CN110687205A - 一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法及其中所应用的tofd探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法，该方法包括以下步骤：步骤1，将TOFD探头和爬波探头安装在扫查架上；步骤2，设置TOFD探头参数和爬波探头参数；步骤3，对工件进行扫查；步骤4，扫查结束后对图像进行分析。该方法弥补了现行TOFD检测方法存在的近表面、底表面附近缺陷漏检和厚焊缝要采用多对探头的弊端，使超声波自动和半自动检测更加完善。

Description

一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法及其中所 应用的TOFD探头

技术领域

本发明涉及超声波三个探头自动检测方法，尤其是涉及衍射式和反射式联合的超声波自动检测方法。

背景技术

衍射时差法(Time of Flight Diffraction,简称TOFD)是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式。发射探头发射超声脉冲波后，首先是到达接收探头的直通波，然后是底面反射波，在直通波和底面反射波之间，如果有缺陷还会接收到缺陷的衍射波。

TOFD技术是当前超声波检测领域的前沿技术之一，采用该技术对焊缝缺陷进行检测，具有检测速度快、测量精度高、检测结果显示直观等特点，因此在焊缝超声波检测中得到广泛应用。但是TOFD技术也有其自身的局限性，现行TOFD检测方法主要存在以下四个较大的问题：

1、检测面的近表面附近缺陷无法检出；

2、检测面的底表面附近缺陷无法检出；

3、检验厚焊缝(大于50mm)时要采用两对或多对探头检测的弊端。

4、TOFD检验方法对缺陷在焊缝中的水平位置定位困难。

基于上述四个TOFD检验方法存在的问题，本发明对原 TOFD检测方法进行了全新的改进，以期能够解决上述问题。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测的方法，该方法是一种在TOFD方法的基础上再加上两路A型超声波反射法同时对焊缝进行检测的方法，该方法弥补了现行TOFD检测方法存在的近表面、底表面附近缺陷漏检和厚焊缝要采用多对探头的弊端，采用反射法与衍射法同时对应缺陷显示比较，用以定位缺陷在焊缝中的水平位置，使超声波自动和半自动检测更加完善，从而完成了本发明。

具体来说，本发明一方面提供了一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将TOFD探头和爬波探头安装在扫查架上；

步骤2，设置TOFD探头参数和爬波探头参数；

步骤3，对工件进行扫查；

步骤4，扫查结束后对图像进行分析。

本发明另一方面提供了一种TOFD探头，优选应用在上述方法之中，其特征在于：所述TOFD探头采用的是曲面晶片15，所述曲面晶片15为凸曲面晶片，晶片角度为40-45°，优选基本为42°。

本发明提供的一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法，改进了超声衍射波所使用的双探头检测装置，采用较大尺寸曲面的探头晶片，自然增大超声波在焊缝中的分布角度和能量，使得改进后的探头既可以作为TOFD探头使用，用以检测工件焊缝中近表面和底表面除外的大部分缺陷；又可以单独作为普通超声探头使用，用以检测工件焊缝中除近表面外的大部分缺陷，对底表面缺陷有着良好的检出能力；

(2)本发明提供的一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法，采用反射法与衍射法同时对应缺陷显示比较，能够分析出该缺陷在焊缝中的水平位置；

(3)本发明提供的一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法，采用双晶爬波探头弥补TOFD检测的不足，对工件焊缝中近表面缺陷有着良好的检出能力；

(4)本发明提供的一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法，用以检测厚度在200mm以内的工件，能够避免采用多对探头，一次扫查既能覆盖全部区域，使得超声波自动和半自动检测更加完善。

附图说明

图1示出探头各角度示意图；

图2示出曲面TOFD探头透视图；

图3a示出校准试块M的主视图；

图3b示出校准试块M的侧视图；

图3c示出校准试块M的俯视图；

图4a示出实施例2中探头的分布图；

图4b示出实施例2中探头的移动方向；

图5a示出对比例1中探头的分布图；

图5b示出对比例1中探头的移动方向；

图6a示出实施例1中爬波探头的检测结果；

图6b示出实施例1中衍射时差模式下的检测结果；

图6c示出实施例1中脉冲回波模式下的检测结果；

图6d示出实施例1中探头的分布图；

图7a、7c和7e示出衍射法下不同缺陷位置的超声波声程；

图7b、7d和7f示出反射法下不同缺陷位置的超声波声程；

图8示出焊缝缺陷位置的参数示意图。

附图标记

1-爬波探头；

2-65°TOFD探头；

3-60°TOFD探头；

4-45°TOFD探头；

5-单晶横波探头；

6-双晶爬波探头；

7-曲面TOFD探头；

8-楔块；

9-吸声块；

10-消音槽；

11-阻尼块；

12-探头接口；

13-匹配线圈；

14-探头外壳；

15-曲面晶片。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明中，声束指的是一束超声波。超声波声源正前方声能聚集的锥形区域为主声束，主声束中声束能量最大处为最大主声束，与探头晶片垂直的线定义为主轴，如图1所示。

