽然迅速发展的现代焊接技术已经能够在很大程度上保证其产品质量，但是由于焊接结构本身材质不完善，应力分布复杂，在焊接过程中产生缺陷与残余应力等的影响，在产品的设计寿命期限内或超期服役期间焊接结构可能出现裂纹，并有扩展的可能性。因此，在设备服役期间，若能正确地应用无损检测与监控技术，就可以提前测量出设备材质是否恶化、有无裂纹出现，进而促进整个投产装置运行的安全。常规的无损检测方法有射线、超声波、磁粉、涡流和渗透5种，其中射线和超声波检测应用最为广泛。近年来随着传感器技术、电子技术以及计算机技术的发展和应用，超声无损检测领域又出现了许多热点新技术，其中之一就是超声TOFD法，开始在焊缝检测中逐渐应用，尤其在厚壁焊缝的无损检测中显示出很大的优势。 TOFD的原理 TOFD的定义 超声波衍射时差法（Time Of Flight Diffraction，TOFD），依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷，是一种专为测量与检测面有较大倾角或垂直于检测面的缺陷的自身高度而发展的一项技术[1]。 超声波与缺陷的相互作用 TOFD归根结底是一项超声波探伤检测技术，因此和其他超声波探伤的方法一样，TOFD最基本的物理原理是超声波与缺陷相互作用的机理，如图1所示为超声体积波与裂纹类面状缺陷的相互作用[2]。相互作用后，即使忽略波形变换效应， 超声能量也可分成五个重要分量：① 不参与相互作用的入射波(前沿部分)；② 裂纹表面的镜面反射波；③ 由裂纹表面粗糙度和许多小裂面所引起的散射波； ④ 裂纹端点产生的衍射纵波；⑤裂纹端点产生的衍射横波和衍射锥波。无论从何处观察，均可见这些分量的不同组合。这些分量是作为单独的脉冲显示，还是作为相互作用形成的复合脉冲显示，取决于脉冲长度和观察位置等因素。显然，缺陷相对于波源和接收器(接收探头)的取向，会明显影响这些分量的贡献，而缺陷自身表面粗糙度的变化，又会改变镜面反射波和散射波的能量分布。声透射率的变化则会影响所有分量的分布。 图1　平面压缩波与半面裂纹的相互作用 缺陷端部衍射 根据上述机理可知，当超声波在材料中传播， ， ，， ， (或时间) 间隔直接正比于缺陷高度， 图2 TOFD平面检测示意图 图3 TOFD检测典型信号 超声TOFD对厚壁焊缝典型缺陷的检测和分析 1. 检测条件 TOFD法所用信号幅度较低，用来检测厚壁焊缝要求母材和焊缝对超声波衰减、散射较小的材料。另外，表面状态不良也会引起信号质量（幅度和形状等）的下降，严重影响检测可靠性。因此，材料表面越光滑平整，定量结果越精确。 2. 缺陷分析 梁宏林、滕永平和吕香慧[4]等人进行了大量的现场超声TOFD检测厚壁焊缝，进行了部分缺陷的解剖试验，最终得到了四种主要自然缺陷的检测结果，图4分别为气孔、夹杂、裂纹和未焊透四种缺陷的典型TOFD示意图。 图4 TOFD典型缺陷示意图（从左至右：气孔、夹杂裂纹、未焊透） 气孔 超声TOFD法对气孔的定性检测非常准确。一方面，缺陷显示图像非常直观，可以比较容易地判断缺陷性质，对操作者检测水平的依赖性大大下降；另一方面，还可用图像的特点来辅助完成缺陷的定性。但如果是密集气孔，超声TOFD显示图上气孔边缘的清晰度下降，而且很难区分几个气孔之间的边界。 夹杂 同传统的超声波探伤方法相比，超声TOFD法对夹杂的定性检测要更好一些。但如果操作不当，也存在着误判的可能。对点状夹杂，如果单纯看超声TOFD显示图，在衍射信号不太强的情况下，很容易误判为点状气孔；对条状夹杂，则容易误判为其它危害类缺陷(如裂纹、未焊透等)。检测过程中用鼠标点击TOFD 显示图上缺陷的不同位置，同时观察相位图和底波的变化情况，可以大大降低误判的几率。因此，必须将TOFD 显示图和相位图结合起来，以实现对缺陷的准确定性。 裂纹 超声TOFD法对裂纹的定性检测非常准确，其直观的缺陷显示图和带有相位信息的波形图为缺陷定性提供了充分的依据。但超声TOFD法检测裂纹也存在着一定的局限：这种方法只能得到缺陷的二维显示；对面积型缺陷的倾斜角度类重要信息无法完全表达；对位于焊缝根部的小裂纹，无法看到明显的缺陷衍射波，只能根据底波的变化来判断。 未焊透 超声TOFD法对未焊透的定性检测具有较高的准确性，这是因为未焊透不仅反射波较强，且衍射波也较强，杂波较少。 3. 检测特点分析 通过和传统超声波检测方法的对比，在检测厚壁焊缝时，超声TOFD法具有以下特点： 1）超声TOFD 技术采用全波记录和图像显示， 更加直观，且在对缺陷进行评价时可利用的信息量大，。 2）不同缺陷的TOFD 检测图像在特点、相位和