基于超声衍射时差法的缺陷检测技术仿真分析*

宋小春，王亚午，涂 君

(湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉430068)

0 引 言

超声衍射时差(TOFD)检测技术是当前无损检测技术研究与应用的前沿，国内外专家学者对超声TOFD 检测技术进行了大量的研究，并取得了显著的研究成果。其中，代真等人［1］使用超声TOFD 检测技术对核电厚壁承压容器实施在线检测，并通过设计低声束探头和探究最佳检测频率，优化超声TOFD 检测效果。迟大钊等人［2］提出一种灰度极值检测与SAFT 相结合的B 扫描图像处理方法，提高了超声TOFD 的检测效率。Nath S K 等人［3］使用超声TOFD 技术对蒸汽机涡轮转轴进行无损检测，并绘制TOFD 检测定位概率曲线，对检测结果的可靠性进行评价。Carvalho A A等人［4］研究了超声TOFD 技术对输油管道环焊缝中未焊透、未融合和咬边等缺陷的识别能力。上述研究多局限于使用物理实验的方法对超声TOFD 检测技术进行分析，而对于该技术原理性的数值分析相对较少。

综上，本文使用多物理场耦合有限元分析软件COMSOL，通过数值仿真，从多角度分析超声TOFD 技术的检测原理，为该技术的工业实用，提供理论依据。

1 超声TOFD 检测有限元仿真原理与模型

典型的TOFD 检测原理如图1 所示，由发射探头形成超声波呈一定角度在待检测工件中传播，遇到材料中的缺陷时，将会在缺陷端部形成衍射现象，而后该衍射波传播至接收探头处，分析接收探头所接收到超声信号的特征，即可对工件中的缺陷进行定量分析［5］。

1.1 时间延迟法则

在TOFD 检测的过程中，通过楔块与斜探头的配套使用，控制超声波声束角度，使超声波按照特定的入射角斜进入试件内。鉴于楔块与超声探头并非信号分析的重点区域，因此，在仿真建模时，可忽略楔块与超声探头模型，而结合惠更斯时间延迟法则［6］

图1 TOFD 检测原理Fig 1 TOFD detecting principle

式中 α 为声束角度，v 为声束速度，Δt 为相邻晶片间的时间延迟，d 为相邻晶片的间距。采用逐点延迟加载的方法，直接在待检测工件模型表面区域进行超声信号的加载，即可在工件模型区域中形成特定入射角度的超声波。

1.2 有限元建模

根据实际检测对象的结构特征，建立图2 所示有限元仿真模型。为了减小计算量，只选取探头覆盖区域进行建模。其中，待检测工件长度为90 mm，厚度为40 mm;椭圆形缺陷位于工件正中心处，其高度为8 mm，宽度为0.2 mm;晶片阵列距离缺陷中轴线垂直距离15 mm，接收探头位置与晶片关于缺陷中轴线对称，相邻晶片间距离为0.7 mm。为了增加信号的分辨率，选取声束角为45°。设置网格最大单元网格尺寸为0.1 mm，求解步长为激励脉冲周期的1/20。同时考虑到便于观察信号相位的变化情况，使用非上下对称函数(式(2))作为瞬态激励声源

式中 f 为声源频率，N 为声源波形中波的数量。当前模型中，f=3 MHz，N=3。

图2 TOFD 检测有限元模型Fig 2 Finite element model of TOFD detection

使用COMSOL 软件对超声TOFD 检测进行有限元分析时，可以采用的建模物理场有固体力学和声学二种(图3)。由超声探头产生的振动到达工件表面后，会在工件内形成压力波(纵波)与剪切波(横波)两种模态的波形，如果采用固体力学场进行仿真分析，就可以更好地模拟超声波在工件中的实际传播过程。但在实际应用中，为了提高检测结果的可靠性，超声TOFD 技术通常按照纵波测量结果对缺陷进行量化分析，而不考虑横波信号［7］。因此，下文主要基于声学场进行有限元仿真，其中，待检测材料密度为7 850 kg/m3，纵波在材料中的声速为6 200 m/s。

图3 基于不同物理场的仿真结果Fig 3 Simulation results based on different physical fields

2 仿真结果与分析

2.1 超声TOFD 检测信号

纵波激励信号在含有缺陷的待检测工件中传播，会产生工件表面直通波(图3(b))、缺陷上端衍射波、缺陷下端衍射波及工件底面反射波(如图4(a～c))四种基本超声信号。

通过加载求解，得到的TOFD 检测波形如图5 所示。不难看出:1)超声信号到达时间的顺序依次为直通波、上端衍射波、下端衍射波和底面反射波。这是由超声波传播路径的长短所决定的，通过记录各超声波的到达时间，结合工件尺寸及探头位置，即可对缺陷进行定量计算;2)波峰幅值从大到小的顺序依次为底面反射波、直通波、上端衍射波和下端衍射波。其中，由于下端衍射波的传播距离大于上端衍射波的传播距离，衰减更大，故信号强度比上端衍射波更小;3)直通波、上端衍射波、下端衍射波和底面反射波信号的相位依次变化180?。这种信号特征对检测结果的分析与识别是非常重要的。

2.2 特殊缺陷位置的超声TOFD 检测信号

在实际检测过程中，当缺陷位于工件的特殊部位时，由于部分声波的传播路径受到阻断，使得其无法被探头所接收，因此直通波、上端衍射波、下端衍射波和底面反射波四种波形，有时也可能会出现部分缺失。

