付 悦，卢 超，陈 果，王 婵

（1.南昌航空大学 科技学院，南昌 330034；2.南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室，南昌 330063；3.中航工业西安航空动力股份有限公司，西安 710021）

在实际检测中，如果试件厚度小于12mm 或是缺陷位于盲区范围内［1］，超声TOFD（超声衍射时差）法就存在检测限制。针对TOFD 上表面盲区问题，可以通过使用多探头B 扫描与TOFD 组合检测、信号处理等方法改善盲区问题［2－4］。为了研究超声TOFD 法在壁厚小于12mm 试件的缺陷检测效果，采用超声水浸TOFD 检测法［5］。由于水的耦合，给声波提供了一段传播路径，通过调节两个探头的发射角度，从而控制声束在试块表面的入射点，解除了探头间距的限制。然而对于水浸TOFD 法检测，收、发探头不接触试块上表面，用于定标的基准直通波路径发生改变。笔者针对薄壁管环试件，以新的直通波和底面回波为基准，对管环焊缝进行水浸TOFD 实际检测。

1 检测原理及成像分析

水浸TOFD 法检测原理如图1所示，超声水浸发射探头在水中激发纵波，经过水－钢界面之后在钢中进行传播，遇到缺陷产生衍射波，衍射波再次经过钢－水界面传播到水中，被接收探头接收。以水层为耦合层，可以避免薄壁TOFD 检测的盲区，同时探头角度和位置可调，为薄壁试块的TOFD 检测提供良好条件。试验需确定探头摆放角度、探头水层高度（H）、声波入射点间距（PCS）、探头间距（S）、缺陷深度（d）等参数。

图1 水浸TOFD 法检测原理示意

由Snell定律可知水浸TOFD 法水－钢界面折射角的计算公式为：

式中：CL1为水中纵波速度；CL2为钢中纵波速度；αL为探头入射角；βL为纵波折射角。

已知缺陷深度d和声束折射角βL，则根据几何关系，声波入射点间距（PCS）的计算公式为：

则只要知道水层厚度H就可计算出两探头之间距离S为：

探头扫描方向和两个探头连线方向垂直的模式称为D 扫描。与常规TOFD 检测设备不同，水浸TOFD 法检测探头固定在扫查架上，而扫查架只能沿着空间x／y／z轴直线运动，无法沿着钢管周向旋转。因此为了得到D 扫描图像，需要通过手动旋转钢管来采集不同位置的A 扫描信号，并由这一系列的A 扫描信号在MATLAB中构成D 扫描图像。D扫图像中，横坐标表示为管环周向方向的采集点个数，纵坐标为管环焊缝深度方向的各个波到达时间，A 扫波形上每一个点处的能量大小体现在D 扫图像中各个点的灰度值上。

2 检测方法仿真模拟

用Wave3000 模拟的模型与试验试块尺寸相同，均为外径89mm，壁厚9mm 的薄壁管环焊缝。在管环内壁设置一个直径为1.2mm，高度为4mm的半通孔。其模型三维立体图及二维切片图如图2（a）、（b）所示。模拟时在水层中垂直添加一个空气夹层作为隔断，目的是为了阻隔发射探头发出的波直接横向传播给接收探头，避免干扰到缺陷的衍射波而发生波的重叠。

图2 水浸TOFD 仿真模型三维立体及二维切片图

根据式（1）～（3），得出αL为12.7°，βL为60°，S为20mm，H发为5mm，H收为8mm，d为5mm。

仿真得到不同时刻的声场快照如图3所示。盲孔缺陷A 扫信号如图4所示。由图3（b）可以看出，水中的入射纵波在经过水－钢界面后，发生波形转换，在前面传播的是折射纵波，紧随其后的是折射横波。折射纵波不断扩散，部分副瓣沿着水－钢界面的下表面传播，经过水－钢界面折射回水中，最先到达接收探头，此波被称为水浸TOFD 法的直通波。折射纵波继续传播，到达缺陷后，在缺陷尖端发生衍射，产生衍射波，如图3（c）所示。根据惠更斯－菲涅耳原理，衍射波以缺陷尖端为新的波源，发射出的子波以球形向四周扩散，使波的传播方向改变，衍射波经过水－钢界面回到水中，跟在直通波后被接收探头接收如图3（d）所示。

图3 不同时刻盲孔衍射声场快照图片

图4 盲孔缺陷A 扫信号

3 检测及结果分析

为验证水浸TOFD 法对薄壁管环焊缝的实际检测效果，在管环试块内表面由内向外用电火花钻三个垂直的半通孔和三个垂直槽。半通孔的钻孔深度皆为4mm，顶端距管环外表面距离均为5 mm，孔径分别为：φ0.8、φ1.2、φ2mm；槽型缺陷内表面刻槽宽度均为0.4 mm，长度均为8 mm，刻槽深度分别为3，2，1mm，距管环外表面距离依次为6，7，8mm（称作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号槽）。选择中心频率为10 MHz的水浸平探头。调整S＝20mm，接收探头水层厚度H1＝8 mm，发射探头水层厚度H2＝5mm，对其进行水浸TOFD 检测。

