CN105973990A - 一种基于几何关系的倾斜裂纹tofd定量检测方法 - Google Patents

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Abstract

为降低实施难度，扩大适用范围，本发明提出一种基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法，属于超声无损检测领域。该方法采用一套包括TOFD超声检测仪、检测探头、校准试块、扫查装置的超声检测系统对焊缝结构中与焊缝纵断面成一定角度的倾斜裂纹进行TOFD扫查，根据D扫查图像确定倾斜裂纹的位置及其沿焊缝长度方向的投影长度；在偏离焊缝中心线距离相同的两个位置开始对倾斜裂纹进行两次B扫查，两次B扫查沿焊缝长度方向上的间隔为d，从B扫查图像中分别可得到达声程最短时探头的移动距离L1和L2。根据计算得出倾斜裂纹相对于焊缝纵断面的倾斜角θ的值,并根据计算出倾斜裂纹的长度L。该方法可操作性强，适用范围广，具有较好的工程应用价值。

Description

一种基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法，其属于超声无损检测领域。本发明具体涉及一种采用TOFD技术对与焊缝长度方向即焊缝纵断面成一定角度的倾斜裂纹进行定量检测的方法。
背景技术
裂纹是结构中最危险的一类缺陷，必须对其进行有效检测与评价，以确保结构的安全性和可靠性。其中，裂纹长度和倾斜角度是定量检测重点关注对象。在长度定量方面，主要包括常规超声-6dB方法和相控阵超声检测方法。常规超声-6dB方法多适用于规则裂纹的长度定量，对于不规则裂纹定量时易受裂纹表面状态等因素的影响，此时采用-6dB法定量误差较大；相控阵超声检测方法对裂纹长度定量效果较好，但相控阵设置参数繁多，设置参数时需综合考虑各参数之间的相互关系。在裂纹倾斜角度定量方面，主要包括裂纹端部信号识别方法和多频涡流裂纹重构法等。裂纹端部信号识别方法是结合合成孔径聚焦技术实现角度定量，这一过程需要借助软件编程和后续处理，因此在现场检测中应用较少；多频涡流裂纹重构法是利用十字涡流检测探头所得裂纹检测信号进行反演，从而获得裂纹重构图像，通过图像确定裂纹尖端位置，实现裂纹角度的定量，但涡流检测只适用于导电材料的近表面裂纹检测，检测结果易受到材料本身及其他因素的干扰。
与上述方法相比，超声衍射时差(Time of Flight Diffraction,TOFD)技术是利用裂纹上下端的衍射信号传播时间差实现裂纹定量，且具有裂纹检出率高、检测方便快捷和定量精度高等特点。现有的TOFD定量检测研究多集中于裂纹尺度定量，而在裂纹倾斜角度定量方面的关注不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法。针对难以同时对倾斜裂纹长度与角度进行快速检测的问题，利用TOFD检测B扫查图像和D扫查图像，同时结合B扫查间隔与倾斜裂纹角度之间的几何关系，实现裂纹的角度和长度定量。
本发明采用的技术方案是：一种基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法。该方法是通过两次平行间隔为d的B扫查，利用两次B扫查声程最短时探头的移动距离差，以及倾斜裂纹之间的几何关系，实现对倾斜裂纹相对于焊缝长度方向的倾斜角θ的角度值进行定量；进一步结合D扫查图像确定裂纹沿焊缝长度方向的投影长度，实现对倾斜裂纹长度进行定量。所述方法的测量步骤如下：
(1)首先对被检工件进行TOFD检测D扫查，初步确定裂纹位置并获得其投影长度，根据裂纹深度信息选择探头频率、探头角度、晶片尺寸，并调整探头中心间距、时间窗口范围、检测灵敏度、脉冲重复频率和扫查增量；
(2)根据步骤(1)中确定的TOFD超声检测参数，对被检工件内的裂纹进行两次B扫查并存储扫查图像，两次B扫查的起始位置偏离焊缝中心线的距离相同，但在焊缝长度方向上的间隔为d，依据费马定理，可从扫查图像中得到声程最短时的B扫查位置，分别得到探头移动的距离L1和L2；
(3)根据计算得出倾斜裂纹相对于焊缝纵断面的倾斜角θ的值,并根据计算出倾斜裂纹的长度L。
