基于几何方法的焊缝倾斜裂纹TOFD定量检测
１ TOFD 原理及倾斜裂纹定量检测方法
１．１ TOFD 原理
TOFD 技 术 一 般 利 用 纵 波 在 缺 陷 端 部 产 生 的
衍射波的传播时间差来进行缺陷高 度 定 量.如 图 １
所示,通常采用一对频率、晶片尺寸和角度等参数均
相同的纵波斜探头 相 向 对 称 放 置,一 个 作 为 发 射 探
到达接收探头的声波是沿被检工件表面传播的直通
波.当焊缝结构中 不 存 在 缺 陷 时,随 后 到 达 接 收 探
头的声波是底面回波;当焊缝结构中存在缺陷时,在
直通波和底面回波之间出现的回波信号就是缺陷上
下端的衍射回波.
当对倾斜裂纹进行 D 扫 查 时,声 波 发 射 和 接 收
过程存在一定时 间 差,导 致 声 程 不 一 致. 由 于 扫 查
过程中各位置声程的不 同,裂 纹 D 扫 查 图 像 为 具 有
一定曲率的弧线,如果直接对裂纹进行定量,会存在
较大的误差.
１．２ 倾斜裂纹定量检测原理
１．２．１ 倾斜裂纹角度定量检测原理
利用 TOFD 技 术 进 行 B 扫 查 时,受 声 束 扩 散 角
影响,裂纹 B扫查图像存在甩弧现象,这将影响裂纹
定量检测结果.当发射探头和接收探头对称置于裂
纹正上方时,根据费马定理[１１]可知,缺陷图像顶点位
置的衍射信号传播时间最短,即声程最短(见图２).
同一起始位置开始进行多次 B 扫查,且相邻两次平
行 B 扫查之间的间隔为
d.B 扫查间隔
d 的选取与
裂纹长度有关,必须 小 于 裂 纹 长 度 与 最 大 倾 斜 角 度
的乘积,即裂纹的最小投影长度.
根据 B 扫 查 图 像 和 编 码 器 记 录 的 探 头 移 动 距
离,可分别 获 得 衍 射 信 号 声 程 最 短 时 的 探 头 位 置.
第一次探头移动到声程最短的位置为
L１,第二次探
头移 动 到 声 程 最 短 的 位 置 为
L２,则 通 过 公 式(１)可
以计算得到 倾 斜 裂 纹 角 度
θ. 重 复 上 述 试 验 过 程,
并对各次所得的倾斜角度取平均值
θ
－ .
tan
θ＝ (
L２ －
X０)－ (
L１ －
X０)
d ＝
L２ －
L１
d (１)
式 中:
X０ 为探头移动起始位置;
L１,
L２ 分别 为探头
第一次,第二次移动声程最短时的位置;
d 为两次 B
扫查沿焊缝纵断面方向间隔.
１．２．２ 倾斜裂纹长度定量检测原理
当裂纹平行于 焊 缝 纵 断 面 方 向 时,沿 此 方 向 做D 扫查,则可从扫查图像中直接读取裂纹长度;当裂
纹与焊缝存在夹角时,则 D 扫 查 图 像 中 反 应 的 长 度
为其沿焊缝 纵 断 面 方 向 的 投 影 长 度,如 图 ４ 所 示.
由于声束具有一定 扩 散 角,因 此 在 探 头 尚 未 到 达 纹正上方位置时也 能 够 接 收 到 裂 纹 尖 端 衍 射 回 波,
并引起 TOFD 检测图像中常见的甩弧现象.同 时,
为了 减 小 长 度 定 量 误 差,笔 者 将 SAFT 技 术 同
TOFD 技术相结合起来进行定量检测.
器移动距离差之间 的 几 何 关 系,并 结 合 测 得 的 倾 斜
角度
θ
－ 和由 D 扫查图像所确定的投影长度
L投 影 长 度 ,
将其代入公式(２)计算可得裂纹长度
L.
L ＝
L投 影 长 度/cos
θ
－ (２)２ 仿真模拟
根 据 对 接 焊 缝 试 块 的 声 学 和 弹 性 特 性,在
CIVA 数值模拟仿真软件中建立相同材料的检测模
型,如图５(a)所示.其中,模 型 材 料 为 合 金 钢,厚 度
为４８ mm,材 料 纵 波 声 速 为 ５９００ m??s－１,密 度 为
７．８g??cm－３.在 检 测 模 型 中 设 置 ９ 个 不 同 倾 斜 角 度
的底面开口 槽 代 替 裂 纹,其 长 度 和 高 度 分 别 为 ６０,
２０mm,与焊缝纵断面夹角分别为１０°、２０°、３０°、４０°、
５０°、６０°、７０°、８０°和 ９０°. 模 拟 中 选 用 探 头 主 频 为
５ MHz,楔块角度为６０°.
对其进行整体 D扫查,所得 D扫查图像如图５(b)
所示,初步确定倾斜裂纹位置并读取裂纹投影长度.
