第一張tofd技術的基本知識ppt課件

1、衍射時差法超聲檢測技術(TOFD技術）,張平2012年11月28日 北京,第一章 TOFD技術的基本知識1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史和衍射基本原理1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,衍射時差法超聲檢測技術（Time of Flight Diffraction Technique，英文 TOFD技術）依靠超聲波與缺陷尖端或端部相互作用后，而發(fā)出的衍射波來檢測缺陷并對缺陷進行定位、定量的一種無損檢測技術。定義： TOFD

2、技術是一種基于衍射信號實施檢測的技術。,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,關于TOFD 的不同翻譯：中文翻譯為—衍射時差法超聲檢測技術； GB/T 12604.1:2005（等同ISO 5577:2000）翻譯為—衍射聲時；物理學術語翻譯為—衍射渡越時間；,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,缺陷的衍射信號與什么無關？ 1、與衍射信號的角度無關 2、與衍射信號的幅度無關因為衍射信號與角度和振幅無關，所以，TOF

3、D技術在原理和方法上與傳統(tǒng)脈沖反射超聲波檢測技術有根本性的區(qū)別。,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,傳統(tǒng)超聲檢測技術是： 1、根據(jù)缺陷反射信號檢出缺陷 2、根據(jù)缺陷幅度評定缺陷尺寸影響缺陷的定量因素： 1、入射聲束角度 2、檢測方向 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技術的發(fā)展歷史,TOFD技術發(fā)展歷程 A、20世紀70年代——摸索、完善、裝備

4、研發(fā)階段，經(jīng)歷了約10年的時間。 B、 20世紀90年代——開始應用階段； C、 20世紀90年代到21世紀初——大規(guī)模應用推廣階段；大約又經(jīng)過10年的時間，功能強大的便攜式TOFD儀器問世。,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,一、TOFD技術在我國的應用情況 TSG R0004-2009 《固定式壓力容器安全技術監(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4.5.1 無損檢測人員無損檢

5、測人員應當按照相關技術規(guī)范進行考核取得相應資格證書后，方能承擔與資格證書的種類和技術等級相對應的無損檢測工作。,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,4.5.3 壓力容器焊接接頭無損檢測4.5.3.1 無損檢測方法的選擇(1)壓力容器的對接接頭應當采用射線檢測或者超聲檢測，超聲檢測包括衍射時差法超聲檢測（TOFD）、可記錄的脈沖反射法超聲檢測和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測；當采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測時，應當采用射線檢測或

6、者衍射時差法超聲檢測做為附加局部檢測；,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,二、TOFD檢測人員的培訓和資格鑒定情況2007年國家質監(jiān)總局發(fā)布國質檢特函402號“關于進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《關于TOFD方法的應用》，對現(xiàn)場制造壁厚度60mm以上的壓力容器，可以采用TOFD檢測方法替代射線法進行無損檢測。從事TOFD檢測的無損檢測機構必須符合以下條件：,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,1、

7、在我國TOFD無損檢測標準未公布前，應當參照國外成熟標準制訂企業(yè)標準，經(jīng)全國鍋壓標委會審核通過后，進行備案。2、從事TOFD檢測的無損檢測機構至少應具有UT-Ⅲ級人員1名，UT-Ⅱ級資格4年以上（含4年）人員2名，作為TOFD檢測責任人和操作復核人員。3、從事TOFD檢測人員應當具有UTⅡ級資格4年以上（含4年），其TOFD操作技能經(jīng)全國無損檢測考核委員會考核合格。從2003年初全國考委會舉辦TOFD-II級人員培訓考核到現(xiàn)在，全

8、國已有近550人持有TOFD-II級資格證書。,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,TSG特種設備安全技術規(guī)范TSG Z8001-2011《特種設備無損檢測人員考核規(guī)則》(征求意見稿)中將超聲檢測分為：A、脈沖反射法超聲檢測、B、衍射時差法超聲檢測、相控陣超聲檢測和奧氏體焊縫超聲檢測，C、超聲檢測專項檢測，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技術的發(fā)展歷史,三、TOFD檢測儀器情況國外產(chǎn)品

