超声TOFD检测原理探析

脉冲衍射时差法超声探伤(TOFD),辅以脉冲反射法超声探伤(UT),正作为射线探伤(RT)的一种替代方法,在我国处于试应用阶段。笔者学习了相关资料,从应用入门角度,撰写此文,以期在探讨中提高。

1　方法概述

常规超声探伤方法原理名称为“A型脉冲反射法”。该方法使用一个单发收探头,发出脉冲超声纵波,利用折射横波声轴(波束的中心波线)扫查焊缝横截面,遇到缺陷,产生基本按原路返回的反射脉冲横波,通过示波屏的A型显示发现缺陷。TOFD法全称为A型脉冲衍射时差法。这种方法使用一发一收相对倾斜的两个探头(即探头对),垂直横跨焊缝放置,一个探头发出脉冲超声纵波,利用折射纵波声束扫查焊缝横截面,遇到缺陷,在缺陷端部(边界)产生近似柱面波或球面波的衍射脉冲纵波,接收探头从不同方向上都可能接收到这个信号,通过示波屏的A型显示发现它,并且随着探头沿焊缝长度方向移动。把无数个A型脉冲显示通过射频采样数字化后,转换成灰度不同的TOFD图像。这就是说A型显示脉冲超声波的知识,也是TOFD的基础。

2　脉冲非检波的A型显示和TOFD图像形成

2.1　脉冲非检波的A型显示

脉冲超声波是间歇发射的超声波。常规超声波探伤使用的脉冲是A型检波显示,TOFD则利用它的非检波显示,简称A型显示,如图1。

图1中横座标显示了超声波的传输时间t,或者说声程S,纵坐标显示了脉冲超声波的双相(双向)波幅。tm是脉冲宽度,T是超声波中心频率f对应的周期。

TOFD法强调时差,所以对脉冲的A型显示,以及脉冲宽度、超声周期和相位的识别是很重要的。

2.2　TOFD图像形成

如图2所示,探头对在某一位置直通波的A型显示[图2(a)]的TOFD图像是一条白、黑相间的直线[图2(b)]。随着探头对位置的平稳移动,A型显示转换成无数条白、黑相间的直线,构成了TOFD图像[图2(c)]。只要系统设置和探头与工件耦合符合标准要求,灵敏度选择恰当, TOFD图像形成是仪器的功能,操作者只要按说明书操作就行了,不必过多关注电子线路(如采样射频等)的问题。

3　TOFD法折射纵波的扫查范围

3.1　扫查方式

不论是常规方法,还是TOFD法,都以探头移动,用折射波扫查整个焊缝(包括热影响区)体积为前提。图3为焊缝的三维显示。

3.1.1　主要扫查方式———非平行扫查(D-scan)

非平行扫查时探头对仅沿x轴方向平行移动,如图4。其扫查方向(探头移动方向)和声束的yz平面不是平行的,而是垂直的。当工件厚度T为6~50 mm、扫查范围为0~T时,一次非平行扫查可检验整个焊缝体积。由于探头对横跨焊缝,焊缝余高不会影响扫查。通常探头对连线的中垂线就是焊缝中心线,声轴交叉点位于焊缝中心线所在的xz平面之中。如果探头对的声轴交叉点偏离焊缝中心线所在的xz平面,称其为偏置非平行扫查,如图5。