第一張tofd技術(shù)的基本知識(shí)ppt課件

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1、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù) (TOFD技術(shù)） 張平 2012年11月28日 北京 第一章 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史和衍射基本原理 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)（Time of Flight Diffraction Technique，英文 TOFD技術(shù)）依靠超 聲波與缺陷尖端或端部相互作用后，而發(fā)出的衍射 波來檢測(cè)缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量的一種無損 檢測(cè)技術(shù)。 定義： TOFD技術(shù)是一種基于衍射信號(hào)實(shí)施檢測(cè)的 技術(shù)。 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 關(guān)于TOFD 的不同翻譯： 中文翻譯為衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)； GB/T 12604

2、.1:2005（等同ISO 5577:2000 ）翻譯為衍射聲時(shí)； 物理學(xué)術(shù)語翻譯為衍射渡越時(shí)間； 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 缺陷的衍射信號(hào)與什么無關(guān)？ 1、與衍射信號(hào)的角度無關(guān) 2、與衍射信號(hào)的幅度無關(guān) 因?yàn)檠苌湫盘?hào)與角度和振幅無關(guān)，所以， TOFD技術(shù)在原理和方法上與傳統(tǒng)脈沖反射超 聲波檢測(cè)技術(shù)有根本性的區(qū)別。 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)是： 1、根據(jù)缺陷反射信號(hào)檢出缺陷 2、根據(jù)缺陷幅度評(píng)定缺陷尺寸 影響缺陷的定量因素： 1、入射聲束角度 2、檢測(cè)方向 3、缺陷表面粗超度 4、工件表面狀態(tài) 5、探頭的壓力 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 TOFD技

3、術(shù)發(fā)展歷程 A、20世紀(jì)70年代摸索、完善、裝備研發(fā)階段 ，經(jīng)歷了約10年的時(shí)間。 B、 20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用階段； C、 20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初大規(guī)模應(yīng)用推廣 階段；大約又經(jīng)過10年的時(shí)間，功能強(qiáng)大的便攜式 TOFD儀器問世。 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 一、TOFD技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用情況 TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù) 監(jiān)察規(guī)程于2009年12月1日起施行，做出如 下規(guī)定： 4.5 無損檢測(cè) 4.5.1 無損檢測(cè)人員 無損檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行考核 取得相應(yīng)資格證書后，方能承擔(dān)與資格證書的 種類和技術(shù)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的無損檢測(cè)工作。 1.1.1 T

4、OFD技術(shù)的發(fā)展歷史 4.5.3 壓力容器焊接接頭無損檢測(cè) 4.5.3.1 無損檢測(cè)方法的選擇 (1)壓力容器的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè) 或者超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)包括衍射時(shí)差法 超聲檢測(cè)（TOFD）、可記錄的脈沖反射法 超聲檢測(cè)和不可記錄的脈沖反射法超聲檢 測(cè)；當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢 測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或者衍射時(shí)差法 超聲檢測(cè)做為附加局部檢測(cè)； 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 二、TOFD檢測(cè)人員的培訓(xùn)和資格鑒定情況 2007年國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局發(fā)布國(guó)質(zhì)檢特函402號(hào)“關(guān) 于進(jìn)一步完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監(jiān)察工 作的通知” 中，第六條關(guān)于TOFD方法的應(yīng)用 ，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制造壁厚度60

5、mm以上的壓力容器， 可以采用TOFD檢測(cè)方法替代射線法進(jìn)行無損檢 測(cè)。從事TOFD檢測(cè)的無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)必須符合以 下條件： 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 1、在我國(guó)TOFD無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)未公布前，應(yīng)當(dāng)參 照國(guó)外成熟標(biāo)準(zhǔn)制訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)全國(guó)鍋壓標(biāo)委 會(huì)審核通過后，進(jìn)行備案。 2、從事TOFD檢測(cè)的無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)至少應(yīng)具有UT -級(jí)人員1名，UT-級(jí)資格4年以上（含4年） 人員2名，作為TOFD檢測(cè)責(zé)任人和操作復(fù)核人員 。 3、從事TOFD檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)具有UT級(jí)資格4年 以上（含4年），其TOFD操作技能經(jīng)全國(guó)無損檢 測(cè)考核委員會(huì)考核合格。 從2003年初全國(guó)考委會(huì)舉辦TOFD-II級(jí)人員培訓(xùn)

6、考核到現(xiàn)在，全國(guó)已有近550人持有TOFD-II級(jí)資 格證書。 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 TSG特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG Z8001- 2011特種設(shè)備無損檢測(cè)人員考核規(guī)則( 征求意見稿)中將超聲檢測(cè)分為： A、脈沖反射法超聲檢測(cè)、 B、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)、相控陣超聲檢測(cè) 和奧氏體焊縫超聲檢測(cè)， C、超聲檢測(cè)專項(xiàng)檢測(cè)，包括板材類、無縫 管材類、焊接管材類、鍛件類、板材類 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 三、TOFD檢測(cè)儀器情況 國(guó)外產(chǎn)品 1、以色列Sonotron NDT公司產(chǎn)品Isonic2005型、2008型檢 測(cè)儀 2、加拿大R/D Tech公司產(chǎn)品Omnisacn MX

7、 TOFD檢測(cè)儀 3、美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）公司 4、美國(guó)AIS公司NB2000-MC八通道超聲波檢測(cè)設(shè)備引進(jìn)國(guó)內(nèi) 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品 1、武漢中科創(chuàng)新公司于2005年研制了HS800便攜式TOFD超 聲波檢測(cè)儀，2008年7通道的儀器已經(jīng)投入了檢測(cè)市場(chǎng) 2、南通友聯(lián)公司開發(fā)了PXUT-900便攜式TOFD檢測(cè)儀，該儀 器具有三種操作模式、U盤恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 四、TOFD標(biāo)準(zhǔn)的制定情況 1、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 1993年，英國(guó)BS7706標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了用TOFD法進(jìn)行缺陷定量 評(píng)價(jià)的具體程序和要求。 1996年，美國(guó)ASME規(guī)范在案例2235案例中，明確提出允許 使用TOFD取

8、代RT。2000年ASME規(guī)范第I卷（動(dòng)力鍋爐）也 允許用AUT取代RT，用TOFD法記錄焊縫檢測(cè)結(jié)果。 2000年歐共體也在原英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7706：1993基礎(chǔ)上，制訂 了有關(guān)焊縫TOFD法檢測(cè)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ENV583-6-2000超聲 衍射波時(shí)差法用于缺陷檢出和定量。 2001年，日本制定了NDIS2423：2001超聲波衍射時(shí)差技術(shù) (TOFD)用于缺陷高度測(cè)量的方法。 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 2、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) 目前，我國(guó)正在修訂蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī) 程和已頒布的固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察 規(guī)程已經(jīng)將TOFD技術(shù)方法納入正式條文。 2004年中國(guó)一重與中國(guó)特檢院合作編制的第一份

