（精密仪器及机械专业论文）超声TOFD法焊缝探伤系统的研究及开发(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 超声波衍射时差探伤法( t i m eo f f l i g h td i f f r a c t i o n ，t o f d ) ，是一种基于衍 射回波信号进行缺陷判别的非常有效的超声无损检测方法，是当前国内外研究的 热点，在各个领域的焊缝检测中都得到了迅速的推广。该方法具有检测速度快、 精度高、缺陷检出率高、定位准确、可获得缺陷尺寸、经济方便等优点，而且极 易与计算机技术相结合，是焊缝自动化实时检测的一个发展趋势。 本文以t o f d 原理为基础，详细分析了其探伤扫描显示方式及焊缝中缺陷的 定位定量方法，并针对检测中存在盲区的缺点，提出了附加扫描方式和三种综合 探伤方法。还依据t o f d 法探伤的特点设计了采集系统，编写了核心控制芯片的 软件代码，并进行了调试和数据采集试验。 本文完成的主要工作 1 详细分析了t o f d 法的原理基础、检测方法、信号特征、数学处理模 型及探伤系统的基本构成，针对其检测盲区，提出了附加扫描方式和 综合探伤方案。 2 设计了一块基于u s b 与上位计算机通讯的数据采集卡，主要实现的功 能包括：u s b 数据接口、可编程增益放大电路、带通滤波电路、a d 转换数据采集电路、微处理器、f p g a 时序控制电路等，具有较高的实 用价值。 3 使用v e r i l o gh d l 编写代码设计了f p g a 芯片x c 2 s 1 0 0 的逻辑功能， 实现了四路相移时钟、时序控制、数据存储、通道选择、参数读写等 功能。 4 编写了m c u 芯片c 8 0 5 1 f 1 2 1 的汇编代码。实现了放大电路增益控制、 数据通讯接口、读写操作控制和采集数据的存储及预处理等功能。 5 使用l a b v i e w 语言设计了用户调试窗口，实现了人机界面的交互设计、 数据处理分析、采样回波的波形显示等功能。 6 进行了软件代码的调试和简单的波形采集实验。 关键词：t o f d f p g am c uu s b 数据采集l a b v i e w a b s t r a c t t o f d ( t i m eo ff l i g h td i f f r a c t i o n ) i so n eo f t h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g i e si nt h e f i e l do fu l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g i tc a l lg e tt h es i z e sa n dl o c a t i o n so ff l a w s a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h et i m eo fr e t u r nd i f f r a c t i o ns i g n a l sf r o mt h et i p s o ff l a w i th a sb e e nw i d e l yu s e di nw e l dt e s t i n gc u r r e n t l ya sah o ta s p e c ta th o m ea n d a b r o a d t h i sm e t h o dh a sm a n yr e m a r k a b l ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h l yt e s t i n gs p e e d ， h i g h l yp r e c i s i o n ，h i g h l yd e t e c t i n gr a t e ，a c c u r a t e l yl o c a t i n gf l a w sa n dc o n v e n i e n c e e t c w h e nc o m b i n e dw i t hc o m p u t e r , i tc a na c h i e v ea u t o m a t i cr e a l t i m ed e t e c t i n g b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft o f d ，t h i st h e s i sg i v e st h ef l a w s q u a l i t a t i v ea n a l