超声TOFD检测课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Nanchang Hangkong University,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,主要内容,TOFD技术研究现状,TOFD 技术的基本知识,TOFD技术的工艺参数选择,TOFD,检测的,典型缺陷,TOFD 优势与局限性,TOFD技术的发展前景展望,20世纪70,年代末由英国Harwell试验室的SiLK和Lidindton先生发明。,20世纪80,年代以后进行现场检测技术的开发。,20,世纪,90,年代,该技术应用于各个领域，如铁路、桥梁、石油、核工业等。,21 世纪初TOFD,技术开始引入中国。,2001年至2005,年期间，有部分学者翻译了一些国外文献，并展开一些应用研究。,1.TOFD技术研究现状,目前国内对TOFD技术的研究也越来越广泛。,迟大钊等利用线性化处理技术来提高图像的时间分辨率，能够达到对缺陷的精确定位。,吴军芳等也充分研究了TOFD探头性能对检测结果的影响。,曹明等提出将反求工程方法应用在TOFD法无损检测的三维计算机辅助设计（CAD)建模中，实现了被检测件及其缺陷的CAD建模模拟图，使得检测缺陷的显示更直观。,2.1,TOFD,衍射原理,TOFD 是time of flight diffraction technique的缩写，即超声衍射时差检测技术，它是利用超声波在缺陷端部发生衍射所产生的衍射波导致的传播时间差来进行缺陷检测和定量的方法。图1所示波的传播路经及各波的相位图，,2.TOFD 技术的基本知识,图,1,TOFD,平面原理示意图,几点说明,TOFD是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）,的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的,方法,检测时使用一对或多对纵波探头，这些探头的特点为,宽声束、高频率，并且每一对探头的频率应相同,每对探头相对焊缝对称分布，分别为发射探头和接收,探头，声束覆盖检测区域,声波在传播过程中，遇到缺陷时产生反射波和衍射波，,衍射波比反射波低2030dB,接收探头具有极高的灵敏度，接收探头接收衍射波（特,殊情况也接受反射波，如检测孔时孔的顶部反射）,通过精确测量衍射波传播时间和利用三角方程，确定出,缺陷的尺寸和位置,TOFD检测不是依赖于测量缺陷回波高度而是以精确测,量衍射波的飞行时间确定缺陷的尺寸和位置,在实验室条件下，对于自然裂纹测量精度为1mm，对于,人工反射体测量精度为0.1mm,TOFD:典型的设置,从上图可知：,使用一对探头,：,发射探头和接收探头，是为了尽可能只接收衍射波，不接收反射波,直通波（LW）和内壁反射波（BW）是固定存在的，,无论被检焊缝中是否存在缺陷,由于直通波（LW）存在，检测时如果只使用TOFD检,测，在上表面存在盲区，约为510mm左右,直通波（LW）和内壁反射波（BW）相位是相反的,每一个显示的上、下端点衍射波相位是相反的,显示的上端点与直通波相位相反，与底面反射波相位,相同,问题：,TOFD,检测,技术,为什么采用纵波？,使用纵波的原因,：,使用斜探头时，从晶片上发出的纵波传入斜楔后，在检测,工件中产生折射纵波和横波,直通波LW和底面反射波BW均为纵波,由于纵波声速最大，在时间轴上的直通波LW和底面反射,波BW之间只存在纵波入射时引起的缺陷衍射纵波,而横波入射到底面引起的反射纵波和纵波入射到底面引起,的反射横波（变型波）都在底面反射波BW之后,横波入射到缺陷两端引起的衍射波和变型波通常也在缺陷,波之后,使用横波检测由于变型波和纵波的影响，难以分辨缺陷,波；而使用纵波检测时，在时间轴上横波等都位于有效评,定区之后，易于波形分析,2.2不同角度下衍射信号波幅的变化,图2为测定衍射波幅不在同折射角度下变化的实验装置示意图。