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摘 要：
林業机械大多承担繁重的任务，且涉及到人身安全。对这些机械中的损伤与缺陷进行检测，及时监测其运行状况，能降低维修成本，提高林业机械的使用效率和使用安全性，提高林业经济效益。焊接作为制造业的基础工艺和技术，在林业机械产业中也应用广泛，而焊缝的质量直接关系到设备整体结构的强度和使用寿命。超声TOFD检测技术的显著优点是缺陷检出率高，定量精度高，操作方便快捷，检测成本低，但易出现横向裂纹漏检。针对焊缝中横向裂纹D扫描图像的显示特征与点状缺陷相似，难以准确判断和识别，容易漏检的问题，通过研究TOFD检测时横向裂纹漏检的的原因，改进传统的TOFD检测方法，提出一种对边斜向非平行扫查方法。为检验该方法的实用性，提高检测效率，设计了专用的多通道斜向扫查架。采用设计的多通道斜向扫查架对横向裂纹缺陷模拟试块进行试验。试验结果表明：多通道斜向扫查架的偏斜角设置在30° ～60°时，可以有效识别横向裂纹缺陷。该方法原理简单，设计的多通道斜向扫查架实用性强，对减少焊缝中横向裂纹的漏检，确保林业设备安全运行具有重大意义。
关键词：
TOFD；焊接缺陷；横向裂纹
中图分类号：TE 973.3 文献标识码：A 文章编号：1001-005X（2017）04-0065-05
Research on the TOFD Detection of Transverse Crack in Bult Weld
Song Mian，Xing Tao*
（College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040）
Abstract：
Most of the forestry machinery undertake heavy tasks and involves personal safety.Detecting the damage and defect of these machines and monitoring the condition in time could reduce the maintenance cost，improve the efficiency and safety，and improve the economic benefit of the forest.As the basic process and technology of the manufacturing industry，welding is also widely used in the forestry machinery industry.The quality of the welding is directly related to the strength and service life of the overall structure of the equipment.Ultrasonic TOFD detection technology has some remarkable advantages of high detection rate，high precision，convenient operation and low detection cost，but it is easy to miss transverse crack.In view of the transverse crack in the weld，the display characteristics of the D-scan image are similar to the point defects，and it is difficult to accurately judge and identify the problem，and it is easy to miss the problem.Through the research of the cause of transverse crack’s miss in TOFD detection，
the paper improved the traditional TOFD detection method，and proposed an oblique non-parallel scanning method.In order to test the practicability of the method，improve the detection efficiency，the paper designed a special multi channel oblique scanning frame.The experiment verification was made by using the designed multi-channel oblique scanning frame to the simulated test block of transverse crack defect.
