浅析衍射时差法超声检测盲区的产生和控制

[摘 要]本文主要介绍衍射时差法超声波检测中上、下表面盲区的内容，主要针对下表面的轴偏离盲区和上表面的直通波盲区的产生原因进行了简单研究，对上表面盲区中仪器、探头的影响和下表面盲区的中几何因素的影响进行了分析，并针对盲区提出来控制方法措施，保证检测可靠性，使之更好的服务社会。

[关键词]盲区；衍射时差法；轴偏离；直通波盲区；脉冲宽度

中图分类号：TP274.53 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0118-01

随着时代的不断发展，计算机处理技术不断提高，无损检测行业也在不断的进步，不断发展，先进的检测技术也在不断产生，衍射时差法（Time of Flight Diffraction Technique 简称TOFD）超声波检测的无损检测方法也正在不断的被现在的人们所接受和使用，TOFD技术起源于上世纪70年代的英国，90年代数字超声波技术的应用也促使TOFD技术得以发展，直至2010年底相关的标准的颁布，TOFD技术也慢慢成为大型储罐、球罐等容器，塔器等设备广泛运用的检测方法之一。

TOFD检测是基于声波的惠更斯原理为基础，利用缺陷端点的衍射波对工件及焊缝内部进行检测的一种无损检测方法。在原理上，TOFD检测与常规的超声波检测相比好处在于衍射信号不受缺陷和入射波的角度的影响；不依靠波幅，来判断缺陷的。这也就大大的提高了检测结果的可靠性和检测精度。此外在实际检测中还发现，TOFD检测对一定条件下的缺陷高度测量精度极高，误差在零点几毫米，这对在役设备检测有着更加的指导意义。当然与射线检测相比，它比较适合对面积型缺陷检测；缺陷的定位较准确；对厚工件比较容易实现全厚度检测；最重要的就是对人和环境无危害，是一种比较安全的检测方法。不足在于TOFD检测对缺陷定性比较困难；对粗晶材料检测效果不好；横向缺陷检测相对繁琐。此外由于TOFD检测图谱并非真实几何显示，为此TOFD图像的识别和判读，数据分析需要丰富的经验；检测时需要更大的检测面，基本用于大型设备的对接直焊缝的检测，其他特殊位置的焊缝需要其他辅助检测；但TOFD检测中最主要局限性就是检测盲区范围较大，尤其是对于薄工件来说更是尤为明显。

在这里我主要对TOFD检测技术中的盲区产生和控制，阐述下个人认识和理解，所谓盲区在TOFD检测就是在被检物体上需检测范围内而不能检测的位置，但可以通过检测设备和检测方法加以控制达到我们可以接受的要求，而这种控制和使用的方法对实际检测有着指导性的意义是尤为重要的。TOFD检测盲区分为上表面的直通波下被直通波覆盖的上表面盲区和被下表面的底波信号所覆盖的下表面的盲区。对于下表面和上表面的盲区产生也是各有不同。

对于下表面盲区主要由于偏离了检测的底面中心位置而产生的盲区，一般叫做轴偏离盲区，这是由检测探头一发一收的结构所产生的，而任何时间相等的位置都能构成形成的一个椭圆的轨迹，而对地面来说偏离了中心位置地方。在检测时，底面其他位置实际走过的距离要大于中心位置，这就使之产生的缺陷淹没在底面波里面不易发现形成检测中的下表面盲区，盲区的大小直接受到检测下表面检测宽度范围的影响，离中心越远轴偏离盲区越大，但由于实际焊缝检测中，焊缝宽度并不是很大，虽然加上热影响区，但下表面盲区高度也并不大，目前标准上要求实际热影响区加6mm或者是焊缝熔合线两侧各加25mm。此外再加上焊缝本身的余高的存在，常常下表面盲区都在可接受的范围。理论上对于40mm厚度，中心距PCS为168mm，轴偏离值为20mm和40mm时，盲区仅为20mm处仅为0.93mm，即使40mm处也在3.8mm。实际中考虑余高甚至更小，可以通过磁粉检测等其他检测而弥补盲区漏检，并且切实可行。