y s i si n d e t a i la n dc o n t r a s t sd i f f e r e n tm o d e so fs c a n n i n ga n dd i s p l a y i n g t oe l i m i n a t et h eb l i n d a r e a , w eb r i n gt h ea d d i t i o n a ls c a n n i n ga n dt h r e ei n t e g r a t e dd e t e c t i n gm e a n s a n a c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da c c o r d i n g t op e c u l i a r i t yo ft o f d ，t h es o f t w a r e c o d e so fc o r ec h i p sh a sa l s ob e e n 。c o m p i l e d f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t sa r em a d e t h ef o l l o w i n ga r em a i na c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i s ： 1 m a i nc o n c e r no ft o f di st h ep r i n c i p l e ，d e t e c t i n gm e t h o d ，s i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s ， m a t ha n a l y s i sm o d e la n db a s i cs y s t e ms t r u c t u r e t od e a lw i t hb l i n da r e a , a d d i t i o n a ls c a n n i n ga n di n t e g r a t e dm e a n sa r eb r o u g h to u t 2 d e s i g n e dad a t aa c q u i s i t i o n c a r dt o g e t h e rw i t hu s bi n t e r f a c ec i r c u i t , m a i n m o d u l e so fi tc o n t a i nu s bi n t e r f a c e ，p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e rc i r c u i t ， b a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t ，a dc o n v e r t e ra c q u i s i t i o nc i r c u i t ，m c ua n d f p g a 3 d e s i g n e da n dc o m p i l e d t h ec o d e so fx c 2 s10 0w i t hv e r i l o gh d l ，w h i c h i m p l e m e n t e df o u rp h a s eo f f s e tc l o c k s ，s e q u e n t i a lc o n t r o l l i n gm o d u l e ，d a t as t o r a g e m o d u l e ，c h a n n e lc h o i c em o d u l e ，p a r a m e t e r s w r i t i n ga n dr e a d i n ge t c 4 c 8 0 51f121t h a td e s i g n e dw i t ha s s e m b l el a n g u a g e ，m a i n l yu s e dt oc o n t r o lt h e g a i no fa m p l i f i e rc i r c u i t ，t h eo p e r a t i o no f r e a da n dw r i t e ，t h es t o r a g eo fa c q u i s i t i o n d a t a , t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a n