[发明专利]横波TOFD缺陷定位方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及超声无损检测领域，提出一种横波TOFD缺陷定位方法，使用一对横波探头沿着焊缝两侧进行单次线性扫描，同时利用缺陷的纵波和横波散射信号来发现焊缝中缺陷，并对缺陷进行准确定位。

二、背景技术

超声波衍射时差法(Time of flight diffraction，简写为TOFD)，可以高效检测和定位构件内部裂纹类缺陷，在工业领域正逐步获得推广和重要应用。当超声波入射到缺陷(气孔、裂纹、夹杂等)表面时，声波能量会在缺陷端角处形成散射波，散射能量分散向各个方向传播，因此几乎可以从各个方向接收到散射回波。超声波衍射时差法就是通过接收缺陷端角的散射能量来发现和定量缺陷的超声无损检测方法，比起传统的脉冲回波测量方法，TOFD技术的优势在于容易发现和定量测量类裂纹缺陷，且检测效率较高，因而，近些年在国内外逐步获得了较为广泛的工业应用。

TOFD检测技术的主要工作原理如下，一般使用一发一收模式的双探头结构，如图1所示。两斜探头相对置于工件表面，发射换能器激励出能够覆盖工件较宽区域的斜入射纵波，如果工件中存在类裂纹缺陷，接收到的信号的示意图如图2所示，其中的t1，t2，t3，t4时刻出现的回波信号分别是直通波，裂纹上、下端角衍射波和底面反射波，它们分别对应于图1中所示的01，02，03，04各纵波传播路径。

然而，传统的TOFD方法通常是利用缺陷的纵波衍射信号来发现和定位缺陷，由于所用信号单一，无法通过单次线性扫描实现工件内部缺陷的三维定位。这里以缺陷的上端角散射信号为例来说明仅利用纵波散射信号无法准确定位缺陷的原因，如图3所示，不妨将发射换能器在工件表面的入射点定义为焦点1，而接收换能器在工件表面的入射点定义为焦点2，这样，由焦点1和2及固定距离2a可以定义一个椭圆，这个固定距离即为纵波传播声程D1+D2，由椭圆的性质可知，椭圆圆周上的点到两焦点的距离之和相等，也就是说只要缺陷位于该椭圆圆周，其传播声程都等于D1+D2。因而无法通过单一纵波传播声程来对缺陷所在位置进行准确定位。

三、发明内容

为了克服现有的超声波衍射时差法(TOFD)无法通过单次线性扫描来准确定位工件中缺陷，本发明提出横波TOFD缺陷定位方法，该方法使用一对横波探头，同时利用缺陷的纵波和横波散射信号来实现缺陷的三维定位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：使用机玻璃楔块，楔块入射角大于第一临界角，让折射纵波全反射，这样，折射到被检测材料中的信号只剩下横波。折射横波打在缺陷尖端的时候，会出现纵波散射和横波散射，如图4所示，由于散射纵波传播速度快于横波，因而接收换能器先接收到缺陷尖端散射纵波信号，一段时间延迟后，再接收到缺陷尖端的散射横波信号。

将发射换能器在工件表面的入射点定义为焦点1，而接收换能器在工件表面的入射点定义为焦点2，这样由焦点1和2及固定距离2a可以定义一个椭圆，如图5所示，这个固定距离即为横波传播声程(2a＝D₁+D₂)，可以通过接收到的缺陷散射横波信号计算出2a，另外，由于两换能器间距(2b)已知，由此可以写出该椭圆的方程，

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另外，利用散射横波和散射纵波间的时间差，可以计算出缺陷所在位置到接收换能器间的距离D2，具体如下，首先，缺陷的散射纵波信号对应的时间延迟可以表达为