9、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過全國(guó)鍋容標(biāo)委的審查和備案。目前 ，國(guó)內(nèi)有8個(gè)單位擁有TOFD企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 國(guó)家能源局于2010年8月27日發(fā)布了 NB/T47013.10-2010（JB/T4730.10）第10部分 ：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)，該標(biāo)準(zhǔn)于 2010年12月 15日實(shí)施。 1.1.2 衍射現(xiàn)象 一、衍射定義 波在傳播路徑中遇到障礙物，發(fā)生繞過障 礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍 射。衍射也是波在傳輸過程中與界面作用而發(fā) 生的不同于反射的另一種物理現(xiàn)象。 干涉和衍射的本質(zhì)： 干涉是分離的有限多束波的相干疊加；衍射 是波陣面上無限多子波連續(xù)的相干疊加，也可 以說衍射是無數(shù)個(gè)干涉的綜合效果。 1.1.2

10、衍射現(xiàn)象 二、惠更斯菲涅爾原理： 惠更斯提出，介質(zhì)上波陣面上的各點(diǎn)，都可 以看成是發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)刻這 些子波的包跡，就是該時(shí)刻新的波陣面。 菲涅爾充實(shí)了惠更斯原理，他提出波前上每 個(gè)面元都可視為子波的波源，在空間某點(diǎn)的 振動(dòng)是所有這些子波在該點(diǎn)產(chǎn)生的相干振動(dòng) 的疊加。 1.1.2 衍射現(xiàn)象 裂紋 衍射波 衍射波 入射波 反射波 裂紋的上下端點(diǎn)都 可以產(chǎn)生衍射波。 衍射波信號(hào)比反射 波信號(hào)弱得多，且 向空間的各個(gè)方向 傳播，即沒有明顯 的指向性。 圖1.1 裂紋端點(diǎn)衍射波示意圖 1.1.2 衍射現(xiàn)象 惠更斯原理: 缺陷上的每一個(gè)點(diǎn)都 產(chǎn)生出一個(gè)球面子波 入射波使缺陷產(chǎn)生振動(dòng)。 1.1

11、.2 衍射現(xiàn)象 圖1.2 惠更斯原理的解釋 由圖示可見: (1) 裂紋中部的反射波接近 平面波，其波陣面由眾 多子波源反射波疊加構(gòu) 成; (2) 裂紋尖端則沒有疊加現(xiàn) 象發(fā)生。 定義：尖端獨(dú)立的子波 源發(fā)出的超聲波即為衍 射波。 衍射波的重要特點(diǎn)： 1、沒有明顯的方向性； 2、衍射波強(qiáng)度很弱。 1.1.2 衍射現(xiàn)象 1.1.2 衍射現(xiàn)象 缺陷端點(diǎn)形狀對(duì)衍射的影響： （1）端點(diǎn)越尖銳，衍射特性越明顯， （2）端點(diǎn)越圓滑，衍射特性越不明顯， （3）當(dāng)端點(diǎn)圓半徑大于波長(zhǎng)（d)時(shí)，主要體現(xiàn) 的是反射特性。 1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化 裂紋下尖端信號(hào)在折射角20 和65時(shí),波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)

12、峰 ；在38時(shí),波幅下降很大幾乎 為零。 裂紋上尖端信號(hào)在0 65區(qū) 域單調(diào)增大，在65時(shí)波幅達(dá) 到最大值，從65 85單調(diào)降 低。 折射角為65時(shí)，裂紋上、下 尖端信號(hào)波幅均達(dá)到最大值 ，在45 80區(qū)間，裂紋下尖 端的信號(hào)波幅大于上尖端的 信號(hào)波幅。 圖1.3 衍射波波幅隨著角度變化的曲線 1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化 綜上所述 (1) 衍射信號(hào)幅度隨折射角的變化而變化。 (2)TOFD技術(shù)一般使用4570的探頭，避開了38角 度，這就保證衍射信號(hào)的強(qiáng)度；因探頭角度70以 上時(shí)，會(huì)增大測(cè)量誤差，所以，在實(shí)際TOFD檢測(cè)中 一般也不使用75以上的探頭。 (3) 由角度變化引起的信

13、號(hào)波幅變化不大于6dB。 1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化 折射角度與衍射波幅度的關(guān)系的總結(jié): (1) 上尖端信號(hào)從0 65單調(diào)增大，從65 85單調(diào)降 低。 (2) 上尖端信號(hào)波幅最大處于折射角65。 (3) 下尖端的信號(hào)波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰。在20和65時(shí) 波幅達(dá)到峰值。 (4) 下尖端的信號(hào)波幅在38時(shí) ，波幅下降到最低。 (5) 在45 80區(qū)間，裂紋下尖端的信號(hào)波幅略大于上 尖端的信號(hào)波幅。 (6) 在此區(qū)間內(nèi)，由角度變化而引起的信號(hào)波幅變化不 大于6dB。 1.1.4 關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響 圖1.4 裂紋相對(duì)于兩

14、探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響 1.1.4 關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影 響 研究結(jié)果：試驗(yàn)中不斷改變兩探頭中心線與裂紋的夾 角，即使裂紋走向與兩探頭中心線不垂直，對(duì)衍射 信號(hào)波幅不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 (1)夾角由9060時(shí)， TOFD衍射信號(hào)振幅降低 1dB。 (2)夾角由45 60 時(shí)，TOFD衍射信號(hào)振幅降低6 分貝。 1.1.4 關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響 裂紋相對(duì)于探頭中心線90 裂紋相對(duì)于探頭中心線135 1.1.4 關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 2、裂紋相對(duì)于探測(cè)

15、面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化 圖1.5上半部分所示為裂紋衍 射的幾何布置。下半部為平 底孔反射的幾何布置，參考 反射體是一個(gè)直徑為3mm 平底孔。 在該模型中，衍射信號(hào)的振 幅是裂紋傾斜角度的函數(shù)。 傾斜系數(shù)Ve以垂直檢測(cè)表 面為基準(zhǔn)，Ve0對(duì)應(yīng)于缺 陷垂直于檢測(cè)平面。模型中 的缺陷是光滑的平面橢圓型 裂紋。 1.1.4 關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 2、裂紋相對(duì)于探測(cè)面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化 圖1.6顯示了當(dāng)-30Ve+30時(shí)衍射波幅 度的變化。該圖中有很重要的兩點(diǎn)： 第一點(diǎn)，在相同深度范圍內(nèi)衍射波的波幅 與直徑為3的平底孔相當(dāng)；其次，信號(hào) 隨著缺陷傾角增加而加強(qiáng)。 第二點(diǎn)，垂直裂紋缺陷

16、的衍射信號(hào)幅度最 小，當(dāng)傾角V=90時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)幅度 為32dB的最大值。 衍射信號(hào)幅度隨著傾角的增加也隨之增加 。當(dāng)V趨近90時(shí)，裂紋如同平底孔那樣會(huì) 形成反射波，兩信號(hào)比近似等于它們的面 積比。 計(jì)算表明當(dāng)裂紋傾角為30時(shí)，衍射信號(hào) 幅度增加不超過3dB，這表明裂紋方向?qū)?衍射時(shí)差法檢測(cè)相對(duì)不敏感。 圖1.6 衍射信號(hào)幅度隨傾斜角度的變化關(guān)系 1.1.4 關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 3、裂紋偏離兩探頭中心時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化 在1983年Temple研究了，當(dāng)裂紋的位置相對(duì) 于兩個(gè)探頭的位置變化時(shí)，衍射信號(hào)波幅的變 化情況： 即使缺陷偏離兩個(gè)探頭之間的對(duì)稱中心達(dá)到 30mm，衍射