,20,40,60,80,度数,-14,-9,-6,-3,0,相对振幅,裂纹下尖端的信号,裂纹上尖端的信号,图2,衍射波波幅随角度变化曲线,由图可见，折射角变化，衍射信号幅度也随之变化。但是45度到80度区间，幅度与折射角关系不大。一般使用4570的探头角度。,2.3 超声探头,TOFD检测一般使用的是短脉冲、宽频带、高灵敏度的纵波斜探头。,2.4 探头PCS的设定,当为非平行扫查设置参数时，PCS的最佳选择为：,图3中为波速在工件中的角度，D是工件厚度。,图3,2.5 探头角度的选择,探头角度的选择原则：探头角度应在探头间距设定后确定。探头角度的选择要使声束对准被检区域。典型的标称探头角度有45，60和70。,2.6 灵敏度调整,在TOFD 法中，衍射信号的幅度往往比反射信号低得多。为使衍射回波在记录上得以显示，应有足够的灵敏度调节量。可用带缺陷试板、用铣槽或线切槽衍射信号、用横通孔反射信号或用增益噪声调节仪器灵敏度。,2.7 TOFD 扫查类型,有两种扫查类型。一类是平行扫查，扫查得到的图像称为B扫描图像如图4.1 所示；另一类是非平行扫查，扫查得到的图像称为D扫描图像如图4.2 所示。,图4.1 TOFD法双探头移向（沿焊缝长度方向）与相应的B扫描图像,图,4.2 TOFD法双探头移向（沿焊缝宽度方向）与相应的D扫描图像,2.8缺陷计算公式,假定超声脉冲从发射探头入射点进入试件，又在接收探头入射点离开试件，两探头相隔间距为2S 图5所示，则超声脉冲入射到面状缺陷上，产生衍射波后，又传到接收探头的全程时间t，可由下式求出：,图5 TOFD基本计算示意图,式中C 纵波声速;,d 缺陷端点离表面距离(埋藏深度);,X 缺陷(衍射体)偏离两探头间距中分平面的距离。,当面状缺陷位于两探头间距中心，即X=0时，t 值最小。此时，式(1)可简化为,可得出缺陷埋藏深度d即,求出面状缺陷上下两端点的深度位置d,1,和d,2,，就很容易测出缺陷自身高度h=d,2,-,d,1,3.1探头的选择,3.1.1探头角度的选择,我们首先来考虑直通波和底面回波信号的时间间隔，因为这影响检测分辨率。直通波与底面回波之间的时间间隔t可表示为：,3、TOFD技术的工艺参数选择,下表给出一些不同角度的折射角在壁厚40mm且探头聚焦在2/3厚度处的例子：,波束在工件中的角度,45,60,70,探头中心距（mm）,48.0,83.2,132.0,直通波(s),8.1,13.0,22.2,底面回波(s),15.7,19.4,25.9,时间范围(s),7.6,5.42,3.8,表,3.1,直通波和底面回波信号之间的时间区间,根据表格可以看出，探头角度越小，直通波与底面波的时间差越大，那么沿时间轴的信号清晰度也越好，深度测量也越精确。,选择大角度探头必须注意两个问题。第一，衍射的最佳角度是60至70度；第二，对于厚工件，大角度下的探头中心距(PCS)很宽，但这会引起信号幅度衰减，使检测变得困难。,减小探头角度导致的后果,增大探头角度导致的后果,分辨率提高,分辨率降低,深度误差减小,深度误差加大,波束扩散度减小,波束扩散度增大,PCS减小,PCS增大,衍射信号波幅增大,衍射信号波幅减小,表3.2 探头角度变化导致的后果,3.1.2,探头频率的选择,提高分辨率的措施包括增加直通波和底面回波之间的时间间隔和缩短信号振动的时间。缺陷信号时间越短，对清晰分辨缺陷越有利，而缺陷信号时间按取决于信号振动时间和信号频率。,通过增加探头的频率可以很容易的增加周期数，但是信号的衰减和散射也会随之增加，更重要的是声束扩散也会减少，所以也不能一味的增加频率。下表3.3为不同频率下直通波与底面波之间的信号周期数。,板厚(mm),时间间隔(s),1MHz,3MHz,5MHz,10 MHz,20MHz,10,1.25,1.3,3.8,6.3,12.5,25.1,25,3.13,3.1,9.4,15.7,61.3,62.7,50,6.265,6.3,18.8,31.3,62.7,125.3,100,12.53,12.5,37.6,62.7,125.3,250.7,表3.3 在直通波和底面回波之间可存在的探头周期数,关于频率变化导致的后果小结见表3.4。