CN102207488A - 横波tofd缺陷定位方法 - Google Patents

Abstract

在超声无损检测领域中，目前的超声波衍射时差法(TOFD)仅利用纵波散射信号来发现焊缝中缺陷，由于所用信号单一，无法通过单次线性扫描实现焊缝内部缺陷的三维定位。针对这样的问题，我们提出一种横波TOFD检测方法，使用一对横波探头沿着焊缝进行单次线性扫描，同时利用焊缝内部缺陷的纵波和横波散射信号，经分析指出缺陷即位于散射横波信号所确定的椭圆轨迹上，又位于散射纵波信号所确定的圆形轨迹上，这样通过求得两曲线交点即可实现材料内部缺陷的三维定位。

Description

横波TOFD缺陷定位方法

一、技术领域

本发明涉及超声无损检测领域，提出一种横波TOFD缺陷定位方法，使用一对横波探头沿着焊缝两侧进行单次线性扫描，同时利用缺陷的纵波和横波散射信号来发现焊缝中缺陷，并对缺陷进行准确定位。

二、背景技术

超声波衍射时差法(Time of flight diffraction，简写为TOFD)，可以高效检测和定位构件内部裂纹类缺陷，在工业领域正逐步获得推广和重要应用。当超声波入射到缺陷(气孔、裂纹、夹杂等)表面时，声波能量会在缺陷端角处形成散射波，散射能量分散向各个方向传播，因此几乎可以从各个方向接收到散射回波。超声波衍射时差法就是通过接收缺陷端角的散射能量来发现和定量缺陷的超声无损检测方法，比起传统的脉冲回波测量方法，TOFD技术的优势在于容易发现和定量测量类裂纹缺陷，且检测效率较高，因而，近些年在国内外逐步获得了较为广泛的工业应用。

TOFD检测技术的主要工作原理如下，一般使用一发一收模式的双探头结构，如图1所示。两斜探头相对置于工件表面，发射换能器激励出能够覆盖工件较宽区域的斜入射纵波，如果工件中存在类裂纹缺陷，接收到的信号的示意图如图2所示，其中的t1，t2，t3，t4时刻出现的回波信号分别是直通波，裂纹上、下端角衍射波和底面反射波，它们分别对应于图1中所示的01，02，03，04各纵波传播路径。

然而，传统的TOFD方法通常是利用缺陷的纵波衍射信号来发现和定位缺陷，由于所用信号单一，无法通过单次线性扫描实现工件内部缺陷的三维定位。这里以缺陷的上端角散射信号为例来说明仅利用纵波散射信号无法准确定位缺陷的原因，如图3所示，不妨将发射换能器在工件表面的入射点定义为焦点1，而接收换能器在工件表面的入射点定义为焦点2，这样，由焦点1和2及固定距离2a可以定义一个椭圆，这个固定距离即为纵波传播声程D1+D2，由椭圆的性质可知，椭圆圆周上的点到两焦点的距离之和相等，也就是说只要缺陷位于该椭圆圆周，其传播声程都等于D1+D2。因而无法通过单一纵波传播声程来对缺陷所在位置进行准确定位。

三、发明内容

为了克服现有的超声波衍射时差法(TOFD)无法通过单次线性扫描来准确定位工件中缺陷，本发明提出横波TOFD缺陷定位方法，该方法使用一对横波探头，同时利用缺陷的纵波和横波散射信号来实现缺陷的三维定位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：使用机玻璃楔块，楔块入射角大于第一临界角，让折射纵波全反射，这样，折射到被检测材料中的信号只剩下横波。折射横波打在缺陷尖端的时候，会出现纵波散射和横波散射，如图4所示，由于散射纵波传播速度快于横波，因而接收换能器先接收到缺陷尖端散射纵波信号，一段时间延迟后，再接收到缺陷尖端的散射横波信号。