17、信號(hào)僅比來自對(duì)稱放置的直徑為 3mm平底孔的信號(hào)降低10dB。 這說明裂紋偏離兩探頭中心對(duì)衍射信號(hào)幅度沒 有太大的影響。 1.1.4 關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 4、橫波檢測(cè)裂紋端點(diǎn)衍射的最優(yōu)入射角度 1983年研究結(jié)果：用橫波在鋼中檢測(cè)垂直平 面裂紋，最優(yōu)入射角度為： 第一組：上端點(diǎn)為50 ，下端點(diǎn)為55 。 第二組：上端點(diǎn)為45 ，下端點(diǎn)為57 。 1.1.5 TOFD檢測(cè)的聲場(chǎng)分布 不同位置的信號(hào)強(qiáng)度分布： (1)在60的聲束聚焦中心區(qū)域有最高的信號(hào)波幅； (2)在4574范圍可以得到適中的信號(hào)幅度； (3)虛線內(nèi)其余區(qū)域雖然可以得到信號(hào)， 但波幅減小到-24dB，特別是在靠近 表

18、面的區(qū)域減小的更多。 波束覆蓋范圍主要是受探頭波束 寬度的限制，可以通過使用小直 徑的探頭，或是使用更大折射角 探頭（例如使用70折射角探頭） 來增大波束覆蓋的有效區(qū)域。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.1 TOFD技術(shù)的基本配置 雙探頭的優(yōu)點(diǎn)： (1) 可避免鏡面反射信號(hào)掩蓋衍 射波信號(hào)，從而在任何情況 下都能很好地接收端點(diǎn)衍射 波信號(hào)， (2) 測(cè)定反射體的準(zhǔn)確位置和深 度， (3) 易于實(shí)現(xiàn)大范圍掃查，快速 接收大量信號(hào)。 雙探頭系統(tǒng)是TOFD技術(shù)的基 本配置和特征。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) TOFD技術(shù)的典型設(shè)置 發(fā)射探頭接收探頭 直通波 上端點(diǎn) 下端點(diǎn) 底面反射信號(hào)

19、1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.1 TOFD技術(shù)的基本配置 實(shí)踐證明：在常規(guī)技術(shù)中 采用一個(gè)探頭也能發(fā)射超 聲波和接收衍射波，通常 情況下，反射信號(hào)，比衍 射信號(hào)波幅高，624dB, 對(duì)單探頭而言,接收到的 端點(diǎn)衍射波信號(hào)可能被反 射信號(hào)掩蓋，因此衍射波 信號(hào)是否能看到具有不確定性（如圖1.9） 。 總之，單探頭對(duì)端點(diǎn)衍射波信號(hào)接收不利，難以實(shí)現(xiàn)大范 圍檢測(cè)，也難以快速測(cè)定反射體的準(zhǔn)確位置和深度。 雖然，單探頭是可以進(jìn)行缺陷檢測(cè)的，但TOFD技術(shù)不采 用這種方法。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭 TOFD探頭的特點(diǎn)： (1) 采用小尺寸芯片的大擴(kuò)散角

20、探頭； (2) 要有良好的發(fā)射和接收性能； (3) 應(yīng)具有寬頻帶和窄脈沖特性 。 TOFD探頭一般使用的頻率范圍是1MHz15MHz， 芯片尺寸范圍是3mm 20mm，通過楔塊在鋼鐵 中形成4570的不同角度的折射縱波。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭 縱波探頭聲場(chǎng)特點(diǎn)： (1) 縱波與橫波同時(shí)存在。 (2) 大擴(kuò)散角和寬波束。 (3) 橫波聲場(chǎng)的強(qiáng)度比縱波大的多。 圖1.11 頻率5MHz，芯片直徑6mm，折射角60的探頭在鋼中的聲場(chǎng)分布 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭 TOFD技術(shù)使 用的典型超聲 探頭，是將一 個(gè)壓電

21、傳感器 安裝在有機(jī)玻 璃或其它類似 材料的楔塊上 組成探頭。壓 電傳感器大多 采用復(fù)合材料 。 壓電復(fù)合材料制作的探頭有以下優(yōu)點(diǎn) （1）橫向振動(dòng)很弱，串?dāng)_聲壓?。?（2）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q值低; （3）帶寬大（80%100%）； （4）機(jī)電耦合系數(shù)值大； （5）靈敏度高，信噪比優(yōu)于普通PZT探頭； （6）在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定； （7）可加工形狀復(fù)雜的探頭，僅需簡(jiǎn)易的切塊和充填技術(shù)； （8）聲速、聲阻抗、相對(duì)絕緣常數(shù)及機(jī)電系數(shù)易于改變（因 這些參數(shù)相關(guān)于陶瓷材料的體積率）； （9）易與聲阻抗不同的材料匹配（從水到鋼）； （10）可通過陶瓷體積率的變化，調(diào)節(jié)超聲波靈敏度。 1.2 TOFD技術(shù)的基

22、本知識(shí) 1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 在各種波中，縱波的傳播速度最快，幾乎是橫波的 兩倍，從而能夠領(lǐng)先于其它種類的波，在最短時(shí)間 內(nèi)到達(dá)接收探頭。使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺 陷的深度得到的結(jié)果是唯一的。 TOFD檢測(cè)不使用橫波而使用縱波，其目的也是為 了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。 使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺陷的深度得到的結(jié) 果是唯一的。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 設(shè)想:探頭發(fā)射的縱波 進(jìn)入工件，其中一部 分轉(zhuǎn)換為折射縱波C， 另一部分轉(zhuǎn)換成折射 橫波S。工件中傳播的 縱波C遇到缺陷A和B， 可能產(chǎn)生缺陷A的CCA和CSA，以及缺

23、陷B的CCB和CSB； 同樣,工件中傳播的橫波S遇到缺陷A和B, 可能產(chǎn)生包括缺陷A的 SCA和SSA，以及缺陷B的SCB和SSB。這樣,工件中傳播的信號(hào) 就包括了CCA、CSA、CCB、CSB、SCA、SCB、SSA、SSB， 這些信號(hào)都可能被探頭接收到，按信號(hào)的傳播速度，信號(hào)在時(shí) 間軸上的排列次序如圖1.12所示。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 由于TOFD檢測(cè)是以波的傳輸時(shí)間來確定缺陷深度 的，因此信號(hào)傳輸時(shí)間與缺陷深度必須有唯一性。 在金屬材料中，縱波最先到達(dá)接收探頭。依據(jù)縱波 信號(hào)（CCA、CCB）識(shí)別缺陷和以縱波波速計(jì)算其 深度，就不會(huì)與

24、橫波信號(hào)（CSA、CSB、SCA、 SSA、SCB、SSB）或變形波信號(hào)混淆，也不會(huì)發(fā) 生計(jì)算出錯(cuò)誤的缺陷深度。 TOFD檢測(cè)不使用橫波而使用縱波，其目的也是為 了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 按圖1.12（b）所示模型，可大致估算縱波與橫波信號(hào)的傳輸時(shí)間差。 設(shè)：缺陷A、B分別在工件上、下表面，且在兩探頭之間的中線 上，主聲束與底面法線夾角為45，近似認(rèn)為橫波聲速為縱波一 半，則：假如經(jīng)缺陷A的縱波信號(hào)CCA的傳輸時(shí)間近似于直通 波的傳輸時(shí)間2t，那么經(jīng)過缺陷B的縱波信號(hào)CCB的傳輸時(shí)間 近似于底波的傳輸時(shí)間就為2.8