,提高探头频率的后果,降低探头频率的后果,波长变短,波长变长,分辨率提高,分辨率降低,波束扩散角减小,波束扩散角增大,晶粒噪声增大,晶粒噪声减小,穿透能力降低,（衰减加大）,穿透能力增加,（衰减小）,近场长度增加,近场长度减小,表3.4 频率变化导致的后果,3.1.3探头晶片尺寸的选择,在非平行扫查的时候，通常选用较小尺寸的探头以便获得较大的覆盖范围。但是晶片的尺寸小，发出的超声脉冲能量减小，因此在探测厚的焊缝的时候通常选用大晶片的探头，而在扫查薄板焊缝或者厚壁焊缝的最上一层时使用小晶片探头。,减小探头晶片尺寸导致的后果,增加探头晶片尺寸导致的后果,输出能量降低,输出能量增大,波束扩散角度增加,波束扩散角度减小,近场长度降低,近场长度增加,与工件接触面积减小,与工件接触面积增加,表3.5 探头晶片尺寸变化导致的后果,3.2 PCS的设定,选择TOFD检测的探头间距（PCS）时，应该考虑：,1.保证超声波能到达和覆盖检测区域；,2.保证裂纹端点的衍射信号有足够能量；,3.保持能获得适当的分辨率。,一般情况下，应使用2/3T法则确定探头间距。在平行扫查或特定区域扫查时，可以把PCS设置为某一数值，使焦点位于指定深度。假定深度是dmm，探头角度，则,当扫查面一侧焊缝余高过宽时，选择小的PCS有时会导致探头无法放置。,3.3 增益的设定,虽然TOFD技术不依据波幅来进行缺陷检测，但波幅仍然很重要的，所以检测时需要设置适当的增益。如果增益设置过低，容易造成缺陷衍射波信号太弱，不利于缺陷的检测；如果增益设置过高，也会影响TOFD扫查图像的观察和信号的识别测量等。,TOFD检测技术的增益设置有多种方法：,利用直通波设置增益。,用晶粒噪声来设置增益。,用底面反射波来设置增益。,用尖角槽的衍射波来设置增益。,用侧孔的反射波来设置增益。,4,、,典型缺陷,4.1,向外表面延伸的裂纹,特点说明：,无直通波和缺陷上端点衍射波,只有底面反射波和缺陷下端点衍射波,缺陷下端点衍射波第一个相位为正相，与,底面反射波相位相反,底面反射波的第一个相位为负相，与其它位置的直通波相位相反,4.2 向内表面延伸的裂纹,特点说明：,无底面反射波和缺陷下端点衍射波,只有直通波和缺陷上端点衍射波,缺陷上端点衍射波第一个相位为负相，与直通波相位相反,直通波的第一个相位为正相，与其它位置的底面反射波相位相反,4.3,水平方向的平面形缺陷（层间未熔,冷夹层）,特点说明：,有直通波和底面反射波,在时间轴上，缺陷只有一个衍射波,底面反射波的第一个相位为负相，与直通波相位相反,缺陷波的相位有时正相，有时负相,缺陷是水平方向的平面形缺陷，还是上表面开口缺陷或,是下表面开口缺陷，应注意观察缺陷波的相位、直通波,与底面反射波是否有弯曲、间断，必要时观察转换波。,必要时增加其它检测手段，如磁粉、涡流或爬波等的检,测,5,、TOFD 优势与局限性,5,.1 优势,TOFD 与常规脉冲回波有两个重要不同：,缺陷衍射信号与角度无关；,缺陷定量定位不依靠信号振幅。,TOFD 的主要优势：,1)TOFD 技术的可靠性好。由于衍射信号不受声束角度的影响，任何方向的缺陷都能有效发现，具有很高的缺陷检出率。,2)TOFD 技术的定量精度高。,3)TOFD检测简便，实时成像，快速分析，安全便利。,4）TOFD检测系统能全过程记录信号，长久保存数据，而且能高速进行大批量信号处理。,5,.2 局限性,与其他技术一样，TOFD 也具有局限性，主要有：,1）由于TOFD 的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围内的缺陷难以发现，因此，在扫查面和底面存在几毫米的盲区；,2）对缺陷的定性比较困难，TOFD 技术比较有把握区分上表面开口、下表面开口及埋藏的缺陷，但不能准确判断缺陷的性质；,3）TOFD 的信号较弱，易受噪声的影响，信噪比低，故对粗晶材料(如奥氏体钢焊缝)的检测比较