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衍射时差法超声检测技术 (TOFD技术） 张平 2012年11月28日 北京 第一章 TOFD技术的基本知识 1.1 TOFD技术的发展历史和衍射基本原理 1.1.1 TOFD技术的发展历史 衍射时差法超声检测技术（Time of Flight Diffraction Technique，英文 TOFD技术）依靠超 声波与缺陷尖端或端部相互作用后，而发出的衍射 波来检测缺陷并对缺陷进行定位、定量的一种无损 检测技术。 定义： TOFD技术是一种基于衍射信号实施检测的 技术。 1.1.1 TOFD技术的发展历史 关于TOFD 的不同翻译： 中文翻译为衍射时差法超声检测技术； GB/T 12604.1:2005（等同ISO 5577:2000 ）翻译为衍射声时； 物理学术语翻译为衍射渡越时间； 1.1.1 TOFD技术的发展历史 缺陷的衍射信号与什么无关？ 1、与衍射信号的角度无关 2、与衍射信号的幅度无关 因为衍射信号与角度和振幅无关，所以， TOFD技术在原理和方法上与传统脉冲反射超 声波检测技术有根本性的区别。 1.1.1 TOFD技术的发展历史 传统超声检测技术是： 1、根据缺陷反射信号检出缺陷 2、根据缺陷幅度评定缺陷尺寸 影响缺陷的定量因素： 1、入射声束角度 2、检测方向 3、缺陷表面粗超度 4、工件表面状态 5、探头的压力 1.1.1 TOFD技术的发展历史 TOFD技术发展历程 A、20世纪70年代摸索、完善、装备研发阶段 ，经历了约10年的时间。 B、 20世纪90年代开始应用阶段； C、 20世纪90年代到21世纪初大规模应用推广 阶段；大约又经过10年的时间，功能强大的便携式 TOFD仪器问世。 1.1.1 TOFD技术的发展历史 一、TOFD技术在我国的应用情况 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术 监察规程于2009年12月1日起施行，做出如 下规定： 4.5 无损检测 4.5.1 无损检测人员 无损检测人员应当按照相关技术规范进行考核 取得相应资格证书后，方能承担与资格证书的 种类和技术等级相对应的无损检测工作。 1.1.1 TOFD技术的发展历史 4.5.3 压力容器焊接接头无损检测 4.5.3.1 无损检测方法的选择 (1)压力容器的对接接头应当采用射线检测 或者超声检测，超声检测包括衍射时差法 超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法 超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检 测；当采用不可记录的脉冲反射法超声检 测时，应当采用射线检测或者衍射时差法 超声检测做为附加局部检测； 1.1.1 TOFD技术的发展历史 二、TOFD检测人员的培训和资格鉴定情况 2007年国家质监总局发布国质检特函402号“关 于进一步完善锅炉压力容器压力管道安全监察工 作的通知” 中，第六条关于TOFD方法的应用 ，对现场制造壁厚度60mm以上的压力容器， 可以采用TOFD检测方法替代射线法进行无损检 测。从事TOFD检测的无损检测机构必须符合以 下条件： 1.1.1 TOFD技术的发展历史 1、在我国TOFD无损检测标准未公布前，应当参 照国外成熟标准制订企业标准，经全国锅压标委 会审核通过后，进行备案。 2、从事TOFD检测的无损检测机构至少应具有UT -级人员1名，UT-级资格4年以上（含4年） 人员2名，作为TOFD检测责任人和操作复核人员 。 3、从事TOFD检测人员应当具有UT级资格4年 以上（含4年），其TOFD操作技能经全国无损检 测考核委员会考核合格。 从2003年初全国考委会举办TOFD-II级人员培训 考核到现在，全国已有近550人持有TOFD-II级资 格证书。 1.1.1 TOFD技术的发展历史 TSG特种设备安全技术规范TSG Z8001- 2011特种设备无损检测人员考核规则( 征求意见稿)中将超声检测分为： A、脉冲反射法超声检测、 B、衍射时差法超声检测、相控阵超声检测 和奥氏体焊缝超声检测， C、超声检测专项检测，包括板材类、无缝 管材类、焊接管材类、锻件类、板材类 1.1.1 TOFD技术的发展历史 三、TOFD检测仪器情况 国外产品 1、以色列Sonotron NDT公司产品Isonic2005型、2008型检 测仪 2、加拿大R/D Tech公司产品Omnisacn MX TOFD检测仪 3、美国物理声学公司（PAC）公司 4、美国AIS公司NB2000-MC八通道超声波检测设备引进国内 国内产品 1、武汉中科创新公司于2005年研制了HS800便携式TOFD超 声波检测仪，2008年7通道的仪器已经投入了检测市场 2、南通友联公司开发了PXUT-900便携式TOFD检测仪，该仪 器具有三种操作模式、U盘恢复等优点。 1.1.1 TOFD技术的发展历史 四、TOFD标准的制定情况 1、国际标准 1993年，英国BS7706标准中规定了用TOFD法进行缺陷定量 评价的具体程序和要求。 1996年，美国ASME规范在案例2235案例中，明确提出允许 使用TOFD取代RT。2000年ASME规范第I卷（动力锅炉）也 允许用AUT取代RT，用TOFD法记录焊缝检测结果。 2000年欧共体也在原英国标准BS7706：1993基础上，制订 了有关焊缝TOFD法检测的现行标准ENV583-6-2000超声 衍射波时差法用于缺陷检出和定量。 2001年，日本制定了NDIS2423：2001超声波衍射时差技术 (TOFD)用于缺陷高度测量的方法。 1.1.1 TOFD技术的发展历史 2、国内标准 目前，我国正在修订蒸汽锅炉安全技术监察规 程和已颁布的固定式压力容器安全技术监察 规程已经将TOFD技术方法纳入正式条文。 