王海登， 倪伸伸， 劉希林， 袁偉強
（中國船舶重工集團公司第七二五研究所， 河南 洛陽 471000）
缺陷的準確定量始終是各無損檢測技術的永恒目標， 對產品的質量控制、 結構健康評價有重要的意義。
準確定量可理解為準確的給出缺陷的幾何尺寸， 但目前除計算機斷層掃描 （CT） 外，其他檢測方法都很難準確的給出缺陷的幾何尺寸。
例如， 射線檢測反映的只是缺陷在某一方向的投影長度， 并不完全等于真實長度， 常規超聲檢測則是以指示長度或波幅高低的形式間接的表征缺陷尺寸， 更加難以準確定量。
相控陣超聲實現了檢測結果的可視化， 多視圖成像使缺陷的顯示更加直觀， 但缺陷的定量大多要通過分析A 掃描信號獲得[1]。
因此在相控陣超聲檢測中， 缺陷的定量方法應用最多的仍然是常規超聲檢測方法中的當量法和-6 dB 法 （半波法）， 這兩種方法通用性好， 但存在很大的局限性。
就當量法而言， 缺陷的反射波波幅可能受缺陷形態和聲束入射角度的影響較大， 與標準反射體對比的定量結果也就存在很大的不確定性。
-6 dB 法可結合相控陣超聲成像測量缺陷高度、 寬度或長度， 但測量精度受聲束寬度、 缺陷取向影響較大， 一般只用于較大尺寸的缺陷[2-3]。聲波傳播遇到缺陷時， 衍射和反射現象是同時存在的， 只不過通常衍射波弱于反射波， 在脈沖反射法超聲檢測中并未受到關注。
雖然衍射波的能量較弱， 但衍射波受缺陷取向的影響較小， 對面積類缺陷的檢出率高， 這是反射波法檢測所不具有的優勢[4]。
衍射時差法超聲檢測（TOFD） 就是利用衍射波檢測的最重要代表。
基于上述原因，利用衍射波定量缺陷越來越受到重視[5-9]。
缺陷在聲場中的衍射特性與其尺寸、 形態有關。
當缺陷的尺寸遠小于聲波波長時， 波的衍射強， 反射弱；
當缺陷的尺寸遠大于聲波波長時， 波的衍射弱， 反射強。
常見金屬材料進行超聲檢測時， 常用的超聲波波長范圍為0.5～3 mm， 與缺陷尺寸處于同一量級， 聲波的反射和衍射信號均可通過優化檢測條件獲取， 這就為衍射波的應用提供了前提。
實際上， 體積型缺陷和面積型缺陷的衍射特性也有較大區別，如圖1 所示， 分別以圓孔和切槽代表兩種類型的缺陷。
研究表明[10]， 聲波入射到圓孔缺陷時，一部分聲波反射， 一部分聲波沿著孔壁繼續傳播并不斷輻射聲波， 兩者的聲程差實際上與圓孔的1/2 周長相近， 可用于定量評價圓孔直徑。面積型缺陷的衍射可理解為缺陷尖端作為子波源發出的聲波[11-12]， 根據幾何關系， 只要區分出缺陷的兩個尖端衍射信號就能對缺陷尺寸進行量化。
圖1 缺陷衍射示意圖
在常規超聲檢測中， 不易觀察到缺陷的衍射波， 甚至要采取小晶片探頭、 雙探頭等優化措施，這也是TOFD 在聲學性能較差的材料中應用較少的重要原因[13]。
鈦合金材料超聲檢測存在散射雜波干擾問題， 是制約衍射波檢測的主要因素[14]，圖2 所示為鈦合金材料的TOFD 掃查結果， 超聲散射增大了背景噪聲， 導致很難識別缺陷信號。
圖2 鈦合金材料TOFD 掃查結果
相對而言， 相控陣超聲檢測則具有很大的優勢， 主要表現在以下幾個方面：
首先， 相控陣超聲的多角度掃描能實現大范圍的聲場覆蓋， 能完整的接收到不同尺寸缺陷的反射或衍射信號；
其次， 相控陣超聲的聲束聚焦對提高衍射信號的強度有重要意義， 更有利于接收到微弱的衍射波；
除此之外， 相控陣超聲的成像視圖中， 能直接獲取不同圖像點的深度、 聲程、 掃描角度等信息，缺陷的定量計算較為便捷。
2.1 超聲衍射波信號特征
對于孔型缺陷， 反射波幾乎不受缺陷取向影響， 而繞孔壁傳播的聲波由于在不斷的輻射聲波， 能量不斷衰減， 接收到的波幅遠低于反射波。
