第一張tofd技術(shù)的基本知識ppt課件

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1、衍射時差法超聲檢測技術(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 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 衍射時差法超聲檢測技術(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 波來檢測缺陷并對缺陷進行定位、定量的一種無損 檢測技術(shù)。 定義： TOFD技術(shù)是一種基于衍射信號實施檢測的 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： 中文翻譯為衍射時差法超聲檢測技術(shù)； GB/T 12604

2、.1:2005（等同ISO 5577:2000 ）翻譯為衍射聲時； 物理學(xué)術(shù)語翻譯為衍射渡越時間； 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 缺陷的衍射信號與什么無關(guān)？ 1、與衍射信號的角度無關(guān) 2、與衍射信號的幅度無關(guān) 因為衍射信號與角度和振幅無關(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)超聲檢測技術(shù)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(shù)的發(fā)展歷史 TOFD技

3、術(shù)發(fā)展歷程 A、20世紀70年代摸索、完善、裝備研發(fā)階段 ，經(jīng)歷了約10年的時間。 B、 20世紀90年代開始應(yīng)用階段； C、 20世紀90年代到21世紀初大規(guī)模應(yīng)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(shù)的發(fā)展歷史 一、TOFD技術(shù)在我國的應(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 4.5.1 無損檢測人員 無損檢測人員應(yīng)當按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行考核 取得相應(yīng)資格證書后，方能承擔與資格證書的 種類和技術(shù)等級相對應(yīng)的無損檢測工作。 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 4.5.3.1 無損檢測方法的選擇 (1)壓力容器的對接接頭應(yīng)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(yīng)當采用射線檢測或者衍射時差法 超聲檢測做為附加局部檢測； 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 二、TOFD檢測人員的培訓(xùn)和資格鑒定情況 2007年國家質(zhì)監(jiān)總局發(fā)布國質(zhì)檢特函402號“關(guān) 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(guān)于TOFD方法的應(yīng)用 ，對現(xiàn)場制造壁厚度60

5、mm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(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TOFD無損檢測標準未公布前，應(yīng)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(gòu)至少應(yīng)具有UT -級人員1名，UT-級資格4年以上（含4年） 人員2名，作為TOFD檢測責(zé)任人和操作復(fù)核人員 。 3、從事TOFD檢測人員應(yīng)當具有UT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(xùn)

6、考核到現(xiàn)在，全國已有近550人持有TOFD-II級資 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(shù)的發(fā)展歷史 三、TOFD檢測儀器情況 國外產(chǎn)品 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

7、 TOFD檢測儀 3、美國物理聲學(xué)公司（PAC）公司 4、美國AIS公司NB2000-MC八通道超聲波檢測設(shè)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TOFD檢測儀，該儀 器具有三種操作模式、U盤恢復(fù)等優(yōu)點。 1.1.1 TOFD技術(shù)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

8、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(jié)果。 2000年歐共體也在原英國標準BS7706：1993基礎(chǔ)上，制訂 了有關(guān)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(shù) (TOFD)用于缺陷高度測量的方法。 1.1.1 TOFD技術(shù)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(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年中國一重與中國特檢院合作編制的第一份

9、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，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: 缺陷上的每一個點都 產(chǎn)生出一個球面子波 入射波使缺陷產(chǎn)生振動。 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)時，主要體現(xiàn) 的是反射特性。 1.1.3 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

12、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(shù)一般使用4570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

13、號波幅變化不大于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(guān)系的總結(jié): (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 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(guān)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

14、探頭中心線偏斜對衍射信號波幅的影響 1.1.4 關(guān)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(jié)果：試驗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，對衍射 信號波幅不會產(chǎn)生嚴重影響。 (1)夾角由9060時， TOFD衍射信號振幅降低 1dB。 (2)夾角由45 60 時，TOFD衍射信號振幅降低6 分貝。 1.1.4 關(guān)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 裂紋相對于探頭中心線135 1.1.4 關(guān)于TOFD衍射信號的進一步知識 2、裂紋相對于探測

15、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，Ve0對應(yīng)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(guān)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1.6顯示了當-30Ve+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

16、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?qū)?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(guān)系 1.1.4 關(guān)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： 即使缺陷偏離兩個探頭之間的對稱中心達到 30mm，衍射

17、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(guān)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(jié)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 。 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4574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