其中，越靠近最大主声束，声束能量越高，在同一深度位置，当声束偏离最大主声束到位置A和A°时，声束的能量减小到最大主声束能量的四分之一，此时，将位置A和A°处的声束夹角定义为探头的扩散角。

当声束向靠近主轴方向偏离，使得声束的能量减小到最大主声束的四分之一时，此时，将该声束与主轴之间的夹角定义为下扩散角；当声束向远离主轴方向偏离，使得声束的能量减小到最大主声束的四分之一时，此时，将该声束与主轴之间的夹角定义为上扩散角。

上扩散角与下扩散角之间的差值定义为扩散范围变化。上扩散角覆盖范围减去下扩散角覆盖范围对应的区域为探头的有效覆盖区域。在此区域之外的声束的能量太低，不能被接收，无法用于工件检测。

超声波是一种频率高于20KHz的声波，声波由物体的振动产生，每秒钟振动的次数称为频率，它的单位是Hz。探头频率指的是晶片发射出的超声波的频率。本发明中曲面晶片角度指的是主轴与最大主声束之间的夹角θ。

声束集中向一个方向辐射的性质，叫声束的指向性。指向性好，说明声波向四周扩散的能量较少，能够较集中地传向目标方向。

其中，本发明中所指工件的厚度在200mm以内，工件近表面的厚度在0-10mm之间，底表面的厚度在190-200mm之间。本发明中所指的超声波纵波反射法包括普通超声波探头检测和爬波探头检测。

本发明一方面提供了一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法。

衍射时差法用以检查工件中除近表面和底表面以外的焊缝缺陷，纵波反射法用以检查工件中近表面和底表面处的焊缝缺陷，两种方法联合使用，可以一次性100％覆盖整个工件，简化检测操作，提高探伤的精确度。

步骤1，将TOFD探头和爬波探头安装在扫查架上；

探头的种类很多，结构型式也不一样，检测前一般应根据工件的板厚和材质以及焊缝情况选择探头。本发明中的TOFD 探头和双晶爬波探头主要用于检测铁素体钢对接焊缝，其焊缝厚度在50～200mm之间。

在一个优选的实施方式中，所述TOFD探头采用的是压电陶瓷晶片或复合材料晶片，优选为复合材料压电晶片。

压电晶片是一种受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，利用压电晶片可实现机械振动(超声波)和电信号的互相转换。其中，给压电晶片输入电压就会产生振动，并输出超声波，可用来制作发射探头。给压电晶片输入声压，就会产生电压，可用来制作接收探头。

在一个优选的实施方式中，所述TOFD探头采用的是曲面压电晶片。

常规TOFD探头采用的是平面压电晶片，为了扩大检测范围，TOFD检测时往往选择尽量大的扩散角。在传统方法中获得最大扩散角的两个途径(1)是选最低的频率，获得较大的波长；(2)是选最小的晶片。

低频率和小晶片在增加探头扩散角的同时会降低探头的分辨力和声束强度，也即声束能量，二者与扩散角之间相互制约和影响，最终获得一个平衡，使得探头扩散角不能无限增加，每个探头的覆盖范围都有一个极大值。因此，TOFD探头的覆盖范围有限，当被检工件厚度较大(大于50mm)时，一个探头无法一次性覆盖整个工件，只能采取多探头联合使用的方式进行检测。

为了避免采用多对探头，本发明采用了一种改进后的 TOFD探头进行检测，其中，改进后的TOFD探头的结构如图2 所示，是一种曲面TOFD探头。

常规的TOFD探头采用平面晶片，改进后的TOFD探头采用曲面晶片。平面晶片在增加晶片面积的同时，扩散角会降低。但是由于凸曲面晶片本身具有发散功能，在采用较大的压电晶片尺寸时，仍然可以保证探头的扩散角，在增加扩散角的同时并不会降低声束的强度。无须采用多个不同角度的探头配合使用，在只用一对探头的情况下，对厚度为200mm的工件进行检测时，改进后的曲面TOFD探头能够覆盖待检测工件10-200mm 之间的全部范围。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头包括两个探头，一个发射探头和一个接收探头，发射探头和接收探头一样。

在一个优选的实施方式中，曲面TOFD探头既能够在衍射时差模式下进行检测，也能够在脉冲回波模式下进行检测。

在衍射时差模式下，TOFD探头进行的是衍射时差法检测，衍射时差法是一种依靠待检工件内部缺陷端点处的衍射信号来检测缺陷的自动超声波检测方法。

具体而言，衍射时差法采用一对TOFD探头进行检测，其中一个作为发射探头，另一个作为接收探头。在进行工件检测时，两个探头对称分布在焊缝两侧，发射探头将检测仪器中发射的高频电信号通过压电晶片转变为超声波，发射进入工件内部，经工件内部传播到接收探头，接收探头内的压电晶片将接收到的超声波转换为电信号，电信号经过放大和滤波处理后利用数字信号处理技术，最终转换为扫描图像。