The test shows that the transverse crack defects can be effectively identified when the multi channel oblique scanning frame is set in the range of 30 degrees to 60 degrees.The method is simple and the designed multi channel oblique scanning frame is practical.It is of great significance to reduce the detection of transverse crack in bult weld and ensure the safe operation of the forestry machinery.
Keywords：
TOFD；weld defects；transverse crack
0 引言
林业机械是林业建设的重要组成部分，它与其它行业机械一样，大多承担繁重的任务，且涉及到人身安全。对这些机械中的损伤与缺陷进行检测，及时监测其运行状况，能降低维修成本，提高林业机械的使用效率和使用安全性，提高林业经济效益[1]。焊接作为制造业的基础工艺和技术，在林业机械产业中也应用广泛，而焊缝的质量直接关系到设备整体结构的强度和使用寿命[2]。其中，裂纹是焊缝中危害性最大的焊接缺陷，尤其在一些圆周或环向焊缝中，由于周向拘束大，容易产生横向裂纹[3]。并且设备的厚度越大焊缝中横向裂纹产生的几率越大。
现有的各种无损检测方法在横向裂纹检测方面都有些不足之处[4-9]。射线检测中缺陷检测率的关键是底片对影像细节的显示能力，但有些横向裂纹的尺寸很小，在底片上没有裂纹影像，裂纹容易漏检[10]。超声波检测具有一定的优势，尤其适于裂纹的检测[11]。常规的超声波检测技术（脉冲反射法）是利用超声波在缺陷表面的反射波来检测缺陷的[12]，对于横向裂纹，由于探头垂直于焊缝检测时，主声束的方向平行于横向缺陷面，无法提供足够的信号反射面，导致缺陷反射回波非常低甚至无回波，而使用单探头进行焊缝斜向平行扫查时，缺陷信号被横向裂纹反射到焊缝另一侧，检测信号无法沿原路返回到探头，这样就造成了横向裂纹的漏检[13]。
超声TOFD 检测是利用双探头一发一收跨在焊缝两侧进行扫查，两探头之间有一定的空间，且超声TOFD 检测是利用缺陷上下尖端处的衍射信号来发现并测量缺陷的，衍射信号没有明显的指向性，所以焊缝另一侧的接收探头也可以接收到横向裂纹缺陷尖端产生的衍射信号，发现缺陷。但实际应用中，横向裂纹漏检的情况仍很普遍。
笔者通过研究超声TOFD检测横向裂纹漏检的原因，提出了一种对边斜向非平行扫查方法，并自主设计了一个可调节偏斜角的多通道斜向扫查架，通过试验对采用不同倾斜角扫查时模拟试块焊缝中横向裂纹的缺陷定量能力进行了探讨。该方法原理简单，可操作性强，能有效减少横向裂纹的漏检，保证林业机械安全运行。
1 TOFD检测横向裂纹漏检的原因
衍射时差法超声波检测（Time Of Flight Diffraction，简称TOFD），超声TOFD检测技术的显著优点是缺陷检出率高、定量精度高、操作方便快捷、检测成本低[14]。但TOFD技术一般多用于纵向裂纹的检测[15-17]，对于初始检查（非平行扫查，D扫）来说，横向裂纹并不是难以检测发现，而是因为在非平行扫查中，横向裂纹缺陷信号没有足够的长度，其D扫描图像特征看起来与点状缺陷（如气孔、夹渣等）的显示特征相似[18]，难以准确判断和识别，定性困难。超声TOFD实际检测中出现的近表面横向裂纹D扫描图像如图1所示，及图2中所示的典型单个气孔缺陷D扫描图像，二者显示特征均为比较抛物线弧形，难以区分辨别。
在缺陷图像中出现疑似横向裂纹的特征、相同的工件或设备在以往的检验中出现过横向裂纹、文件或用户要求对横向裂紋进行检测等情况下，需要进行补充检测对横向裂纹筛查确认[19]。可沿着焊缝方向在疑似横向裂纹位置进行一系列的平行扫查（B扫），来精确测量缺陷高度，获取缺陷横截面上深度、倾斜角度等更多信息，为缺陷定性定量提供依据。但B扫时探头会越过焊缝，这就需要将所有疑似横向缺陷处的焊缝余高磨平再进行扫查，会额外增加很大现场工作量[20-21]。由于在实际生产过程中，焊缝内部存在的气孔或小夹渣等点状缺陷数量远大于横向裂纹，标准JB/T 4730.10-2010中又规定焊缝中一定数量的点状缺陷是允许的，因此为了筛查少量的横向裂纹而对大量的疑似点状缺陷进行B扫检测很不现实又影响工作效率。大多数情况下，为了降低成本或者尽快完成检测工作，检测人员只进行非平行扫查，横向裂纹就被视作点状缺陷而漏检。
2 对边斜向非平行扫查
TOFD是一种采用双探头一发一收相向对称放置，通过缺陷上下尖端的衍射信号来发现并测量缺陷的检测技术。对边斜向非平行扫查（如图3所示）就是探头组中心连线与焊缝中心线不再保持垂直而是偏斜一定的角度（角α）布置，这样就可以增大横向缺陷界面与声束波阵面的反射和衍射，探头能够接收到较多的波束能量，使横向裂纹在TOFD图像上显示出一点的长度，达到有效筛查和准确辨别焊缝内部点状缺陷和横向裂纹缺陷的目的，减少焊缝中横向裂纹的漏检。
3 可行性研究
为了验证对边斜向非平行扫查检测方法的可行性，根据焊缝模拟试块的声学和材料特性，利用仿真软件CIVA 11.0建立了如图4所示的不同倾角裂纹TOFD检测模拟模型。模型材料选用合金钢，模型中的纵波声速为5.9 mm/μs，长度为500 mm，厚度为45 mm。在模型中建立了10个深30 mm、长20 mm的底面开口槽，开口槽呈一定的倾斜角度，与焊缝中心线的夹角分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°。