2004年中国一重与中国特检院合作编制的第一份 企业标准通过全国锅容标委的审查和备案。目前 ，国内有8个单位拥有TOFD企业标准。 国家能源局于2010年8月27日发布了 NB/T47013.10-2010（JB/T4730.10）第10部分 ：衍射时差法超声检测，该标准于 2010年12月 15日实施。 1.1.2 衍射现象 一、衍射定义 波在传播路径中遇到障碍物，发生绕过障 碍物，产生偏离直线传播的现象，称为波的衍 射。衍射也是波在传输过程中与界面作用而发 生的不同于反射的另一种物理现象。 干涉和衍射的本质： 干涉是分离的有限多束波的相干叠加；衍射 是波阵面上无限多子波连续的相干叠加，也可 以说衍射是无数个干涉的综合效果。 1.1.2 衍射现象 二、惠更斯菲涅尔原理： 惠更斯提出，介质上波阵面上的各点，都可 以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这 些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。 菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每 个面元都可视为子波的波源，在空间某点的 振动是所有这些子波在该点产生的相干振动 的叠加。 1.1.2 衍射现象 裂纹 衍射波 衍射波 入射波 反射波 裂纹的上下端点都 可以产生衍射波。 衍射波信号比反射 波信号弱得多，且 向空间的各个方向 传播，即没有明显 的指向性。 图1.1 裂纹端点衍射波示意图 1.1.2 衍射现象 惠更斯原理: 缺陷上的每一个点都 产生出一个球面子波 入射波使缺陷产生振动。 1.1.2 衍射现象 图1.2 惠更斯原理的解释 由图示可见: (1) 裂纹中部的反射波接近 平面波，其波阵面由众 多子波源反射波叠加构 成; (2) 裂纹尖端则没有叠加现 象发生。 定义：尖端独立的子波 源发出的超声波即为衍 射波。 衍射波的重要特点： 1、没有明显的方向性； 2、衍射波强度很弱。 1.1.2 衍射现象 1.1.2 衍射现象 缺陷端点形状对衍射的影响： （1）端点越尖锐，衍射特性越明显， （2）端点越圆滑，衍射特性越不明显， （3）当端点圆半径大于波长（d)时，主要体现 的是反射特性。 1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化 裂纹下尖端信号在折射角20 和65时,波幅曲线出现两个峰 ；在38时,波幅下降很大几乎 为零。 裂纹上尖端信号在0 65区 域单调增大，在65时波幅达 到最大值，从65 85单调降 低。 折射角为65时，裂纹上、下 尖端信号波幅均达到最大值 ，在45 80区间，裂纹下尖 端的信号波幅大于上尖端的 信号波幅。 图1.3 衍射波波幅随着角度变化的曲线 1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化 综上所述 (1) 衍射信号幅度随折射角的变化而变化。 (2)TOFD技术一般使用4570的探头，避开了38角 度，这就保证衍射信号的强度；因探头角度70以 上时，会增大测量误差，所以，在实际TOFD检测中 一般也不使用75以上的探头。 (3) 由角度变化引起的信号波幅变化不大于6dB。 1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化 折射角度与衍射波幅度的关系的总结: (1) 上尖端信号从0 65单调增大，从65 85单调降 低。 (2) 上尖端信号波幅最大处于折射角65。 (3) 下尖端的信号波幅曲线出现两个峰。在20和65时 波幅达到峰值。 (4) 下尖端的信号波幅在38时 ，波幅下降到最低。 (5) 在45 80区间，裂纹下尖端的信号波幅略大于上 尖端的信号波幅。 (6) 在此区间内，由角度变化而引起的信号波幅变化不 大于6dB。 1.1.4 关于TOFD衍射信号的进一步知识 1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响 图1.4 裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响 1.1.4 关于TOFD衍射信号的进一步知识 1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影 响 研究结果：试验中不断改变两探头中心线与裂纹的夹 角，即使裂纹走向与两探头中心线不垂直，对衍射 信号波幅不会产生严重影响。 (1)夹角由9060时， TOFD衍射信号振幅降低 1dB。 (2)夹角由45 60 时，TOFD衍射信号振幅降低6 分贝。 1.1.4 关于TOFD衍射信号的进一步知识 1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响 裂纹相对于探头中心线90 裂纹相对于探头中心线135 1.1.4 关于TOFD衍射信号的进一步知识 2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化 图1.5上半部分所示为裂纹衍 射的几何布置。下半部为平 底孔反射的几何布置，参考 反射体是一个直径为3mm 平底孔。 在该模型中，衍射信号的振 幅是裂纹倾斜角度的函数。 倾斜系数Ve以垂直检测表 面为基准，Ve0对应于缺 陷垂直于检测平面。模型中 的缺陷是光滑的平面椭圆型 裂纹。 1.1.4 关于TOFD衍射信号的进一步知识 2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化 图1.6显示了当-30Ve+30时衍射波幅 度的变化。该图中有很重要的两点： 第一点，在相同深度范围内衍射波的波幅 与直径为3的平底孔相当；其次，信号 随着缺陷倾角增加而加强。 