厚壁焊缝超声TOFD法检测原理应用及发展现状.docx
- 文档编号:4296804
- 上传时间:2023-05-07
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:809.43KB
厚壁焊缝超声TOFD法检测原理应用及发展现状.docx
《厚壁焊缝超声TOFD法检测原理应用及发展现状.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《厚壁焊缝超声TOFD法检测原理应用及发展现状.docx(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
厚壁焊缝超声TOFD法检测原理应用及发展现状
厚壁焊缝超声TOFD法检测原理、应用及发展现状
焊接作为制造业的基础工艺与技术,在现代科学技术和生产中得到了广泛的应用。
虽然迅速发展的现代焊接技术已经能够在很大程度上保证其产品质量,但是由于焊接结构本身材质不完善,应力分布复杂,在焊接过程中产生缺陷与残余应力等的影响,在产品的设计寿命期限内或超期服役期间焊接结构可能出现裂纹,并有扩展的可能性。
因此,在设备服役期间,若能正确地应用无损检测与监控技术,就可以提前测量出设备材质是否恶化、有无裂纹出现,进而促进整个投产装置运行的安全。
常规的无损检测方法有射线、超声波、磁粉、涡流和渗透5种,其中射线和超声波检测应用最为广泛。
近年来随着传感器技术、电子技术以及计算机技术的发展和应用,超声无损检测领域又出现了许多热点新技术,其中之一就是超声TOFD法,开始在焊缝检测中逐渐应用,尤其在厚壁焊缝的无损检测中显示出很大的优势。
一、TOFD的原理
1.TOFD的定义
超声波衍射时差法(TimeOfFlightDiffraction,TOFD),依靠从待检试件内部结构(主要是指缺陷)的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷,是一种专为测量与检测面有较大倾角或垂直于检测面的缺陷的自身高度而发展的一项技术[1]。
2.超声波与缺陷的相互作用
TOFD归根结底是一项超声波探伤检测技术,因此和其他超声波探伤的方法一样,TOFD最基本的物理原理是超声波与缺陷相互作用的机理,如图1所示为超声体积波与裂纹类面状缺陷的相互作用[2]。
相互作用后,即使忽略波形变换效应,超声能量也可分成五个重要分量:
①不参与相互作用的入射波(前沿部分);②裂纹表面的镜面反射波;③由裂纹表面粗糙度和许多小裂面所引起的散射波;④裂纹端点产生的衍射纵波;⑤裂纹端点产生的衍射横波和衍射锥波。
无论从何处观察,均可见这些分量的不同组合。
这些分量是作为单独的脉冲显示,还是作为相互作用形成的复合脉冲显示,取决于脉冲长度和观察位置等因素。
显然,缺陷相对于波源和接收器(接收探头)的取向,会明显影响这些分量的贡献,而缺陷自身表面粗糙度的变化,又会改变镜面反射波和散射波的能量分布。
声透射率的变化则会影响所有分量的分布。
图1 平面压缩波与半面裂纹的相互作用
3.缺陷端部衍射
根据上述机理可知,当超声波在材料中传播,遇到平面状缺陷而与之相互作用时,除了产生正常的反射波外,还会在缺陷端部产生衍射波。
我们可以假设该衍射能量起源于缺陷尖端,且会在一个较大的角度范围内辐射。
因缺陷信号可用一对探头从一系列不同方向记录下来,故该衍射能量很适合于检测缺陷。
又因衍射波的空间(或时间)间隔直接正比于缺陷高度,故该衍射能量也可用于对缺陷进行定量。