dt h ep r e a n a l y s i so f d a t ae t c 5 u s e dl a b v i e wt op r o g r a m m et h eu s e rc o n t r o l l i n gi n t e r f a c e ，w h i c hs u p p o r t e d m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，d i s p o s i n ga n da n a l y z i n go fd a t a , d i s p l a y i n go fr e t u r n w a v e f o r i l le t c 6 d e b u g g e dt h e w h o l es o f t w a r ec o d e so fs y s t e m ，a n dd i d t h ea c q u i s i t i o n e x p e r i m e n t so fs i g n a l s k e yw o r d s tt o f d ，f p g a ，m c u ，u s b ，d a t aa c q u i s i t i o n , l a b v i e w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：气老晕 签字同期：2p ，7 年2 月 7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 危彦芗 签字日期：2 矿叮年2 月 7 同 导师签名：巧亏乞似 签字同期：1 7 年z ，月罗同 第一章绪论 第一章绪论 无损检测技术，是指在不损害被检测对象使用性能及形态的前提下，利用其 某些物理性质因存在缺陷而发生变化的现象，通过测量这些变化来了解和评价被 测对象性质的一种检测技术。它是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳 定生产工艺、促进技术进步的重要手段。 随着新材料、新技术的广泛应用，将传统的无损检测技术和现代信息技术相 结合，便于实现无损检测的数字化、图像化、实时化、智能化。无损检测技术在 现代工业的各个方面都有着广泛的应用：体现在改进产品质量、产品设计、加工 制造、成品检验以及设备服役的各个阶段：体现在新材料和新技术的研究中；也 体现在保证机器零件、最终产品的可靠性和安全性上i l j 。当今世界各国都越来越 重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用，我国也将无损检测列为设备延寿 技术中的关键领域，以提高产品的竞争能力和经济效益。 超声无损检测技术，与其它常规无损检测技术相比，具有被测对象范围广、 检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对人 体无害以及便于现场使用等特点，而且其输出信号是以波形的直观形式体现，使 得当前飞速发展的计算机信号处理、模式识别和人工智能等高新技术能被方便地 应甩于检测过程，从而极大地提高了检测的精确度和可靠性。因此，超声无损检 测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展最快的一种无损检测技术。 t o f d 超声波衍射时差法，不同于利用超声波在缺陷表面产生的反射波进行 探测的常规超声探伤法，它以缺陷端部对超声的作用为基础，利用超声波的衍射 原理对焊缝进行检验。该方法对焊缝缺陷的检出能力强、定位精度高，而且节省 设备的制造时间，安全，检测得到的数据也可以利用数字型式永久保存。t o f d 法具有的突出特点及其在焊缝缺陷检测中的成功应用，使之已成为焊缝超声检测 和缺陷定量中的一个极具发展前景的新技术。 1 1t o f d 超声波衍射时差法 t o f d 法，是指在焊缝探伤中，利用缺陷端部的衍射波传播时间差进行缺陷 定位定量方法的总称。因此，广义地讲，凡是利用缺陷端部衍射波的接收时差来 进行定量评价的方法统称为t o f d 法。但随着近年来的实际应用和相关标准，已 将使用两个纵波斜探头相向对置，一发一收，利用所谓“回波 ( 即侧向波、衍 射波和底面回波) 信息进行缺陷评价的方法专指为t o f d 法。 第一章绪论 t o f d 法，将发射探头和接收探头按一定的距离在焊缝两侧放置，发射探头 发出传播纵波，利用缺陷端部的衍射波来测量缺陷自身高度。在没有缺陷的地方， 得到的信号仅是在试件表面传播的侧向波和底面反射的回波，但在有缺陷的地 方，还会接收到来自缺陷上端及下端的衍射波。