第二点，垂直裂纹缺陷的衍射信号幅度最 小，当倾角V=90时会产生一个信号幅度 为32dB的最大值。 衍射信号幅度随着倾角的增加也随之增加 。当V趋近90时，裂纹如同平底孔那样会 形成反射波，两信号比近似等于它们的面 积比。 计算表明当裂纹倾角为30时，衍射信号 幅度增加不超过3dB，这表明裂纹方向对 衍射时差法检测相对不敏感。 图1.6 衍射信号幅度随倾斜角度的变化关系 1.1.4 关于TOFD衍射信号的进一步知识 3、裂纹偏离两探头中心时衍射信号幅度的变化 在1983年Temple研究了，当裂纹的位置相对 于两个探头的位置变化时，衍射信号波幅的变 化情况： 即使缺陷偏离两个探头之间的对称中心达到 30mm，衍射信号仅比来自对称放置的直径为 3mm平底孔的信号降低10dB。 这说明裂纹偏离两探头中心对衍射信号幅度没 有太大的影响。 1.1.4 关于TOFD衍射信号的进一步知识 4、横波检测裂纹端点衍射的最优入射角度 1983年研究结果：用横波在钢中检测垂直平 面裂纹，最优入射角度为： 第一组：上端点为50 ，下端点为55 。 第二组：上端点为45 ，下端点为57 。 1.1.5 TOFD检测的声场分布 不同位置的信号强度分布： (1)在60的声束聚焦中心区域有最高的信号波幅； (2)在4574范围可以得到适中的信号幅度； (3)虚线内其余区域虽然可以得到信号， 但波幅减小到-24dB，特别是在靠近 表面的区域减小的更多。 波束覆盖范围主要是受探头波束 宽度的限制，可以通过使用小直 径的探头，或是使用更大折射角 探头（例如使用70折射角探头） 来增大波束覆盖的有效区域。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.1 TOFD技术的基本配置 双探头的优点： (1) 可避免镜面反射信号掩盖衍 射波信号，从而在任何情况 下都能很好地接收端点衍射 波信号， (2) 测定反射体的准确位置和深 度， (3) 易于实现大范围扫查，快速 接收大量信号。 双探头系统是TOFD技术的基 本配置和特征。 1.2 TOFD技术的基本知识 TOFD技术的典型设置 发射探头接收探头 直通波 上端点 下端点 底面反射信号 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.1 TOFD技术的基本配置 实践证明：在常规技术中 采用一个探头也能发射超 声波和接收衍射波，通常 情况下，反射信号，比衍 射信号波幅高，624dB, 对单探头而言,接收到的 端点衍射波信号可能被反 射信号掩盖，因此衍射波 信号是否能看到具有不确定性（如图1.9） 。 总之，单探头对端点衍射波信号接收不利，难以实现大范 围检测，也难以快速测定反射体的准确位置和深度。 虽然，单探头是可以进行缺陷检测的，但TOFD技术不采 用这种方法。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.2 TOFD技术使用的探头 TOFD探头的特点： (1) 采用小尺寸芯片的大扩散角探头； (2) 要有良好的发射和接收性能； (3) 应具有宽频带和窄脉冲特性 。 TOFD探头一般使用的频率范围是1MHz15MHz， 芯片尺寸范围是3mm 20mm，通过楔块在钢铁 中形成4570的不同角度的折射纵波。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.2 TOFD技术使用的探头 纵波探头声场特点： (1) 纵波与横波同时存在。 (2) 大扩散角和宽波束。 (3) 横波声场的强度比纵波大的多。 图1.11 频率5MHz，芯片直径6mm，折射角60的探头在钢中的声场分布 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.2 TOFD技术使用的探头 TOFD技术使 用的典型超声 探头，是将一 个压电传感器 安装在有机玻 璃或其它类似 材料的楔块上 组成探头。压 电传感器大多 采用复合材料 。 压电复合材料制作的探头有以下优点 （1）横向振动很弱，串扰声压小； （2）机械品质因数Q值低; （3）带宽大（80%100%）； （4）机电耦合系数值大； （5）灵敏度高，信噪比优于普通PZT探头； （6）在较大温度范围内特性稳定； （7）可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术； （8）声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数易于改变（因 这些参数相关于陶瓷材料的体积率）； （9）易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）； （10）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型 在各种波中，纵波的传播速度最快，几乎是横波的 两倍，从而能够领先于其它种类的波，在最短时间 内到达接收探头。使用纵波并利用纵波波速计算缺 陷的深度得到的结果是唯一的。 TOFD检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为 了避免回波信号难以识别的困难。 使用纵波并利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结 果是唯一的。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型 设想:探头发射的纵波 进入工件，其中一部 分转换为折射纵波C， 另一部分转换成折射 横波S。工件中传播的 纵波C遇到缺陷A和B， 可能产生缺陷A的CCA和CSA，以及缺陷B的CCB和CSB； 同样,工件中传播的横波S遇到缺陷A和B, 可能产生包括缺陷A的 SCA和SSA，以及缺陷B的SCB和SSB。