【正文】 40 (a) (b) 圖 對(duì)厚度為 19mm的試板做的 TOFD掃描圖像 圖 ， (a)中缺陷表現(xiàn)為直。一般，表面及近表面裂紋上端點(diǎn)衍射波不清晰，側(cè)向波有變形；根部裂紋下端點(diǎn)衍射波不清晰，且使底面衍射波延遲。 A掃波形中缺陷自身衍射波相位和波幅變化明顯，相應(yīng)位置的底波變化也明顯。一般的，如果單純看 TOFD顯示圖 ,點(diǎn)狀?yuàn)A渣在衍射信號(hào)不太強(qiáng)的情況下 ,很容易誤判為單個(gè)氣孔。將 TOFD顯示圖和 A掃波形中結(jié)合起來(lái)很容易將其定性。與底色反差不大 ,但局部會(huì)出現(xiàn)亮度反差較明顯的點(diǎn)。 (b)中 TOFD顯示圖呈現(xiàn)一系列幅度各異的弧線 ,如果缺陷靠得很近時(shí) ,TOFD 信號(hào)圖像會(huì)出現(xiàn)層疊現(xiàn)象 ,很難區(qū)分幾個(gè)缺陷之間的邊界 ,A掃波形中雜亂無(wú)章，可以明顯看出缺陷為密集性氣孔。 (a)中在 TOFD顯示圖上 ,缺陷信號(hào)圖像的尾部各自向兩 側(cè) 下墜呈弧線型 ,缺陷信號(hào)圖邊緣的清晰度向兩側(cè)逐 漸下降 ,A 掃波形中相位變化不明顯 ,底波側(cè)向波沒(méi)有明顯變化，缺陷自身衍射波相位反轉(zhuǎn)不明顯 ,且下端衍射波波幅比上端衍射波波幅小。 通過(guò)對(duì)不同厚度的試板做 TOFD探傷檢測(cè)，得到以下 D掃描圖像。然后，對(duì)缺陷作定量分析，確 定缺陷的位置、自身高度等信息。 38 試驗(yàn)圖片對(duì)比分析 對(duì) TOFD缺陷成像的圖形進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)缺陷定性、定量。 (3－ 2) 通常，以直通波信號(hào)為基準(zhǔn) ，缺陷埋藏深度 d可由直通波與衍射脈沖的傳播時(shí)差 tD算出，即 d = 1/2 [ tD2C2＋ 4tD CS ] 189。此時(shí)式 (3－ 1) 可簡(jiǎn)化為 C ＋ [ d2＋﹙ S－ X﹚ 2 ] 189。 C 因此，通常可獲得有關(guān)缺陷埋藏深度位置和缺陷自身高度的準(zhǔn)確信息。該時(shí)間延遲量即為缺陷高度的量值。若缺陷位于試件上表面，則側(cè)面波會(huì)被截?cái)唷Ｒ虼?，通?？色@得有關(guān)缺陷埋藏深度位置和缺陷自身高度的準(zhǔn)確信息。該時(shí)間延遲量即為缺陷高度的量值。 可見(jiàn)，表觀相位與表面波一樣的信號(hào)，應(yīng)視為由缺陷下端產(chǎn)生；表觀相位與底面反射波一樣的信號(hào)，應(yīng)視為由缺陷上端產(chǎn)生，或由無(wú)高可測(cè)的缺陷產(chǎn)生。 (4)底面開(kāi)口裂紋：可觀察到上端衍射波，也可觀察到底面反射波的衰減及延遲。 (2)氣孔、夾渣等全體積狀缺陷：其衍射波觀察不到相位的反轉(zhuǎn)，且下端衍射波波幅比上端衍射波波幅小得多。反轉(zhuǎn)。 36 圖 焊縫缺陷 TOFD法探傷記錄圖例（ A型顯示和 D型顯示） 一般超聲波探傷要識(shí)別缺陷性質(zhì)較困難。 35 PCS—— 探頭入射點(diǎn)間距 t—— 兩探頭間通過(guò)測(cè)量點(diǎn)總聲程時(shí)間 T—— 工件厚度 S—— 入射點(diǎn)距測(cè)量點(diǎn)水平距離 t0—— 探頭延遲時(shí)間 d—— 測(cè)量點(diǎn)深度 注：這里不考慮 X測(cè)量點(diǎn)與兩個(gè)探頭中間面的偏移值 (實(shí)際中 X值對(duì)缺陷深度的影響是很小的 )。 在數(shù)字化技術(shù)的幫助下，可以快速地計(jì)算評(píng)估檢測(cè)到 的信號(hào)。因此，可精確的測(cè)量出缺陷的位置、缺陷的長(zhǎng)度和缺陷的高度。這是對(duì)缺陷真實(shí)情況的簡(jiǎn)化，但是，對(duì)實(shí)際情況下的缺陷計(jì)算，卻有非常重大的意義，如圖 所示。對(duì)典型缺陷的定量精度可達(dá)到 90﹪以內(nèi)。 掃查距離 /m B 掃描成像（縱剖面） 34 B 掃描成像（橫剖面） 圖 B掃描成像 這種現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了應(yīng)用衍射波時(shí)差法的無(wú)損檢測(cè)方法，主要原因是來(lái)自于缺陷范圍的信號(hào)可記錄，而且缺陷的高度尺寸與衍射波分離的空間 (或時(shí)間 )直接相關(guān)。 