表1 為Φ3 mm 長橫孔在不同深度下測試的反射波與衍射波波幅差異， 試驗在相控陣超聲扇掃描模式下進行， 探頭中心頻率5 MHz， 分別采用橫波和縱波楔塊， 橫孔掃描角度均為45°。
表1 反射波與衍射波波幅差
測試結果表明， 采用橫波時， 長橫孔的反射波波幅要比其衍射波波幅高15～20 dB；
采用縱波時， 長橫孔的衍射波波幅非常弱， 深度較大時檢測設備無法有效接收到衍射波信號。
這一測試結果與超聲光彈實驗結果一致， 因此在相同的檢測條件下， 采用橫波檢測更有利于衍射波信號的識別。
對于面積型缺陷， 衍射波的能量也相對較弱， 但反射波取決于波束與缺陷反射面的夾角，當入射波束與缺陷反射面夾角較小時甚至可能接收不到反射波， 對衍射波干擾較小。
故相比孔型缺陷， 面積型缺陷的衍射波信號接收和識別要具有一定的優勢。
2.2 超聲衍射波信號識別
在相控陣超聲中， 衍射波信號的識別要結合圖像和A 掃描信號特征， 故對分辨力有很高的要求。
孔型缺陷和面積型缺陷的分辨力要求略有差別， 如圖3 所示。
對于孔型缺陷， 衍射信號和反射信號在同一聲束掃描角度上， 衍射信號的識別更加依賴于軸向分辨力。
對于面積型缺陷， 端點衍射波的識別更多依賴于角度分辨力。
圖3 孔型缺陷和面積類缺陷分辨力示意圖
在孔徑一定的條件下， 軸向分辨力取決于探頭的脈沖持續時間， 窄脈沖和較高頻率的探頭均能獲得更高的分辨力， 故在定量測量時要優先選擇較高頻率的探頭。
相控陣超聲的角度分辨率與步進角度、 聲束寬度有關， 標準一般要求扇掃描的角度分辨力達到2.5°以下。
在優化激發孔徑，采取更高頻率的條件下， 角度分辨力會更高， 通常能滿足面積型缺陷兩尖端的衍射信號識別要求。
2.3 鈦合金聲學性能
根據衍射波信號特征， 以長橫孔反射波信號為基準， 信噪比必須要達到20 dB 才能識別出衍射波信號。
鈦合金材料在不同的顯微組織下聲學性能表現出很大的差異性， 多數材料存在聲衰減較大的情況， 尤其在檢測厚板鈦合金焊接接頭時， 散射雜波干擾會造成信噪比很低， 增大了衍射波信號識別的難度。
圖4 為不同組織的鈦合金對比試塊中Φ2 mm 長橫孔的相控陣超聲掃描的信噪比對比， 探頭中心頻率為5 MHz。
在魏氏和網籃組織中， 隨著檢測深度的增大， 信噪比迅速降低， 衍射波很容易被湮沒在散射雜波中， 如圖5 所示。
圖4 不同組織的鈦合金試塊相控陣超聲掃描信噪比
圖5 低信噪比橫孔圖像
在常規超聲檢測過程中， 為改善超聲檢測的信噪比， 有時會采用縱波斜射法、 降低頻率等措施。
但根據衍射波信號特征分析， 縱波不利于接收衍射波信號， 而頻率較低時， 脈沖寬度和聲束直徑都會變大， 對相控陣超聲的軸向分辨力和角度分辨力都是不利的， 因此這類措施均不能采用。
為解決上述問題， 結合相控陣超聲的聲束聚焦和缺陷衍射受取向影響小的特點， 通過試驗分析鈦合金缺陷衍射波定量的可行性。
3.1 試驗方案
利用微觀組織為雙態組織的TC4ELI 鍛件分別制備鈦合金長橫孔試塊和通槽試塊， 如圖6 所示。采用長橫孔試塊模擬體積型缺陷， 共4 組， 橫孔直 徑 分 別 為Φ1.5 mm、 Φ2.0 mm、 Φ2.5 mm、Φ3.0 mm， 且能利用試塊的對稱性模擬多組深度（5 mm、 10 mm、 15 mm、 20 mm、 25 mm、 30 mm、35 mm、 40 mm）。
采用通槽試塊模擬面積型缺陷， 通槽的中心深度均為10 mm， 槽高h分別為1.0 mm、 1.5 mm、 2.0 mm、 2.5 mm、 3.0 mm、3.5 mm、 4.0 mm、 4.5 mm。
圖6 試驗試塊規格（單位：mm）
