TOFD檢測(cè)技術(shù)中聲束交點(diǎn)位置的探討

TOFD檢測(cè)技術(shù)中，聲束交點(diǎn)的選擇會(huì)影響衍射聲場(chǎng)覆蓋的檢測(cè)區(qū)域及掃查面盲區(qū)的大小，該參數(shù)對(duì)TOFD檢測(cè)結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，推薦的探頭中心間距設(shè)置方法一般有如下幾類(lèi)：01使探頭對(duì)的聲束交點(diǎn)位于其所檢測(cè)最大深度的2/3處(如標(biāo)準(zhǔn)BS7706:1993，BSDDCEN/TS14751:2004，NB/T47013.10-2015)；02使探頭對(duì)的聲束交點(diǎn)位于缺陷可能發(fā)生的區(qū)域(標(biāo)準(zhǔn)BSDDENV583-6-2000)；03應(yīng)在試塊上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)以確定探頭對(duì)的聲束交點(diǎn)位置(如標(biāo)準(zhǔn)ASTME2373-04-2004)。中廣核工程有限公司和中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院的研究人員基于仿真技術(shù)對(duì)不同聲束交點(diǎn)衍射聲場(chǎng)的分布情況進(jìn)行了分析，來(lái)綜合考量有效聲場(chǎng)對(duì)檢測(cè)區(qū)域的覆蓋及掃查面盲區(qū)兩個(gè)因素，并采用不同聲束交點(diǎn)下的探頭中心間距在試塊上進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證聲束交點(diǎn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。1聲場(chǎng)仿真分析針對(duì)長(zhǎng)457mm、寬40mm的工件進(jìn)行建模，焊縫工藝參數(shù)為：坡口角度30°；間隙2mm；鈍邊高度1mm。選用標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.10-2015中的推薦參數(shù)設(shè)置探頭頻率為5MHz，晶片尺寸為Φ6mm，楔塊角度為65°，聲束交點(diǎn)深度分別選擇在0.5T，0.55T，0.6T，2/3T的位置(T為工件厚度)，依次進(jìn)行聲場(chǎng)仿真分析，探頭中心間距PCS分別對(duì)應(yīng)選擇86，94，103，114mm。對(duì)上述仿真參數(shù)進(jìn)行CIVA軟件仿真計(jì)算，得到不同PCS及交點(diǎn)深度的仿真分析圖譜如圖1所示，圖中黑線區(qū)域?yàn)楹缚p及焊縫熱影響區(qū)，紅線區(qū)域?yàn)?12dB聲場(chǎng)范圍。圖1不同PCS及交點(diǎn)深度的仿真分析圖譜探頭聲束交點(diǎn)中心能量分布曲線如圖2所示。通過(guò)軟件分析-12dB聲束在工件中的覆蓋范圍，分析結(jié)果如表1所示。圖2探頭中心能量分布曲線表1-12dB聲場(chǎng)覆蓋分析結(jié)果分析圖1，2與表1可知，聲束交點(diǎn)深度在0.5T與0.55T的位置，檢測(cè)區(qū)域不能覆蓋底面區(qū)域；交點(diǎn)在0.6T與2/3T位置時(shí)，均能在-12dB聲束覆蓋范圍內(nèi)有效覆蓋檢測(cè)區(qū)域，上表面盲區(qū)隨著聲束交點(diǎn)的位置下移而增大，探頭聲束交點(diǎn)中心能量不斷減小。對(duì)比分析可知，聲束交點(diǎn)在0.6T位置較2/3T位置的上表面盲區(qū)更小，探頭聲束交點(diǎn)中心能量大于1.4dB，在檢測(cè)區(qū)域能更有效地利用聲場(chǎng)能量，分辨率更好。2TOFD檢測(cè)掃查面盲區(qū)的測(cè)量(1)TOFD上表面盲區(qū)TOFD檢測(cè)技術(shù)存在上表面盲區(qū)，根據(jù)選擇工藝參數(shù)的不同，盲區(qū)大小也不同。研究人員通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)了聲束交點(diǎn)在工件不同位置的上表面掃查面盲區(qū)。