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 1.2.1 TOFD技術(shù)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(shù)的基 本配置和特征。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 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 下端點 底面反射信號

19、1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.1 TOFD技術(shù)的基本配置 實踐證明：在常規(guī)技術(shù)中 采用一個探頭也能發(fā)射超 聲波和接收衍射波，通常 情況下，反射信號，比衍 射信號波幅高，624dB, 對單探頭而言,接收到的 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） 。 總之，單探頭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(shù)不采 用這種方法。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭 TOFD探頭的特點： (1) 采用小尺寸芯片的大擴散角

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 1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭 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。 圖1.11 頻率5MHz，芯片直徑6mm，折射角60的探頭在鋼中的聲場分布 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 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 個壓電

21、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(fù)合材料 。 壓電復(fù)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(zhì)因數(shù)Q值低; （3）帶寬大（80%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(fù)雜的探頭，僅需簡易的切塊和充填技術(shù)； （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(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 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(jié)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(jié) 果是唯一的。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 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 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(shù)的基本知識 1.2.3 TOFD技術(shù)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

24、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。 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(shù)的基本知識 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的傳輸時間差。 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的縱波信號CCB的傳輸時間 近似于底波的傳輸時間就為2.8

25、t；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 。 可見，位于兩探頭中間的缺陷，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 信號可能在底波之前出現(xiàn)。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.3 TOFD技術(shù)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

26、缺陷，底面，或其它不同 聲阻抗的界面，會發(fā)生波型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)的基本知識 1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號 圖1.13所示為TOFD技術(shù)應(yīng)用時，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 1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號 圖1.14所示為TOFD技術(shù)應(yīng)用時，A掃信號的示意圖 圖1.14 TOFD技術(shù)的A掃信號 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號 發(fā)射探

27、頭 接收探頭 直通波 LW 上端點下端點 底面反射波 BW 1、直通波：兩個探頭之間沿工件表面直線傳播的縱波。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

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 1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號 4、波型轉(zhuǎn)換信號：在底面縱波和底面反射波型轉(zhuǎn)換信號之間會 產(chǎn)生各種波型轉(zhuǎn)換信號，波型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換信號短。 5、底面反射波型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換信號以后的信號 ：底面反射波型轉(zhuǎn)換信 號以后

29、還會出現(xiàn)許多縱波和橫波多次反射和轉(zhuǎn)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(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 1.2.5 相位關(guān)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(zhì)中入射到一個低阻抗介質(zhì)（例如，從鋼中 入射到鋼/水界面或鋼/空氣 界面）時，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

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 信號相位發(fā)生改變 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.5 相位關(guān)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 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

31、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(shù)的基本知識 1.2.5 相位關(guān)系 上端點下端點 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 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(shù)的基本知識 1.2.5 相位關(guān)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

32、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同，則可判定為兩個缺陷。 1.2 TOFD技術(shù)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，PCS2S。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： d = (ct/2)2 - s21/2 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.6 深度計算

33、【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)1/2100mm。 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，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)1/2/616.6 s 答：超聲信號傳播時間是16.6 s。 【例題3】已知：聲波速度6 mm/s，衍射信號傳播時間

34、為16.6 s ，兩探頭中心距80mm：假設(shè)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 - s21/2， 得：d = (616.6/2)2 -4021/230mm。 答：衍射點深度是30mm。 1.2 TOFD技術(shù)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(shè)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 ，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； 由計算結(jié)果可知， 深度1mm與0.5mm的衍射信號傳輸時間差僅為0.0031s； 深度2mm與1mm的衍射信號傳輸時間差僅為0.01259s； 深度4mm與2mm的衍射信號傳輸時間差僅為0.05s， 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(shù)的基本知識 1.2.6 深度計算 在TOFD檢測中，深度和時間的關(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，信號在時間上的微小變化 轉(zhuǎn)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(shù)的基本知識 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 1、深度校準 延時

37、時間：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。 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 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 信號總的傳播時間： SS d t0t0 發(fā)射探頭 接收探頭 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 1、深度校準 缺陷深度計算公式： 接收探頭 SS d t0t0 發(fā)射探頭 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 1、深度校準 直通波出現(xiàn)的時間公式： t L= 2s/c + 2to 底面反射波出現(xiàn)時間公式： t b = 2(s2 + D2)1/2/