接收探头接收到的超声波主要包括以下三种，当被检工件内部没有缺陷时，发射探头发射出的超声波有一部分沿工件表面以最短的路径到达接收探头，这部分波称之为直通波。还有一部分超声波经过工件底面反射到接收探头，这部分波称之为底面反射波。当被检工件内部有缺陷时，发射探头发射出的超声波会在缺陷的上下端点处产生衍射波，该衍射波被接收探头接收后，能够形成缺陷上下端的衍射信号。通过分析直通波、底面反射波和缺陷端点衍射波可以确定缺陷的尺寸和位置。

在衍射时差模式下，TOFD探头用以检测工件中除近表面和底表面外的焊缝缺陷；

本发明中采用曲面TOFD探头进行衍射时差法检测时，超声波从发射探头进入工件后的扩散角度较大，几乎覆盖了整个工件的深度区域，但是，不同区域处的声束能量和频率是不同的，工件的近表面和底表面在探头的有效覆盖区域之外，声束能量太低，使得工件近表面和底表面处缺陷的衍射波被埋藏在直通波和底面反射波中，容易被漏检，形成工件近表面和底表面的检测盲区。

虽然本发明在衍射时差法进行检测时也存在近表面和底表面的检测盲区，但是与常规TOFD探头相比，本发明中采用的是曲面晶片，在增大扩散角的同时并不会导致声束能量降低，因此与常规TOFD探头相比，曲面TOFD探头的有效覆盖区域大，近表面和底表面检测盲区小，仅采用一对曲面TOFD探头就能够有效覆盖的工件焊缝厚度范围为10-190mm。

在脉冲回波模式下，曲面TOFD探头在脉冲回波模式下能够用作普通超声波探头，进行的是超声波纵波反射法检测，超声波纵波反射法检测是一种利用超声波(脉冲波)入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理进行检测的一种方法。

具体而言，超声波纵波反射法采用一个探头，单独使用，同时执行发射和接收功能。在进行检测时，将探头放置在焊缝的一侧或上方，检测仪器发射一定的高频电信号，通过探头中的压电晶片转换成超声波，发射进入工件内部，以一定的方向和速度向前传播，如果在工件内部存在缺陷，那么进入工件的超声波会在缺陷处发生反射，该缺陷处反射波被接收探头接收后再通过压电晶片转换为电信号，进入检测仪器中，通过分析反射波的特征就可以确定缺陷的尺寸和位置。

其中，曲面TOFD探头在脉冲回波模式下能够用作普通超声波探头，是因为其采用的是曲面压电晶片，在增大扩散角的同时并不会导致声束能量降低。而常规TOFD探头常常采用减小晶片尺寸的方法增加扩散角，但是晶片尺寸的降低会使得主声束能量降低，如果在将其用作普通超声探头，此时能量太弱，检测功能几乎无法实现。

在一个优选地实施方式中，在脉冲回波模式下，曲面TOFD 探头用以检测工件中除近表面外的焊缝缺陷，尤其是底表面处的焊缝缺陷。

在脉冲回波模式下，曲面TOFD探头能够有效覆盖的焊缝厚度在10-200mm之间，尤其是190-200mm之间，不仅能够克服衍射时差模式下底表面缺陷的漏检问题，而且在与衍射时差模式下覆盖范围重叠的部分，对超声波纵波反射法与衍射时差法同时对应缺陷显示进行比较，能够定位缺陷在焊缝中的水平位置。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头采用的是曲面晶片，晶片角度θ为40-45°，优选基本为42°。

曲面晶片的加工很难做到完全精确，本发明人经过大量试验发现，在探头其他参数一定的情况下，当晶片角度θ在42°左右时，曲面TOFD探头的有效覆盖区域最大，能够检测厚度在 10-200mm范围内的缺陷。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头的上扩散角在75～80°之间，优选为80°，下扩散角在35～40°之间，优选为 35°；扩散范围变化为35-45°，优选为45°。

其中，在相近的折射角、晶片尺寸和频率下，曲面TOFD 探头的下扩散角远远小于常规的TOFD探头，曲面TOFD探头的上扩散角远远大于常规的TOFD探头。这是因为凸曲面晶片本身具有发散功能，能够增加探头的扩散角，扩大探头的覆盖范围。与传统45°TOFD探头相比，曲面TOFD探头的下扩散角可由40°减小到35°，上扩散角可由54°增加到80°，扩散范围变化由 14°增加到45°，探头的有效覆盖区域明显增大。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头晶片的尺寸为(10-20)mm×(10-20)mm。

增加晶片尺寸，探头的扩散角减小，波束指向性变好，超声波能量集中，对检测有利。晶片的尺寸越大，辐射的超声波能量就越大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。