試驗采用ISONIC 2009 型相控陣超聲檢測儀， 相控陣探頭的規格見表2。
長橫孔采用扇形掃描， 掃描角度范圍為35°～75°， 步進角度為0.1°， 由于橫孔反射不受入射角度影響， 試驗過程中結合信噪比變化選擇最佳的入射角度。
通槽分別采用扇掃描和垂直動態聚焦掃描兩種模式， 同樣采用調整入射角度的方式獲得較高的信噪比。
表2 相控陣探頭規格
試驗時將相控陣探頭穩定的耦合在試塊上，保證試塊楔塊長度方向與參考反射體相垂直， 反復且穩定的移動探頭尋找待測量的信號。
長橫孔試驗時， 根據相控陣超聲的扇掃描圖像， 尋找反射波和衍射波圖像， 結合A 掃描信號記錄兩者的聲程， 聲程差即為長橫孔周長的一半， 可直接計算孔徑。
通槽試驗時， 根據其上下端點的衍射波成像， 分別讀取對應深度值， 兩者之差即通槽高度。為更好的區分通槽上下端點的衍射信號， 可將A掃描顯示調整為射頻模式， 利用相位差異識別[15]。
3.2 試驗結果與分析
長橫孔試塊在不同深度下的相控陣超聲衍射試驗結果見表3。
4 種孔徑在不同深度下的定量絕對誤差均不大于0.5 mm， 定量平均值分別為Φ1.9 mm、 Φ1.8 mm、 Φ2.1 mm 和Φ2.8 mm，定量平均值的相對誤差分別為27%、 10%、16%和7%。
長橫孔定量誤差的主要來源為反射信號與衍射信號的識別誤差， 由于是基于相對值定量， 儀器校準的誤差反而影響較小。
孔徑較小時， 衍射波與反射波的聲程差僅有幾個波長， 在A 掃描信號中， 二者的識別難度較大， 取值點相差半個周期就有可能造成較大的誤差。
表3 長橫孔試塊在不同深度下的相控陣超聲衍射試驗結果
通槽試塊的相控陣超聲衍射試驗結果見表4和圖7。
在扇掃描模式下， 除高度1 mm 和1.5 mm的通槽外， 其余通槽的絕對定量誤差基本上都處在±0.5 mm 誤差線內。
在垂直動態聚焦掃描模式下， 8 個試驗通槽的定量誤差基本上均處在±0.5 mm 誤差線內， 且測試誤差基本以正誤差為主。
扇掃描模式定量高度較小的通槽時，上下端點的衍射波信號在圖像中難以分離， 導致誤差較大， 且受焦點位置影響， 衍射波成像的峰值點確定精度較低， 導致定量誤差隨機性較大。
垂直動態聚焦掃描模式測試過程中， 聲束能量較高， 衍射波信號很強， 容易識別， 但要注意散射干擾信號， 定量誤差波動性較小。
表4 通槽試塊相控陣超聲衍射試驗結果
圖7 通槽高度定量誤差
綜合對比長橫孔和通槽的定量試驗結果， 基于衍射波的相控陣超聲定量方法在鈦合金中是可行的， 且定量精度高， 可操作性強。
與TOFD 技術相比， 相控陣超聲的多陣元激發、 聲束聚焦功能解決了鈦合金材料衍射波信噪比低的問題， 并保留了兩種技術的優點， 為缺陷定量提供了更多的方案。
（1） 相控陣超聲衍射波法缺陷定量在鈦合金中是可行的， 考慮到縱波在橫孔繞射過程中衰減較大導致衍射波不易提取， 一般采用橫波檢測， 但必須通過優化聲束角度、 聚焦深度等措施改善信噪比， 保證衍射波信號不被湮沒在雜波信號中。
（2） 橫孔和通槽的衍射波定量精度均能達到1 mm 以內， 但受分辨力限制， 小缺陷的衍射波信號難以準確分離， 定量精度會受到影響， 直徑或高度1.5 mm 以上的缺陷能獲得較滿意的定量結果。
（3） 試驗采用的橫孔和通槽深度均在40 mm以下， 當缺陷的深度更大時， 信噪比會進一步降低， 要采取必要的措施。
實際應用中， 缺陷定量應在掃查完成后單獨進行， 通過改變掃查角度，調整焦點深度提高衍射波信號的信噪比， 以實現更準確的定量。
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