4.超声TOFD检测
超声TOFD法的测量原理是以测出缺陷端头位置为基础的[3]。
如图2所示,在焊缝两侧将一对频率、尺寸和角度相同的纵波斜探头(发射探头和接收探头)相向对称放置。
大角度的发射探头发射一短的超声脉冲,从侧面射入被检焊缝断面。
在无缺陷部位,接收探头会接收到沿试件表面传播的直通波和底面反射波。
而有缺陷存在时,在上述两波之间,接收探头会接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信号。
如果裂纹有足够高的自身高度,从裂纹两末端来的超声信号在时间上是可分辨的,典型信号如图3所示。
缺陷上端和下端发出的信号可能是完全相似但相位相反的,比如假设直通波相位为正—负—正,那么底面反射波的相位则正好相反,为负—正—负,在缺陷上端点处形成的相位与直通波相位相反,为负—正—负,下端点处的相位与直通波相位相同,为正—负—正。
因此,可以通过单个信号的相位来判断信号是来自缺陷顶部还是底部。
除来自缺陷的信号外,接受波形中还可能有沿检测面直接到达接收探头的侧向波信息和来自试件底部的镜面反射信号。
如果试件是均质和各向同性的,则这两个信号起着固有参考信号的作用,可用来计算裂纹两端头的深度。
TOFD通常利用的斜射声束超声波是纵波,这样当声束入射到缺陷上时,无论发生怎样的波形转换,主要衍射波还是纵波,因为纵波的速度最快,可在所有其他信号之前到达,这就避免了其他信号的干扰。
图2TOFD平面检测示意图
图3TOFD检测典型信号
二、超声TOFD对厚壁焊缝典型缺陷的检测和分析
1.检测条件
TOFD法所用信号幅度较低,用来检测厚壁焊缝要求母材和焊缝对超声波衰减、散射较小的材料。
另外,表面状态不良也会引起信号质量(幅度和形状等)的下降,严重影响检测可靠性。
因此,材料表面越光滑平整,定量结果越精确。
2.缺陷分析
梁宏林、滕永平和吕香慧[4]等人进行了大量的现场超声TOFD检测厚壁焊缝,进行了部分缺陷的解剖试验,最终得到了四种主要自然缺陷的检测结果,图4分别为气孔、夹杂、裂纹和未焊透四种缺陷的典型TOFD示意图。
图4TOFD典型缺陷示意图(从左至右:
气孔、夹杂裂纹、未焊透)
1)气孔
超声TOFD法对气孔的定性检测非常准确。
一方面,缺陷显示图像非常直观,可以比较容易地判断缺陷性质,对操作者检测水平的依赖性大大下降;另一方面,还可用图像的特点来辅助完成缺陷的定性。
但如果是密集气孔,超声TOFD显示图上气孔边缘的清晰度下降,而且很难区分几个气孔之间的边界。
2)夹杂
同传统的超声波探伤方法相比,超声TOFD法对夹杂的定性检测要更好一些。
但如果操作不当,也存在着误判的可能。
对点状夹杂,如果单纯看超声TOFD显示图,在衍射信号不太强的情况下,很容易误判为点状气孔;对条状夹杂,则容易误判为其它危害类缺陷(如裂纹、未焊透等)。
检测过程中用鼠标点击TOFD显示图上缺陷的不同位置,同时观察相位图和底波的变化情况,可以大大降低误判的几率。
因此,必须将TOFD显示图和相位图结合起来,以实现对缺陷的准确定性。
3)裂纹
超声TOFD法对裂纹的定性检测非常准确,其直观的缺陷显示图和带有相位信息的波形图为缺陷定性提供了充分的依据。
但超声TOFD法检测裂纹也存在着一定的局限:
这种方法只能得到缺陷的二维显示;对面积型缺陷的倾斜角度类重要信息无法完全表达;对位于焊缝根部的小裂纹,无法看到明显的缺陷衍射波,只能根据底波的变化来判断。