但是，晶片的尺寸也不是越大越好。波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大值极小值的区域，称为超声场的近场区。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度。近场区内的声压不稳定，不利于超声检测。晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对检测不利。

在进一步优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头的尺寸为15mm×15mm。

其中，发明人经过多次试验发现，曲面TOFD探头的尺寸为15mm×15mm时，探头的检测性能最好。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头的频率为 3-5MHz，更优选为3MHz。

探头频率对检测结果有很大的影响，实际操作中，TOFD 探头的频率常常在2-15MHz之间，本发明主要用以检测厚度在 200mm以内的大厚度工件，如果采用高频率，由于衰减大，信噪比低，声束可能无法回到接收探头，或者回来的很弱，为了保证超声波的穿透力，本发明采用的频率为3-5MHz。

曲面TOFD探头的结构如图2所示，在图2中，8表示楔块； 9表示吸声块；10表示消音槽；11表示阻尼块；12表示探头接口； 13表示匹配线圈；14表示探头外壳；15表示曲面晶片。

在一个优选的实施方式中，所述曲面晶片15安装在楔块8 上。

其中，所述楔块8可以选用现有技术中探头楔块的任一种形状，优选使用探头楔块中常用的类L型。所述楔块8选用有机玻璃制备，优选使用声能衰减小的聚苯乙烯制备。

在一个优选的实施方式中，在除楔块8底面的其他外壁周围均包裹有吸声块9，吸声块9用于对楔块中发射的超声波进行吸收，使超声波仅从楔块8的底面射出，减少向探头四周的发射。

在一个优选的实施方式中，在楔块8底面上设置有消音槽 10，所述消音槽10呈间隔均匀的折叠波状，如图2所示。

由于超声波在探头内部传播时会产生很多杂波，杂波通过所述消音槽10时会产生多次折射从而使能量消减，减小杂波带来的干扰。

在一个优选的实施方式中，在曲面晶片15上设置有阻尼块 11，所述阻尼块11用于消除超声波内部传播时产生的杂波。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头包括曲面晶片15，楔块8，吸声块9，消音槽10和阻尼块11，还包括探头接口12，匹配线圈13和探头外壳14，如图2所示。

在一个优选的实施方式中，所述爬波探头包括一个双晶爬波探头，例如TRCr2-Aust双晶爬波探头。

单独采用TOFD探头进行检测时，由于直通波的影响，在待检测工件的近表面附近存在一定范围的盲区。为了避免造成缺陷漏检，本发明采用爬波探头检测用以弥补TOFD检测的不足。

爬波探头产生的是折射角为90°的纵波，是一种仅在材料的表面下传播的压缩波，对近表面缺陷非常敏感，这种探头对检测近表面缺陷特别有效。

本发明中，优选采用发射强度大的单晶或双晶爬波探头，更优选为双晶爬波探头，例如TRCr2-Aust双晶爬波探头。TRCr2-Aust双晶爬波探头的探头频率为2MHz，TRCr2-Aust双晶爬波探头中的两个晶片的尺寸相同,晶片尺寸为8mm×15mm，聚焦声程为10mm。在实际应用中，根据工件焊缝的具体情况，选择不同型号的双晶爬波探头即可。

在一个优选的实施方式中，将扫查架放置在焊缝上，将 TOFD探头和爬波探头安装在扫查架上。

TOFD探头的发射探头和接收探头对称安装在扫查架的左右，并且关于焊缝的中心对称。爬波探头和发射探头设置在扫查架的同一侧，在与待测工件的待测焊缝平行的方向上，爬波探头和发射探头之间的距离为15-20mm，在与待测工件的待测焊缝垂直的方向上，爬波探头到待测焊缝坡口的距离 10～15mm。其中，爬波探头和发射探头在与焊缝平行和垂直方向上的距离，指的是爬波探头中心到发射探头中心之间的距离。

其中，爬波探头发射的爬波的能量比较弱，距离焊缝近有利于回波的接收。爬波探头和发射探头设置在焊缝的同一侧，但二者不在同一水平线上，是为了避免因为两个探头覆盖区域重叠而造成的超声波之间的互相干扰。

步骤2，设置TOFD探头参数和爬波探头参数；

本发明中，TOFD探头的参数设置包括模式选择、探头中心距离、探头频率、探头增益、探头范围、扫查方式和声速的设置。

爬波探头的参数设置包括探头频率、探头增益、探头范围和扫查方式。

在一个优选的实施方式中，将TOFD探头模式设置为衍射时差和脉冲回波。

其中，TOFD探头是脉冲探头，间歇发射，借助omniscan 设备和omniscan自带的计算机运行软件，可同时在两种模式下进行工作，二者彼此之间不会相互干扰，能够简化操作流程，提高检测的效率。