图5 水浸TOFD 检测装置及部件实物图

水浸TOFD检测装置如图5所示。图5（a）中右边的控制屏用来控制扫查架的前后左右以及上下移动。为了实现探头在三维空间中的移动和旋转，从而满足控制声束入射点的要求，试验制作两个探头夹具（见图5（b））并将其固定在分度盘（见图5（c））上，而分度盘则固定在控制轴上。从5 077脉冲发射器的输出和输入端口接出的Q9线分别接到水浸发射探头端和接收探头端。将示波器和5 077连接，通过示波器观察接收波形，计算确定各个波到达的大致时间，从而对缺陷的信号进行识别。

薄壁管环焊缝的水浸TOFD 检测时，无缺陷处的A 扫信号如图6（a）所示，可以看出，直通波的能量很微弱，从图3的仿真结果也可说明，水浸TOFD法的直通波是折射纵波的副瓣沿着钢下表面传播并折射回水中的。由于副瓣能量微弱且水－钢界面的透射率低，导致了直通波的能量较低。直通波和底面回波出现的时间分别是12.1μs和13.4μs，与理论计算的12μs和13.3μs绝对误差不超过0.1μs。φ2 mm孔、φ1.2mm 孔和Ⅰ槽的A 扫信号如图6（b）、（c）、（d）所示。可以看出，虽然Ⅰ槽距外表面比φ2mm孔要大1mm，但是槽型缺陷的尖端衍射波幅度比孔型缺陷的大，其底面回波比孔型缺陷的幅值要低很多，由于φ1.2mm 孔直径比φ2mm 小，所以其回波的相对幅值比φ2mm 的弱。φ1.2mm、φ2mm 孔缺陷产生的衍射波到达时间均为12.73μs，与理论计算的12.53μs相差0.2μs。Ⅰ槽型缺陷到达时间为12.83μs，与理论计算值12.63μs相差0.17μs。对φ0.8mm孔和Ⅱ、Ⅲ号槽也进行了检测，通过试验数据得出，各个缺陷波到达时间分别为12.72，12.99，13.16μs，与理论计算值12.53，12.83，13.05μs之间的绝对误差分别为0.19，0.16，0.11μs，误差均在允许范围内。

图6 水浸TOFD 检测A 扫信号

得到各个缺陷的A 扫信号后，笔者按照图1给出的D 扫描方式对φ0.8、φ1.2、φ2 mm 孔和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号槽附近的周向旋转方向上采集多组数据，后期在MATLAB中处理成像。φ1.2 mm 孔和Ⅲ槽的D 扫图像如图7所示。由于直通波能量很微弱，所以D 扫成像中直通波并不明显。

图7 缺陷D 扫图像

4 结论

（1）对于水浸TOFD 法检测，传统TOFD 的A信号中，直通波路径发生改变。通过仿真模拟，观察出水中的入射纵波，在经过水－钢界面发生波型转换后，折射纵波不断扩散，其副瓣沿着水－钢界面的下表面传播，再次经过水－钢界面折射回水中，最先到达接收探头，此波被称为水浸TOFD 方法的直通波。在新的直通波后，依次出现缺陷衍射波和底面回波。

（2）在水浸TOFD 法的实际检测中，直通波、缺陷波和底面回波的到达时间与理论计算时间之间的绝对误差不超过0.2μs，误差在允许范围内。通过采集多组数据可以得出清晰的缺陷D 扫图像。

（3）使用水浸TOFD 法对薄壁管环焊缝的实际探伤进行研究，试验初期制作的人工缺陷都接近管环内表面。试验通过水浸TOFD 法，可检测到距离内表面1mm 的槽型缺陷。

［1］梁玉梅，王琳，王彦启.超声TOFD 检测原理探析［J］.无损检测，2010，32（7）：33－38.

［2］薛永盛，李玉军.TOFD 检测上表面盲区的讨论［J］.无损探伤，2014，38（4）：41－42.

［3］刘礼良，郑辉，邬冠华.超声衍射时差法检测表面盲区分析及盲区内缺陷的超声爬波检测工艺和应用［J］.无损检测，2013，35（7）：42－46.

［4］迟大钊，刚铁，姚英学.一种基于超声TOFD 法的近表面缺陷检测模式［J］.焊接学报，2011，32（2）：25－28.

［5］SAJU R S，ABRAHAM T，VENKATRAMAN B.Immersion and TOFD（I－TOFD）：a novel combination for examination of lower thickness［J］.J Nondestruct Eval，2011，30：137－142.