这样,工件中传播的信号 就包括了CCA、CSA、CCB、CSB、SCA、SCB、SSA、SSB， 这些信号都可能被探头接收到，按信号的传播速度，信号在时 间轴上的排列次序如图1.12所示。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型 由于TOFD检测是以波的传输时间来确定缺陷深度 的，因此信号传输时间与缺陷深度必须有唯一性。 在金属材料中，纵波最先到达接收探头。依据纵波 信号（CCA、CCB）识别缺陷和以纵波波速计算其 深度，就不会与横波信号（CSA、CSB、SCA、 SSA、SCB、SSB）或变形波信号混淆，也不会发 生计算出错误的缺陷深度。 TOFD检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为 了避免回波信号难以识别的困难。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型 按图1.12（b）所示模型，可大致估算纵波与横波信号的传输时间差。 设：缺陷A、B分别在工件上、下表面，且在两探头之间的中线 上，主声束与底面法线夹角为45，近似认为横波声速为纵波一 半，则：假如经缺陷A的纵波信号CCA的传输时间近似于直通 波的传输时间2t，那么经过缺陷B的纵波信号CCB的传输时间 近似于底波的传输时间就为2.8t；经过缺陷A的变形波CSA或 SCA的信号传输时间为3t；经过缺陷B的变形波信号（CSB或 SCB）传输时间为4.2t；而横波信号SSA、SSB分别为4t和5.6t 。 可见，位于两探头中间的缺陷，其产生的横波信号始终在底波 之后，不会对纵波信号产生干扰；在声束经过的大部分区域， 即使产生变形波信号也将在底波之后，不会对纵波信号产生干 扰，只有在靠近其中一个探头附近的很小区域内产生的变形波 信号可能在底波之前出现。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型 综上所述，在TOFD检测时，工件中存在多种 波：首先是探头发射的纵波和横波；其次在波 的传播过程中，遇到缺陷，底面，或其它不同 声阻抗的界面，会发生波型转换。因此，到达 接收探头的信号包括：所有纵波、所有横波、 波型转换后的一部分纵波和一部分横波。 为什么TOFD检测使用纵波而不用横波探头? 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.4 TOFD声场中的A扫信号 图1.13所示为TOFD技术应用时，波型种类和传播 路径的示意图 图1.13 TOFD技术的波传播路径 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.4 TOFD声场中的A扫信号 图1.14所示为TOFD技术应用时，A扫信号的示意图 图1.14 TOFD技术的A扫信号 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.4 TOFD声场中的A扫信号 发射探头 接收探头 直通波 LW 上端点下端点 底面反射波 BW 1、直通波：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路程最逗 ，最先到达。当探头间距较大时，直通波可能非常微弱，甚至不 能识别。由于TOFD扫查所发射和接收的信号在近表面区有较大 的压缩，因此这些区域的一些有用信号可能隐藏在直通波下。直 通波的频率比声束中心的频率低。 2、缺陷信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底面 反射波之间，比直通波信号强，比底面反射波信号弱。为提高小 缺陷的上尖端和下尖端信号的分辨能力，可采取减少信号周期的 措施。 3、底面反射波：纵波在底面的反射波。因传播距离比直通波长， 所以在直通波之后出现。如果探头的波束只发射到金属材料的上 部分或者工件没有合适底部进行反射，则底面反射波可能不存在 。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.4 TOFD声场中的A扫信号 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.4 TOFD声场中的A扫信号 4、波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号之间会 产生各种波型转换信号，波型转换信号到达接收探头时间比 底面纵波反射信号长，但比底面反射波型转换信号短。 5、底面反射波型转换信号：在底面纵波反射信号之后将出现一 个相当大的信号，这种信号是底面横波反射信号，它有时会 被误认为是底面纵波反射信号。 6、底面反射波型转换信号以后的信号 ：底面反射波型转换信 号以后还会出现许多纵波和横波多次反射和转换的信号，对 这些信号一般不再进行观察和分析。 由于直通波和底面反射波的存在，检测时如果只使用TOFD 技术，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米或十几毫 米之间，近表面的盲区大于底面的盲区。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.5 相位关系 图1.15是无缺陷工件TOFD检测情况，A-Scan图中只有直通波 和底面反为射波信号波形。 当波束从高阻抗介质中入射到一个低阻抗介质（例如，从钢中 入射到钢/水界面或钢/空气 界面）时，在界面反射的信 号相位改变180。 如图1.15所示，波束在碰到 界面之前是以正向周期开始 传播的，在经过界面反射后 变成以负向周期开始传播。 