CN101839895A - 一种基于超声tofd的近表面缺陷识别方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超声TOFD的近表面缺陷识别方法，涉及超声波无损检测领域，本发明为解决现有超声TOFD检测技术存在对表面及近表面缺陷不敏感的问题，以及现有硬件技术需要附加检测设备，软件技术数据处理过程复杂、耗时长、存在对侧向波抑制不完全及损伤近表面缺陷信号的问题。其过程为：根据被检测体的厚度和探头的角度，选择探头间距，使发射探头激发的纵波主轴声束在被检测体中沿W形声路传播后被另一探头接收。利用选定的探头间距，对被检测体进行A扫描，根据获得的A扫描信号，对被检测体进行D扫描和B扫描，分别获得D扫描图像和B扫描图像，实现缺陷识别并获得缺陷的长度及埋藏深度信息，本发明广泛应用于超声波无损检测领域。

Description

一种基于超声TOFD的近表面缺陷识别方法

技术领域

本发明涉及超声波无损检测领域，具体涉及一种基于超声TOFD法的表面及近表面缺陷的识别技术。

背景技术

超声衍射时差法，简称超声TOFD(Time of Flight Diffraction)法，是一种基于接收缺陷端部的衍射信号对缺陷进行定位定量测量的无损检测手段，适合于大厚度的焊缝结构缺陷的检测。同时，超声TOFD法存在着对近表面缺陷及深度较浅的表面开口缺陷不敏感的技术问题。为了解决这一问题，学术论文1：张锐等，超声衍射一回波渡越时间方法焊缝裂纹原位定量无损估计，机械工程学报，2000，36(5)：54~57，中提出了超声TOFD和脉冲回波相结合的检测方法，该项技术有效提高对近表缺陷的识别，但需要附加检测设备。解决这一技术问题的另一思路是采用信号及图像处理技术对常规TOFD法检测结果进行处理，提取近表面缺陷信号，并对其实施定量测量。在学术论文2：Chi Dazhao et al，Background removal andweld defect detection based on energy distribution of image，(基于能量分布的图像背景去除和缺陷识别)China Welding，2007，16(1)：14~18中提出了一种基于能量分布背景去除的近表面缺陷测量方法，通过滤除与近表面缺陷混叠的侧向波，提取近表面缺陷信号并对其进行定量测量。该方法提高了近表面缺陷的辨识能力，但是侧向波的抑制效果受被检测工件的表面状态影响很大，当各测点信号中侧向波时基抖动以及能量幅度变化较大时，该方法存在侧向波抑制不完全或损伤近表面缺陷信号的问题。在中国知网刊登的学位论文1：迟大钊，基于超声TOFD法的焊缝缺陷表征研究，哈尔滨工业大学，2008：49~58，中提出了自适应滤波技术，在不损伤近表面缺陷信号的前提下，有效地抑制了TOFD法检测结果中的侧向波，提高了侧向波抑制的适应性，但该方法计算过程复杂，且耗时长。

发明内容

本发明为解决常规超声TOFD对近表面缺陷及深度较浅的表面开口缺陷不敏感的问题，以及现有硬件技术需要附加检测设备，软件技术数据处理过程复杂，耗时长，同时存在对侧向波抑制不完全及损伤近表面缺陷信号的问题。提供一种基于超声TOFD的近表面缺陷识别方法。

本发明的方法为：

步骤一：根据被检测体的厚度及探头的折射角度，调整发射探头与接收探头之间的距离，对被检测体进行A扫描，获得A扫描信号；

步骤二：根据步骤一获得的A扫描信号，对被检测体进行D扫描，获得D扫描图像；

步骤三：根据步骤一获得的A扫描信号，对被检测体进行B扫描，获得B扫描图像；

步骤四：根据步骤二获得的D扫描图像和步骤三获得的B扫描图像，对被检测体的缺陷进行定位测量，获得被检测体的缺陷的长度和埋藏深度；所述的被检测体的缺陷的埋藏深度h为：

$h=2d-\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{vt}}{2}\right)}^2-S^2}$

式中，d为被检测体厚度；S为二分之一探头间距；v为超声波在被检测体中的传播速度；t为超声波在被检测体中的传播时间；

所述A扫描信号中包含四路声波，第一路声波为侧向波也称直达波，第二路为一次底面反射波，第三路为缺陷衍射波，第四路为三次反射波，其中所述缺陷衍射波和三次反射波的传输路径为“W”形；