25、t；經(jīng)過缺陷A的變形波CSA或 SCA的信號(hào)傳輸時(shí)間為3t；經(jīng)過缺陷B的變形波信號(hào)（CSB或 SCB）傳輸時(shí)間為4.2t；而橫波信號(hào)SSA、SSB分別為4t和5.6t 。 可見，位于兩探頭中間的缺陷，其產(chǎn)生的橫波信號(hào)始終在底波 之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干擾；在聲束經(jīng)過的大部分區(qū)域， 即使產(chǎn)生變形波信號(hào)也將在底波之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干 擾，只有在靠近其中一個(gè)探頭附近的很小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的變形波 信號(hào)可能在底波之前出現(xiàn)。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 綜上所述，在TOFD檢測(cè)時(shí)，工件中存在多種 波：首先是探頭發(fā)射的縱波和橫波；其次在波 的傳播過程中，遇到

26、缺陷，底面，或其它不同 聲阻抗的界面，會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。因此，到達(dá) 接收探頭的信號(hào)包括：所有縱波、所有橫波、 波型轉(zhuǎn)換后的一部分縱波和一部分橫波。 為什么TOFD檢測(cè)使用縱波而不用橫波探頭? 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào) 圖1.13所示為TOFD技術(shù)應(yīng)用時(shí)，波型種類和傳播 路徑的示意圖 圖1.13 TOFD技術(shù)的波傳播路徑 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào) 圖1.14所示為TOFD技術(shù)應(yīng)用時(shí)，A掃信號(hào)的示意圖 圖1.14 TOFD技術(shù)的A掃信號(hào) 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào) 發(fā)射探

27、頭 接收探頭 直通波 LW 上端點(diǎn)下端點(diǎn) 底面反射波 BW 1、直通波：兩個(gè)探頭之間沿工件表面直線傳播的縱波。路程最逗 ，最先到達(dá)。當(dāng)探頭間距較大時(shí)，直通波可能非常微弱，甚至不 能識(shí)別。由于TOFD掃查所發(fā)射和接收的信號(hào)在近表面區(qū)有較大 的壓縮，因此這些區(qū)域的一些有用信號(hào)可能隱藏在直通波下。直 通波的頻率比聲束中心的頻率低。 2、缺陷信號(hào)：缺陷上、下端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射信號(hào)，在直通波和底面 反射波之間，比直通波信號(hào)強(qiáng)，比底面反射波信號(hào)弱。為提高小 缺陷的上尖端和下尖端信號(hào)的分辨能力，可采取減少信號(hào)周期的 措施。 3、底面反射波：縱波在底面的反射波。因傳播距離比直通波長(zhǎng)， 所以在直通波之后出現(xiàn)。如果探

28、頭的波束只發(fā)射到金屬材料的上 部分或者工件沒有合適底部進(jìn)行反射，則底面反射波可能不存在 。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào) 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào) 4、波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底面縱波和底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)之間會(huì) 產(chǎn)生各種波型轉(zhuǎn)換信號(hào)，波型轉(zhuǎn)換信號(hào)到達(dá)接收探頭時(shí)間比 底面縱波反射信號(hào)長(zhǎng)，但比底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)短。 5、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底面縱波反射信號(hào)之后將出現(xiàn)一 個(gè)相當(dāng)大的信號(hào)，這種信號(hào)是底面橫波反射信號(hào)，它有時(shí)會(huì) 被誤認(rèn)為是底面縱波反射信號(hào)。 6、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)以后的信號(hào) ：底面反射波型轉(zhuǎn)換信 號(hào)以后

29、還會(huì)出現(xiàn)許多縱波和橫波多次反射和轉(zhuǎn)換的信號(hào)，對(duì) 這些信號(hào)一般不再進(jìn)行觀察和分析。 由于直通波和底面反射波的存在，檢測(cè)時(shí)如果只使用TOFD 技術(shù)，在上表面和下表面存在盲區(qū)，一般為幾毫米或十幾毫 米之間，近表面的盲區(qū)大于底面的盲區(qū)。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.5 相位關(guān)系 圖1.15是無缺陷工件TOFD檢測(cè)情況，A-Scan圖中只有直通波 和底面反為射波信號(hào)波形。 當(dāng)波束從高阻抗介質(zhì)中入射到一個(gè)低阻抗介質(zhì)（例如，從鋼中 入射到鋼/水界面或鋼/空氣 界面）時(shí)，在界面反射的信 號(hào)相位改變180。 如圖1.15所示，波束在碰到 界面之前是以正向周期開始 傳播的，在經(jīng)過界面反射后 變成以負(fù)向

30、周期開始傳播。 圖1.15 從高阻抗介質(zhì)入射到低阻抗介質(zhì)的 信號(hào)相位發(fā)生改變 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.5 相位關(guān)系 圖1.16是有缺陷工件TOFD檢測(cè)情況，A-Scan信號(hào)中直通波、缺 陷上、下尖端信號(hào)和底面反射波的波形圖。上尖端信號(hào)就像底面 反射信號(hào)一樣，相位變化了180。缺陷下尖端的衍射信號(hào)相位不 發(fā)生改變，以解釋為波束只是在缺陷底部環(huán)繞,沒有發(fā)生界面反 射。如果上尖端信號(hào)相位從負(fù)周期開始，與底面 反射信號(hào)相同，那么下尖端信號(hào) 就是從正向周期開始，其相位與 直通波信號(hào)相同。 研究表明，如果兩個(gè)衍射信號(hào)的 相位相反，可以判斷在信號(hào)之間 一定存在一個(gè)連續(xù)的缺陷。因此， 相位對(duì)分

31、析信號(hào)和測(cè)定缺陷準(zhǔn)確 尺寸是非常重要。 圖1.16 有缺陷的A-Scan信號(hào)相位比較 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.5 相位關(guān)系 上端點(diǎn)下端點(diǎn) 直通波 LW 底面反射波 BW + - + - 需要不檢波的A掃來顯示相位的變化 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.5 相位關(guān)系 相位的變化： 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相 反的。 缺陷的下端點(diǎn)與直通波的相位是相同的。 缺陷的上端點(diǎn)與底面反射波的相位是相同的。 每一個(gè)衍射信號(hào)的上、下端點(diǎn)衍射波相位是相反 的。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.5 相位關(guān)系 對(duì)不同深度的兩個(gè)衍射信號(hào)，可根據(jù)相位變化判斷工 件中的缺陷

32、是一個(gè)缺陷還是兩個(gè)缺陷。 如果兩個(gè)信號(hào)的相位相反，可能是一個(gè)缺陷（例如一 條裂紋）的上下尖端衍射信號(hào)； 如果兩個(gè)信號(hào)的相位相同，則可判定為兩個(gè)缺陷。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.6 深度計(jì)算 探頭中心距：兩探頭入射點(diǎn)之間的距離又稱為探頭中心距 ，用符號(hào)PCS表示。 如圖1.17所示，PCS2S。由于兩探頭相對(duì)于衍射端點(diǎn)是 對(duì)稱的，則超聲信號(hào)傳播距離L可以用下式計(jì)算： L= 2(s2 + d2)1/2 超聲信號(hào)傳播時(shí)間計(jì)算式： t = 2(s2 + d2)1/2/c 衍射端點(diǎn)深度的計(jì)算式： d = (ct/2)2 - s21/2 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.6 深度計(jì)算