图1.15 从高阻抗介质入射到低阻抗介质的 信号相位发生改变 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.5 相位关系 图1.16是有缺陷工件TOFD检测情况，A-Scan信号中直通波、缺 陷上、下尖端信号和底面反射波的波形图。上尖端信号就像底面 反射信号一样，相位变化了180。缺陷下尖端的衍射信号相位不 发生改变，以解释为波束只是在缺陷底部环绕,没有发生界面反 射。如果上尖端信号相位从负周期开始，与底面 反射信号相同，那么下尖端信号 就是从正向周期开始，其相位与 直通波信号相同。 研究表明，如果两个衍射信号的 相位相反，可以判断在信号之间 一定存在一个连续的缺陷。因此， 相位对分析信号和测定缺陷准确 尺寸是非常重要。 图1.16 有缺陷的A-Scan信号相位比较 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.5 相位关系 上端点下端点 直通波 LW 底面反射波 BW + - + - 需要不检波的A扫来显示相位的变化 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.5 相位关系 相位的变化： 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相 反的。 缺陷的下端点与直通波的相位是相同的。 缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的。 每一个衍射信号的上、下端点衍射波相位是相反 的。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.5 相位关系 对不同深度的两个衍射信号，可根据相位变化判断工 件中的缺陷是一个缺陷还是两个缺陷。 如果两个信号的相位相反，可能是一个缺陷（例如一 条裂纹）的上下尖端衍射信号； 如果两个信号的相位相同，则可判定为两个缺陷。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.6 深度计算 探头中心距：两探头入射点之间的距离又称为探头中心距 ，用符号PCS表示。 如图1.17所示，PCS2S。由于两探头相对于衍射端点是 对称的，则超声信号传播距离L可以用下式计算： L= 2(s2 + d2)1/2 超声信号传播时间计算式： t = 2(s2 + d2)1/2/c 衍射端点深度的计算式： d = (ct/2)2 - s21/2 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.6 深度计算 【例题1】衍射点位于两探头连线的中心线上，已知：两探头中心 距80mm，衍射点深度30mm，则超声信号传播距离是多少？ 解：由公式L= 2(s2 + d2)1/2，得：L= 2(402 + 302)1/2100mm。 答：超声信号传播距离为100mm。 【例题2】衍射点位于两探头连线的中心线上，已知：两探头中心 距80mm，衍射点深度30mm，声波速度6 mm/s，则超声信号 传播时间是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：t = 2(402 + 302)1/2/616.6 s 答：超声信号传播时间是16.6 s。 【例题3】已知：声波速度6 mm/s，衍射信号传播时间为16.6 s ，两探头中心距80mm：假设衍射点位于两探头连线的中心线上 ，则衍射点深度是多少？ 解：由公式d = (ct/2)2 - s21/2， 得：d = (616.6/2)2 -4021/230mm。 答：衍射点深度是30mm。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.6 深度计算 【例题4】衍射点位于两探头连线的中心线上，设声速为 6mm/s，已知两探头中心距80mm，计算衍射点深度0.5mm 、1mm、2mm、4mm的信号传输时间。 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 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； 由计算结果可知， 深度1mm与0.5mm的衍射信号传输时间差仅为0.0031s； 深度2mm与1mm的衍射信号传输时间差仅为0.01259s； 深度4mm与2mm的衍射信号传输时间差仅为0.05s， 由于深度变化的时间增量太小，深度就难以测准。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.6 深度计算 在TOFD检测中，深度和时间的关系不是线性的，而是呈平 方关系的，因此，在近表面区域，信号在时间上的微小变化 转换成深度就变化较大。深度测量的误差随着接近表面而迅 速增大。 通过软件计算进行线性化处理可得出B-Scan和D-Scan的线性 深度图。 由于存在直通波和不断增大的深度误差，TOFD对近表面的 缺陷探测的可靠性和准确性并不太高。这个不能保证区域可 以通过减小PCS或采用高频探头来改变。当工件只作一次扫 查时，近表面不能保证距离大约是10mm。 例如，采用15MHz的探头和较小的PCS，对工件的检测可以 达到表面以下1mm深度，不过这些措施会使检测覆盖面减小 。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 1、深度校准 延时时间：从晶片发出的声束到入射点需要的时间 称为延时时间。用2t0表示。 