所述缺陷衍射波是指：所述发射探头发射出的纵波经被检测体底面反射到达被检测体的缺陷端部并发生衍射产生衍射波，所述衍射波再次经被检测体底面反射后形成的波；

所述三次反射波是指：发射探头发射的纵波经被检测体底面反射到达被检测体的上表面，然后被所述上表面反射后再次经被检测体底面反射后形成的波。

本发明的原理为：本发明在常规超声TOFD法的基础上采用纵波二次底面反射的检测方式，获取被检测体近表面缺陷的检测信号，本发明提出的TOFD检测方法同样有A、D、B三种检测方式，结合图1，所述A扫描信号包含四路声波，第一路声波为侧向波，也称直达波，第二路为一次底面反射波，第三路为本发明所述的按W形声路传播的纵波，也称缺陷衍射波，第四路为三次反射波，在超声TOFD法的D、B扫描路径上，超声波探头按照“扫描运动采集A扫描信号扫描运动”的方式工作；以大型长直焊缝检测为例，D扫描是两探头沿焊缝长度方向作同步检测，从D扫描的图像中可以判断缺陷沿焊缝长度方向上的尺寸分布，以及缺陷的大概埋藏深度位置；B扫描是两探头沿垂直焊缝长度方向作同步检测，从B扫描的图像可以确定缺陷准确的深度及其在焊缝中的横向位置。通过利用本发明的超声TOFD法，能够给出近表面缺陷的识别及定位测量，从而克服常规超声TOFD法对表面及近表面缺陷检测不敏感的技术缺点。

本发明的有益效果：本发明提出一种纵波二次底面反射法，即缺陷端部衍射波的传播路径形如字母“W”，本方法不需要采用硬件辅助设施，无需信号及图像处理即可识别被检测体中的近表面缺陷及深度较浅的表面开口缺陷，可实现20mm厚铝合金板中的埋藏深度为1mm的缺陷的有效识别，并且检测过程简单，耗时短。

附图说明

图1为本发明的方法在A扫描、D扫描和B扫描过程中获得的A扫描信号中所包含的四路声波的传播路径示意图，其中1表示侧向波的传播路径、2表示一次底面反射波的传播路径、3表示缺陷衍射波的传播路径、4表示三次反射波的传播路径，5表示发射探头，6表示接收探头，图2为本发明方法的D扫描和B扫描的扫描方向示意图，其中，7表示D扫描的扫描方向，8表示B扫描的扫描方向，图3为具体实施方式二所描述的实施例中A扫描获得的信号波形图，图4为具体实施方式二所描述的实施例中检测人工缺陷时采用D扫描获得的D扫描图像；图5为具体实施方式二所描述的实施例中检测人工缺陷时采用B扫描获得的B扫描图像，图3、图4和图5中的9表示侧向波、10表示一次底面反射波、11表示缺陷衍射波、12表示三次反射波。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于超声TOFD的近表面缺陷识别方法，它的具体步骤为：

步骤一：根据被检测体的厚度及探头的折射角度，调整发射探头5与接收探头6之间的距离，对被检测体进行A扫描，获得A扫描信号；

步骤二：根据步骤一获得的A扫描信号，对被检测体进行D扫描，获得D扫描图像；

步骤三：根据步骤一获得的A扫描信号，对被检测体进行B扫描，获得B扫描图像；

步骤四：根据步骤二获得的D扫描图像和步骤三获得的B扫描图像，对被检测体中的缺陷进行定位测量，获得被检测体中缺陷的长度和埋藏深度；所述的被检测体中缺陷的埋藏深度h为：

$h=2d-\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{vt}}{2}\right)}^2-S^2}$

式中，d为被检测体厚度；S为二分之一探头间距；v为超声波在被检测体中的传播速度；t为超声波在被检测体中的传播时间；

所述A扫描信号中包含四路声波，第一路声波为侧向波9，也称直达波，第二路为一次底面反射波10，第三路为缺陷衍射波11，第四路为三次反射波12，其中所述缺陷衍射波11和三次反射波12的传输路径为“W”形；

所述缺陷衍射波11是指：所述发射探头5发射出的纵波经被检测体底面反射到达被检测体的缺陷端E并发生衍射产生衍射波，所述衍射波再次经被检测体底面反射后形成的波；

所述三次反射波12是指：发射探头5发射的纵波经被检测体底面反射到达被检测体的上表面，然后被所述上表面反射后再次经被检测体底面反射后形成的波。

本实施方式中步骤二所述的对被检测体进行D扫描，获得D扫描图像的过程为：：在所述被检测体的缺陷上方标记扫查中心线，所述扫查中心线的方向与所述缺陷的长度方向相同；将发射探头5和接收探头6相向对称设置于扫查中心线的两侧，调整扫描步长，使发射探头5与接收探头6沿着扫查中心线的方向进行同步扫描，在扫描过程中采集A扫描信号，获得D扫描图像。

本实施方式中步骤三所述的对被检测体进行B扫描，获得B扫描图像的过程为：将发射探头5与接收探头6相向设置在被检测区域内缺陷位置的上方，并且使发射探头5与接收探头6的连线垂直于扫查中心线，并位于扫查中心线的一侧，调整扫描步长，使发射探头5与接收探头6沿垂直焊缝长度方向作同步扫描，所述同步扫描按照扫查中心线两侧长度对称进行，在扫描过程中采集A扫描信号，获得B扫描图像。

