TOFD探头性能测试及其衍射特性的研究

　　衍射时差法(TOFD)是一种新型超声无损检测方法。TOFD主要根据缺陷端部产生的衍射信号之间的时间差对缺陷进行定位和定量。由于其具有检测速度快、定量精度高、定位准确和可确定缺陷尺寸等优点[1~3],广泛应用于焊缝检测。超声波探头作为检测系统中重要组成部分,其性能好坏直接影响检测的精度和准确性,所以有必要对TOFD探头的性能进行研究。笔者设计加工了几组探头和试块[4~7],通过大量试验,对探头的折射角、前沿距离和延迟时间等性能及其衍射特性进行了分析研究。

　　1　TOFD探头的设计制作

　　探头作为检测中发射超声波的器件,直接对检测结果产生影响,所以应该根据检测对象选择合适的探头。考虑到工业常见焊缝厚度在20 mm左右,应选择标称入射角为50°~70°的探头。而且TOFD检测所用探头为宽声束探头,所以选择小晶片。探头采用常用PZT压电晶片,延迟块分别采用两种声速不同的有机玻璃来制作。共加工三组探头,每组两个,标为1号和2号。具体参数见表1。

　　2　试块的设计制作

　　试验所用试块共两组,采用厚度为20 mm的20钢制作,具体尺寸见图1和图2。每组试块加工一种人工缺陷,分别为不同深度的平底孔和横通孔,模拟点状和条状缺陷,分别用来研究探头入射点随探头间距的变化规律和超声波在缺陷端部产生最大衍射效率时探头折射角的变化规律。平底孔深度为18.5,18和10 mm,s分别为10,40和80 mm。2组试块说明见表2。

　　试验所用仪器为基于PC机的插卡式超声波设备。采用的板卡为SUSC880超声波成像界面卡[8]。该界面卡具有发射强度强、接收带宽宽、脉宽和阻抗可调等特点,完全能够满足TOFD检测的要求。

　　3　TOFD探头性能测试

　　由于TOFD采用的是一对宽声束斜探头,所以在检测过程中的任意时刻,作用在不同深度缺陷上的是超声波束的不同部分,从而可以同时检出同一个缺陷的上端和下端。同理,对同一个缺陷,若探头间距不同,也会是超声波束的不同部分传播到其端部并产生衍射,因此可以想象,产生衍射的超声波在工件界面的入射点是变化的。也就是说,探头的实际折射角、前沿距离和超声波在斜楔内的延迟时间会随着探头间距的变化而变化。

　　为了精确地确定探头的入射点,从而提高检测精度,笔者编写了一个程序,可以根据缺陷和探头的相关尺寸求出探头的入射点,算法原理见图3。

　　图3左侧为发射探头,右侧为接收探头,超声波沿ABCDE方向传播。设超声波在斜楔内的速度为v1,在工件内的速度为v2,则从图3可知,入射点B处必须满足折射定律,即