1、基于超声TOFD浅埋藏缺陷检测方法Dazhao Chi Tie Gang收到:2011年11月1日/接受:2012年12月16日/网上公布:2013年1月3日Springer科学+商业媒体2013年纽约摘要：超声波衍射时差（TOFD）遭受近表面分辨率不足的缺点，主要是针对横向波和浅埋缺陷叠加（SBD）波，和不敏感区域下方的表面因为检验探针的限制束宽度。本文提出了一种基于传统的TOFD检测SBD法。该方法为TOFDW因为它采用一种在传播的路径看起来像字母“W”的三倍反射纵波。基于毕达哥拉斯的理论,，数学模型的开发定位SBD。在TOFDW模式中，横向波和SBD波之间的时间差可以大大增加，他们将不会
2、叠加。此外，通过反射的底面入射纵波，对试件的表面附近的区域覆盖有强烈的声场，使TOFDW探头的波束宽度无限制。这些有助于近表面分辨率的提高。实验结果表明，所提出的TOFDW模型和数学模型，用1毫米的埋深的人工缺陷尖端可以被检测到，并且定位0.3毫米的缺陷；2毫米的埋深的焊缝缺陷可以有效的识别和定位，并且定位0.5毫米的缺陷。关键词： 飞行时间衍射、浅埋缺陷、缺陷检测、缺陷位置1介绍超声波衍射时差法(TOFD)已被证明能高效的检验钢板、管状管道和储罐。这项技术有很多优势这使它在材料中较好的无损检测(NDT)检测方法，特别是对于检测厚壁焊缝缺陷尺寸。尽管TOFD已经开始采取方法来取代其他超声检测技
3、术，它仍然存在一些技术的局限性。在厚壁组件中TOFD可以很容易地进行测试简单的几何形状，而复杂的几何形状和薄壁组件很难检查。通过一个手动超声TOFD检测系统，纳特S.K.等人开发的检测概率(POD)和概率分级(POS)曲线的检测和分级的表面破坏裂缝具有复杂几何组件。实验表明,该曲线规划了基于风险的检测元件如汽轮机转子轴1、2。然而，扫描程序、校准、数据显示和分析过程过程往往跟几何本身一样复杂。对于微型高频探头和横波，TOFD巴斯卡拉等人克服薄片的限制。在这些情况下，最小厚度检查可以检查被限制在7毫米3。基于组合TOFD和浸泡技术，萨伯瑞坦等人提出了一种新的方法，扩展了TOFD应用薄片技术下降到
4、3毫米4。虽然TOFD提供了高速检查，高分级的可靠性和低假缺陷迹象，缺陷的识别和分类仍然是频繁质疑，因为它在很大程度上依赖于知识和经验的操作者。如今，即使在最先进的TOFD扫描系统，检测和分级一个缺陷几乎完全是一个手动过程。为了自动解释TOFD收集的数据,模式识别技术，如人工神经网络、采用分类的缺陷信号5、6。自动数字图像处理技术进行了研究识别和定位的缺陷图像采集TOFD。皮特和迪克逊提出了修改霍夫变换法，可以提取的缺陷自动从TOFD快成像7。岗T.卡阿尔及利亚提出了基于合成的一种方法孔径聚焦技术，TOFD快成像可以增强和缺陷技巧可以自动定位8。从上述的研究获得的结果是非常有用的，通过TOFD
5、技术检查焊接缺陷的检测和定位，可以给一个分类的自动化系统发展的提供相关贡献。 近表面分辨率缺乏是迄今为止对TOFD的限制，它已被证实铁的事实。一个元素的梁TOFD检测直接从发射机到接收机旅行只是在材料表面。这被称为“横向波”，这是一个相对较短的脉冲和低振幅信号发生在一个固定的位置。这一事实它总是存在意味着不久的表面总是包含通常被理解为一种消极的信号因素影响表面附近的决议。此外，有一个不敏感地区检查下表面由于限制双探针的波束宽度。这意味着作为波收集使用TOFD很难发现,因为幅度不足。数字信号处理技术开发的一些研究致力于克服信号叠加的限制。与嵌入式信号识别技术, 巴斯卡拉等人通过将部分叠加信号中遇
6、到薄片开发自动化缺陷分级算法9。赤阿尔及利亚等人开发了一个背景图像算法，在TOFD表面缺陷信号附近D扫描图像可以从横向分离有效波10。该方法有助于提SBD在TOFD模式的识别，但他们强烈依赖信号叠加的程度。为了检测结合域,本文提出了一种新的测试方法,基于TOFD技术与三倍反射纵波。它被称为TOFDW是由于纵波的传播路径测试面看起来像字母“W”。从毕达哥拉斯的理论的基础上,简单的数学模型被开发在TOFDW定位缺陷模式。人工级距和焊接缺陷制造和测试使用TOFDW方法的灵敏度和精度进行了研究。（a） （b）图1 TOFDW测试模式 (a)探测器和声音的安排路径 （b）射频波形2 TOFDW原理图1显
7、示了安排TOFDW探测器组件上不连续。相应的A扫描线收集使用TOFDW是显示在图1 b。五个重要的声音路径下面将描述从发射机到接收机。路径1是横向波只是检查下表面的速度传播。路径2缺陷波的缺陷可以通过TOFD检测和大小。当缺陷很浅埋在检查表面，将重叠横向缺陷波在TOFD模式,导致所谓的“死区”。路径3是后壁回声反射的底部表面。路径5是3倍反射波，反射的表面和底部表面2次检查。在路径4中,由底部表面反射后，纵波传播向检查表面。然后拷贝数与作为反射波的行为，形成一个衍射声场。再次被底部表面反射后，缺陷波终于到达接收器。在A扫描线中被TOFDW收集，波1和4对面波2、3和5的阶段。相位差有助于医生通