33、【例題1】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心 距80mm，衍射點(diǎn)深度30mm，則超聲信號(hào)傳播距離是多少？ 解：由公式L= 2(s2 + d2)1/2，得：L= 2(402 + 302)1/2100mm。 答：超聲信號(hào)傳播距離為100mm。 【例題2】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心 距80mm，衍射點(diǎn)深度30mm，聲波速度6 mm/s，則超聲信號(hào) 傳播時(shí)間是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：t = 2(402 + 302)1/2/616.6 s 答：超聲信號(hào)傳播時(shí)間是16.6 s。 【例題3】已知：聲波速度6 mm/s，衍射信號(hào)傳播時(shí)間

34、為16.6 s ，兩探頭中心距80mm：假設(shè)衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上 ，則衍射點(diǎn)深度是多少？ 解：由公式d = (ct/2)2 - s21/2， 得：d = (616.6/2)2 -4021/230mm。 答：衍射點(diǎn)深度是30mm。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.6 深度計(jì)算 【例題4】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，設(shè)聲速為 6mm/s，已知兩探頭中心距80mm，計(jì)算衍射點(diǎn)深度0.5mm 、1mm、2mm、4mm的信號(hào)傳輸時(shí)間。 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得： d 0.5 mm ，t0.5 = 2(402 + 0.52)1/2/613.3343s； d

35、 1 mm ，t1 = 2(402 + 12) 1/2/613.3374s； d 2 mm ，t2 = 2(402 + 22) 1/2/613.3499s； d 4 mm ，t4 = 2(402 + 42) 1/2/613.3998s； 由計(jì)算結(jié)果可知， 深度1mm與0.5mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.0031s； 深度2mm與1mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.01259s； 深度4mm與2mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.05s， 由于深度變化的時(shí)間增量太小，深度就難以測(cè)準(zhǔn)。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.6 深度計(jì)算 在TOFD檢測(cè)中，深度和時(shí)間的關(guān)系不是線性的，而是呈平 方關(guān)系

36、的，因此，在近表面區(qū)域，信號(hào)在時(shí)間上的微小變化 轉(zhuǎn)換成深度就變化較大。深度測(cè)量的誤差隨著接近表面而迅 速增大。 通過軟件計(jì)算進(jìn)行線性化處理可得出B-Scan和D-Scan的線性 深度圖。 由于存在直通波和不斷增大的深度誤差，TOFD對(duì)近表面的 缺陷探測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性并不太高。這個(gè)不能保證區(qū)域可 以通過減小PCS或采用高頻探頭來改變。當(dāng)工件只作一次掃 查時(shí)，近表面不能保證距離大約是10mm。 例如，采用15MHz的探頭和較小的PCS，對(duì)工件的檢測(cè)可以 達(dá)到表面以下1mm深度，不過這些措施會(huì)使檢測(cè)覆蓋面減小 。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 1、深度校準(zhǔn) 延時(shí)

37、時(shí)間：從晶片發(fā)出的聲束到入射點(diǎn)需要的時(shí)間 稱為延時(shí)時(shí)間。用2t0表示。 發(fā)射探頭接收探頭 SS d LWBW t0t0 始脈沖 t 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 信號(hào)總的傳播時(shí)間： SS d t0t0 發(fā)射探頭 接收探頭 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 1、深度校準(zhǔn) 缺陷深度計(jì)算公式： 接收探頭 SS d t0t0 發(fā)射探頭 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 1、深度校準(zhǔn) 直通波出現(xiàn)的時(shí)間公式： t L= 2s/c + 2to 底面反射波出現(xiàn)時(shí)間公式： t b = 2(s2 + D2)1/2/

38、c + 2to 探頭的延時(shí)式： 2to = t b - 2(s2 + D2)1/2/c 波的傳播速度： c = 2(s2 + D2)1/2 - 2s/ (t b t L) 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 1、深度校準(zhǔn) 發(fā)射探頭接收探頭 2S d1 d2 由于計(jì)算自身高度只需要測(cè)量時(shí)間, 所以高度估計(jì)會(huì)很 準(zhǔn)確。實(shí)際操作中，檢測(cè)裂紋 1mm 的精度是完全可 以達(dá)到的 (檢測(cè)人工缺陷時(shí)可以達(dá)到 0.1 mm )。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 【例題5】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中 心距80mm，衍射點(diǎn)深度30

39、mm，聲波速度6 mm/s，兩個(gè)探 頭楔塊中的總延時(shí)1.6s，則從發(fā)射到接收超聲信號(hào)總的傳播 時(shí)間是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c + 2to 得：t = 2(402 + 302)1/2/6 + 1.618.2 s。 答：從發(fā)射到接收超聲信號(hào)總的傳播時(shí)間是18.2 s。 【例題6】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超 聲信號(hào)總的傳播時(shí)間為18.2 s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí) 1.6s，兩探頭中心距80mm：假設(shè)衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的 中心線上，則衍射點(diǎn)深度是多少？ 解：由公式d = (c/2)2(t-2to)2 - s21/2 得：d = (6/2)2

40、(18.2-1.6)2 - 4021/2= 30mm。 答：衍射點(diǎn)深度是30mm。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 【例題7】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超聲 信號(hào)總的傳播時(shí)間為18.2 s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí)1.6s ，兩探頭中心距80mm：則直通波信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間是多少？ 解：由公式 t L = 2s/c + 2to 得：t L =80/6 + 1.614.9 s。 答：直通波出現(xiàn)的時(shí)間為14.9 s。 【例題8】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度53mm，衍射超聲 信號(hào)總的傳播時(shí)間為18.2 s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí)1.6s

41、，兩探頭中心距80mm：則底面反射波出現(xiàn)的時(shí)間是多少？ 解：由公式t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to 得：t b = 2(402 + 532)1/2/6 + 1.623.6 s。 答：底面反射波出現(xiàn)的時(shí)間為23.6 s。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 2、檢測(cè)時(shí)PCS的設(shè)定 聚焦深度： d = 2/3 D 探頭間距： PCS =2S=2d tan = (4/3)D tan s 2s=PCS d=2/3D D 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 2、檢測(cè)時(shí)PCS的設(shè)定 【例題9】檢測(cè)60mm厚焊縫，聚焦點(diǎn)選在板

42、厚的2/3 處，計(jì)算： （1）探頭折射角=45，探頭中心距PCS？ （2）探頭折射角=60，探頭中心距PCS？ （3）探頭折射角=60聚焦點(diǎn)選在板厚的1/2處， 探頭中心距PCS？ 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 2、檢測(cè)時(shí)PCS的設(shè)定 【例題9】檢測(cè)60mm厚焊縫，聚焦點(diǎn)選在板厚的2/3處，則： （1）探頭折射角=45，探頭中心距PCS？ 解：由公式 2s = (4/3)Dtan，得2s 460tan45/3 = 80 mm （2）探頭折射角=60，探頭中心距PCS？ 解： 2s 460tan60/3 = 138.56 mm （3）探頭折射角=60聚焦點(diǎn)選在