发射探头接收探头 SS d LWBW t0t0 始脉冲 t 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 信号总的传播时间： SS d t0t0 发射探头 接收探头 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 1、深度校准 缺陷深度计算公式： 接收探头 SS d t0t0 发射探头 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 1、深度校准 直通波出现的时间公式： t L= 2s/c + 2to 底面反射波出现时间公式： t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to 探头的延时式： 2to = t b - 2(s2 + D2)1/2/c 波的传播速度： c = 2(s2 + D2)1/2 - 2s/ (t b t L) 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 1、深度校准 发射探头接收探头 2S d1 d2 由于计算自身高度只需要测量时间, 所以高度估计会很 准确。实际操作中，检测裂纹 1mm 的精度是完全可 以达到的 (检测人工缺陷时可以达到 0.1 mm )。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 【例题5】衍射点位于两探头连线的中心线上，已知：两探头中 心距80mm，衍射点深度30mm，声波速度6 mm/s，两个探 头楔块中的总延时1.6s，则从发射到接收超声信号总的传播 时间是多少？ 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：从发射到接收超声信号总的传播时间是18.2 s。 【例题6】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超 声信号总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时 1.6s，两探头中心距80mm：假设衍射点位于两探头连线的 中心线上，则衍射点深度是多少？ 解：由公式d = (c/2)2(t-2to)2 - s21/2 得：d = (6/2)2(18.2-1.6)2 - 4021/2= 30mm。 答：衍射点深度是30mm。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 【例题7】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超声 信号总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时1.6s ，两探头中心距80mm：则直通波信号出现的时间是多少？ 解：由公式 t L = 2s/c + 2to 得：t L =80/6 + 1.614.9 s。 答：直通波出现的时间为14.9 s。 【例题8】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度53mm，衍射超声 信号总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时1.6s ，两探头中心距80mm：则底面反射波出现的时间是多少？ 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：底面反射波出现的时间为23.6 s。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 2、检测时PCS的设定 聚焦深度： d = 2/3 D 探头间距： PCS =2S=2d tan = (4/3)D tan s 2s=PCS d=2/3D D 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 2、检测时PCS的设定 【例题9】检测60mm厚焊缝，聚焦点选在板厚的2/3 处，计算： （1）探头折射角=45，探头中心距PCS？ （2）探头折射角=60，探头中心距PCS？ （3）探头折射角=60聚焦点选在板厚的1/2处， 探头中心距PCS？ 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 2、检测时PCS的设定 【例题9】检测60mm厚焊缝，聚焦点选在板厚的2/3处，则： （1）探头折射角=45，探头中心距PCS？ 解：由公式 2s = (4/3)Dtan，得2s 460tan45/3 = 80 mm （2）探头折射角=60，探头中心距PCS？ 解： 2s 460tan60/3 = 138.56 mm （3）探头折射角=60聚焦点选在板厚的1/2处，探头中心距PCS ？ 解： s=dtan2s=2dtan (d=D/2)2s=Dtan 2s=60tan60=104mm s d 【练习1】已知工件厚度D20mm，探头角度60,声速c5.96mm/s，请 计算： 【练习2】检测D=40mm厚的焊缝，探头中心距2S120mm，声速c 5930m/s, 底波信号的传播时间t b=25.1s， （1）求超声波在楔块中的传播时间？ （2）如果有三个衍射信号的传播时间分别为23.78s、22s和21.03s，求衍 射点的深度？ 【练习3】已知工件厚度D50mm，探头角度45，声速c5.96mm/s, 楔 块内总延时1.6s，聚焦点2D/3，请计算： （1）PCS？ （2）直通波到达时间？ （3）底波到达时间？ （4）直通波与底波时间差？ 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定 3、检查A-Scan采集信号的正确性 直通波的信号非常弱，而横波的底面反射波比纵波 的底面反射波还要强，因此TOFD检测的信号显示 应包括：直通波、底面反射纵波、底面反射变形波 。