38、c + 2to 探頭的延時式： 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 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 1、深度校準 發(fā)射探頭接收探頭 2S d1 d2 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(shù)的基本知識 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 【例題5】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30

39、mm，聲波速度6 mm/s，兩個探 頭楔塊中的總延時1.6s，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 + 1.618.2 s。 答：從發(fā)射到接收超聲信號總的傳播時間是18.2 s。 【例題6】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超 聲信號總的傳播時間為18.2 s，兩個探頭楔塊中的總延時 1.6s，兩探頭中心距80mm：假設(shè)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 - s21/2 得：d = (6/2)2

40、(18.2-1.6)2 - 4021/2= 30mm。 答：衍射點深度是30mm。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.7 深度校準和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 信號總的傳播時間為18.2 s，兩個探頭楔塊中的總延時1.6s ，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 + 1.614.9 s。 答：直通波出現(xiàn)的時間為14.9 s。 【例題8】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度53mm，衍射超聲 信號總的傳播時間為18.2 s，兩個探頭楔塊中的總延時1.6s

41、，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 + 1.623.6 s。 答：底面反射波出現(xiàn)的時間為23.6 s。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 2、檢測時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 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 2、檢測時PCS的設(shè)定 【例題9】檢測60mm厚焊縫，聚焦點選在板

42、厚的2/3 處，計算： （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 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)定 2、檢測時PCS的設(shè)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=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 計算： 【練習(xí)2】檢測D=40mm厚的焊縫，探頭中心距2S120mm，聲速c 5930m/s, 底波信號的傳播時間t b=25.1s， （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23.78s、22s和21.03s，求衍 射點的深度？ 【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1.6s，聚焦點2D/

44、3，請計算： （1）PCS？ （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(shù)的基本知識 1.2.7 深度校準和PCS設(shè)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(yīng)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)時間公式計算，用 計算結(jié)果來核查所采集的信號是否正確。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 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，通過信號處理轉(zhuǎn) 換為

45、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(shù)的基本知識1.2.8 TOFD 技術(shù)的圖像顯示 一個8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換的灰度等級數(shù)值是256個， 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 1.2.8 TOFD技術(shù)的圖像顯示 A掃信號灰度圖 Typi

46、cally used for TOFD 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 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對應(yīng)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

47、這種掃查會產(chǎn)生典型的 反向拋物線 當探頭相對于 缺陷對稱時時 間最短 。 1.2 TOFD技術(shù)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(shù)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?qū)崿F(xiàn)大范圍檢測； 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 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 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 1.2.9 TOFD掃查類型 偏置非平行掃查：探頭在 焊縫兩邊不對稱放置，掃 查方向與超聲波束方向不 平行。這種掃查主要針

49、對 一些特殊情況，例如解決 軸偏離底面盲區(qū)問題。當 工件的底面的焊縫較寬時， 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 1.2.9 信號的位置的測量 典型的D掃視圖 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 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 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、 長度，但可以對缺陷 深度進行更精確的定 量和缺陷距焊縫中心 線的距離，也有助于 對缺陷寬度和傾斜角 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掃查會產(chǎn)生典型的 反向拋物線 直通波 要想使衍射信 號顯示曲線凸 起更明顯，可 以采用較小的 PCS和較窄的 波束寬度。 當探頭相對于 缺陷對稱時時 間最短 。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 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 1.2.9 TOFD掃查類型 對非平行掃查，

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

52、這一點在平行掃查的圖形中尤其明顯，為了比較 準確地測量出缺陷的長度和高度，需要采用特殊的 測量工具弧形光標擬合缺陷端點的弧形。 TOFD光標有兩種： 一種是十字光標，用于從A掃信號中測量數(shù)據(jù)； 另一種是拋物線光標，用于從D掃描圖中測量數(shù)據(jù) 。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.10 信號的位置的測量 典型的TOFD圖像十字光標 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.10 信號的位置的測量 典型的TOFD圖像拋物線光標 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.10 信號的位置的測量 測量信號包括三個參數(shù)： 平行焊縫方向上距掃查起始點的距離（X），參數(shù)X用于確定 信號位置和缺陷長度。 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 1.2.10 信號的位置的測量 1、沿掃查線的位置參數(shù)（X）的測量 因X參數(shù)是測量缺陷水平位置和缺陷長度的，所以， 在測試前，首先應(yīng)確定掃查的起始點，探頭移動時 ，儀器通過編碼器記錄下每一個A掃信號相對起始點 的位置。通過移動十字光標就可以從記錄中得到任 意一個A掃信號的X參數(shù)。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.10 信號的位置的測量 2、距檢測面的深度參數(shù)（Z）的測量 測量缺陷深度和缺陷高度的方