在一个优选的实施方式中，TOFD探头中心距离按照被检工件厚度(T/2)×tanθ计算，其中，T为被检工件厚度，θ为曲面晶片角度，一般为40°-45°。

其中，本发明中，发射探头和接收探头对称分布在焊缝的两侧，两个探头之间的距离为探头中心距离。

在一个优选的实施方式中，在衍射时差模式下，探头频率设置为3-5MHz，优选为3MHz。

此处所设置的探头频率为检测仪器发射的高频电信号的频率，检测仪器发射的高频电信号的频率与探头压电晶片的频率保持一致。

在一个优选的实施方式中，在衍射时差模式下，调节探头增益，直到探头放置于工件表面的直通波、底面反射波显示出来。若由于工件厚度直通波无法显示，则将TOFD探头按照之前设置的探头中心距离((T/2)×tanθ)放置于校准试块上，将接近表面的横孔可见的增益设置为最佳增益。

其中，本发明所采用的校准试块为校准试块M，如图3a-3c 所示，校准试块M的材质为碳钢。由图3a-3c可知，校准试块M 为一个矩形，其厚度为200mm，长度为400mm，宽度为200mm。在校准试块M上表面的中心处，沿厚度方向，均匀分布有6个横孔，且6个横孔的中心位于同一直线上。所述横孔为圆柱体，直径2mm，长度60mm。横孔的轴线与校准试块M的宽度方向平行，距离校准试块M上表面的距离依次为10、40、80、120、160和 190mm。在第六个横孔(也即190mm横孔)的正下方还存在一个矩形切槽，其槽深为2mm，槽宽度为2mm，槽长度为60mm。

在一个优选的实施方式中，在衍射时差模式下，调节探头的范围，使直通波位于设备频率左侧边缘。此时，探头的覆盖范围最大，能够检测出10-190mm之间的缺陷。

在一个优选的实施方式中，在衍射时差模式下，声速设置为5900-5940m/s，优选5920m/s。

在一个优选的实施方式中，在脉冲回波模式下，探头频率设置为3～5MHz，优选为3MHz。

因为衍射时差和脉冲回波两种模式同时进行，因此脉冲回波模式下的探头频率与衍射时差模式下的保持一致。

在一个优选的实施方式中，在脉冲回波模式下，声速设置为5900-5940m/s，优选5920m/s。

在一个优选的实施方式中，在脉冲回波模式下，调节探头范围，使直通波位于设备频率左侧边缘。此时，探头的覆盖范围最大，能够检测出10-200mm之间的缺陷。

在一个优选的实施方式中，本发明对爬波探头参数不做特殊限定，按照本领域常规设置即可。

在一个优选的实施方式中，设置完TOFD探头和爬波探头参数后，对TOFD探头和爬波探头进行校准。

在做超声检测前要通过校准试块对仪器进行校准，目的是为了让仪器获得与被检材料相同的声速、以及相关参数，用于超声检测装置的性能测试及灵敏度调整。

在一个优选的实施方式中，在衍射时差模式下，设置完 TOFD探头参数后，采用校准试块M对探头进行校正。

在一个优选的实施方式中，在脉冲回波模式下，设置完 TOFD探头参数后，采用校准试块M对探头进行校正。

在一个优选的实施方式中，设置完爬波探头参数后，采用校准试块M对探头进行校正。

步骤3，对工件进行扫查；

在一个优选的实施方式中，步骤3中，所述扫查为非平行扫查。

其中，非平行扫查是指探头运动方向与声束方向垂直的扫查方式，可用于缺陷的快速探测和缺陷长度的计算，并可大致测量缺陷高度。本发明中，扫查架沿与焊缝平行的方向移动，带动TOFD探头和爬波探头完成对焊缝的扫查。

在一个优选的实施方式中，步骤3中，TOFD探头同时进行衍射时差模式和脉冲回波模式扫查。

TOFD探头在对焊缝进行扫查时，发射探头接收到检测仪器输出的高频电信号后发射出超声波，发射出的超声波在工件内部遇到缺陷时，会在缺陷处产生反射波和衍射波，这些反射波和衍射波分别被发射探头和接收探头接收，经压电晶片转换为电信号，并经过放大和滤波处理，对电信号做出筛选，其中，接收探头主要输出衍射波信号转化而来的电信号，发射探头主要输出反射波信号转化而来的电信号。发射探头在完成一组发射和接收后，再重新发射超声波，重复上述过程，直到完成整个焊缝的扫查。

步骤4，对图像进行分析。

本发明所采用的检测方法，不仅能够一次性覆盖整个工件，简化检测操作，同时，还能够解决常规TOFD检验方法对缺陷在焊缝中的水平位置定位困难的问题。

利用超声波纵波反射法与衍射法联合检测方法确定缺陷在焊缝中的水平位置的原理如图7a-7d所示：

当缺陷处在焊缝中心线上时，如图7a-7b所示：衍射法显示的声程(也即超声波的传播路径)如图7a所示，包括路径a1和路径a2，TOFD探头的声程是路径a1和路径a2的距离之和；脉冲反射法的声程如图7b所示，脉冲反射法声程是图7b中路径b1 的两倍，此时路径a1声程等于路径b1的声程的，反射法与衍射法显示的缺陷声程相同。