8、过TOFDW确定缺陷的数据收集。像传统的TOFD模式,TOFDW可以给二维图像称为D和B超。3缺陷位置模型根据缺陷尖端之间的几何关系和探针在TOFDW模式中，开发定位作为简单的数学模型。毕达哥拉斯的理论应用于计算缺陷埋藏深度，并详细描述如下。这两种情况都考虑到，无论是缺陷的对称和非对称的位置之间的探针。 （a） （b）图2 缺陷之间的对称定位模型 （a）表面缺陷检测 （b）缺陷检测表面上方3.1缺陷位于探针对称假设缺陷尖端集中之间的双探针,可以测量缺陷的埋藏深度几何根据毕达哥拉斯的理论,如图2a所示。O点缺陷(或缺陷提示),d埋藏深度。在TOFDW模式下,声音路径ABOCD缺陷可以检测到。以B
9、C为对称轴,O可以获得的对称点O .因此，几何路径ABOCD 与ABOCD长度相同。看起来，O看起来像真正的衍射。O的“埋深”检验表面可以根据毕达哥拉斯的理论计算 (1)在d = O和检验表面之间的距离，=到达时间差异的缺陷波和横向波，C =超声纵向的速度波,S =探测中心分离的一半。然后，可以计算缺陷埋深d d = 2hd (2) h =测试片的厚度。这是常见的情况下，缺陷是埋在检查表面。然而，当缺陷位于焊缝余高，即仅在以上检查表面,情况都发生了变化。在这种情况下,缺陷定位根据这个模型,图2 b所示。计算d无疑大于或等于2小时。然后，缺陷的埋深计算Eq.(2)是负的。 图3 探针之间的不对称
10、缺陷的定位模型3.2缺陷对称位于探针在一般情况下，缺陷在于某处之间的对偶探针，但不一定是在两者之间。当该缺陷是非中心之间的探针，B超给出了缺陷定位的建议。不幸的是，其实测试往往是无法进行因为焊缝余高阻碍探针通过焊缝。在这种情况下，衍射源可以位于根据在图3中所示的几何模型。衍射源的位置可能是在一定的位置在不断的旅行时间曲线上，它是由一个与两个探头的中心焦点的半椭圆。很明显，存在一些模糊的测量深度只有两个探针，尽管这个错误会比较小，如果缺陷是接近中间位置。如果加上另一个接收器，或接收移动到另一个位置，理论上可以消除歧义。一个直角坐标中建立含横截面的缺陷。X轴是在检验表面，和Y轴是焊缝的垂直平分线。
11、根据Y轴，探针对称放置在D组的位置。为双曲线，所有的点都是的恒定距离 =AO+OD (3)其中S1可以计算 (4) 其中，C =纵波速度，T1 =到来的缺陷波时，t0 =系统延迟时间。因此，计算出的S1定义一个半椭圆形，其焦点分别是点A和D。椭圆的长轴为 (5) 短轴为 (6)然后半椭圆L是为 y0 (7) 发射机不为所动的位置，并接收从D位置移到D。因此，它定义了一个半椭圆L与焦点的A和D，以上所有的点是 该恒定距离。L 长轴为 (8)短轴为 (9) 半椭圆L为 (10)在两个半椭圆L和L的交叉点建议的缺陷尖端的位置，假设有没有在模型中的错误。该答案（，）可以同时获得从Eqs.（7）和（10
12、）。是缺陷尖端的坐标的横向位置，和缺陷尖端的埋深深度为 (11)4人工缺陷的检测通过放电加工（EDM），六个人工缺陷（15毫米和0.2毫米宽的底面缺口）在无焊接铝板制备（20毫米厚）。人工缺陷块和TOFDW扫描方向如图4所示。埋深值显示在缺口尖端如表1。人工缺陷进行了使用双探针测试的高带宽（晶体直径6毫米，中心频率5 MHz和铝的折射角）。TOFDW测试参数如下：2S = 120毫米，系统增益75 dB，扫描步长为0.2毫米。人工缺陷3和4的D扫描图像显示在图5的左部分，与人工缺陷4对应的A扫描线显示在右部分。在传统的TOFD模式中，缺陷检测的区域位是于侧面波和后壁回波的时间域之间。可以看出，
13、侧面波推移的图像上部失踪的一部分。这是对缺陷波和横向波相对相位叠加的结果。2S的价值更大，更严重的波会叠加。在TOFDW模式，后壁回声和三倍的反射波对缺陷检测的重要参考因为缺陷波到达他们之间。此外，侧面波是缺陷定位计算的关键。在缺陷检测区，缺陷条纹，有规则的纹理特征，看上去像一条直线。此功能出现相应的切口的几何形状提示。三倍反射波表现为图像中连续全局组件是否有块状表面不连续性的检验。它可以从横向波和缺陷波的相位负图像观察，而后壁回表1 人工缺陷的埋深缺陷 123456 埋深 d /毫米 6.2 4.8 3.7 2.9 1.9 1.0图4人工缺陷块和TOFDW测试模式图5 TOFDW数据的人工缺陷波和三倍反射波是确定的。缺陷在D扫描图像和A扫描线中可以清楚地观察到是因为他们的背景形成鲜明的对比。例如，人工缺陷的4波的振幅是近80%的全屏幕高（FSH），在A扫描线所示。横向波和缺陷波大大增加之间的时间差，这使得SBD波无横向波的叠加。因此，TOFDW模式能有效地提高近表面分辨率。在标题3.1中人工缺陷被测量和模型描述，只有在考虑缺口尖端探针之间的对称的情况。根据方程（1）和（2），计算了缺陷尖端埋深。缺陷