TOFD检测非平行扫查模拟时，检测参数设置是探头频率为5 MHz，楔块角度为60°，晶片尺寸为6 mm，探头中心间距为104 mm，探头聚焦深度在30 mm。对模型进行整体非平行扫查，得到的D扫描图像如图5所示。
由D扫描图像可以看出：当裂纹与焊缝中心线的夹角小于50°时，倾斜裂纹缺陷与点状缺陷在D扫描图像中是可以明显辨别区分的；但当夹角大于50°时，倾斜裂纹在D扫描图像中的缺陷特征逐渐表现为点状缺陷抛物线特征，无法判断缺陷性质也难以定量缺陷长度。因此，用斜向非平行扫查来增大TOFD探头接收到的波束能量，检测横向裂纹是可行的。
4 对边斜向非平行扫查试验
4.1 试样制备
模拟缺陷试样材料为合金钢，尺寸为200 mm×120 mm×45 mm，焊接方法为埋弧焊、坡口型式为X型。按照TOFD检测技术的相关标准，采用电火花加工工艺在试样扫查面上制备了一个长20 mm、宽6 mm、深4 mm的人工窄槽模拟横向缺陷1，为了避免缺陷尖端衍射波相互干涉降低衍射波波幅，在试样下表面焊缝中心线上制备了一个长25 mm、宽6 mm、深4 mm的人工窄槽模拟纵向缺陷2，试样结构尺寸如图6所示。
4.2 多通道斜向扫查架设计
由于目前市场上大量应用的TOFD扫查装置无法满足实验要求，自主设计了一个可调节偏斜角的多通道斜向扫查架，如图7 所示。本多通道斜向扫查架整体呈“工”字型，主要包括探头支架4、带编码器的行走轮5、滚轮6、把手7、滑块8、螺栓组件3和编码器12，还包括竖梁1和两个横梁2。竖梁1和横梁2通过螺栓组件3铰接在一起，并可相对转动，调节两者间夹角，探头支架4通过手拧螺丝9安装在滑块8上，滑块8可沿横梁2上的燕尾槽滑动，调节探头中心间距，带有编码器的行走轮5和滚轮6安装在横梁2上，可调整行走方向。与之配套的带编码器的行走轮5和滚轮6均为可转向的磁性轮机构，如图8所示。所设计的多通道斜向扫查架可同时对工件进行非平行扫查和对边斜向非平行扫查，提高检测工作效率，减少横向裂纹缺陷的漏检。
4.3 试验与分析
试验采用汉威HS810便携式超声TOFD检测仪对试样进行扫查，第1通道为非平行扫查通道，第2通道为对边斜向非平行扫查通道，两通道均选取探头频率为5MHz，晶片尺寸为6mm，楔块角度为60°的纵波斜探头，探头中心距设置为104mm。为了验证此方法及设计的多通道斜向扫查架对横向裂纹缺陷定量能力，偏斜角α设置为以5°为间隔，从30°到90°（因焊缝余高的影响，当α<30°时，探头组易与焊缝发生干涉，因此不予考虑），非平行扫查通道测量纵向缺陷长度，对边斜向非平行扫查通道测量横向缺陷长度。由对边斜向非平行扫查通道得到的扫描图像如图9所示。
因缺陷图像上存在明显的甩弧现象，利用SAFT技术提高缺陷定量精度，最后得到缺陷图像显示长度测量值及与实际值的相对误差（见表1）。
由图9中可以看出，偏斜角α由30°逐渐增加到90°时，偏斜角α在30°～70°内，横向裂纹缺陷在TOFD图像上具有一定的显示长度，与点状缺陷规则的抛物线弧状明显不同，可以准确区分辨别；当偏斜角α>70°时，横向裂纹缺陷在TOFD图像上的的显示长度减小，又逐渐变为类似点状缺陷，难以准确判断。
由表1中可以看出，当偏斜角α=30°时，横向裂纹缺陷图像显示长度测量值与实际值的相对误差为1.5%，最接近真实值；偏斜角α在30°～60°范围时，横向裂纹缺陷图像显示长度测量值与实际值的相对误差小于40%，缺陷长度测量比较符合要求；在偏斜角α>60°时，相对误差急剧增大，缺陷长度难以测量；从非平行扫查通道得到的纵向缺陷图像显示长度测量值与实际值的相对误差始终低于2%，接近真实值，不受偏斜角α的影响。
上述结果表明，TOFD对边斜向非平行扫查在一定的偏斜角范围内可以对横向裂纹缺陷进行有效的检测识别，减少横向裂纹的漏检。综合考虑横向裂纹缺陷在 TOFD 图谱上的显像效果、显示长度测量值与实际值间的相对误差大小等诸多因素，可以认为采用对边斜向非平行扫查时，30°～60°是一个可以采用的区间。
5 结论
（1）利用CIVA仿真软件模拟不同倾角裂纹的TOFD检测，验证了当裂纹与焊缝中心线的夹角小于50°时，横向裂纹缺陷与點状缺陷在D扫图像中是可以辨别区分的。
（2）改进了传统的 TOFD 检测方法，设计了用于检测的可调节偏斜角的多通道斜向扫查架，沿焊缝方向进行扫查，实现了横向裂纹缺陷的检测。
（3）TOFD 检测时，采用多通道TOFD 检测仪，其中一个通道设置为非平行扫查通道，另一个通道设置为偏斜角在 30° ～60°内的对边斜向非平行扫查通道，可以提高检测效率，实现焊缝一次性覆盖扫查，对横向裂纹缺陷和点状缺陷进行有效筛查和准确辨别，减少横向裂纹缺陷的漏检，确保林业机械安全运行。
（4）实际应用中，利用多通道斜向扫查架对某个辊筒运输机焊缝进行了TOFD检测，得到的TOFD图谱如图10所示，缺陷在扫查方向及长度的定量和非平行扫查有很好的对应性，对边斜向非平行扫查通道图像中显示的焊缝内部横向裂纹缺陷与点状缺陷能够清晰地区分辨别，但在存在缺陷较多的情况下难以定量。
【参 考 文 献】
[1]江广波，周新民，李加强.故障诊断技术在林业机械中应用的意义探讨[J].民营科技，2007，13（1）：22-22.