9、1、以色列Sonotron NDT公司產(chǎn)品Isonic2005型、2008型檢測儀2、加拿大R/D Tech公司產(chǎn)品Omnisacn MX TOFD檢測儀3、美國物理聲學公司（PAC）公司4、美國AIS公司NB2000-MC八通道超聲波檢測設備引進國內(nèi)國內(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超聲波檢測儀，2008年7通道的儀器已經(jīng)投入了檢測市場2、南通友聯(lián)公司開發(fā)了PXUT-900便攜式TOF

10、D檢測儀，該儀器具有三種操作模式、U盤恢復等優(yōu)點。,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,四、TOFD標準的制定情況 1、國際標準1993年，英國BS7706標準中規(guī)定了用TOFD法進行缺陷定量評價的具體程序和要求。1996年，美國ASME規(guī)范在案例2235案例中，明確提出允許使用TOFD取代RT。2000年ASME規(guī)范第I卷（動力鍋爐）也允許用AUT取代RT，用TOFD法記錄焊縫檢測結果。2000年歐共體也在原英國標準BS

11、7706：1993基礎上，制訂了有關焊縫TOFD法檢測的現(xiàn)行標準ENV583-6-2000《超聲衍射波時差法用于缺陷檢出和定量》。2001年，日本制定了NDIS2423：2001超聲波衍射時差技術(TOFD)用于缺陷高度測量的方法。,1.1.1 TOFD技術的發(fā)展歷史,2、國內(nèi)標準目前，我國正在修訂《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》和已頒布的《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》已經(jīng)將TOFD技術方法納入正式條文。2004年中國一重與中國

12、特檢院合作編制的第一份企業(yè)標準通過全國鍋容標委的審查和備案。目前，國內(nèi)有8個單位擁有TOFD企業(yè)標準。國家能源局于2010年8月27日發(fā)布了NB/T47013.10-2010（JB/T4730.10）第10部分：衍射時差法超聲檢測，該標準于 2010年12月15日實施。,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

13、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： 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)個干涉的綜合效果。,1.1.2 衍射現(xiàn)象,二、惠更斯－菲涅爾原理：惠更斯提出，介質上波陣面上的各點，都可以看成是發(fā)射子波的波源，其后任意時刻這些子波的包跡，就是該時刻新的波陣面。菲涅爾充實了惠更斯原理，他提出波前上每個面元都可視為子波的波源，在空間某點的振動是所有這些

14、子波在該點產(chǎn)生的相干振動的疊加。,,1.1.2 衍射現(xiàn)象,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,裂紋,衍射波,衍射波,,入射波,反射波,,裂紋的上下端點都可以產(chǎn)生衍射波。 衍射波信號比反射波信號弱得多，且向空間的各個方向傳播，即沒有明顯的指向性。,圖1.1 裂紋端點衍射波示意圖,,1.1.2 衍射現(xiàn)象,惠更斯原理:,1.1.2 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

15、平面波，其波陣面由眾多子波源反射波疊加構成;(2) 裂紋尖端則沒有疊加現(xiàn)象發(fā)生。定義：尖端獨立的子波源發(fā)出的超聲波即為衍射波。衍射波的重要特點： 1、沒有明顯的方向性； 2、衍射波強度很弱。,,1.1.2 衍射現(xiàn)象,,1.1.2 衍射現(xiàn)象,缺陷端點形狀對衍射的影響：（1）端點越尖銳，衍射特性越明顯，（2）端點越圓滑，衍射特性越不明顯，（3）當端點圓半徑大于波長（d>λ)時，主要體現(xiàn)的是反射特性。,1.1

16、.3 不同角度下衍射信號波幅的變化,裂紋下尖端信號在折射角20°和65°時,波幅曲線出現(xiàn)兩個峰；在38°時,波幅下降很大幾乎為零。裂紋上尖端信號在0 ~ 65°區(qū)域單調(diào)增大，在65°時波幅達到最大值，從65°~ 85°單調(diào)降低。折射角為65°時，裂紋上、下尖端信號波幅均達到最大值，在45°~ 80°區(qū)間，裂紋下尖端的信號波幅大于上尖