对于TOFD检测中的盲区最主要的也是必须考虑的就是上表面盲区，它与下表面盲区相比，对检测的可靠性影响更大，此外对于TOFD检测图像来说，越靠近上表面图像的缺陷深度和缺陷高度识别力越差，这也导致上表面图谱上很小的变化而在实际检测工件高度上有很大变化，而盲区也会由于图谱上一点宽度变化而增加很多。如果说下表面盲区主要是由几何原因产生的轴偏离盲区，那上表面盲区就主要是由于仪器设备和探头的性能以及组合匹配，所产生的直通波盲区。理论上，直通波的盲区主要是受直通波脉冲宽度TP和探头间距S影响产生的。探头间距S主要考虑到主声束的聚焦位置所以不易改动或者是针对特殊的检测要求而改动，一般是取决于工件的扫查覆盖面积，对于上表面盲区来说更为重要是直通波脉冲宽度TP，而直通波脉冲宽度TP的大小又直接受到设备和探头性能的影响，设备和探头性能、匹配程度是上表面盲区大小的关键所在，对于设备主要是考虑是产生激发电压脉冲的特性，设备发出电压脉冲激发探头，一般探头激发的是矩形脉冲，这样可以通过调整脉冲宽（即间隔时间）来改善产生的脉冲形状得到很好的短脉冲波形。设备电压脉冲主要是考虑脉冲宽度、脉冲上升时间、脉冲高度。而对于一台好的TOFD检测一起来说脉冲上升时间要短，这样阶跃脉冲的高频谐波越多，也就是产生的脉冲波更尖锐，越容易促使探头产生高频振荡，使其有更大的带宽来覆盖探头的带宽，从而产生更好的匹配。而脉冲宽度主要是调节两次激发电压的间隔的这样可以控制两次振动产生的波幅，使之相互叠加从而得到更合适的合成波型，对于TOFD检测来说一般间隔一个振动周期，这样可以更好的抵消掉拖尾的余波，使探头振动后产生更短振动周期从而减小了直通波脉冲宽度，脉冲高度则是影响强度的参量，主要是考虑到实际应用的高度和探头承受的能量所致。而对于探头主要是要求是短脉冲、宽频带、高灵敏度。这主要是通过不断改善探头材料来实现的，一个好的探头应该有较高的正负峰值幅度差、较短波形长度（-20dB）、较少振动周期数和较大阻尼因子，对应频域上应该有较大带宽范围，一般大于75%的相对带宽。这样可以使直通波脉冲宽度TP减小到一定范围。此外还有一些其他的因素，如探头前的楔块和耦合剂透声性等。

对于盲区来说是必然存在不会消失的，我们应该结合设备、探头和工件的等方面的实际情况加以控制，将其减小到可以接受程度。对于设备和探头的匹配性的选择，合理的调节设备脉冲宽度减小直通波的周期，选择合适频率和角度、晶片尺寸的探头；对于人员应该实际测量了解真实的盲区深度，检测时认真观察波形和直通波周期的变化；在工艺上应采用合理的方法进行补充达到全部覆盖检测，主要采用的工艺措施，一种是采用脉冲反射法对上下表面进行特定区域扫查；再有就是爬波辅助检测；双面扫查加磁粉检测或渗透检测等方法。

对于TOFD检测对我们来说还是一个相对较新的技术，不论是在理论上还是实际中都还有各种各样的问题需要试验和解决，尝试安排更加合理的检测设备与探头搭配，得到更好的图谱为数据分析提供可靠的基础；数据分析上也是以实际情况多对比，分析图谱成因。当然没有任何无损检测方法是万能的也不会代替其他的检测方法，我们应该理解各种检测方法的优缺点为之更好的服务社会，服务于人民。

参考文献

[1] 林树青，寿比南，郑晖等. 承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测 NB/T47013-2010.

[2] 强天鹏. 《衍射时差法（TOFD）超声检测技术》2012-5.

[3] 郑晖，林树青. 《超声检测》中国特种设备检验协会 2009-3.