为保证信号采集的正确性，通常需要利用直通波 出现时间公式和底面反射波出现时间公式计算，用 计算结果来核查所采集的信号是否正确。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.8 TOFD技术的图像显示 TOFD技术把一系列A扫数据组合，通过信号处理转 换为TOFD图像。在图像中每个独立的A扫信号成 为图像中很窄的一行，通常一幅TOFD图像包含了 数 百个A扫信号。A扫信 号的波幅在图像中是 以灰度明暗显示的。 通过灰度等级表现出 幅度大小。 图1.18 TOFD图像 1.2 TOFD技术的基本知识1.2.8 TOFD 技术的图像显示 一个8位模/数转换的灰度等级数值是256个， 用数字127(纯 白色)代表+100FSH，用数字0(中间灰)代表0FSH，用 数字-128(纯黑色)代表-100FSH。 +100% -100% -128 +127 Zero 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.8 TOFD技术的图像显示 A扫信号灰度图 Typically used for TOFD 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.8 TOFD技术的图像显示 原因解释：弧形凸起峰的最高点对应的是衍射信号 声程的最小位置。在扫查过程中，衍射点相对于探 头位置不断变化，衍射信号传输时间也不断变化。 当缺陷位于发射和接收探头的连线中点下方的对称 处时，脉冲传输时间最短。当探头偏离这一位置（ 无论是D扫或B扫），传输时间都会增加。 TOFD扫查时，探头由远处而来，经过缺陷再离去， 由对称位置的一边扫描至另一边，衍射信号的传输 时间先是逐渐减小，直到一个最小值，然后再次增 加，这样在TOFD图像中就形成一个弧。 平行扫查 上表面 下表面 B扫 直通波 这种扫查会产生典型的 反向抛物线 当探头相对于 缺陷对称时时 间最短 。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 TOFD检测基本扫查类型分类： 1、非平行扫查，扫查得到的图像称为D扫描图像； 非平行扫查分为两种扫查形式： (1)探头在焊缝两边对称放置的非平行扫查(正常情况)； (2)探头在焊缝两边不对称放置的偏置非平行扫查（特 殊情况）。 2、平行扫查，扫查得到的图像称为B扫描图像。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 非平行扫查或D-Scan： 是指扫查方向与超声波 束方向不是平行的。 特点： 1、能够实现大范围检测； 2、焊缝余高不影响扫查。 3、效率高、速度快、成本 低、操作方便。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 D 扫所看到的视图： D扫描用于采集焊缝及两侧母材中的缺陷 D扫描视图不能判断出缺陷在焊缝中的横向位置 TxRx 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 非平行扫查-D扫： 主要用于缺陷定位 和长度方向的定量 ，不能判断出缺陷 在焊缝中的横向位 置；在高度方向上 的定量不精确。 焊缝 TxRx 波束方向 扫查方向 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 偏置非平行扫查：探头在 焊缝两边不对称放置，扫 查方向与超声波束方向不 平行。这种扫查主要针对 一些特殊情况，例如解决 轴偏离底面盲区问题。当 工件的底面的焊缝较宽时， 为提高焊缝底面熔合区和 热影响区的缺陷检出率就 需要采用该方法扫查。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 信号的位置的测量 典型的D扫视图 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 平行扫查是指扫查方向与 超声波束方向是平行的。 扫查结果称为B扫描。 平行扫查是跨越焊缝的横 截面，扫查中探头需要越 过焊缝，多数情况下需要 将焊缝余高磨平再进行扫 查。 平行扫查在深度上能够提 供很高的精度。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 采用平行扫查-B扫 虽然没有提供缺陷的 长度，但可以对缺陷 深度进行更精确的定 量和缺陷距焊缝中心 线的距离，也有助于 对缺陷宽度和倾斜角 度的判断。 焊缝 TxRx 波束方向 扫查方向 1.2.9 TOFD扫查类型 D扫 上表面 内壁 A扫 LW BW 1.2.9 TOFD扫查类型 上表面 下表面 B扫查会产生典型的 反向抛物线 直通波 要想使衍射信 号显示曲线凸 起更明显，可 以采用较小的 PCS和较窄的 波束宽度。 当探头相对于 缺陷对称时时 间最短 。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 典型的B扫视图 B扫 C扫 D扫 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 对非平行扫查，缺陷高 度的检测精度与缺陷距 焊缝中线的位置有关， 如果缺陷不在焊缝中线 ，则深度计算将出现误 差。 如果衍射点不在两探头 的中间线上（如果探头 相对于焊缝对称设置， 则两探头的中间线就是 焊缝中线），则深度计 算将不准确。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.9 TOFD扫查类型 由TOFD技术的衍射点深度计算公式可知，在以两个探头为 焦点形成的椭圆轨迹上的任意位置，衍射信号的传播时间是 一样的。