17、端的信號波幅。,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波幅的變化,綜上所述(1) 衍射信號幅度隨折射角的變化而變化。(2)TOFD技術一般使用45°~70°的探頭，避開了38°角度，這就保證衍射信號的強度；因探頭角度>70°以上時，會增大測量誤差，所以，在實際TOFD檢測中一般也不使用75°以上的探頭。(3) 由角度變化引起的信號波幅變化不

18、大于6dB。,1.1.3 不同角度下衍射信號波幅的變化,折射角度與衍射波幅度的關系的總結:(1) 上尖端信號從0 ~ 65°單調(diào)增大，從65°~ 85°單調(diào)降低。(2) 上尖端信號波幅最大處于折射角65°。(3) 下尖端的信號波幅曲線出現(xiàn)兩個峰。在20°和65°時波幅達到峰值。(4) 下尖端的信號波幅在38°時 ，波幅下降到最低。(5) 在45°

19、~ 80°區(qū)間，裂紋下尖端的信號波幅略大于上尖端的信號波幅。(6) 在此區(qū)間內(nèi)，由角度變化而引起的信號波幅變化不大于6dB。,1.1.4 關于TOFD衍射信號的進一步知識1、裂紋相對于兩探頭中心線偏斜對衍射信號波幅的影響,,圖1.4 裂紋相對于兩探頭中心線偏斜對衍射信號波幅的影響,1.1.4 關于TOFD衍射信號的進一步知識,1、裂紋相對于兩探頭中心線偏斜對衍射信號波幅的影響研究結果：試驗中不斷改變兩探頭中心線

20、與裂紋的夾角，即使裂紋走向與兩探頭中心線不垂直，對衍射信號波幅不會產(chǎn)生嚴重影響。(1)夾角α由90°→60°時， TOFD衍射信號振幅降低1dB。(2)夾角α由45°→ 60 °時，TOFD衍射信號振幅降低6分貝。,1.1.4 關于TOFD衍射信號的進一步知識 1、裂紋相對于兩探頭中心線偏斜對衍射信號波幅的影響裂紋相對于探頭中心線90° 裂紋相對于

21、探頭中心線135°,1.1.4 關于TOFD衍射信號的進一步知識2、裂紋相對于探測面傾斜時衍射信號幅度的變化,● 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，參考反射體是一個直徑為3mm平底孔。 ● 在該模型中，衍射信號的振幅是裂紋傾斜角度的函數(shù)。傾斜系數(shù)Ve以垂直檢測表面為基準，Ve＝0對應于缺陷垂直于檢測平面。模型中的缺陷是光滑的平面橢圓型裂紋。,1.1.4 關于TOFD衍射信號的

22、進一步知識2、裂紋相對于探測面傾斜時衍射信號幅度的變化,圖1.6顯示了當-30°≤Ve≤+30°時衍射波幅度的變化。該圖中有很重要的兩點：第一點，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；其次，信號隨著缺陷傾角增加而加強。第二點，垂直裂紋缺陷的衍射信號幅度最小，當傾角V=90°時會產(chǎn)生一個信號幅度為32dB的最大值。衍射信號幅度隨著傾角的增加也隨之增加。當V趨近90°時，裂紋如

23、同平底孔那樣會形成反射波，兩信號比近似等于它們的面積比。 計算表明當裂紋傾角為±30°時，衍射信號幅度增加不超過3dB，這表明裂紋方向對衍射時差法檢測相對不敏感。,,圖1.6　衍射信號幅度隨傾斜角度的變化關系,1.1.4 關于TOFD衍射信號的進一步知識,3、裂紋偏離兩探頭中心時衍射信號幅度的變化在1983年Temple研究了，當裂紋的位置相對于兩個探頭的位置變化時，衍射信號波幅的變化情況：即使缺陷偏離兩個

24、探頭之間的對稱中心達到30mm，衍射信號僅比來自對稱放置的直徑為3mm平底孔的信號降低10dB。這說明裂紋偏離兩探頭中心對衍射信號幅度沒有太大的影響。,1.1.4 關于TOFD衍射信號的進一步知識,4、橫波檢測裂紋端點衍射的最優(yōu)入射角度1983年研究結果：用橫波在鋼中檢測垂直平面裂紋，最優(yōu)入射角度為：第一組：上端點為50° ，下端點為55° 。第二組：上端點為45° ，下端點為57°