43、板厚的1/2處，探頭中心距PCS ？ 解： s=dtan2s=2dtan (d=D/2)2s=Dtan 2s=60tan60=104mm s d 【練習(xí)1】已知工件厚度D20mm，探頭角度60,聲速c5.96mm/s，請(qǐng) 計(jì)算： 【練習(xí)2】檢測(cè)D=40mm厚的焊縫，探頭中心距2S120mm，聲速c 5930m/s, 底波信號(hào)的傳播時(shí)間t b=25.1s， （1）求超聲波在楔塊中的傳播時(shí)間？ （2）如果有三個(gè)衍射信號(hào)的傳播時(shí)間分別為23.78s、22s和21.03s，求衍 射點(diǎn)的深度？ 【練習(xí)3】已知工件厚度D50mm，探頭角度45，聲速c5.96mm/s, 楔 塊內(nèi)總延時(shí)1.6s，聚焦點(diǎn)2D/

44、3，請(qǐng)計(jì)算： （1）PCS？ （2）直通波到達(dá)時(shí)間？ （3）底波到達(dá)時(shí)間？ （4）直通波與底波時(shí)間差？ 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 3、檢查A-Scan采集信號(hào)的正確性 直通波的信號(hào)非常弱，而橫波的底面反射波比縱波 的底面反射波還要強(qiáng)，因此TOFD檢測(cè)的信號(hào)顯示 應(yīng)包括：直通波、底面反射縱波、底面反射變形波 。為保證信號(hào)采集的正確性，通常需要利用直通波 出現(xiàn)時(shí)間公式和底面反射波出現(xiàn)時(shí)間公式計(jì)算，用 計(jì)算結(jié)果來核查所采集的信號(hào)是否正確。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.8 TOFD技術(shù)的圖像顯示 TOFD技術(shù)把一系列A掃數(shù)據(jù)組合，通過信號(hào)處理轉(zhuǎn) 換為

45、TOFD圖像。在圖像中每個(gè)獨(dú)立的A掃信號(hào)成 為圖像中很窄的一行，通常一幅TOFD圖像包含了 數(shù) 百個(gè)A掃信號(hào)。A掃信 號(hào)的波幅在圖像中是 以灰度明暗顯示的。 通過灰度等級(jí)表現(xiàn)出 幅度大小。 圖1.18 TOFD圖像 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)1.2.8 TOFD 技術(shù)的圖像顯示 一個(gè)8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換的灰度等級(jí)數(shù)值是256個(gè)， 用數(shù)字127(純 白色)代表+100FSH，用數(shù)字0(中間灰)代表0FSH，用 數(shù)字-128(純黑色)代表-100FSH。 +100% -100% -128 +127 Zero 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.8 TOFD技術(shù)的圖像顯示 A掃信號(hào)灰度圖 Typi

46、cally used for TOFD 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.8 TOFD技術(shù)的圖像顯示 原因解釋：弧形凸起峰的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是衍射信號(hào) 聲程的最小位置。在掃查過程中，衍射點(diǎn)相對(duì)于探 頭位置不斷變化，衍射信號(hào)傳輸時(shí)間也不斷變化。 當(dāng)缺陷位于發(fā)射和接收探頭的連線中點(diǎn)下方的對(duì)稱 處時(shí)，脈沖傳輸時(shí)間最短。當(dāng)探頭偏離這一位置（ 無論是D掃或B掃），傳輸時(shí)間都會(huì)增加。 TOFD掃查時(shí)，探頭由遠(yuǎn)處而來，經(jīng)過缺陷再離去， 由對(duì)稱位置的一邊掃描至另一邊，衍射信號(hào)的傳輸 時(shí)間先是逐漸減小，直到一個(gè)最小值，然后再次增 加，這樣在TOFD圖像中就形成一個(gè)弧。 平行掃查 上表面 下表面 B掃 直通波

47、這種掃查會(huì)產(chǎn)生典型的 反向拋物線 當(dāng)探頭相對(duì)于 缺陷對(duì)稱時(shí)時(shí) 間最短 。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 TOFD檢測(cè)基本掃查類型分類： 1、非平行掃查，掃查得到的圖像稱為D掃描圖像； 非平行掃查分為兩種掃查形式： (1)探頭在焊縫兩邊對(duì)稱放置的非平行掃查(正常情況)； (2)探頭在焊縫兩邊不對(duì)稱放置的偏置非平行掃查（特 殊情況）。 2、平行掃查，掃查得到的圖像稱為B掃描圖像。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 非平行掃查或D-Scan： 是指掃查方向與超聲波 束方向不是平行的。 特點(diǎn)： 1、能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍檢測(cè)； 2、焊縫余高不影響掃查

48、。 3、效率高、速度快、成本 低、操作方便。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 D 掃所看到的視圖： D掃描用于采集焊縫及兩側(cè)母材中的缺陷 D掃描視圖不能判斷出缺陷在焊縫中的橫向位置 TxRx 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 非平行掃查-D掃： 主要用于缺陷定位 和長(zhǎng)度方向的定量 ，不能判斷出缺陷 在焊縫中的橫向位 置；在高度方向上 的定量不精確。 焊縫 TxRx 波束方向 掃查方向 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 偏置非平行掃查：探頭在 焊縫兩邊不對(duì)稱放置，掃 查方向與超聲波束方向不 平行。這種掃查主要針

49、對(duì) 一些特殊情況，例如解決 軸偏離底面盲區(qū)問題。當(dāng) 工件的底面的焊縫較寬時(shí)， 為提高焊縫底面熔合區(qū)和 熱影響區(qū)的缺陷檢出率就 需要采用該方法掃查。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 信號(hào)的位置的測(cè)量 典型的D掃視圖 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 平行掃查是指掃查方向與 超聲波束方向是平行的。 掃查結(jié)果稱為B掃描。 平行掃查是跨越焊縫的橫 截面，掃查中探頭需要越 過焊縫，多數(shù)情況下需要 將焊縫余高磨平再進(jìn)行掃 查。 平行掃查在深度上能夠提 供很高的精度。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 采用平行掃查-B掃 雖然沒有提供缺陷的

50、 長(zhǎng)度，但可以對(duì)缺陷 深度進(jìn)行更精確的定 量和缺陷距焊縫中心 線的距離，也有助于 對(duì)缺陷寬度和傾斜角 度的判斷。 焊縫 TxRx 波束方向 掃查方向 1.2.9 TOFD掃查類型 D掃 上表面 內(nèi)壁 A掃 LW BW 1.2.9 TOFD掃查類型 上表面 下表面 B掃查會(huì)產(chǎn)生典型的 反向拋物線 直通波 要想使衍射信 號(hào)顯示曲線凸 起更明顯，可 以采用較小的 PCS和較窄的 波束寬度。 當(dāng)探頭相對(duì)于 缺陷對(duì)稱時(shí)時(shí) 間最短 。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 典型的B掃視圖 B掃 C掃 D掃 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 對(duì)非平行掃查，

51、缺陷高 度的檢測(cè)精度與缺陷距 焊縫中線的位置有關(guān)， 如果缺陷不在焊縫中線 ，則深度計(jì)算將出現(xiàn)誤 差。 如果衍射點(diǎn)不在兩探頭 的中間線上（如果探頭 相對(duì)于焊縫對(duì)稱設(shè)置， 則兩探頭的中間線就是 焊縫中線），則深度計(jì) 算將不準(zhǔn)確。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.9 TOFD掃查類型 由TOFD技術(shù)的衍射點(diǎn)深度計(jì)算公式可知，在以兩個(gè)探頭為 焦點(diǎn)形成的橢圓軌跡上的任意位置，衍射信號(hào)的傳播時(shí)間是 一樣的。當(dāng)探頭相對(duì)于缺陷對(duì)稱時(shí)時(shí)間最短 。 發(fā)射探頭 接收探頭 SS d t0t0 x 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.10 信號(hào)的位置的測(cè)量 在TOFD掃查的圖形中，缺陷顯示的兩端都呈弧形 ，