由于探头声束具有一定的扩散角,使得裂纹成像结果
中存在甩 弧 现 象,引 起 的 定 量 误 差 可 达 ±５ mm[１２].
器移动距离偏差.
进一步对各倾斜 裂 纹 进 行 B 扫 查,设 置 扫 查 间
隔时以同一参考位置为基准,B 扫查间隔为 ５ mm,
并从图６中 读 取 衍 射 信 号 声 程 最 短 时 的 B 扫 查 位
置,则由式(１)可实现对倾斜裂纹的角度定量,如图７
(a)所示.最后,将确定的投影长度和倾斜角度代入
式(２),即可实现倾斜裂纹长度定量,如图７(b)所示.当 B扫查方 向 与 裂 纹 方 向 平 行,即 裂 纹 倾 斜 角 度 为
９０°时,裂纹 D 扫查图像和点状缺陷 D 扫查图像类似,
无法获得 其 长 度 信 息[１３].此 时,该 方 法 不 再 适 用 于
倾斜裂纹定量.结论
(１)根 据 TOFD 检 测 基 本 原 理 结 合 B 扫 查 间
隔 和 倾 斜 裂 纹 的 关 系 ,提 出 了 倾 斜 裂 纹 定 量 检 测
的 几 何 方 法 ,实 现 了 对 倾 斜 裂 纹 角 度 和 长 度 的 定
量 检 测 .
(２)根据合金钢对接焊缝试块的声学和弹性特
性,建立 TOFD 倾 斜 裂 纹 检 测 模 型,并 运 用 文 章 提
出的几何方法对模 型 中 不 同 角 度、不 同 长 度 的 倾 斜
裂纹进行定量检 测. 仿 真 和 试 验 结 果 表 明,该 方 法
能够对非平 行 于 B 扫 查 方 向 的 裂 纹 进 行 角 度 定 量
检测,定量误差均在 ±１°以 内,长 度 定 量 误 差 在 ５％
以内,仿真和试验结果具有较好的一致性.
１．１ TOFD 原理
TOFD 技 术 一 般 利 用 纵 波 在 缺 陷 端 部 产 生 的
衍射波的传播时间差来进行缺陷高 度 定 量.如 图 １
所示,通常采用一对频率、晶片尺寸和角度等参数均
相同的纵波斜探头 相 向 对 称 放 置,一 个 作 为 发 射 探
到达接收探头的声波是沿被检工件表面传播的直通
波.当焊缝结构中 不 存 在 缺 陷 时,随 后 到 达 接 收 探
头的声波是底面回波;当焊缝结构中存在缺陷时,在
直通波和底面回波之间出现的回波信号就是缺陷上
下端的衍射回波.
当对倾斜裂纹进行 D 扫 查 时,声 波 发 射 和 接 收
过程存在一定时 间 差,导 致 声 程 不 一 致. 由 于 扫 查
过程中各位置声程的不 同,裂 纹 D 扫 查 图 像 为 具 有
一定曲率的弧线,如果直接对裂纹进行定量,会存在
较大的误差.
１．２ 倾斜裂纹定量检测原理
１．２．１ 倾斜裂纹角度定量检测原理
利用 TOFD 技 术 进 行 B 扫 查 时,受 声 束 扩 散 角
影响,裂纹 B扫查图像存在甩弧现象,这将影响裂纹
定量检测结果.当发射探头和接收探头对称置于裂
纹正上方时,根据费马定理[１１]可知,缺陷图像顶点位
置的衍射信号传播时间最短,即声程最短(见图２).
同一起始位置开始进行多次 B 扫查,且相邻两次平
行 B 扫查之间的间隔为
d.B 扫查间隔
d 的选取与
裂纹长度有关,必须 小 于 裂 纹 长 度 与 最 大 倾 斜 角 度
的乘积,即裂纹的最小投影长度.
根据 B 扫 查 图 像 和 编 码 器 记 录 的 探 头 移 动 距
离,可分别 获 得 衍 射 信 号 声 程 最 短 时 的 探 头 位 置.