25、。,1.1.5 TOFD檢測的聲場分布,不同位置的信號強度分布：(1)在60°的聲束聚焦中心區(qū)域有最高的信號波幅；(2)在45°~74°范圍可以得到適中的信號幅度；(3)虛線內(nèi)其余區(qū)域雖然可以得到信號，但波幅減小到-24dB，特別是在靠近表面的區(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&#

26、176;折射角探頭） 來增大波束覆蓋的有效區(qū)域。,,,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.1 TOFD技術的基本配置,,雙探頭的優(yōu)點：(1) 可避免鏡面反射信號掩蓋衍射波信號，從而在任何情況下都能很好地接收端點衍射波信號，(2) 測定反射體的準確位置和深度，(3) 易于實現(xiàn)大范圍掃查，快速接收大量信號。雙探頭系統(tǒng)是TOFD技術的基本配置和特征。,,1.2 TOFD技術的基本知識TOFD技術的典型設置,,,,

27、,,,發(fā)射探頭,接收探頭,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.1 TOFD技術的基本配置,實踐證明：在常規(guī)技術中 采用一個探頭也能發(fā)射超 聲波和接收衍射波，通常

28、 情況下，反射信號，比衍 射信號波幅高，6~24dB, 對單探頭而言,接收到的

29、 端點衍射波信號可能被反 射信號掩蓋，因此衍射波信號是否能看到具有不確定性（如圖1.9） ?？傊瑔翁筋^對端點衍射波信號接收不利，難以實現(xiàn)大范圍檢測，也難以快速測定反射體的準確位置和深度。雖然，單探頭是可以進行缺陷檢測的，但TOFD技術不采用這種方法。,1.2 TOFD技術的基本知

30、識1.2.2 TOFD技術使用的探頭,TOFD探頭的特點： (1) 采用小尺寸芯片的大擴散角探頭； (2) 要有良好的發(fā)射和接收性能； (3) 應具有寬頻帶和窄脈沖特性 。TOFD探頭一般使用的頻率范圍是1MHz~15MHz，芯片尺寸范圍是3mm ~ 20mm，通過楔塊在鋼鐵中形成45°~70°的不同角度的折射縱波。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.2 TOFD技術使用的探

31、頭,縱波探頭聲場特點：(1) 縱波與橫波同時存在。 (2) 大擴散角和寬波束。 (3) 橫波聲場的強度比縱波大的多。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.2 TOFD技術使用的探頭,TOFD技術使用的典型超聲探頭，是將一個壓電傳感器安裝在有機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合材料。,,,壓電復合材料制作的探頭有以下優(yōu)點,（1）橫向振動很弱，串擾聲壓小；（2）機械品質因數(shù)Q值低;（3）帶寬大（80

32、%～100%）；（4）機電耦合系數(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）可加工形狀復雜的探頭，僅需簡易的切塊和充填技術；（8）聲速、聲阻抗、相對絕緣常數(shù)及機電系數(shù)易于改變（因這些參數(shù)相關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技術的基本知識1.2.3 TOFD技術

33、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，從而能夠領先于其它種類的波，在最短時間內(nèi)到達接收探頭。使用縱波并利用縱波波速計算缺陷的深度得到的結果是唯一的。TOFD檢測不使用橫波而使用縱波，其目的也是為了避免回波信號難以識別的困難。使用縱波并利用縱波波速計算缺陷的深度得到的結果是唯一的。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.3 TOFD技術采用的超聲波波型,,設想:探頭發(fā)射的縱波 進入工件，其中

34、一部 分轉換為折射縱波C， 另一部分轉換成折射 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,工件中傳播的信號就包括了CCA、CSA、CCB、CSB、SCA、SCB、SSA、SSB，這些信號都可能被探頭接收到，按信號的