当探头相对于缺陷对称时时间最短 。 发射探头 接收探头 SS d t0t0 x 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.10 信号的位置的测量 在TOFD扫查的图形中，缺陷显示的两端都呈弧形 ，这一点在平行扫查的图形中尤其明显，为了比较 准确地测量出缺陷的长度和高度，需要采用特殊的 测量工具弧形光标拟合缺陷端点的弧形。 TOFD光标有两种： 一种是十字光标，用于从A扫信号中测量数据； 另一种是抛物线光标，用于从D扫描图中测量数据 。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.10 信号的位置的测量 典型的TOFD图像十字光标 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.10 信号的位置的测量 典型的TOFD图像抛物线光标 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.10 信号的位置的测量 测量信号包括三个参数： 平行焊缝方向上距扫查起始点的距离（X），参数X用于确定 信号位置和缺陷长度。 垂直焊缝方向的横向距离（Y），用于平行扫查，确定缺陷 的横向位置 。 距离检测面的深度（Z）， 参数Z用于确定缺陷深度 和缺陷高度。 Z X Y O 扫查面 底面 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.10 信号的位置的测量 1、沿扫查线的位置参数（X）的测量 因X参数是测量缺陷水平位置和缺陷长度的，所以， 在测试前，首先应确定扫查的起始点，探头移动时 ，仪器通过编码器记录下每一个A扫信号相对起始点 的位置。通过移动十字光标就可以从记录中得到任 意一个A扫信号的X参数。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.10 信号的位置的测量 2、距检测面的深度参数（Z）的测量 测量缺陷深度和缺陷高度的方法是，首先将十字光标置于A 扫直通波的起始位置，记录相应的时间，然后将光标置于缺 陷波起始位置，再次记录时间，计算机就会自动显示出缺陷 的深度。 在缺陷靠近表面的情况下，缺陷信号和直通波信号之间的干 涉可能会使测量变得困难，但从D扫描图中可观察到信号的 尾部形状，测量方法是将抛物线光标与信号显示的尾部拟合 。为保证准确性也可将直通波去除后在测量。在近表面区域 ，抛物线形状的很小变化就会引起较大的深度误差，所以测 量时需仔细、认真。 缺陷高度的测量方法：先测量缺陷上尖端信号位置，记下时 间，在测量缺陷下尖端信号位置，记下相对的时间，通过计 算机即显示缺陷的自身高度。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.10 信号的位置的测量 3、横向位置参数（Y）的测量 在非平行扫查中，无法测定横向位置参数Y值，要 想确定缺陷信号的横向位置Y值，就必须在缺陷上 方进行平行扫查。 首先确定扫查的起始点，以两探头中间的对称点为 位置零点，探头移动，编码器记录下过程中每一个 A扫信号相对起始点的位置。用光标测量缺陷信号 声程最小的位置，该数值就是缺陷位于探头中间的 对称位置的信号，即参数Y的数值。也是缺陷相对 于焊缝中心线的位置。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.11 TOFD检测的盲区 盲区：是指TOFD技术实施检测时，被检体积中不能发现缺陷的区域。 上表面盲区就是直通波信号所覆盖的深度范围。由于上表面缺陷的信号可 能隐藏在直通波信号之下，因此相当于直通波信号的深度是盲区。 决定上表面盲区深度的因素： 1、直通波脉冲时间宽度 2、探头带宽与频率 3、探头中心间距（PCS值） 一般情况盲区占检测厚度的1525mm。 例如对40mm厚焊缝，按照正常规范选择检测参数，其盲区大致为 515mm。 5MHz探头，周期0.2s，PCS=100mm，工件厚度40mm，直通波为两倍 周期0.4s，则盲区为11mm。 减小上表面盲区的措施：减小PCS，窄脉冲探头，直通波去除。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.11 TOFD检测的盲区 下表面盲区：主要是指轴偏离底面盲区，即偏离两探头中心 位置的底面区域存在的盲区。 按TOFD检测一收一发的探头布置，超声衍射信号传输时间 相等位置为一个椭圆轨迹。如果缺陷在椭圆轨迹以下区域， 则信号出现在底面反射波之后，因此无法检出。 偏离焊缝中心的缺陷很难在D-扫描的底面反射信号中看到， 可能被底面回波信号掩盖。 在传播时间相同轨迹上任意 一点的信号都具有相同的时 间 检测不到 的缺陷 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.11 TOFD检测的盲区 下表面盲区距中心线越远，盲区高度就越大。 轴偏移误差：8 发射探头 接收探头 SS t2 t1 相等时间的轨迹 (t1+t2=2t) dmindmax 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.12 TOFD技术的精度和可靠性试验 1、裂纹高度尺寸测量试验 1979年M.G.Silk公布了利用TOFD技术对缺陷高度尺寸测 量试验的数据，用于试验的缺陷为815 mm之间疲劳裂纹 。 图中用实线给出裂纹的 实际高度，TOFD测量 值用圆圈表示，均方根 （RMS）误差为0.3 mm， 证明应用TOFD测量裂纹 高度是很准确的。 1.2 TOFD技术的基本知识 1.2.12 TOFD技术的精度和可靠性试验 2、缺陷尺寸测量精度试验 表1.1 衍射时差技术对非平面缺陷的测量误差 实验结果表明，衍射时差技术检测