52、這一點(diǎn)在平行掃查的圖形中尤其明顯，為了比較 準(zhǔn)確地測(cè)量出缺陷的長(zhǎng)度和高度，需要采用特殊的 測(cè)量工具弧形光標(biāo)擬合缺陷端點(diǎn)的弧形。 TOFD光標(biāo)有兩種： 一種是十字光標(biāo)，用于從A掃信號(hào)中測(cè)量數(shù)據(jù)； 另一種是拋物線光標(biāo)，用于從D掃描圖中測(cè)量數(shù)據(jù) 。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.10 信號(hào)的位置的測(cè)量 典型的TOFD圖像十字光標(biāo) 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.10 信號(hào)的位置的測(cè)量 典型的TOFD圖像拋物線光標(biāo) 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.10 信號(hào)的位置的測(cè)量 測(cè)量信號(hào)包括三個(gè)參數(shù)： 平行焊縫方向上距掃查起始點(diǎn)的距離（X），參數(shù)X用于確定 信號(hào)位置和缺陷長(zhǎng)度。 垂直

53、焊縫方向的橫向距離（Y），用于平行掃查，確定缺陷 的橫向位置 。 距離檢測(cè)面的深度（Z）， 參數(shù)Z用于確定缺陷深度 和缺陷高度。 Z X Y O 掃查面 底面 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.10 信號(hào)的位置的測(cè)量 1、沿掃查線的位置參數(shù)（X）的測(cè)量 因X參數(shù)是測(cè)量缺陷水平位置和缺陷長(zhǎng)度的，所以， 在測(cè)試前，首先應(yīng)確定掃查的起始點(diǎn)，探頭移動(dòng)時(shí) ，儀器通過編碼器記錄下每一個(gè)A掃信號(hào)相對(duì)起始點(diǎn) 的位置。通過移動(dòng)十字光標(biāo)就可以從記錄中得到任 意一個(gè)A掃信號(hào)的X參數(shù)。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.10 信號(hào)的位置的測(cè)量 2、距檢測(cè)面的深度參數(shù)（Z）的測(cè)量 測(cè)量缺陷深度和缺陷高度的方

54、法是，首先將十字光標(biāo)置于A 掃直通波的起始位置，記錄相應(yīng)的時(shí)間，然后將光標(biāo)置于缺 陷波起始位置，再次記錄時(shí)間，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)顯示出缺陷 的深度。 在缺陷靠近表面的情況下，缺陷信號(hào)和直通波信號(hào)之間的干 涉可能會(huì)使測(cè)量變得困難，但從D掃描圖中可觀察到信號(hào)的 尾部形狀，測(cè)量方法是將拋物線光標(biāo)與信號(hào)顯示的尾部擬合 。為保證準(zhǔn)確性也可將直通波去除后在測(cè)量。在近表面區(qū)域 ，拋物線形狀的很小變化就會(huì)引起較大的深度誤差，所以測(cè) 量時(shí)需仔細(xì)、認(rèn)真。 缺陷高度的測(cè)量方法：先測(cè)量缺陷上尖端信號(hào)位置，記下時(shí) 間，在測(cè)量缺陷下尖端信號(hào)位置，記下相對(duì)的時(shí)間，通過計(jì) 算機(jī)即顯示缺陷的自身高度。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知

55、識(shí) 1.2.10 信號(hào)的位置的測(cè)量 3、橫向位置參數(shù)（Y）的測(cè)量 在非平行掃查中，無法測(cè)定橫向位置參數(shù)Y值，要 想確定缺陷信號(hào)的橫向位置Y值，就必須在缺陷上 方進(jìn)行平行掃查。 首先確定掃查的起始點(diǎn)，以兩探頭中間的對(duì)稱點(diǎn)為 位置零點(diǎn)，探頭移動(dòng)，編碼器記錄下過程中每一個(gè) A掃信號(hào)相對(duì)起始點(diǎn)的位置。用光標(biāo)測(cè)量缺陷信號(hào) 聲程最小的位置，該數(shù)值就是缺陷位于探頭中間的 對(duì)稱位置的信號(hào)，即參數(shù)Y的數(shù)值。也是缺陷相對(duì) 于焊縫中心線的位置。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.11 TOFD檢測(cè)的盲區(qū) 盲區(qū)：是指TOFD技術(shù)實(shí)施檢測(cè)時(shí)，被檢體積中不能發(fā)現(xiàn)缺陷的區(qū)域。 上表面盲區(qū)就是直通波信號(hào)所覆蓋的深度范圍

56、。由于上表面缺陷的信號(hào)可 能隱藏在直通波信號(hào)之下，因此相當(dāng)于直通波信號(hào)的深度是盲區(qū)。 決定上表面盲區(qū)深度的因素： 1、直通波脈沖時(shí)間寬度 2、探頭帶寬與頻率 3、探頭中心間距（PCS值） 一般情況盲區(qū)占檢測(cè)厚度的1525mm。 例如對(duì)40mm厚焊縫，按照正常規(guī)范選擇檢測(cè)參數(shù)，其盲區(qū)大致為 515mm。 5MHz探頭，周期0.2s，PCS=100mm，工件厚度40mm，直通波為兩倍 周期0.4s，則盲區(qū)為11mm。 減小上表面盲區(qū)的措施：減小PCS，窄脈沖探頭，直通波去除。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.11 TOFD檢測(cè)的盲區(qū) 下表面盲區(qū)：主要是指軸偏離底面盲區(qū)，即偏離兩探頭中心 位

57、置的底面區(qū)域存在的盲區(qū)。 按TOFD檢測(cè)一收一發(fā)的探頭布置，超聲衍射信號(hào)傳輸時(shí)間 相等位置為一個(gè)橢圓軌跡。如果缺陷在橢圓軌跡以下區(qū)域， 則信號(hào)出現(xiàn)在底面反射波之后，因此無法檢出。 偏離焊縫中心的缺陷很難在D-掃描的底面反射信號(hào)中看到， 可能被底面回波信號(hào)掩蓋。 在傳播時(shí)間相同軌跡上任意 一點(diǎn)的信號(hào)都具有相同的時(shí) 間 檢測(cè)不到 的缺陷 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.11 TOFD檢測(cè)的盲區(qū) 下表面盲區(qū)距中心線越遠(yuǎn)，盲區(qū)高度就越大。 軸偏移誤差：8 發(fā)射探頭 接收探頭 SS t2 t1 相等時(shí)間的軌跡 (t1+t2=2t) dmindmax 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.12

58、TOFD技術(shù)的精度和可靠性試驗(yàn) 1、裂紋高度尺寸測(cè)量試驗(yàn) 1979年M.G.Silk公布了利用TOFD技術(shù)對(duì)缺陷高度尺寸測(cè) 量試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，用于試驗(yàn)的缺陷為815 mm之間疲勞裂紋 。 圖中用實(shí)線給出裂紋的 實(shí)際高度，TOFD測(cè)量 值用圓圈表示，均方根 （RMS）誤差為0.3 mm， 證明應(yīng)用TOFD測(cè)量裂紋 高度是很準(zhǔn)確的。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.12 TOFD技術(shù)的精度和可靠性試驗(yàn) 2、缺陷尺寸測(cè)量精度試驗(yàn) 表1.1 衍射時(shí)差技術(shù)對(duì)非平面缺陷的測(cè)量誤差 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，衍射時(shí)差技術(shù)檢測(cè)精度比其它方法更高，尤其 在測(cè)量缺陷高度尺寸時(shí)，使用衍射時(shí)差技術(shù)可以得到誤差小于1mm 的檢