35、傳播速度，信號在時間軸上的排列次序如圖1.12所示。,,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.3 TOFD技術采用的超聲波波型,由于TOFD檢測是以波的傳輸時間來確定缺陷深度的，因此信號傳輸時間與缺陷深度必須有唯一性。在金屬材料中，縱波最先到達接收探頭。依據(jù)縱波信號（CCA、CCB）識別缺陷和以縱波波速計算其深度，就不會與橫波信號（CSA、CSB、SCA、SSA、SCB、SSB）或變形波信號混淆，也不會發(fā)生計算出錯誤的缺陷深度。

36、TOFD檢測不使用橫波而使用縱波，其目的也是為了避免回波信號難以識別的困難。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.3 TOFD技術采用的超聲波波型,按圖1.12（b）所示模型，可大致估算縱波與橫波信號的傳輸時間差。設：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°，近似認為橫波聲速為縱波一半，則：假如經(jīng)缺陷A的縱波信號CCA的傳輸時間近似于直通波的傳輸時間2t，那么經(jīng)過缺陷B的縱

37、波信號CCB的傳輸時間近似于底波的傳輸時間就為2.8t；經(jīng)過缺陷A的變形波CSA或SCA的信號傳輸時間為3t；經(jīng)過缺陷B的變形波信號（CSB或SCB）傳輸時間為4.2t；而橫波信號SSA、SSB分別為4t和5.6t?？梢姡挥趦商筋^中間的缺陷，其產(chǎn)生的橫波信號始終在底波之后，不會對縱波信號產(chǎn)生干擾；在聲束經(jīng)過的大部分區(qū)域，即使產(chǎn)生變形波信號也將在底波之后，不會對縱波信號產(chǎn)生干擾，只有在靠近其中一個探頭附近的很小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的變形波信號可

38、能在底波之前出現(xiàn)。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.3 TOFD技術采用的超聲波波型,綜上所述，在TOFD檢測時，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，遇到缺陷，底面，或其它不同聲阻抗的界面，會發(fā)生波型轉換。因此，到達接收探頭的信號包括：所有縱波、所有橫波、波型轉換后的一部分縱波和一部分橫波。 為什么TOFD檢測使用縱波而不用橫波探頭?,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.4 TO

39、FD聲場中的A掃信號,圖1.13所示為TOFD技術應用時，波型種類和傳播路徑的示意圖圖1.13 TOFD技術的波傳播路徑,,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號,圖1.14所示為TOFD技術應用時，A掃信號的示意圖圖1.14 TOFD技術的A掃信號,,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號,發(fā)射探頭,1、直通波：兩個探頭之間沿工件表

40、面直線傳播的縱波。路程最逗，最先到達。當探頭間距較大時，直通波可能非常微弱，甚至不能識別。由于TOFD掃查所發(fā)射和接收的信號在近表面區(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：缺陷上、下端點產(chǎn)生的衍射信號，在直通波和底面反射波之間，比直通波信號強，比底面反射波信號弱。為提高小缺陷的上尖端和下尖端信號的分辨能力，可采取減少信號周期的措施。 3、底面反射波：縱波在底面的反射

41、波。因傳播距離比直通波長，所以在直通波之后出現(xiàn)。如果探頭的波束只發(fā)射到金屬材料的上部分或者工件沒有合適底部進行反射，則底面反射波可能不存在。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號,4、波型轉換信號：在底面縱波和底面反射波型轉換信號之間會產(chǎn)生各種波型轉換信號，波型轉換信號到達接收探頭時間比底面縱波反射信號長，但比底面反射波型轉換信

42、號短。 5、底面反射波型轉換信號：在底面縱波反射信號之后將出現(xiàn)一個相當大的信號，這種信號是底面橫波反射信號，它有時會被誤認為是底面縱波反射信號。6、底面反射波型轉換信號以后的信號 ：底面反射波型轉換信號以后還會出現(xiàn)許多縱波和橫波多次反射和轉換的信號，對這些信號一般不再進行觀察和分析。由于直通波和底面反射波的存在，檢測時如果只使用TOFD技術，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

43、 TOFD技術的基本知識1.2.5 相位關系,圖1.15是無缺陷工件TOFD檢測情況，A-Scan圖中只有直通波和底面反為射波信號波形。當波束從高阻抗介質中入射到一個低阻抗介質（例如，從鋼中入射到鋼/水界面或鋼/空氣 界面）時，在界面反射的信 號相位改變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 變成以負向周期開始傳播。,圖1.15 從高