33 圖 超聲波 TOFD檢測(cè)原理示意圖 例如，當(dāng)超聲波在存在缺陷的線性不連續(xù) (如遇到諸如裂紋、未熔合等缺陷 )處出現(xiàn)傳播障礙時(shí)，將在缺陷尖端發(fā)生疊加到正常 反射波上的衍射波，衍射能量在很大的角度范圍內(nèi)放射出，并且假定此能量起源于裂紋末端。)，一個(gè)作為發(fā)射探頭，另一個(gè)作為接收探頭。 32 表 TOFD技術(shù)與其他焊縫檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比 性能 方法 TOFD成像檢測(cè)方法 射線探傷 (RT) 脈沖反射探傷 方法 (UT) 檢測(cè)效率 很高，線性掃查平均 1m/min 一般，需要暴光 和洗片時(shí)間 較高，但需要對(duì)工件進(jìn)行鋸齒形掃查 靈敏度 很高，但對(duì)缺陷端 點(diǎn)信號(hào)很敏感 一般，對(duì)平行表面缺陷不敏感 較高，但需要表面耦合要求的保證 定量精度 很高，時(shí)差法對(duì)缺陷 定量較準(zhǔn) 水平定量準(zhǔn)，但 無(wú)法定深度 較高，對(duì)深度方向定量會(huì)有人為誤差 安全性 環(huán)保，無(wú)危害 有放射性危害 環(huán)保，無(wú)危害 適用性 滿足厚度 6mm以上對(duì)接焊縫 對(duì)較大厚度工件 無(wú)法穿透 基本能滿足各種焊 接件的檢測(cè) 檢測(cè)成本 數(shù)據(jù)硬盤存儲(chǔ)，無(wú)需其 他耗材 需要底片以及洗 片等耗材 除對(duì)探頭有一定磨損外無(wú)其他耗材 超聲波 TOFD 焊縫檢測(cè)技術(shù) 的應(yīng)用 在焊縫兩側(cè)，將一對(duì)頻率相同的縱波斜探頭相向?qū)ΨQ放置 (入 射角的范圍通常是 45176。 表 缺陷的檢出率及檢驗(yàn)方法 方法 X射線 γ射線 TOFD PE脈沖回波 檢出率 (％ ) 70 60 80 50~60 不同方法對(duì)于缺 陷大小與檢出率的線性關(guān)系見(jiàn)圖 。表 比較了普通單斜探頭法與 TOFD 法的各項(xiàng)技術(shù)特性。焊縫缺陷定深測(cè)高是根據(jù)接收到的衍射波的傳播時(shí)間差來(lái)進(jìn)行的，實(shí)踐證明可達(dá)到有效的精度。以利于分辨缺陷回波和假信號(hào)，缺陷定量、定性都離不開(kāi)回波幅度的大小和變化。 (5)表面缺陷與近表面缺陷容易混淆。在 TOFD 缺陷圖中，容易將橫向缺陷誤認(rèn)為點(diǎn)狀缺陷，需要輔助其他檢測(cè)方法。需要檢 測(cè)人員不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高檢測(cè)能力，強(qiáng)化 TOFD 圖像的分析能力。在 TOFD 圖像中直通波或底面回波與缺陷尖端衍射波重疊在一起時(shí)，可用變通的信號(hào)處理法 —— 隱藏信號(hào)識(shí)別法 (Embedded Signal Identification Technique， ESIT)測(cè)量重疊信號(hào)的傳播時(shí)間。 TOFD 檢測(cè)中，針對(duì)近表面缺陷或薄板試件，可適當(dāng)采用短脈沖探頭、提高頻率 (≥5MHz)、減小探頭中心距 PCS(s=24~27mm)，必要時(shí)可輔助脈沖回波法和爬波法進(jìn)行檢測(cè)。 局限性： (1)由于存在直通波和底面回波，當(dāng)缺陷距離上下表面較近時(shí)，缺陷衍射波會(huì)淹沒(méi)于直通波或底面回波中，形成盲區(qū)。自動(dòng)掃查得到 D掃描、 B掃描圖像容易分辨出。 (2)對(duì)于常規(guī)超聲檢測(cè)效果欠佳的垂直缺陷，能夠有效地檢出，同時(shí)能夠有效地監(jiān)控裂紋的增長(zhǎng)。 優(yōu)點(diǎn)： (1)TOFD 檢測(cè)方法通過(guò)測(cè)量來(lái)自含有缺陷的被測(cè)試件的 LW， UTW，LTW 和 BW4種波，采用超聲衍射的原理對(duì)缺陷量深定高。 1．入射波 圖 超聲波波衍射原理 由此可見(jiàn)，超聲 TOFD 方法是一種基于超聲衍射原理的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，不同于常規(guī)的脈沖回波法，能夠提供更為先進(jìn)的缺陷檢測(cè)和定量能力。 29 超聲波從探頭發(fā)射入被測(cè)工件，當(dāng)超聲波遇到諸如裂紋等線性缺陷時(shí)，會(huì)在缺陷的尖端產(chǎn)生衍射，根據(jù)惠更斯原理，每個(gè)缺陷的邊緣都可看成為超聲波的信號(hào)源，向外發(fā)射超聲衍射波，如圖 ，入射波 1 進(jìn)入被測(cè)工件遇到缺陷除了產(chǎn)生反射波 2 和透射波 3 外，還在缺陷的上下尖端產(chǎn)生衍射波，即上尖端衍射波 4 和下尖端衍射波 5。