第一次探头移动到声程最短的位置为
L１,第二次探
头移 动 到 声 程 最 短 的 位 置 为
L２,则 通 过 公 式(１)可
以计算得到 倾 斜 裂 纹 角 度
θ. 重 复 上 述 试 验 过 程,
并对各次所得的倾斜角度取平均值
θ
－ .
tan
θ＝ (
L２ －
X０)－ (
L１ －
X０)
d ＝
L２ －
L１
d (１)
式 中:
X０ 为探头移动起始位置;
L１,
L２ 分别 为探头
第一次,第二次移动声程最短时的位置;
d 为两次 B
扫查沿焊缝纵断面方向间隔.
１．２．２ 倾斜裂纹长度定量检测原理
当裂纹平行于 焊 缝 纵 断 面 方 向 时,沿 此 方 向 做D 扫查,则可从扫查图像中直接读取裂纹长度;当裂
纹与焊缝存在夹角时,则 D 扫 查 图 像 中 反 应 的 长 度
为其沿焊缝 纵 断 面 方 向 的 投 影 长 度,如 图 ４ 所 示.
由于声束具有一定 扩 散 角,因 此 在 探 头 尚 未 到 达 纹正上方位置时也 能 够 接 收 到 裂 纹 尖 端 衍 射 回 波,
并引起 TOFD 检测图像中常见的甩弧现象.同 时,
为了 减 小 长 度 定 量 误 差,笔 者 将 SAFT 技 术 同
TOFD 技术相结合起来进行定量检测.
器移动距离差之间 的 几 何 关 系,并 结 合 测 得 的 倾 斜
角度
θ
－ 和由 D 扫查图像所确定的投影长度
L投 影 长 度 ,
将其代入公式(２)计算可得裂纹长度
L.
L ＝
L投 影 长 度/cos
θ
－ (２)２ 仿真模拟
根 据 对 接 焊 缝 试 块 的 声 学 和 弹 性 特 性,在
CIVA 数值模拟仿真软件中建立相同材料的检测模
型,如图５(a)所示.其中,模 型 材 料 为 合 金 钢,厚 度
为４８ mm,材 料 纵 波 声 速 为 ５９００ m??s－１,密 度 为
７．８g??cm－３.在 检 测 模 型 中 设 置 ９ 个 不 同 倾 斜 角 度
的底面开口 槽 代 替 裂 纹,其 长 度 和 高 度 分 别 为 ６０,
２０mm,与焊缝纵断面夹角分别为１０°、２０°、３０°、４０°、
５０°、６０°、７０°、８０°和 ９０°. 模 拟 中 选 用 探 头 主 频 为
５ MHz,楔块角度为６０°.
对其进行整体 D扫查,所得 D扫查图像如图５(b)
所示,初步确定倾斜裂纹位置并读取裂纹投影长度.
由于探头声束具有一定的扩散角,使得裂纹成像结果
中存在甩 弧 现 象,引 起 的 定 量 误 差 可 达 ±５ mm[１２].
器移动距离偏差.
进一步对各倾斜 裂 纹 进 行 B 扫 查,设 置 扫 查 间
隔时以同一参考位置为基准,B 扫查间隔为 ５ mm,
并从图６中 读 取 衍 射 信 号 声 程 最 短 时 的 B 扫 查 位
置,则由式(１)可实现对倾斜裂纹的角度定量,如图７
(a)所示.最后,将确定的投影长度和倾斜角度代入
式(２),即可实现倾斜裂纹长度定量,如图７(b)所示.当 B扫查方 向 与 裂 纹 方 向 平 行,即 裂 纹 倾 斜 角 度 为
９０°时,裂纹 D 扫查图像和点状缺陷 D 扫查图像类似,
无法获得 其 长 度 信 息[１３].此 时,该 方 法 不 再 适 用 于
倾斜裂纹定量.结论
(１)根 据 TOFD 检 测 基 本 原 理 结 合 B 扫 查 间
隔 和 倾 斜 裂 纹 的 关 系 ,提 出 了 倾 斜 裂 纹 定 量 检 测
的 几 何 方 法 ,实 现 了 对 倾 斜 裂 纹 角 度 和 长 度 的 定
量 检 测 .
(２)根据合金钢对接焊缝试块的声学和弹性特
性,建立 TOFD 倾 斜 裂 纹 检 测 模 型,并 运 用 文 章 提
出的几何方法对模 型 中 不 同 角 度、不 同 长 度 的 倾 斜
裂纹进行定量检 测. 仿 真 和 试 验 结 果 表 明,该 方 法
能够对非平 行 于 B 扫 查 方 向 的 裂 纹 进 行 角 度 定 量
检测,定量误差均在 ±１°以 内,长 度 定 量 误 差 在 ５％
以内,仿真和试验结果具有较好的一致性.
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