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

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

56、。由于上表面缺陷的信號可 能隱藏在直通波信號之下，因此相當于直通波信號的深度是盲區(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)占檢測厚度的1525mm。 例如對40mm厚焊縫，按照正常規(guī)范選擇檢測參數(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 1.2.11 TOFD檢測的盲區(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檢測一收一發(fā)的探頭布置，超聲衍射信號傳輸時間 相等位置為一個橢圓軌跡。如果缺陷在橢圓軌跡以下區(qū)域， 則信號出現(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中看到， 可能被底面回波信號掩蓋。 在傳播時間相同軌跡上任意 一點的信號都具有相同的時 間 檢測不到 的缺陷 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.11 TOFD檢測的盲區(qū) 下表面盲區(qū)距中心線越遠，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 相等時間的軌跡 (t1+t2=2t) dmindmax 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.12

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

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

60、缺陷 尺寸測量的試驗結(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。 各種試驗方法，如50%DAC、 20%DAC、6dB法等，結(jié)果表明： TOFD法對缺陷尺寸測量進度最 高、誤差最小、方法最好。 圖1.24 TOFD技術(shù)與基于波幅檢測技術(shù)的測量精度比較 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識 1.2.12 TOFD技術(shù)的精度和可靠性試驗 4、缺陷檢出率試驗 使用TOFD技術(shù)、機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價是：手工UT，4060 ；射線

61、，5560；X射線， 5565；UT機械掃查，5585； TOFD，7585。 由圖可見，TOFD技術(shù)比常規(guī)手工 UT或RT檢測可靠性要高得多。 試驗還指出，如果使用機械掃查 脈沖回波技術(shù)結(jié)合TOFD技術(shù)， 缺陷檢出率可達到8095， 缺陷檢測精度和尺寸測量精度都很高。 1.3 TOFD技術(shù)的特點 1.3.1 常規(guī)超聲檢測技術(shù)的局限性 1、角度問題 常規(guī)超聲檢測中，當反射面相對于超聲波束垂直時 ，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無法進行，即探頭可能完 全接收不到反射波。 在斜射橫波檢測時，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。但實際操作中仍會遇 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?shù)慕嵌鹊竭_缺陷表面，而導(dǎo)致漏檢。 1.3 TOFD技術(shù)的特點 1.3.1 常規(guī)超聲檢測技術(shù)的局限性 2、波幅問題 在常規(guī)超聲脈沖回波檢測中，判斷缺陷存在及測量缺陷的大 小都是基于信號的波幅，如當量比較法或端點6dB法，這是 一種簡單且實用的方法。 影響信號波幅的因素很多： （1）缺陷與標準反射體的表面粗糙度不同； （2）工件與標準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）操作時對探頭的壓緊力等等。 這些都是影響反射信號

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

64、確定 缺陷與探頭的相對位置，TOFD圖像更有利于缺陷的識別 和分析。 5、TOFD儀器能全過程記錄信號，長久保存數(shù)據(jù)，能高速 進行大批量信號處理 6、TOFD技術(shù)除了用于檢測外，還可用于缺陷擴展的監(jiān)控 ，對裂紋高度擴展的測量精度可高達0.1mm。 1.3 TOFD技術(shù)的特點 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、難以準確判斷缺陷性質(zhì)。 3、TOFD圖像識別和判讀比較難，數(shù)據(jù)分析需要豐富的經(jīng) 驗。 4、對粗晶材料（奧氏體焊縫）檢測比較困難，其信噪比 較低。 5、橫向缺陷檢測比較困難（焊縫余高） 。 6、復(fù)雜幾何形狀的工件檢測比較困難。 7、點狀缺陷的尺寸測量不夠準確。 1.3 TOFD技術(shù)的特點 采用數(shù)字化記錄超聲波檢測數(shù)據(jù)的優(yōu)點: 1、TOFD記錄的是每個檢測點的完整的未經(jīng)修正的原始的數(shù) 字化A掃信號