当缺陷在焊缝中心线偏左时，如图7c-7d所示：衍射法显示的声程为图7d，TOFD探头声程为路径c1和路径c2距离之和；脉冲反射法的声程如图7b，脉冲反射法声程是路径d1的两倍，此时路径d1声程小于路径c2的声程，此时反射法缺陷的声程将小于衍射法，且偏离焊缝中心线左边越大，则反射法缺陷的声程将越小，与衍射法缺陷的声程差越大。

当缺陷在焊缝中心线偏左时，如图7e-7f所示，衍射法显示的声程为图7e，TOFD探头声程示意图中路径e1和路径e2距离之和；脉冲反射法的声程为图7f，脉冲反射法声程示意图中路径 f1的两倍，此时路径f1声程大于路径e2的声程，此时反射法缺陷的声程将大于衍射法，且偏离焊缝中心线右边越大，则反射法缺陷的声程将越大，与衍射法缺陷的声程差越大。

本发明另一方面提供了一种TOFD探头，优选应用在上述方法之中。

在一个优选的实施方式中，所述TOFD探头为曲面TOFD探头。

常规的TOFD探头采用平面晶片，改进后的TOFD探头采用曲面晶片。平面晶片在增加晶片面积的同时，扩散角会降低。但是由于凸曲面晶片本身具有发散功能，在采用较大的压电晶片尺寸时，仍然可以保证探头的扩散角，即增加扩散角的同时并不降低声束强度。无须采用多个不同角度的探头配合使用，在只用一对探头的情况下，对厚度为200mm的工件进行检测时，改进后的曲面TOFD探头能够覆盖待检测工件10-200mm之间的全部范围。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头包括一个发射探头和一个接收探头，发射探头和接收探头一样。

在一个优选的实施方式中，曲面TOFD探头既能够在衍射时差模式下进行检测，也能够在脉冲回波模式下进行检测。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头采用的是曲面晶片，晶片角度θ为40-45°，优选基本为42°。

曲面晶片的加工很难做到完全精确，本发明人经过大量试验发现，在探头其他参数一定的情况下，当晶片角度θ在42°左右时，曲面TOFD探头的扩散角最大，能够检测厚度在10-200mm 范围内的缺陷。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头的上扩散角在75～80°之间，优选为80°，下扩散角在35～40°之间，优选为 35°；扩散范围变化为35-45°，优选为45°。

其中，在相近的折射角、晶片尺寸和频率下，曲面TOFD 探头的下扩散角远远小于常规的TOFD探头，曲面TOFD探头的上扩散角远远大于常规的TOFD探头。这是因为凸曲面晶片本身具有发散功能，能够增加探头的扩散角，扩大探头的覆盖范围。与传统45°TOFD探头相比，曲面TOFD探头的下扩散角可由 40°减小到35°，上扩散角可由54°增加到80°，扩散范围变化由 14°增加到45°，探头的有效覆盖区域明显增大。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头的尺寸为 (10-20)mm×(10-20)mm。

增加晶片尺寸，探头的半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对检测有利。晶片的尺寸越大，辐射的超声波能量就越大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。

但是，晶片的尺寸也不是越大越好。波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大值极小值的区域，称为超声场的近场区。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度。近场区内的声压不稳定，不利于超声检测。晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对检测不利。

在进一步优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头的尺寸为15mm×15mm。

其中，发明人经过多次试验发现，曲面TOFD探头的尺寸为15mm×15mm时，探头的扩散角在30～85°之间，检测性能最好。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头的频率为 3-5MHz，优选为3MHz。

探头频率对检测结果有很大的影响，实际操作中，TOFD 探头的频率常常在在2-15MHz之间，本发明主要用以检测厚度在200mm以内的大厚度工件，如果采用高频率，由于衰减大，信噪比低，声束可能无法回到接收探头，或者回来的很弱，为了保证超声波的穿透力，本发明采用的频率为3-5MHz。

在一个优选的实施方式中，所述曲面晶片15安装在楔块8 上，如图2所示。

其中，所述楔块8可以选用现有技术中探头楔块的任一种形状，优选使用探头楔块中常用的类L型。所述楔块8选用有机玻璃制备，优选使用声能衰减小的聚苯乙烯制备。

在一个优选的实施方式中，在除楔块8底面的其他外壁周围均包裹有吸声块9，吸声块9用于对楔块中发射的超声波进行吸收，使超声波仅从楔块8的底面射出，减少向探头四周的发射。