4)未焊透
超声TOFD法对未焊透的定性检测具有较高的准确性,这是因为未焊透不仅反射波较强,且衍射波也较强,杂波较少。
3.检测特点分析
通过和传统超声波检测方法的对比,在检测厚壁焊缝时,超声TOFD法具有以下特点:
1)超声TOFD技术采用全波记录和图像显示,更加直观,且在对缺陷进行评价时可利用的信息量大,。
2)不同缺陷的TOFD检测图像在特点、相位和波形随位置变化情况方面各有差异,能更容易、更准确地定性表征缺陷的类型。
3)定性表征缺陷时,超声TOFD法对检测人员的经验依赖性较低,结果分析更科学,使得对厚壁焊缝的检测更容易实现半自动化、自动化。
三、超声TOFD检测厚壁焊缝的实际应用
1.紫铜厚壁焊缝的检测
1)紫铜厚壁焊缝的声学特性
实际得到的紫铜焊缝组织是非常不均匀的,常会出现母材等轴晶粒组织和焊缝区异常粗大的枝晶组织相交错的情况。
这种不均匀性就会使得整个焊缝区域及其影响区材料的声阻抗不均匀,从而导致检测所用的超声波能量的散射衰减。
并且,粗大晶粒的晶界本身对超声波能量就有很强的散射作用。
在加上厚壁焊缝宽度相对较大,声波在焊缝金属中的传播距离长,声能量衰减更为严重。
为了有效识别缺陷检测的弱衍射信号,同时降低材料噪声和系统噪声的干扰,在检测时须选用低频、大尺寸晶片的换能器,确保高能量的超声波束穿透被检测体。
2)检测工艺
迟大钊、刚铁、姚英学、袁媛[5]等人选用频率2.25MHz、晶片尺寸Φ13mm、斜楔角度30.5°的探头,对自制的紫铜厚壁焊缝缺陷试块进行超声TOFD检测,人工缺陷试块如图5所示。
图5紫铜焊缝人工缺陷试块示意图
通过采用不同的探头间距对试块中各个人工缺陷进行超声TOFD法的定位检测,发现能够明显识别位于中部的缺陷,而近表面的缺陷回波会与底波发生混叠而造成识别困难。
因此,在检测紫铜厚壁焊缝时,超声TOFD法对近表面缺陷不敏感,其近表面缺陷检测的精度相对低。
在实际应用中,为防止缺陷漏检,需要采用合适的探头间距,分别对焊缝上、下表面进行扫描,以获得焊缝中缺陷分布的更全面信息。
只要检测参数的设置合理,超声TOFD法仍然能够有效地识别紫铜焊缝中危险的裂纹类缺陷。
2.铝合金厚壁焊缝的检测
1)铝合金厚壁焊缝的声学特性
工业中常用的铝合金厚壁焊接工艺为MIG,热影响区和热变形均较小,因此焊缝组织晶粒很少异常长大,故晶界对超声波能量的散射较少。
但是,铝合金表面存在致密的氧化膜,超声波斜入射时会因界面反射和折射损失部分能量。
2)检测工艺
刚铁、徐艳、吕品[6]等人选用频率5MHz、晶片尺寸8mm×12mm、折射角为60°的探头对自制的铝合金厚壁焊缝进行超声TOFD检测,人工缺陷试块如图6所示。
图6铝合金焊缝人工缺陷试块示意图
通过多次实验,发现采用超声TOFD法对缺陷深度和高度的测量比较准确,测量误差基本在10%以内,且在不同的探头间距下测量结果变化不大,说明超声TOFD法测量缺陷尺寸的稳定性足够高。
另外,分析侧向波、缺陷上端衍射波和缺陷下端衍射波传播特性分性可以得到,超声TOFD法检测铝合金厚壁焊缝时,侧向波强度随两探头间距的增大而呈下降规律。
当探头的中夹角约为105°时,缺陷上端衍射波信号最强;当中夹角约为135°时,缺陷下端衍射波信号最强;从而确定了超声TOFD法检测铝合金厚壁焊缝两探头的最佳间距,即中夹角约为120°时对应的两探头间距,此时衍射效果最佳,最有利于缺陷的检出。
3.厚壁加氢反应器焊缝检测
1)厚壁加氢反应器焊缝的基本特性