所以通过探伤图形上的各个信号 到达的时间差，即可得到缺陷的深度及高度。这些收集到的信号还可经过波形数 据转换，由计算机处理，变换成相位程度带明暗的灰色标度，探伤结果就可以由 实时图像显示出来。显示图像有a 、d 、b 三种显示方式，记录结果比较直观和 客观。在常规方法中，入射角如果偏离1 0 。，其灵敏度约降低2 5 d b ，而t o f d 法却只降低5 d b ，相对减少了许多【2 j ，并且该方法还具有不易受裂纹斜度影响的 良好检测性能。 t o f d 衍射波无损检测法，是2 0 世纪7 0 年代末由英国h a r w e l l 实验室的s i l k 和l i d i n 蓼o n 提出的【2 1 。随后在英国核工业领域中，为减少缺陷高度测量的失误， 精确地进行断裂力学分析，t o f d 技术得到了大力发展，为设备的可用性评估提 供了精确的试验数据。之后随着对该技术的理解深化，凭借其检测的快速性和尺 寸测量的可靠性，t o f d 法在天然气和石油化工等工业领域得到了广泛的应用。 现行的标准主要是英国的b s7 7 0 6 标准和欧洲的e n v5 8 3 6 标准1 3 j 。 1 2t o f d 法的发展及应用【3 】 2 0 世纪7 0 年代末，超声波衍射时差测量技术在欧洲问世，当时只是作为一 种用于科学研究的工具引起科学界的关注，而其作为一种用于现场检测技术的开 发则是在8 0 年代以后，其最直接的应用需求就是检测英国的高压核反应堆。核 反应堆的压力容器都是由很厚的钢板拼焊构成，承受着内部相当高的工作压力， 因此就要求母材钢板和焊缝内部的质量达到很高的水平，不允许出现大于临界尺 寸的缺陷，所以检测仪器必须可以精确地测量内部缺陷的尺寸。而超声波衍射时 差测量技术所具备的对内部缺陷精确测量的潜力已经被认识到，特别是对内部裂 纹的检测能力，恰好是核工业部门最为关心的问题。正是这种工业实践发展中对 新技术的迫切需求，导致了该技术的快速发展。 进入9 0 年代以后，随着计算机技术和制造技术的飞速发展，t o f d 技术在 欧美发达国家得到了快速发展，相关理论逐渐成熟，研制与开发的仪器也逐步成 型。之后随着英国、欧共体、美国等国一些相关标准的颁布，t o f d 法便逐渐广 泛应用于锅炉、压力容器和压力管道焊缝等的缺陷检测和定位、定量、定性评价。 现已在核电、建筑、化工、石化等工业的厚壁容器和管道方面有诸多应用，己经 可以用t o f d 技术来完成其它方法无法完成的检测，并实现了在工件焊接和使用 过程中的实时检测，来监测缺陷的生长情况。 2 第一章绪论 t o f d 技术仍在向检测条件最佳化方向发展，其成本也只有脉冲回波技术的 1 1 0 。现在，t o f d 检测技术在西方国家是一个热门话题，已经开始加大力度推 广应用，经过若干年后，大有取代r t ( r a d i o g r a p h i ct e s t i n g ) 趋势的可能。 在我国，该技术仍处于起步阶段，有部分学者翻译了一些国外有关该技术的 文献，有几家单位也在进行仪器开发方面的努力。其中，波达科技有限公司开发 出的具有t o f d 功能的p c u t l 0 超声波焊缝检测仪，主机和软件具有自主产权， 但其精度和检测水平均不能达到实用要求。湖北省锅炉压力容器检验研究所与武 汉中科创新技术有限公司合作，也研发了一套超声衍射波( t o f d ) 二维成像检 测系统，但该设备也不能达到较高的采样速率和采样精度，而且在数据处理分析 和直观显示方面都与国外当前技术有相当大的差距。 此外，国外已商品化的t o f d 探伤设备成本高昂，在国内普及应用难度很大。 因此，对t o f d 探伤关键技术的研究以及采集系统的研究设计，为开发我国具有 自主知识产权的t o f d 焊缝检测设备，提高焊缝检测水平，降低工人劳动强度， 提高检测效率，均有重要意义，同时还会产生较高的经济效益。 1 3t o f d 法研究的意义 近几年来，t o f d 技术作为一种先进的无损检测技术在欧、美、日的某些行 业有着大规模的应用，特别是随着电子技术的迅速发展，t o f d 技术也得以实现 了数据处理方面的迅速发展。 采用t o f d 检测系统可以实现自动化实时检测。由于其现场检测的前端装置 ( 扫描器及探头) 易于制作的较小，所以可以在焊接过程中对工件进行检测，同 时也可以实现在役检测，从而节约时间，降低成本。此外，该方法检测结果的再 现性也较好，可以用于监测缺陷的生长。但在实际检测中，t o f d 法在工件的上 下表面存在检测盲区，而且如果缺陷高度倾斜或扭曲，比如横向裂纹，纵向扫描 就很难将其检测出来。有时候，并不严重的缺陷，如点状缺陷，显示却好像是一 个裂纹。