本发明的有益效果是：与现有裂纹定量方法相比，本发明基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法是结合TOFD方法的B扫查图像和D扫查图像，通过确定两次B扫查间隔、B扫查声程最短时的移动距离差和倾斜裂纹角度三者之间的几何关系，从而实现倾斜裂纹的倾斜角度和长度的定量。该方法克服了常规超声检测方法对不规则裂纹定量误差较大和相控阵超声检测参数设置繁多等问题的影响，提高了对裂纹检测能力，且适用于现场检测。本发明能够对与焊缝成一定倾斜角度的裂纹进行有效检测，比如，在对长度60mm，倾斜角度为45°的裂纹进行定量检测时，角度定量误差为0.62°，长度定量误差为1.14mm。由此可见，本发明基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法的通用性强，原理简单，适用范围广，具有较好的工程应用价值和较高的经济效益。
附图说明
图1是本发明中采用的TOFD超声测试系统的连接示意图。
图2是图1所示的TOFD超声测试系统对被测工件进行D扫查时的示意图。
图3是倾斜裂纹D扫查图像。
图4是倾斜裂纹角度定量示意图。
图5是倾斜裂纹的两次B扫查得到的B扫查图像。
图6是B扫查图像中声程最短位置示意图。
具体实施方式
基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法中，采用的超声测试系统如图1所示，其中包括TOFD超声检测仪、一对标称频率5MHz的TOFD探头、一对偏转角度为60°的纵波楔块、扫查装置。
下面，采用焊缝中设置有倾斜裂纹的碳钢试块作为试验对象对本发明方法进行验证。具体验证过程及验证结果如下：
试验对象为带有V型坡口焊缝的碳钢试块，该碳钢试块尺寸800mm×800mm×50mm，材料纵波声速5900m/s。其中，倾斜裂纹的设计长度为60mm，裂纹距检测面深度为30mm，相对于焊缝长度方向的倾斜角θ为45°。采用TOFD超声检测仪，选用探头标称频率5MHz，晶片尺寸6mm，入射角度为60°的一对TOFD探头和楔块。设置探头中心间距2S＝104mm，采样频率100MHz，其中A扫描时间窗口起始位置设置为直通波到达接收探头之前，终止位置为裂纹信号到达接收探头后。
如图2所示，将一对TOFD探头对称放置于焊缝上方进行D扫查，D扫查图像如图3，从D扫查图像中能够初步确定裂纹位置，并从图中读取倾斜裂纹的投影长度为41.17mm。
如图4所示，对裂纹进行B扫查，其中两次扫查时的起始位置均为X0，而沿焊缝长度方向的间隔d为5.00mm，两次B扫查得到的B扫查图像如图5所示。图6为根据费马定理在B扫查图像所确定的声程最短位置示意图，即为缺陷图像的顶点位置，对应可得图5中声程最短时的探头从起始位置移动至终止位置时移动的距离分别为L1＝81.32mm、L2＝86.43mm。将上述数据代入公式可得倾斜角度为45.62°。
将D扫查得出的倾斜裂纹投影长度和B扫查后计算得出的倾斜角θ的值，代入公式可得到倾斜裂纹的真实长度为58.86mm。进一步计算可知，倾斜裂纹角度定量误差为0.62°，长度定量误差为1.14mm，能够满足工程需求。

Claims (1)

1.一种基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法，其特征是：所述方法的测量步骤如下：
(1)首先对被检工件进行TOFD检测D扫查，初步确定裂纹位置及裂纹沿焊缝长度方向的投影长度L投影长度，根据裂纹深度选择合适的探头频率、探头角度、晶片尺寸，并调整探头中心间距、时间窗口范围、检测灵敏度、脉冲重复频率和扫查增量；
(2)根据步骤(1)中确定的TOFD检测参数，对被检工件内的裂纹进行两次B扫查并存储扫查图像，两次B扫查的起始位置偏离焊缝中心线的距离相同，且沿焊缝方向上的间隔为d，依据费马定理，可从两次扫查图像中得到声程最短时的B扫查位置，分别得到探头移动的距离L1和L2；
(3)根据计算得出倾斜裂纹相对于焊缝纵断面的倾斜角θ的值,并根据计算出倾斜裂纹的长度L。
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