59、測(cè)精度。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.12 TOFD技術(shù)的精度和可靠性試驗(yàn) 表1.2 衍射時(shí)差技術(shù)對(duì)平面缺陷的測(cè)量誤差 TOFD技術(shù)對(duì)缺陷高度尺寸的測(cè)量精度1.8mm，試驗(yàn)的缺陷高度為 1.5mm3mm之間的接近衍射時(shí)差技術(shù)的最小識(shí)別能力的缺陷，對(duì)這些缺陷 的檢測(cè)偏差稍大。即使如此， TOFD技術(shù)的測(cè)量精度也高于其它各種檢測(cè)方 法的精度（標(biāo)準(zhǔn)偏差2.45.0mm）。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.12 TOFD技術(shù)的精度和可靠性試驗(yàn) 3、TOFD技術(shù)與基于波幅檢測(cè)技術(shù)在缺陷尺寸測(cè)量精度上的比較 1989年Ammirato和Willetts公布了基于波幅技術(shù)和TOFD技術(shù)對(duì)

60、缺陷 尺寸測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果。 試件中的三類缺陷通常出現(xiàn)在 核電設(shè)備上，第一類缺陷位于 碳鋼上堆焊不銹鋼的過渡層的 下面；第二類缺陷位于焊縫里； 第三類缺陷在接管與殼體連接 處的焊縫中。 各種試驗(yàn)方法，如50%DAC、 20%DAC、6dB法等，結(jié)果表明： TOFD法對(duì)缺陷尺寸測(cè)量進(jìn)度最 高、誤差最小、方法最好。 圖1.24 TOFD技術(shù)與基于波幅檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量精度比較 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.12 TOFD技術(shù)的精度和可靠性試驗(yàn) 4、缺陷檢出率試驗(yàn) 使用TOFD技術(shù)、機(jī)械掃查的超聲波技術(shù)、手工掃查的超聲波技術(shù)和 射線照相技術(shù)方法。得出的缺陷檢出率評(píng)價(jià)是：手工UT，4060 ；射線

61、，5560；X射線， 5565；UT機(jī)械掃查，5585； TOFD，7585。 由圖可見，TOFD技術(shù)比常規(guī)手工 UT或RT檢測(cè)可靠性要高得多。 試驗(yàn)還指出，如果使用機(jī)械掃查 脈沖回波技術(shù)結(jié)合TOFD技術(shù)， 缺陷檢出率可達(dá)到8095， 缺陷檢測(cè)精度和尺寸測(cè)量精度都很高。 1.3 TOFD技術(shù)的特點(diǎn) 1.3.1 常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)的局限性 1、角度問題 常規(guī)超聲檢測(cè)中，當(dāng)反射面相對(duì)于超聲波束垂直時(shí) ，回波幅值最高；反射面傾斜將導(dǎo)致回波幅值迅速 下降，僅僅5的傾斜波幅將下降一半（6dB），而 10或更大的傾斜將使檢測(cè)無法進(jìn)行，即探頭可能完 全接收不到反射波。 在斜射橫波檢測(cè)時(shí)，可以在一定的角度范圍選

62、擇探 頭，以便獲得良好的入射角。但實(shí)際操作中仍會(huì)遇 到聲束與面積型缺陷不垂直，從而影響缺陷檢出。 例如垂直于表面的未熔合，由于超聲波束無法以適 當(dāng)?shù)慕嵌鹊竭_(dá)缺陷表面，而導(dǎo)致漏檢。 1.3 TOFD技術(shù)的特點(diǎn) 1.3.1 常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)的局限性 2、波幅問題 在常規(guī)超聲脈沖回波檢測(cè)中，判斷缺陷存在及測(cè)量缺陷的大 小都是基于信號(hào)的波幅，如當(dāng)量比較法或端點(diǎn)6dB法，這是 一種簡(jiǎn)單且實(shí)用的方法。 影響信號(hào)波幅的因素很多： （1）缺陷與標(biāo)準(zhǔn)反射體的表面粗糙度不同； （2）工件與標(biāo)準(zhǔn)試塊的表面粗糙度不同； （3）缺陷的傾斜角度； （4）缺陷的形狀； （5）操作時(shí)對(duì)探頭的壓緊力等等。 這些都是影響反射信號(hào)

63、的波幅。因此，基于信號(hào)波幅的定量 方法的準(zhǔn)確性難以提高。 1.3 TOFD技術(shù)的特點(diǎn) 1.3.1 常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)的局限性 3、信號(hào)記錄和存儲(chǔ)問題 常規(guī)超聲脈沖回波檢測(cè)使用的模擬超聲探傷儀和簡(jiǎn) 單數(shù)字超聲探傷儀都有下列缺點(diǎn)： （1）記錄信號(hào)能力差， （2）無法記錄存儲(chǔ)信號(hào)或只能記錄存儲(chǔ)單個(gè)信號(hào)， （3）不能連續(xù)全過程記錄信號(hào)， （4）不能進(jìn)行大批量信號(hào)處理。 1.3 TOFD技術(shù)的特點(diǎn) 1.3.2 TOFD檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) TOFD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)： 1、TOFD技術(shù)的可靠性好。 2、TOFD技術(shù)的定量精度高。 3、TOFD檢測(cè)簡(jiǎn)便快捷，檢測(cè)效率高。 4、TOFD檢測(cè)系統(tǒng)配有自動(dòng)或半自動(dòng)掃查裝置，能夠

64、確定 缺陷與探頭的相對(duì)位置，TOFD圖像更有利于缺陷的識(shí)別 和分析。 5、TOFD儀器能全過程記錄信號(hào)，長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)，能高速 進(jìn)行大批量信號(hào)處理 6、TOFD技術(shù)除了用于檢測(cè)外，還可用于缺陷擴(kuò)展的監(jiān)控 ，對(duì)裂紋高度擴(kuò)展的測(cè)量精度可高達(dá)0.1mm。 1.3 TOFD技術(shù)的特點(diǎn) 1.3.3 TOFD技術(shù)的局限性 TOFD技術(shù)的局限性： 1、工件上、下表面存在盲區(qū)。 2、難以準(zhǔn)確判斷缺陷性質(zhì)。 3、TOFD圖像識(shí)別和判讀比較難，數(shù)據(jù)分析需要豐富的經(jīng) 驗(yàn)。 4、對(duì)粗晶材料（奧氏體焊縫）檢測(cè)比較困難，其信噪比 較低。 5、橫向缺陷檢測(cè)比較困難（焊縫余高） 。 6、復(fù)雜幾何形狀的工件檢測(cè)比較困難。 7、點(diǎn)狀缺陷的尺寸測(cè)量不夠準(zhǔn)確。 1.3 TOFD技術(shù)的特點(diǎn) 采用數(shù)字化記錄超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn): 1、TOFD記錄的是每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的完整的未經(jīng)修正的原始的數(shù) 字化A掃信號(hào)