44、阻抗介質入射到低阻抗介質的信號相位發(fā)生改變,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.5 相位關系,圖1.16是有缺陷工件TOFD檢測情況，A-Scan信號中直通波、缺陷上、下尖端信號和底面反射波的波形圖。上尖端信號就像底面反射信號一樣，相位變化了180°。缺陷下尖端的衍射信號相位不發(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。如果上尖端信號相位從負周期開始，與底面 反射信號相同，那么下尖端信號

45、 就是從正向周期開始，其相位與 直通波信號相同。研究表明，如果兩個衍射信號的 相位相反，可以判斷在信號之間 一定存在一個連續(xù)的缺陷。因此， 相位對分析信號和測定缺陷準確 尺寸是非常重要。,圖1.16 有缺陷的A-Scan信號相位比較,,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.5 相位關系,上端點,下端點,需要不檢波的A掃來顯示相位的變化,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.5 相

46、位關系,相位的變化：直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的。缺陷的下端點與直通波的相位是相同的。缺陷的上端點與底面反射波的相位是相同的。每一個衍射信號的上、下端點衍射波相位是相反的。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.5 相位關系,對不同深度的兩個衍射信號，可根據(jù)相位變化判斷工件中的缺陷是一個缺陷還是兩個缺陷。如果兩個信號的相位相反，可能是一個缺陷（例如一條裂紋）的上下尖端衍射信號；如果兩個信號的相位相

47、同，則可判定為兩個缺陷。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.6 深度計算,探頭中心距：兩探頭入射點之間的距離又稱為探頭中心距，用符號PCS表示。如圖1.17所示，PCS＝2S。由于兩探頭相對于衍射端點是對稱的，則超聲信號傳播距離L可以用下式計算： L= 2(s2 + d2)1/2超聲信號傳播時間計算式： t = 2(s2 + d2)1/2/c衍射端點深度的計算式：

48、 d = [(ct/2)2 - s2]1/2,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.6 深度計算,【例題1】衍射點位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心距80mm，衍射點深度30mm，則超聲信號傳播距離是多少？ 解：由公式L= 2(s2 + d2)1/2，得：L= 2(402 + 302)1/2＝100mm。 答：超聲信號傳播距離為100mm。【例題2】衍射點位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心距80mm

49、，衍射點深度30mm，聲波速度6 mm/?s，則超聲信號傳播時間是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：t = 2(402 + 302)1/2/6＝16.6 ?s 答：超聲信號傳播時間是16.6 ?s?！纠}3】已知：聲波速度6 mm/?s，衍射信號傳播時間為16.6 ?s，兩探頭中心距80mm：假設衍射點位于兩探頭連線的中心線上，則衍射點深度是多少？ 解：由公式d = [(ct/2)2 -

50、 s2]1/2， 得：d = [(6×16.6/2)2 -402]1/2＝30mm。 答：衍射點深度是30mm。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.6 深度計算,【例題4】衍射點位于兩探頭連線的中心線上，設聲速為6mm/?s，已知兩探頭中心距80mm，計算衍射點深度0.5mm、1mm、2mm、4mm的信號傳輸時間。 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：d ＝0.5 mm ，

51、t0.5 = 2(402 + 0.52)1/2/6＝13.3343?s；d ＝1 mm ，t1 = 2(402 + 12) 1/2/6＝13.3374?s；d ＝2 mm ，t2 = 2(402 + 22) 1/2/6＝13.3499?s；d ＝4 mm ，t4 = 2(402 + 42) 1/2/6＝13.3998?s；由計算結果可知， 深度1mm與0.5mm的衍射信號傳輸時間差僅為0.0031?s； 深度2m

52、m與1mm的衍射信號傳輸時間差僅為0.01259?s； 深度4mm與2mm的衍射信號傳輸時間差僅為0.05?s，由于深度變化的時間增量太小，深度就難以測準。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.6 深度計算,在TOFD檢測中，深度和時間的關系不是線性的，而是呈平方關系的，因此，在近表面區(qū)域，信號在時間上的微小變化轉換成深度就變化較大。深度測量的誤差隨著接近表面而迅速增大。通過軟件計算進行線性化處理可得出B-Scan和