因此，为了保证检测的准确性和精度，实际检测中t o f d 技术常和其它 的无损检测技术相配合进行检测，比如和脉冲反射法相结合就能达到接近1 0 0 的焊缝缺陷检出率1 4 j 。 研究t o f d 技术，不仅能促进我国无损检测的进一步发展，而且对扩展其在 工业上，特别是在锅炉、压力容器、压力管道焊缝检测上的应用，弥补我国相关 行业的空白，急起直追，与国际接轨等方面有重要的意义。 3 第一章绪论 1 4 课题研究的主要工作和目的 本课题所研究的超声波衍射时差法探伤技术，在理论上突破了单纯应用超声 波的反射回波作为评判信号的常规方法，综合应用了超声波的反射波和衍射波作 为评判信号，从而得到了更为丰富的关于焊缝内部缺陷的信息，为缺陷的成像和 评判奠定了物理基础。而且高速发展的电子技术和信息技术也为信号的处理分析 提供了强大工具，使该技术的发展越来越引起世界各国的关注。 论文在研究t o f d 方法理论和总结前人研究成果的基础上，主要分六大部分 讨论了t o f d 检测原理及探伤系统的设计和数据采集实验。 第一部分阐述了t o f d 检测方法的原理和数学模型，分析了其特点和发展 情况，并在此基础上，简单介绍了t o f d 检测系统的基本结构。 第二部分分析论述了t o f d 法的基本扫描方式、显示方法和图像处理方 法，针对其在焊缝表面检测时存在盲区的缺点，提出了附加扫描方式和综合探伤 方案。 第三部分设计了一块t o f d 超声无损探伤用的数据采集卡，并详细介绍了 各部分的电路构成。 第四部分 使用v e f i l o gh d l 、原理图等设计工具编写了f p g a 芯片 x c 2 s 1 0 0 的软件代码，并进行了综合和仿真验证。 第五部分编写了单片机c 8 0 5 1 f 1 2 1 的汇编代码，实现了数据接口和控制 等功能。 第六部分利用l a b v i e w 图形化编程语言设计了上位机的用户调试界面，进 行了硬件电路调试和软件代码下载，并进行了探伤回波采集实验。 4 第二章t o f d 法超声探伤的基本原理 第二章t o f d 法超声探伤的基本原理 t o f d 超声波衍射时差法，是焊缝超声检测和缺陷定量中很有发展前景的新 技术，它根据入射超声波在焊缝缺陷端部产生的衍射波的传播时差对缺陷进行测 深定高，是一种可靠性很高的方法。随着定制标准的不断完善和应用的不断推广， 该超声探伤方法有广阔的应用和发展前景。本章将就t o f d 法的物理基础、探伤 原理、评定方法和探伤系统构成等方面进行阐述和分析。 2 1 超声检测的物理基础 超声波是一种机械波，是机械振动在连续介质( 气体、液体、固体) 中的传 播过程，具有波长、频率和传播速度等物理量，而机械振动与波动是超声波探伤 的物理基础。超声波探伤中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律 和概念，如几何声学中的反射、折射定律及波形转换，物理声学中的波叠加、干 涉、衍射、及惠更斯原理等等。 超声波是指频率大于2 0 k h z 的弹性波，工业超声检测常用的超声工作频率为 o 5 1 0 m h z ，较高的频率主要用于细晶材料和高灵敏度的检测，较低的频率则 常用于粗晶材料和衰减较大材料的检测。对于某些特殊要求的检测，往往对超声 波的频率做出选择，如粗晶材料的超声检测常选用1 m h z 以下的工作频率，金属 陶瓷等超细晶材料的检测，其频率选择可达10 2 0 0 m h z ，甚至更高【5 1 。 超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性( 比如声速、衰减、反射、 声阻抗等) ，来实现对非声学物理量( 如密度、浓度、温度、流速、厚度等) 的 测定的。 2 2t o f d 法的检测原理 2 2 1 超声波的衍射现象 t o f d 法也叫“裂纹端点衍射法”或“尖端反射法”，它不同于传统探伤利用反 射波的幅值来测定的方法，而是有赖于超声波与缺陷端部的相互作用。其相互作 用的结果是会在较大角度范围内发射衍射波，检出衍射波就能确定缺陷的存在。 它是一种基于超声波的衍射原理进行检测的无损探伤方法。 惠更斯原理可表述为：波所到达的每一点都可以视为新的波源，这些新的波 源称为子波源，从每个子波源都要发出新的子波，这些子波波前的包络就又构成 了新的波前。 * = 章t o f d 法趋声撵伤的基本原理 当超声波在传播途中遇到障碍物( 缺陷) 时除了产生普通的反射波和透射波 以外，根据惠更斯原理，其端韶将会成为新的声源，向3 6 0 。方向产生新激发的 衍射波，并在较大的范围内传播。此衍射波可用接收探头检出只要测出其作为 脉冲发射的传播时间，就可求出衍射波源即缺陷两端部在板厚方向的位置， d 衍射波传播时差即可确定缺陷的自身高度。