具体实施方式二：结合图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式为实施方式一的具体实施例：

本实施方式以铝合金板中的人工缺陷作为检测对象，所述铝合金板的厚度为20.0mm，所述铝合金板中的人工缺陷的端部埋藏深度为2.92mm，所述人工缺陷的长度为15.0mm的底面开口直槽；其检测过程为：发射探头5、接收探头6在铝合金板中的纵波折射角度为60°，调整发射探头5与接收探头6之间的距离为110mm，对铝合金板进行A扫描，获得A扫描信号，参见图3，根据获得的A扫描信号，对铝合金板进行D扫描，在人工缺陷上方的检测平面上标记扫查中心线，所述人工缺陷的长度方向与扫查中心线的方向相同；将发射探头5与接收探头6相向对称布置于扫查中心线两侧，调整扫描步长为0.2mm，扫描长度为80mm，使发射探头5与接收探头6沿着扫查中心线的方向进行同步扫描，获得D扫描图像参见图4，根据获得的A扫描信号，对铝合金板进行B扫描，将发射探头5与接收探头6相向设置在被检测区域内缺陷位置的上方，并且使发射探头5与接收探头6的连线垂直于扫查中心线，并位于扫查中心线的一侧，调整扫描步长为0.2mm，扫描长度为50mm，使发射探头5与接收探头6沿垂直焊缝长度方向作同步扫描，获得B扫描图像参见图5，根据获得的D扫描图像和B扫描图像，对铝合金板的缺陷进行定位测量，获得铝合金板中人工缺陷的长度为13.5mm，对所述铝合金板中缺陷的埋藏深度进行计算，所述缺陷的埋藏深度h的计算公式为：

$h=2d-\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{vt}}{2}\right)}^2-S^2}$

式中，h为缺陷埋藏深度；d为被检测体厚度；S为二分之一探头间距；v为超声波在铝合金板中的传播速度；t为超声波在铝合金板中的传播时间；所述缺陷的埋藏深度为2.88mm。

本实施方式所述的A扫描、B扫描和D扫描可采用美国物理声学公司(PAC)生产的超声C扫描系统实现。

Claims (3)

1.一种基于超声TOFD的近表面缺陷识别方法，其特征是，它的具体步骤为：

步骤一：根据被检测体的厚度及探头的折射角度，调整发射探头(5)与接收探头(6)之间的距离，对被检测体进行A扫描，获得A扫描信号；

步骤二：根据步骤一获得的A扫描信号，对被检测体进行D扫描，获得D扫描图像；

步骤三：根据步骤一获得的A扫描信号，对被检测体进行B扫描，获得B扫描图像；

步骤四：根据步骤二获得的D扫描图像和步骤三获得的B扫描图像，对被检测体中缺陷进行定位测量，获得被检测体中缺陷的长度和埋藏深度；所述的被检测体中缺陷的埋藏深度h为：

$h=2d-\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{vt}}{2}\right)}^2-S^2}$

式中，d为被检测体厚度；S为二分之一探头间距；v为超声波在被检测体中的传播速度；t为超声波在被检测体中的传播时间；

所述A扫描信号中包含四路声波，第一路声波为侧向波(9)，也称直达波，第二路为一次底面反射波(10)，第三路为缺陷衍射波(11)，第四路为三次反射波(12)，其中所述缺陷衍射波(11)和三次反射波(12)的传输路径为“W”形；

所述缺陷衍射波(11)是指：所述发射探头(5)发射出的纵波经被检测体底面反射到达被检测体的缺陷端部(E)并发生衍射产生衍射波，所述衍射波再次经被检测体底面反射后形成的波；

所述三次反射波(12)是指：发射探头(5)发射的纵波经被检测体底面反射到达被检测体的上表面，然后被所述上表面反射后再次经被检测体底面反射后形成的波。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声TOFD的近表面缺陷识别方法，其特征在于，步骤二所述的对被检测体进行D扫描，获得D扫描图像的过程为：在所述被检测体的缺陷上方标记扫查中心线，所述扫查中心线的方向与所述缺陷的长度方向相同；将发射探头(5)和接收探头(6)相向对称设置于扫查中心线的两侧，调整扫描步长，使发射探头(5)与接收探头(6)沿着扫查中心线的方向进行同步扫描，在扫描过程中采集A扫描信号，获得D扫描图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声TOFD的近表面缺陷识别方法，其特征在于，步骤三所述的对被检测体进行B扫描，获得B扫描图像的过程为：将发射探头(5)与接收探头(6)相向设置在被检测区域内缺陷位置的上方，并且使发射探头(5)与接收探头(6)的连线垂直于扫查中心线，并位于扫查中心线的一侧，调整扫描步长，使发射探头(5)与接收探头(6)沿垂直焊缝长度方向作同步扫描，所述同步扫描按照扫查中心线两侧长度对称进行，在扫描过程中采集A扫描信号，获得B扫描图像。

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