選用奧林巴斯OMINISCANMX型TOFD設(shè)備，其探頭頻率為5MHz，晶片尺寸為Φ6mm，楔塊角度為65°，選擇探頭中心間距分別為103mm與114mm；聲束交點(diǎn)深度分別為0.6T和2/3T，并進(jìn)行試驗(yàn)。試塊選用帶不同深度刻槽和側(cè)孔的試塊，如圖3所示，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。圖3試驗(yàn)試塊結(jié)構(gòu)三視圖圖4盲區(qū)實(shí)測(cè)圖譜圖4(a)中PCS為103mm，圖譜中左邊為最小可見(jiàn)埋深為5mm的槽，右邊可見(jiàn)Φ7mm側(cè)孔；圖4(b)中PCS為114mm，圖譜中左邊為最小可見(jiàn)埋深為5mm的槽，右邊可見(jiàn)Φ8mm側(cè)孔。試驗(yàn)分析結(jié)果如表2所示。表2不同參數(shù)設(shè)置的試驗(yàn)分析結(jié)果從表2分析可知，隨著聲束交點(diǎn)深度的增加，TOFD檢測(cè)上表面盲區(qū)也逐漸增大。同時(shí)隨著PCS的不斷增大，檢測(cè)分辨率降低，進(jìn)而導(dǎo)致盲區(qū)增大。(2)TOFD底面盲區(qū)底面盲區(qū)分為焊縫中心底面盲區(qū)和軸偏離盲區(qū)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫中心底面盲區(qū)一般情況下應(yīng)不大于1mm。底面盲區(qū)主要為軸偏離盲區(qū)Δh，其計(jì)算公式為：式中：T為工件厚度；s為探頭中心距的一半；x為軸偏離值。運(yùn)用式(1)分別計(jì)算聲束交點(diǎn)深度在0.6T與2/3T位置的底面盲區(qū)高度理論值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。表3不同PCS底面盲區(qū)理論值從表3分析可知，隨著聲束交點(diǎn)深度的增加，底面盲區(qū)不斷減小，但減小的幅度較小，底面盲區(qū)高度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，該探頭的-12dB聲束擴(kuò)散角的測(cè)量結(jié)果為41.5°~88.1°。從實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步分析，-12dB聲束范圍能覆蓋底面檢測(cè)區(qū)域。3模擬試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備與器材選用上述TOFD設(shè)備與探頭，模擬試驗(yàn)采用直徑457mm、壁厚40mm的模擬試塊，在模擬試塊中，制作了5處缺陷，如圖5所示。圖5模擬試塊實(shí)物分別采用聲束交點(diǎn)深度在2/3T處與優(yōu)化后的聲束交點(diǎn)深度在0.6T處的檢測(cè)工藝在模擬試塊上進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，兩種工藝參數(shù)設(shè)置均能有效檢出缺陷，在探頭設(shè)備相同、檢測(cè)靈敏度相同的情況下，聲束交點(diǎn)深度在0.6T位置的圖譜中底波能量比2/3T位置的能量更強(qiáng)；對(duì)于1#，4#，5#缺陷，兩種工藝參數(shù)設(shè)置檢測(cè)效果基本相當(dāng)；對(duì)于2#缺陷，聲束交點(diǎn)在0.6T位置的分辨率比2/3T位置的更好，檢測(cè)效果更好；對(duì)于3#缺陷，聲束交點(diǎn)在0.6T位置，缺陷與直通波可完全分開(kāi)，而2/3T位置的圖譜中缺陷與直通波無(wú)法完全分開(kāi)，因此0.6T位置較2/3T位置而言，缺陷測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度更優(yōu)。試驗(yàn)結(jié)果證明，聲束交點(diǎn)深度優(yōu)化后的檢測(cè)工藝有利于缺陷的檢出，檢測(cè)分辨率更好。結(jié)論1軟件仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，聲束交點(diǎn)深度在0.6T位置較2/3T