由于缺陷端部产生的衍射波鞍弱， 通常采用声束角较大的纵波斜探头这样就能通过一次平行扫描，对埠缝长度方 向作一定体积的检测”j 。 i ：入射波 2 ：反射波 3 ：透射波 4 ：缺陷上端部的衍射渡 5 ：缺陷f 端部的衍射波 圈2 一】t o f d 法缺陷定量基础衍射踱传播时差 如图2 - 】所示，衍射渡能量在很大角度范围内传播，并假定它们都源于缺陷 端部，t o f d 法正是基于惠更斯原理用衍射波来进行缺陷检测的，利用这种新生 的衍射波可阻用来评定焊缝中缺陷的深度和高度。 2 22t o f d 法的探伤示意图 t o f d 技术采用两个对称放置且频率、尺寸、角度都相同的探头( 一发一收) 。 通常采用在固体中具有较强穿透能力的纵波斜探头，这是t o f d 法的一大特点。 当焊缝位于垂直轴线方向时获得的检测波形最明显，评估结果也最准确。t o f d 法探伤中的探头布置和缺陷测深模式如下图2 - 2 所示： 一：羹q ：压氲乙。 i 呵 一”一弋：罗篡= 4 d 缺陷深度 h ：缺陷自身高度 图2 - 2t o y d 法探伤原理图 在焊缝两侧，将一对频率、尺寸、角度相同的纵波斜探头相向对称放置( 两 第二章t o f d 法超声探伤的基本原理 探头间距取决于板厚、声束角度和探测频率) 。发射探头将声束指向角甚大的宽 声束纵波从侧面入射到被检焊缝的断面，在工件内部传播。在无缺陷部位，接收 探头会接收到沿试件表面传播的侧向波( l a t e r a lw a v e ，声速与纵波同) 和底面的反 射纵波；当有缺陷存在时，在侧向波和底面回波之间，接收探头会接收到来自缺 陷上端部和下端部的衍射波，而且两者的传播路径即传播时间会不一样。除上述 各波外，还有缺陷端部由于波型变换产生的横波信号出现在示波屏上，因其声速 较慢，会延后显示，故分析时可忽略不计，而只着眼于接收到的纵波信号。 t o f d 法通常使用频率为2 1 0 m h z 的纵波探头1 7 1 ，这是因为纵波最先到达 接收探头，且纵波易发生衍射，同时纵波的应用可以简化接收的波形和显示图形 的解释。 用t o f d 法时，无需像普通的横波斜探头波幅法探伤一样，要使探头在试件 表面作前后或左右或转动扫描，以找到反射回波强度最大的位置，因此缺陷定量 精度与扫描间距基本上无关。另外，所测定的时间与接收信号的强度无关，故缺 陷定量可靠性较高。 饲 , - j i l t 缺陷顶赭缺陷底赭 底面回波 i 衍射浚衍射波 一 酞 l i i 一 il 一- 一 r 一一1 l | r 一呵y 一时阆二 图2 - 3t o f d 法探伤的典型a c 波形 t o f d 法的典型a c 探伤波形如图2 3 所示哺j ，当发射探头发出超声波脉冲后， 到达接收探头的第一个信号是通过试件表面传播的外壁正向信号波( 侧向波) ， 它是区分和测量缺陷的参考；如有缺陷则纵波在缺陷顶端产生衍射波，形成负向 信号波( 缺陷上端波) ，同理在缺陷底端的衍射波形成正向信号波( 缺陷下端波) ； 最后接收到的是经内壁反射形成的较强的负向信号( 底面回波) 。 其中侧向波和底面波信号通常供参考用，若忽略波型转换，在试件中由缺陷 产生的任何信号均在侧向波与底面波之间到达，这是因为侧向波和底面波分别对 应于发射探头与接收探头之间的最短声程和最长声程。同理，缺陷上端产生的衍 射信号将在缺陷下端产生的信号之前到达接收探头。 a c 波形还提供了参考波( 侧向波和底面波) 和缺陷波( 上端波和下端波) 的相位信息来估判缺陷性质，从图2 3 可看到，侧向波和底面波具有相反的相位， 缺陷上下端的衍射波也同样具有相反的相位。侧向波与缺陷上端产生的衍射波的 传播时间差与缺陷的位置有关，缺陷上下端产生的衍射波的传播时间差与缺陷的 高度有关。因此，关于缺陷高度和缺陷的位置的测量，都由接收到的声波信号的 7 第二章t o f d 法超声探伤的基本原理 传播时间差来确定，与信号的波幅无关。 2 2 3t o f d 法超声探伤的信号特征及信号处理【9 】 超声波在介质中传播时，其自身的波前扩散会造成随着传播距离的增大，而 垂直于声束传播方向的单位面积通过的声能减小，即扩散衰减，这是由超声波的 自身特性所决定，它与声束扩散角2 0 ( 0 为超声束的半扩散角) 有关。t o f d 系 统中，需要将很弱的超声波信号通过前置放大器进行放大处理。 由于探头发射的超声波能量在晶片中心轴线上最强，离中心轴线越远，能量 越低。所以，检测时得到的最大衍射波，就应该是由沿晶片中心轴线传播的超声 波束产生的，其对应的折射角就是探头的标称折射角。这点由前人的试验结果也 得到了验证。 t o f d 法检测中，侧向波起着参考基准的作用，由于它沿着试件表面传播， 所以其信号幅度与两探头间距的变化有关。