[2]Tabatabaeipour M，Hettler J，Delrue S，et al.Non-destructive Ultrasonic Examination of Root Defects in Friction Stir Welded Butt-joints[J].Ndt & E International，2016，80（2）：23-34.
[3]王立柱，张远生，张 涵.直缝埋弧焊钢管焊缝横向裂纹产生原因分析[J].焊管，2008，31（4）：67-68.
[4]刘贵吉，李鹏频，甘志云，等.钢结构焊缝内部横向裂纹的超声波检验方法[J].科技视界，2013，3（36）：337-338.
[5]解德海，王彬.林业机械超声检测新技术的探讨[J].林业科技情报，2004，36（3）：87-87.
[6]Solov’ev A N，Sobol’ B V，Krasnoshchekov A A.The Identification and Study of the Critical State of a Transverse Crack in a Zone with a Lap Based on Artificial Neural Networks[J].Russian Journal of Nondestructive Testing，2014，50（8）：452-463.
[7]Pasadas D J L，Ribeiro A L，Ramos H G，et al.Defect Detection in Stainless Steel Tubes with AMR and GMR Sensors using Remote Field Eddy Current Inspection[J].Chinese Medical Sciences Journal，2015，14（3）：174-179.
[8]Xiao H，Zheng J，Song G.Severity Evaluation of the Transverse Crack in a Cylindrical Part Using a PZT Wafer Based on an Interval Energy Approach[J].Smart Materials & Structures，2016，25（3）：035021.
[9]孙继华，赵扬，宋江峰，等.采用激光声磁技术检测钢轨踏面缺陷[J].光电子·激光，2014，25（1）：141-146.
[10]赵鹏，刘毅勇，张忠政，等.厚壁焊缝横向裂纹超声与射线检测的探讨[J].机械制造，2016，54（2）：60-62.
[11]罗志伟，张驰，刘斌，等.焊缝横向裂纹声波衍射信号特征与采集方法[J].焊接，2016，60（6）：26-29.
[12]Lee J，Park J，Cho Y.A Novel Ultrasonic NDE for Shrink Fit Welded Structures Using Interface Waves[J].Ultrasonics，2016，68（1）：1-7.
[13]孟亚惠.TOFD技术在埋地管道检测中的应用[J].管道技术与设备，2012，20（1）：27-29.
[14]白艳，邢涛.TOFD技术检测盲区的研究[J].森林工程，2010，26（4）：50-52.
[15]Baby S，Balasubramanian T，Pardikar R J，et al.Time-of-flight Diffraction（TOFD）Technique for Accurate Sizing of Surface-breaking Cracks[J].Insight-Non-destructive Testing and Condition Monitoring，2003，45（6）：600-604.
[16]Lu C，Wang Q，Liu F N.Ultrasonic TOFD in the Application of Thick Wall Tube Welding Seam Detection Pre-Research[J].Advanced Materials Research，2014，912（4）：12-17.
[17]Zhang P L，Dong J，Cao L.Analysis the Results of TOFD Inspection in Butt Joint Welds[J].Applied Mechanics & Materials，2012，246-247（2）：66-70.
[18]金南輝，成德芳，牟彦春.TOFD检测技术在压力容器定期检验中的应用前景[J].压力容器，2009，26（6）：59-62.
[19]苗丕渝，张柏雄，赵小桦.对某横向缺陷的TOFD检测和分析[J].无损探伤，2012，36（6）：40-42.
[20]梅华锋，林光辉，岳高峰.一种减少TOFD横向缺陷漏检的方法探讨[J].小水电，2014，31（5）：17-20.
[21]宋光辉.混合气体保护焊对焊缝金属组织与性能的影响[J].林业机械与木工设备，2000，28（6）：32-36.