加氢反应器是炼油厂的关键设备,其筒体采用Cr-Mo钢制造,由于长期工作在高温、高压和临氢的条件下,面临氢腐蚀、应力腐蚀、介质腐蚀、氢脆、回火脆化和蠕变脆化等一系列问题,因而加氢反应器的超声检测十分重要。
2)检测工艺
加氢反应器焊缝壁厚高达180-200mm,根据传统的检测工艺可知,单通道或双通道均不能够覆盖整个壁厚深度。
因此,应用超声TOFD法进行检测时应该将壁厚分成多个探测区,采用多通道(即多对探头)分别探测对应深度范围。
经过杨玉国[7]等人的研究,加氢反应器厚壁焊缝的超声TOFD检测可选用频率2-5MHz、晶片尺寸6mm×20mm、公称角45°-90°的探头。
通过和传统回波幅度法的检测结果进行对比,发现在厚壁加氢反应器焊缝上,超声TOFD法不仅可行性高,而且对缺陷的测深和定高比常规回波幅度法准确可靠。
四、超声TOFD法检测厚壁焊缝的发展前景
超声TOFD法虽然比传统的超声波检测方法晚诞生,但随着计算机技术和制造技术的飞速发展以及相关标准的颁布,已经在焊接结构领域得到了较好的应用,并且可以完成其他检测方法不能完成的检测,如在结构件焊接和在用的过程中进行实时检测,从而监测缺陷的生长情况。
因此,再经过未来若干年的发展,超声TOFD法有潜力成为生产实践最常用的厚壁焊缝检测技术,但是这一切仍需要在相关理论的不断深入研究以及检测仪器设备的研制和开发。
随着信号处理、电子、计算机和模式识别等技术的飞速发展,超声TOFD法必将朝着自动化、智能化的方向发展,在厚壁焊缝的无损检测领域获得更为广泛的应用。
1.自动化
发展高效快速的自动化超声检测技术一直是人们不断追求的目标,在焊接领域尤为重要。
自动超声检测技术在检测过程中能够排除人为因素的干扰,缩短检测时间,增加检测结果的重复性。
在自动化检测技术的发展中,关键是要开发高精度、易于操作的扫描检测装置及相关的控制与分析软件。
2.智能化
随着对焊接结构评价的提高,焊接结构在进行检测时的要求也越来越高,不但要求检测出缺陷,而且要求在缺陷定量方面对缺陷的尺寸和性质给出明确的数据,为进一步进行断裂力学计算评估提供依据。
近年来,电子产业的进步使各种现代数字信号处理方法和模式识别技术被大量引入到超声无损检测的研究中。
于是超声成像便被用作定量研究的一个重要工具,使得若干以往很难解决或只是理论上可以解决的问题可望得到切实解决。
通过超声TOFD法的定量化与断裂力学的结合还可望进一步对结构件的强度与剩余寿命进行评估,这将大大提高检测的效率。
五、参考文献
[1]赵熹华主编.焊接检验.机械工业出版社.北京.2006
[2]伊新.TOFD检测技术基本原理及其应用.中国设备工程.2008,12:
53-55
[3]梁玉梅,王琳,王彦启.超声TOFD检测原理探析.无损检测.2010,7:
533-538
[4]梁宏林,滕永平,吕香慧.用超声衍射时差法对焊缝缺陷定性表征.无损检测.2006,1:
14-16
[5]迟大钊,刚铁,姚英学,袁媛.基于超声波法的紫铜焊接结构缺陷检测.焊接学报.2010,5:
21-24
[6]刚铁,徐艳,吕品.厚板铝合金焊缝超声TOFD法检测.第十一次全国焊接会议论文集.2005,2:
20-23
[7]杨玉国.TOFD超声成像检测技术在厚壁加氢反应器检验中的应用.石油化工设备.2010,5:
82-85
1
4
5
6
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 焊缝 超声 TOFD 检测 原理 应用 发展 现状