在一个优选的实施方式中，在楔块8底面上设置有消音槽 10，所述消音槽10呈间隔均匀的折叠波状，如图2所示。

由于超声波在探头内部传播时会产生很多杂波，杂波通过所述消音槽10时会产生多次折射从而使能量消减，减小杂波带来的干扰。

在一个优选的实施方式中，在曲面晶片15上设置有阻尼块 11，所述阻尼块11用于消除超声波内部传播时产生的杂波。

在一个优选的实施方式中，所述曲面TOFD探头包括曲面晶片15，楔块8，吸声块9，消音槽10和阻尼块11，还包括探头接口12，匹配线圈13和探头外壳14。

在一个优选的实施方式中，所述爬波探头包括一个双晶爬波探头，例如TRCr2-Aust双晶爬波探头。

本发明中，优选采用发射强度大的单晶或双晶爬波探头，更优选为双晶爬波探头，例如TRCr2-Aust双晶爬波探头。 TRCr2-Aust双晶爬波探头的探头频率为2MHz，TRCr2-Aust双晶爬波探头中的两个晶片的尺寸相同,晶片尺寸为8mm×15mm，聚焦声程为10mm。在实际应用中，根据工件焊缝的具体情况，选择不同型号的双晶爬波探头即可。

实施例

实施例1

在校准试块M上验证本发明的检测方法，其中，校准试块 M为一个矩形，其厚度为200mm，长度为400mm，宽度为200mm。在校准试块M上表面的中心处，沿厚度方向，均匀分布有6个横孔，且6个横孔的中心位于同一直线上。所述横孔为圆柱体，直径2mm，长度60mm。横孔的轴线与校准试块M的宽度方向平行，距离校准试块M的上表面的距离依次为10、40、80、120、160 和190mm。在第六个横孔的正下方存在一个矩形切槽，其槽深为2mm，槽宽度为2mm，槽长度为60mm。

探头7为曲面TOFD探头，与另一侧探头7组成一对TOFD探头，其中，与探头6在焊缝同一侧的为发射探头，在焊缝另一侧的则为接收探头。探头7的曲面晶片角度基本为42°，上扩散角为35°，下扩散角为80°，扩散范围变化为45°，晶片尺寸为15 mm×15mm，频率为3MHz。探头6为TRCr2-Aust双晶爬波探头， TRCr2-Aust双晶爬波探头中的两个晶片的尺寸相同,晶片尺寸为8mm×15mm，频率为2MHz聚焦声程为10mm。

实施例1中爬波探头和发射探头设置在扫查架的同一侧，在与焊缝平行的方向上，爬波探头和发射探头之间的距离为 20mm，在与焊缝垂直的方向上，爬波探头距离待测焊缝坡口 15mm。探头7置于被检焊缝两侧，中心距离按照被检工件厚度 (T/2)×tanθ计算，为90mm。验证结果如图6a-6c所示：

其中，探头6为爬波探头，该探头能发现深度为10mm的横孔，如图6a所示；探头7为TOFD探头，该探头作为TOFD探头时能发现深度为40mm、80mm、120mm、180mm、190mm的横孔，但是190mm的横孔与底波之间相互干扰，几乎无法区分，底面矩形切槽的反射波完全淹没在底面反射回波中，如图6b所示。探头7作为脉冲反射回波探头时，能发现深度为40mm、80mm、120mm、180mm、190mm的横孔以及底面矩形切槽，如图6c所示。说明作为脉冲回波的探头7能充分覆盖TOFD探头的底面检测盲区。

由此可知，采用本发明所述的方法，只采用3个探头，就能够做到标准试块的100％覆盖，在简化联合检测操作的同时，有能够保证检测结果的精度。

实施例2

针对厚度为200mm对接焊缝采用本发明的方法进行检测，实施例2中采用的探头与校准试块与实施例1相同，具体操作如下：探头6置于实施例1所述校准试块M上，探头6距离横孔中心线15mm，获得深度为10mm的横孔的反射回波，将其波高调至满屏高度的80％，以该灵敏度为探头6基准灵敏度。在仪器上设置材料声速(5920m/s),利用深度为10mm的横孔校准探头延迟，探头6校准完成。之后将探头6置于被检焊缝的一侧，距离待测焊缝坡口15mm。

将探头7置于被检焊缝两侧，中心距离按照被检工件厚度 (T/2)×tanθ计算，为90mm；在与焊缝平行的方向上，爬波探头和发射探头之间的距离为20mm。在衍射时差模式下，调节探头增益，直到探头放置于工件表面的直通波和底面回波显示出来，并在屏幕上显示50％左右为探头7基准检测灵敏度。在仪器上设置材料声速(5920m/s),采用底波或直通波校准探头延迟，探头7校准完成。其中，实施例2中探头的分布如图4a所示，实施例2中探头的移动方向如图4b所示。

被检测焊缝试块材质为20#钢，规格为500×250×200mm(长度×宽度×厚度)，焊缝坡口为V型，采用手工电弧焊的对接焊缝检测完成后获得如下检测结果如表1所示，其中焊缝缺陷位置的参数示意图如图8所示：