当缺陷位于工件上表面时，由于直通波与缺陷上端衍射波被阻断(图6(a))，因此，探头只能接收到缺陷下端衍射波与底面反射波信号(图6(b))。同样，当缺陷位于工件下表面时，由于底面反射波与缺陷下端衍射波被阻断，探头只能接收到直通波和缺陷上端衍射波信号(图6(c))。

图4 超声TOFD 检测波Fig 4 Ultrasonic TOFD testing wave

图5 超声TOFD 检测结果Fig 5 Ultrasonic TOFD testing result

2.3 超声TOFD 检测的轴偏离底面盲区

上文所述计算均以缺陷位于探头对称中心处为模板，以便能够直观的展示超声TOFD 检测原理。需要说明的是，在实际检测过程中，缺陷并不一定都位于探头对称中心位置，当缺陷偏离模型对称中心并靠近图7 所示的椭圆轨迹时，缺陷信号同样会出现缺失，而这种缺失与上述的信号缺失不同。这是因为当缺陷处于如上所述椭圆轨迹时，缺陷衍射信号与底面反射回波信号的传播时间基本相等，虽然缺陷衍射信号仍然存在，但该椭圆曲线以下区域(即轴偏离底面盲区)中的缺陷衍射信号会被底面反射信号所覆盖，不能有效显示。修改有限元几何模型，使缺陷位于盲区处，仿真结果如图8 所示。可见，缺陷下端衍射信号与底面反射信号相重叠，以至于难以区分，也就是在使用超声TOFD检测法进行实际检测时，需要多次调整探头位置进行扫查，以便得出清晰准确的检测信号。

图6 特殊位置缺陷的超声TOFD 检测结果Fig 6 Ultrasonic TOFD detecting results of defects in special locations

图7 轴偏离底面盲区示意图Fig 7 Schematic diagram of axis deviated from blind area of bottom surface

图8 缺陷位于底面盲区的超声TOFD 检测结果Fig 8 Ultrasonic TOFD detecting result of defect located within blind area of bottom surface

3 缺陷几何尺寸对超声TOFD 检测信号的影响

3.1 不同缺陷高度下的超声TOFD 检测信号

运用1.2 节所建立的有限元模型，在不改变其它任何参数的情况下，仿真计算不同缺陷高度下的超声TOFD 检测结果。设置高度为8，10，12 mm 的三组缺陷，仿真计算结果如图9 所示。可以发现:1)随缺陷高度的增加，直通波幅值与到达时间均未发生改变，这是由于直通波沿工件表面传播，其波形仅与超声探头阵列位置与待检测工件材料有关，与工件内部缺陷无关;2)随缺陷高度的增加，缺陷上端衍射波幅值增大，到达时间提前，而缺陷下端衍射波幅值减小，到达时间推后，这是由声波传播距离和传播过程中的衰减特性决定的;3)底面反射波的幅值发生变化，这是由于随缺陷尺寸的改变，缺陷衍射波发生变化，而底面发射波在传播过程中与缺陷衍射波发生叠加，会对最终波形产生一定的影响。

图9 不同缺陷高度下的TOFD 检测结果Fig 9 TOFD detecting results of defects at different heights

3.2 不同缺陷宽度下的超声TOFD 检测信号

在不改变其它任何参数的情况下，仿真计算不同缺陷宽度下的超声TOFD 检测结果。设置宽度为0.4，0.8，1.2 mm的三组缺陷，图10 为截取的缺陷衍射信号。分析结果表明:随缺陷宽度的增加，缺陷上端衍射波和下端衍射波的到达时间均未发生变化，但是衍射波幅值减小。这是由于随缺陷宽度的增加，椭圆形缺陷尖端趋于平滑，此时衍射现象减弱。

图10 不同缺陷宽度下的TOFD 检测结果Fig 10 TOFD detecting results of defects with different widths

4 结 论

1)超声TOFD 检测中，底面反射波、直通波、上端衍射波、下端衍射波信号幅值依次减小，且相位依次变化180°。

2)当缺陷位于工件上表面或下表面时，部分超声波的传播路径受到阻断，探头只能接收到四种超声基本信号中的一部分。当缺陷位于轴偏离底面盲区时，缺陷衍射信号会被底面反射信号所覆盖。

3)随缺陷高度的增加，缺陷上端衍射波幅值增大，到达时间前移，而缺陷下端衍射波幅值减小，到达时间延迟。随缺陷宽度的增加，缺陷上端衍射波和下端衍射波的到达时间均未发生变化，但衍射波幅值减小。

［1］ 代 真，王 昕，敬尚前，等.核电厚壁承压容器内壁缺陷TOFD 检测优化研究［J］.核动力工程，2014，35(2):79－82.

［2］ 迟大钊，刚 铁，盛朝阳.超声渡越时差法检测图像中裂纹端部信号的识别［J］.机械工程学报，2007，43(10):103－107.

［3］ Nath S K，Balasubramaniam K，Krishnamurthy C V，et al.Reliability assessment of manual ultrasonic time of flight diffraction(TOFD)inspection for complex geometry components［J］.NDT＆E International，2010，43(2):152－162.

［4］ Carvalho A A，Rebello J M A，Souza M P V，et al.Reliability of non－destructive test techniques in the inspection of pipelines used in the oil industry［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2008，85(11):745－751.

［5］ 何 莎，袁宗明，喻建胜，等.超声衍射时差法检测技术研究［J］.中国测试，2009，35(3):104－106.

［6］ Chen Hanxin，Sun Kui，Ke Chanli，et al.Simulation of ultrasonictesting technique by finite element method［C］∥2012 Prognostics＆System Health Management Conference，2012:1－5，10.

［7］ 丁守宝，刘富君.无损检测新技术及应用［M］.北京:高等教育出版社，2012.