53、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對近表面的缺陷探測的可靠性和準確性并不太高。這個不能保證區(qū)域可以通過減小PCS或采用高頻探頭來改變。當工件只作一次掃查時，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，對工件的檢測可以達到表面以下1mm深度，不過這些措施會使檢測覆蓋面減小。,,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定1、深度校準延時時間

54、：從晶片發(fā)出的聲束到入射點需要的時間稱為延時時間。用2t0表示。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定,信號總的傳播時間：,發(fā)射探頭,接收探頭,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定1、深度校準,缺陷深度計算公式：,發(fā)射探頭,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定1、深度校準,直通波出現(xiàn)的時間公式：

55、 t L= 2s/c + 2to 底面反射波出現(xiàn)時間公式： t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to探頭的延時式： 2to = t b - 2(s2 + D2)1/2/c 波的傳播速度： c =

56、[2(s2 + D2)1/2 - 2s]/ (t b – t L),1.2 TOFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定1、深度校準,由于計算自身高度只需要測量時間, 所以高度估計會很準確。實際操作中，檢測裂紋 ±1mm 的精度是完全可以達到的 (檢測人工缺陷時可以達到± 0.1 mm )。,1.2 TOFD技術的基本知識 1.2.7 深度校準和PCS設定,【例題5】衍射點位于兩探頭連線的中心

57、線上，已知：兩探頭中心距80mm，衍射點深度30mm，聲波速度6 mm/?s，兩個探頭楔塊中的總延時1.6?s，則從發(fā)射到接收超聲信號總的傳播時間是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c + 2to 得：t = 2(402 + 302)1/2/6 + 1.6＝18.2 ?s。 答：從發(fā)射到接收超聲信號總的傳播時間是18.2 ?s?！纠}6】已知：聲波速度6 mm/?s，工件厚度45mm，

58、衍射超聲信號總的傳播時間為18.2 ?s，兩個探頭楔塊中的總延時1.6?s，兩探頭中心距80mm：假設衍射點位于兩探頭連線的中心線上，則衍射點深度是多少？ 解：由公式d = [(c/2)2(t-2to)2 - s2]1/2 得：d = [(6/2)2(18.2-1.6)2 - 402]1/2= 30mm。 答：衍射點深度是30mm。,1.2 TOFD技術的基本知識 1.2.7 深度校準和PCS設定,【

59、例題7】已知：聲波速度6 mm/?s，工件厚度45mm，衍射超聲信號總的傳播時間為18.2 ?s，兩個探頭楔塊中的總延時1.6?s，兩探頭中心距80mm：則直通波信號出現(xiàn)的時間是多少？ 解：由公式 t L = 2s/c + 2to 得：t L =80/6 + 1.6＝14.9 ?s。 答：直通波出現(xiàn)的時間為14.9 ?s?！纠}8】已知：聲波速度6 mm/?s，工件厚度53mm，衍射超聲信號總的傳播時間為18.

60、2 ?s，兩個探頭楔塊中的總延時1.6?s，兩探頭中心距80mm：則底面反射波出現(xiàn)的時間是多少？ 解：由公式t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to 得：t b = 2(402 + 532)1/2/6 + 1.6＝23.6 ?s。 答：底面反射波出現(xiàn)的時間為23.6 ?s。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定2、檢測時PCS的設定,聚焦深度： d = 2/3 D

61、探頭間距： PCS =2S=2d tanq = (4/3)D tanq,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定2、檢測時PCS的設定,【例題9】檢測60mm厚焊縫，聚焦點選在板厚的2/3處，計算：（1）探頭折射角θ=45°，探頭中心距PCS？（2）探頭折射角θ=60°，探頭中心距PCS？（3）探頭折射角θ=60°聚焦點選在板厚的1/2處，探頭中心距PCS？,1.2 T