表1实施例2检测结果

其中，图8中，L表示的是缺陷在水平方向上的长度，可通过X2和X1之间的差值进行计算。缺陷深度指的是超声波中最大波幅处的深度。

对比例

对比例1

针对厚度为200mm对接焊缝，按照NB/T47013.10-2015要求，采用常规的方法进行检测，对比例1中探头的分布如图5a 所示，对比例1中探头的移动方向如图5b所示。

其中，探头1为一对爬波探头，用于检测0～10mm焊缝深度；探头2为一对65°TOFD探头，用于检测0～40mm焊缝深度；探头3 为一对60°TOFD探头，用于检测40～120mm焊缝深度；探头4为一对45°TOFD探头，用于检测120～200mm焊缝深度；探头5为单晶横波探头，常规超声波检测用于解决底表面缺陷，检测完成后获得如下检测结果：

表2对比例1检测结果

其中，缺陷4为单晶横波探头发现，而非TOFD探头发现。如果仅仅采用TOFD探头，则缺陷4将无法发现。

通过实施例2和对比例1的对比可知，本发明提供的一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法，弥补了现行 TOFD检测方法存在的近表面、底表面附近缺陷漏检和厚焊缝要采用多对探头的弊端，使超声波自动和半自动检测更加完善。

实验例

实验例1探头扩散角测试

按照NB/T47013.10-2015的要求进行12dB声束扩散角测试，常规的TOFD探头与实施例1中的TOFD探头扩散角测试结果见表1。

表1探头扩散角测试结果

由测试结果可知，在相近的折射角、晶片尺寸和频率下，曲面晶片TOFD探头的扩散角远远大于传统的TOFD探头。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声波纵波反射法与衍射时差法联合检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将TOFD探头和爬波探头安装在扫查架上；

步骤2，设置TOFD探头参数和爬波探头参数；

步骤3，对工件进行扫查；

步骤4，扫查结束后对图像进行分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，所述TOFD探头为曲面TOFD探头，采用的是曲面晶片(15)，晶片角度为40-45°，优选基本为42°；

所述曲面TOFD探头的上扩散角在75～80°之间，优选为80°，下扩散角在35～40°之间，优选为35°；扩散范围变化为35-45°，优选为45°；

所述曲面TOFD探头的尺寸为(10-20)mm×(10-20)mm，优选为15mm×15mm；

所述曲面TOFD探头的频率为3-5MHz，优选为3MHz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，TOFD探头包括一个发射探头和一个接收探头，TOFD探头的发射探头和接收探头对称安装在扫查架的左右两侧，并且关于焊缝的中心对称；

爬波探头和发射探头设置在扫查架的同一侧，在与待测工件的待测焊缝平行的方向上，爬波探头和发射探头之间的距离为15-20mm，在与待测工件的待测焊缝相垂直的方向上，爬波探头到焊缝坡口的距离为10～15mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中，设置TOFD探头参数，将TOFD探头模式设置为衍射时差和脉冲回波；

在衍射时差模式下，TOFD探头中心距离按照被检工件厚度(T/2)×tanθ计算，其中，T为被检工件厚度，θ为曲面晶片角度；

探头频率设置为3_-5MHz，优选为3MHz；

声速设置为5900-5940m/s，优选5920m/s；

调节探头范围，使直通波位于设备频率左侧边缘；

调节探头增益，直到探头放置于工件表面的直通波、底面反射波显示出来。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在脉冲回波模式下，

探头频率设置为3_-5MHz，优选为3MHz；

声速设置为5900-5940m/s，优选5920m/s；

设置探头增益，使校准试块上横孔的最低反射回波提高至至少满屏高度的20％以上。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤3中，TOFD探头同时进行衍射时差模式和脉冲回波模式扫查；

在衍射时差模式下，发射探头和接收探头以一发一收模式工作，用以检测待检工件中除近表面和底表面外的缺陷；

在脉冲回波模式下，发射探头同时执行发射和接收功能，用以检测待检工件中除近表面外的缺陷。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4中，对超声波纵波反射法与衍射时差法同时对应缺陷显示进行比较，用以定位缺陷在焊缝中的水平位置。

8.一种TOFD探头，其特征在于：所述TOFD探头采用的是曲面晶片(15)，所述曲面晶片(15)为凸曲面晶片，晶片角度为40-45°，优选基本为42°。

9.根据权利要求8所述的探头，其特征在于：所述曲面TOFD探头的上扩散角在75～80°之间，优选为80°，下扩散角在35～40°之间，优选为35°；扩散范围变化为35-45°，优选为45°。

10.根据权利要求8所述的探头，其特征在于：所述曲面TOFD探头的尺寸为(10-20)mm×(10-20)mm，优选为15mm×15mm；

所述曲面TOFD探头的频率为3-5MHz，优选为3MHz。

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