惠更斯原理由荷蘭物理學(xué)家惠更斯于 1690年提出。當(dāng)需要得到這類缺陷在厚度方向的取向長(zhǎng)度定量信息時(shí)，常規(guī)超聲檢測(cè)方法往往無(wú)能為力。 5 超聲波 TOFD新技術(shù)在焊管檢測(cè)中的應(yīng)用 在 焊管 的制造和使用過(guò)程中，與表面垂直的裂紋類缺陷的危害性往往很大。本系統(tǒng)的樣機(jī)已在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足螺旋焊接鋼管焊縫檢測(cè)的基本要求，說(shuō)明其設(shè)計(jì)思想是正確的。 在鋼管的自動(dòng)探傷過(guò)程中，可隨時(shí)將系焊縫的自動(dòng)無(wú)損檢 測(cè)是保證鋼管質(zhì)量的一種重要手段，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有一定的困難。 (4)檢測(cè)到鋼管末端后，抬起探頭系統(tǒng)，探傷儀和跟蹤機(jī)構(gòu)復(fù)位 。 (2)軌道上的光電傳感器檢測(cè)到鋼管前端后，給出“鋼管準(zhǔn)備好”信號(hào)，停止小車的進(jìn)給，探頭系統(tǒng)和焊縫位置傳感器落到鋼管表面，焊縫位置傳感器開(kāi)始掃描，旋轉(zhuǎn)鋼管尋找焊縫 。系統(tǒng)采用了多級(jí)保護(hù)措施，可在緊急情況下采取相應(yīng)的操作，以防止對(duì)系統(tǒng)造成損害。其中計(jì)數(shù)器用于測(cè)量系統(tǒng)的當(dāng)前位置，提供給工控機(jī)以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)，定時(shí)器用于向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)位置控制。焊縫位置檢測(cè)單元獲取的是焊縫的水平和垂直方向的偏差量，所以伺服電機(jī)都采用位置 控制方式，電機(jī)采用光電編碼器作為反饋元件，位置伺服精度最高可達(dá)到 5個(gè)脈沖當(dāng)量，小于機(jī)械結(jié)構(gòu)的間隙值，完全能夠滿足系統(tǒng)的跟蹤精度要求。 (5)交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。使系統(tǒng)以一定的時(shí)序獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的控制、焊縫位置信號(hào)的采集以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理和傳輸。焊縫位置傳感器本身也是一個(gè)伺服系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)地對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)行進(jìn)行控制，同時(shí)還要采集掃描的位置和焊縫的高度信息，以便 于工控機(jī)提取焊縫的特征。這種傳感器具有精度高、抗干擾、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。采用攝像頭作為檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤需要進(jìn)行圖象處理，其運(yùn)算代價(jià)較高， 對(duì)控制器的運(yùn)算速度具有很高的要求，在焊縫的高速檢測(cè)中應(yīng)用還有一段距離，目前主要用于人工操作的跟蹤系統(tǒng)。目前的探傷跟蹤系統(tǒng)中多采用電磁式差動(dòng)傳感器和攝像頭作為焊縫位置檢測(cè)單元。數(shù)字量輸出卡用于控制伺服系統(tǒng)的上電、操作模式以及指示燈的狀態(tài)。這里采用一臺(tái) Pentirun586 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)主機(jī)，編制了基于Windows95 的圖形模式操作軟件，可在顯示器上實(shí)時(shí)顯示焊縫外觀的三維信息，并且具有設(shè)備的各種狀態(tài)顯示和報(bào)警提示，易于掌握和使用。 (1)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。上式 Wo 為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩， WM 為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩。電機(jī)軸到絲杠軸的減速比為9，絲杠的螺距為 6mm,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為 300 r/min，由上述參數(shù)得到水平垂直機(jī)構(gòu)的最大跟蹤線速度為 2m/min，根據(jù)實(shí)際條件下測(cè)得的焊縫偏移統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)能夠滿足跟蹤速度的要求。探頭架安裝在垂直螺母上。另一個(gè)為水平方向，帶動(dòng)探頭架在水平面內(nèi)沿鋼管母線方向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管焊縫偏移的跟蹤。 4)水平跟蹤范圍 :士 300 mm。焊縫寬度 830mm. 2)焊縫切線運(yùn)動(dòng)速度 :≤ 8m/min。 。焊縫螺旋角 10176。 焊縫跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu) 自動(dòng)化超聲波探傷對(duì)焊縫跟蹤系統(tǒng)的要求很高，通常焊縫跟蹤系統(tǒng)滿足下述指標(biāo)要求 : 1)適用鋼管范圍 :螺旋埋弧焊 管外徑 Ф 337Ф 1200 ㎜ 。 (3)由于運(yùn)輸小車的運(yùn)動(dòng)不精確，難以保證進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)格同 步，從而導(dǎo)致焊縫相對(duì)探頭系統(tǒng)發(fā)生偏移，因此，要求檢測(cè)設(shè)備必須能跟蹤焊縫的偏移。 (2)焊縫條件限制。其原因是 :(1)探傷儀的探頭系統(tǒng)對(duì)位置精度要求較高。焊縫跟蹤系統(tǒng)是超聲探傷儀的載體，用于跟蹤鋼管焊縫的中心。超聲波探傷儀用于焊縫探傷，這里采用沿圓周對(duì)稱分布的 6 個(gè)斜探頭以檢測(cè)焊縫中存在的氣孔、裂紋、夾渣、未焊透和未熔合等缺陷 。圖中 ， T 為工件表面反射波， F為缺陷波， B為底面反射波。由于主要是判斷是否存在缺陷，這里我們采用 A 型顯示 (A 掃描 )的超聲波探傷儀。實(shí)際探傷時(shí) , 可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況設(shè)置缺陷波閘門寬度。程序設(shè)計(jì)中 , 保證缺陷波出現(xiàn)在始波到 6. 5△ t 之間有效。圖中 L 為焊縫寬度 , 一般約 16mm。整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、不怕水、無(wú)漂移、信號(hào)拾取可靠、跟蹤平穩(wěn)。 23 圖 電磁檢測(cè)信號(hào)采集精度高 , 可鑒別△ 1mm 的偏差 , 跟蹤范圍達(dá) 177。 探頭的電磁機(jī)械跟蹤 探頭跟蹤是在電磁傳感器的監(jiān)控下完成 [ 1] , 其工作原理是當(dāng)鋼管一端焊縫旋轉(zhuǎn)到正上方位置時(shí) ,系統(tǒng)啟動(dòng) , 探頭落下 , 鋼管螺旋運(yùn)動(dòng) , 機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)和電磁傳感器也同時(shí)工作 , 并不斷將偏差數(shù)據(jù)送回控制部分 , 經(jīng)比較將執(zhí)行信號(hào)傳回跟蹤伺服機(jī)構(gòu)。 鋼管焊縫的無(wú)損檢測(cè)一直是各企業(yè)難以解決而又巫待解決的重要問(wèn)題，迫切需要開(kāi)發(fā)一種適合于我國(guó)生產(chǎn)條件的自動(dòng)化焊縫檢測(cè)設(shè)備。板邊 B B2 探頭報(bào)警閘門位置設(shè)置 ( 帶鋼兩側(cè) ) : 將板邊 B B2 探頭置 21 于試板上 , 探頭聲束對(duì)準(zhǔn) 6mm 人工分層 , 施加磁化電流 , 移動(dòng)探頭找到 6mm人工分層反射波的最高波 , 調(diào)節(jié)發(fā)射頻率和磁化電流 , 使 6mm 人工分層反射波形最佳 , 調(diào)節(jié)報(bào)警閘門的前沿緊靠始波后沿 , 將報(bào)警閘門的后沿套住 6mm人工分層反射波形 , 調(diào)整增益調(diào)節(jié)器使 6mm 人工分層反射波高為滿幅度的 100% 作為合格極限。 （ 3）閘門設(shè)置 板面 A A 2 探頭報(bào)警閘門位置設(shè)置 ( 帶鋼體中 ) : 將板面 A A2 探頭落到鋼板表面 , 施加磁化電流 , 顯示屏幕上出現(xiàn)始波和板邊反射波