将发射换能器在工件表面的入射点定义为焦点1，而接收换能器在工件表面的入射点定义为焦点2，这样由焦点1和2及固定距离2a可以定义一个椭圆，如图5所示，这个固定距离即为横波传播声程(2a＝D₁+D₂)，可以通过接收到的缺陷散射横波信号计算出2a，另外，由于两换能器间距(2b)已知，由此可以写出该椭圆的方程，

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1---\left(1\right)$

另外，利用散射横波和散射纵波间的时间差，可以计算出缺陷所在位置到接收换能器间的距离D2，具体如下，首先，缺陷的散射纵波信号对应的时间延迟可以表达为

$t_{s-p}=\frac{D_1}{c_s}+\frac{D_2}{c_p}---\left(2\right)$

式中，t_s-p表示横波入射引起的纵波散射延迟，c_s和c_p分别表示材料中横波和纵波声速。

另外，缺陷的散射横波信号对应的时间延迟可以表达为

$t_{s-s}=\frac{D_1}{c_s}+\frac{D_2}{c_s}---\left(3\right)$

式中，t_s-s表示横波入射引起的横波散射延迟，为表述简便，式(2)(3)中均省略了有机玻璃楔块中的时间延迟。

由式(3)减式(2)，整理得

$D_2=\frac{c_s{c}_p(t_{s-s}-t_{s-p})}{c_p-c_s}---\left(4\right)$

这样，以焦点2为圆心，D2为半径可以作一个圆，该圆与椭圆的交点即为缺陷位置。实际计算时，舍弃工件外部的焦点，保留工件内部缺陷的位置坐标。

依据本方法，仅通过沿着焊缝方向的单次线性扫描即可实现焊缝中缺陷的准确定位。

本发明的有益效果是，仅通过沿着焊缝方向的单次线性扫描即可实现焊缝中缺陷的准确定位，并且使用横波探头，避免纵波引起的缺陷纵横波散射信号干扰，波形简单并易于识别，精度高。

四、附图说明

图1是常规TOFD检测方法原理图。

图2是常规TOFD检测方法回波信号。

图3是常规TOFD方法难以准确定位缺陷示意图。

图4是缺陷尖端衍射纵波和衍射横波示意图。

图5是同时利用纵波和横波衍射信号来定位缺陷示意图。

图6横波TOFD方法线扫测量示意图。

图7是横波TOFD方法获得的实验信号与扫描图像。

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

为验证上述横波TOFD缺陷定位方法的可行性，设计了含有缺陷的被测试块，铝板试块内部采用电火花加工有人工缺陷，依据图6中所示在被测工件表面布置一对横波换能器，让换能器沿着板材中心线扫查，获得的A扫描信号和B扫描图像如图7所示，B扫描图像中横波散射信号较强，纵波散射信号相对较弱，但仍然可以辨识，再应用上述横波TOFD缺陷定位方法，我们对人工缺陷进行定位研究，并与其实际位置进行比较，实验测量结果表明其缺陷定位误差小于3％，验证了横波TOFD方法的可行性。

Claims (4)

1.一种横波TOFD技术缺陷定位方法，其特征是：使用横波探头，通过对焊缝或工件进行单次线性扫描，同时利用材料中缺陷横波和纵波散射信号所确定的椭圆和圆形轨迹交点来实现缺陷的三维定位。

2.根据权利要求1所述的横波TOFD技术，其特征是：加工出一定角度的有机玻璃楔块，使入射角大于第一临界角，让折射纵波全反射，只剩下折射横波，这样可以有效避免折射纵波所引起的缺陷纵横波散射信号干扰。

3.根据权利要求1所述的横波TOFD单次扫描实现三维定位，其特征是：通过对焊缝或工件进行单次线性扫描，同时利用材料中缺陷的纵波和横波散射信号对缺陷进行三维定位。

4.根据权利要求1所述的横波TOFD定位方法，其特征是：以收发两换能器为焦点定义一个椭圆，以接收换能器为圆心定义一个圆，再利用缺陷的横波和纵波散射信号时间延迟来确定椭圆和圆的轨迹，求解椭圆和圆的交点，即为缺陷位置。

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