62、OFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定2、檢測時PCS的設定,【例題9】檢測60mm厚焊縫，聚焦點選在板厚的2/3處，則：（1）探頭折射角θ=45°，探頭中心距PCS？ 解：由公式 2s = (4/3)Dtan?，得2s ＝ 4×60×tan45°/3 = 80 mm（2）探頭折射角θ=60°，探頭中心距PCS？ 解： 2s ＝ 4×60

63、5;tan60°/3 = 138.56 mm（3）探頭折射角θ=60°聚焦點選在板厚的1/2處，探頭中心距PCS？ 解： s=dtan?→2s=2dtan?→ (d=D/2)→2s=Dtan?→ 2s=60tan60°=104mm,,【練習1】已知工件厚度D＝20mm，探頭角度θ＝60°,聲速c＝5.96mm/μs，請計算：【練習2】檢測D

64、=40mm厚的焊縫，探頭中心距2S＝120mm，聲速c＝5930m/s, 底波信號的傳播時間t b=25.1μs，（1）求超聲波在楔塊中的傳播時間？（2）如果有三個衍射信號的傳播時間分別為23.78μs、22μs和21.03μs，求衍射點的深度？【練習3】已知工件厚度D＝50mm，探頭角度θ＝45°，聲速c＝5.96mm/μs, 楔塊內(nèi)總延時1.6μs，聚焦點2D/3，請計算：（1）PCS＝？

65、 （2）直通波到達時間？ （3）底波到達時間？ （4）直通波與底波時間差？,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.7 深度校準和PCS設定,3、檢查A-Scan采集信號的正確性直通波的信號非常弱，而橫波的底面反射波比縱波的底面反射波還要強，因此TOFD檢測的信號顯示應包括：直通波、底面反射縱波、底面反射變形波。為保證信號采集的正確性，通常需要利用直通波出現(xiàn)時間公式和底面反射波出現(xiàn)時間公式計

66、算，用計算結果來核查所采集的信號是否正確。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.8 TOFD技術的圖像顯示,TOFD技術把一系列A掃數(shù)據(jù)組合，通過信號處理轉換為TOFD圖像。在圖像中每個獨立的A掃信號成為圖像中很窄的一行，通常一幅TOFD圖像包含了數(shù) 百個A掃信號。A掃信 號的波幅在圖像中是 以灰度明暗顯示的。 通過灰度等級表現(xiàn)出 幅度大小。,圖1.18 TOFD圖像,1.2 TOFD技術的基本

67、知識1.2.8 TOFD技術的圖像顯示,一個8位模/數(shù)轉換的灰度等級數(shù)值是256個， 用數(shù)字127(純白色)代表+100％FSH，用數(shù)字0(中間灰)代表0％FSH，用數(shù)字-128(純黑色)代表-100％FSH。,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.8 TOFD技術的圖像顯示A掃信號——灰度圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

68、,,,,,,,,,,,,,,,,,,Typically used for TOFD,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.8 TOFD技術的圖像顯示,原因解釋：弧形凸起峰的最高點對應的是衍射信號聲程的最小位置。在掃查過程中，衍射點相對于探頭位置不斷變化，衍射信號傳輸時間也不斷變化。當缺陷位于發(fā)射和接收探頭的連線中點下方的對稱處時，脈沖傳輸時間最短。當探頭偏離這一位置（無論是D掃或B掃），傳輸時間都會增加。TOFD掃查時，探頭由遠

69、處而來，經(jīng)過缺陷再離去，由對稱位置的一邊掃描至另一邊，衍射信號的傳輸時間先是逐漸減小，直到一個最小值，然后再次增加，這樣在TOFD圖像中就形成一個弧。,平行掃查,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,上表面,下表面,B掃,直通波,這種掃查會產(chǎn)生典型的 反向拋物線,1.2 TOFD技術的基本知識1.2.9 TOFD掃查類型,TOFD檢測基本掃查類型分類：1、非平行掃查，掃查得到的圖像稱為D掃

70、描圖像；非平行掃查分為兩種掃查形式： (1)探頭在焊縫兩邊對稱放置的非平行掃查(正常情況)； (2)探頭在焊縫兩邊不對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技術的基本知識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：1、能夠實現(xiàn)大范圍檢測；2、焊縫余高不影響掃查。3、效率高、速度快、成本低、操作方便。