将两个纵波斜探头相向对置，调节两 探头的间距，使其在3 5 - - - - 7 5 m m 之间变化，并适当调整增益使侧向波波幅增大。 通过观察侧向波信号随两探头间距的变化情况，可得知当两探头间距增加时，侧 向波的信号强度呈线性下降趋势。 缺陷端部衍射波的强弱将直接影响到检测缺陷的灵敏度，所以有必要研究衍 射波在试件中的传播特性。超声波在试件中入射和接收的角度是影响衍射波强度 的主要因素，因此通过对比不同角度下缺陷上端衍射波的行为，可以找到衍射波 传播的最佳角度。缺陷1 2 高度处的声束夹角e 为中夹角，将两纵波斜探头相向 对置，并关于缺陷长度方向对称，通过观察缺陷上端衍射波信号随中夹角e 的变 化情况，可得出，对于不同深度的缺陷，上端衍射波信号均在中夹角为一定值附 近信号最强，增益值最低。而且，缺陷下端衍射波的传播特性与上端相同。 t o f d 法检测得到的信号，可采用小波变换进行处理。小波变换，是一种既 能显示频域信号的傅立叶变换特征，又能捕捉信号时域变化的方法。该方法易于 重建分解信号，因此将此变换用于超声波信号，既能确定缺陷回波和杂波的频率 成分，又不会丢失时间轴的数据。 计算机算法也有许多对分析t o f d 扫描的记录数据很有用的，可以作为数据 分析处理的附加算法。例如： 1 、拟合叠加曲线，可精测缺陷长度。 2 、对侧向波和底面回波作减法，可检出信号，否则干扰会使信号模糊不清。 当表面粗糙或有凹坑，此算法的有效性需要通过试验验证。 3 、模式化算法，即绘制轨迹曲线，分析波型转换信号。可附加窥测缺陷位 置、深度和方向，它要求操作者充分熟悉有关物理原理和模式软件。 第二章t o f d 法超声探伤的基本原理 4 、线性化算法，即令整个d 扫描或b 扫描线性化，可精确测量缺陷的深度 和高度。 2 2 4t o f d 超声探伤法的数学模型 t o f d 法进行焊缝探伤时，用如图2 2 放置的一对相同的纵波斜探头，分别 作一次焊缝纵断面和横断面的扫查，便可得到d 扫描和b 扫描图像。同时依据 高速采集、存储、显示设备可保存多幅a 扫描的图像，探伤中典型的接收波形 关系如图2 - 4 所示： m r 蠛d 喘鬻喘紧 腼目浚 _l_-l ai 一 ， 一 一o一 y ：l_ |l 一一 一一- 1 y 1 l y 一嗍it - l 二 t 1 ；一 。 rl =t 2 i t m t l ：侧向波传播时间； t ：缺陷顶端衍射波传播时间； t s w ：底面回波传播时间； t 2 ：缺陷底端衍射波传播时； 图2 - 4t o f d 法接收波形关系示意图 通过测量可获得侧向波、缺陷上端衍射波、缺陷下端衍射波及底面回波的传 播时间，并根据已知试件中的纵波声速c 和两探头间距s ，可获得缺陷深度d 、 缺陷尺寸h 、试件厚度t 等参数，其具体计算公式如下所示： ) t l 2 石 4 d 2 + s 2 2 r 一 铲平44(d+h)2+s2 4 丁2 + s 2 b 。1 一 。= 丢丽 日= 圭解一d 9 ( 公式2 1 ) ( 公式2 2 ) ( 公式2 3 ) ( 公式2 4 ) ( 公式2 5 ) ( 公式2 - 6 ) 第二章t o f d 法超声探伤的基本原理 由各波的传播时间便可获得探头间距、试件厚度、缺陷位置等各特征参数， 其中缺陷深度和高度分别由式2 5 、2 - 6 得出，同时根据d 扫描和b 扫描图像， 对缺陷的种类及性质可进行粗略判定。 t o f d 法进行实际测量时，为避免探头延迟时间测量中可能遇到的误差，一 般要测定沿试件表面传播的侧向波和缺陷端部的衍射波的传播时间差t v ( t v = t - t - - t l ) 。根据几何关系，令两探头间距为2 w ，由下式便可求出缺陷的深度d 【l o 】： ( 公式2 7 ) 测定时，缺陷最好处于两纵波斜探头的间距中线，这样按式2 7 求出的缺陷 端部的深度就相当准确。当缺陷位置偏离两探头间距中线时，只要此偏距较小， 用该式计算出的结果虽有误差，但几何测定误差还是较小。 2 3 t o f d 探伤系统的构成 典型的t o f d 探伤系统如图2 - 5 所示。它一般由内置编码器的扫查器、探头、 前置放大器、脉冲发生器、接收器、模数( a d ) 转换器、编码器、控制器、以及 对整个系统进行控制和数据解析的上位机等组成。而且，上位机中除一般内设上 述部件外，还可以连接有保存探伤数据用的硬盘及打印机等设备。 图2 5 典型t o f d 超声探伤系统示意图 实际t o f d 法探伤应用中，两个探头与超声发射设备相连，并固定在扫查器上， 探头间距可根据工件厚度进行调节。扫查器根据实际情况由电机或手工驱动，靠 附有磁铁的四个轮子，沿在焊缝方向布置的导轨进行扫描。探伤位置和探伤距离 由磁性或光学编码器传输给上位机。探头用两个纵波斜探头，一发一收，对不同 壁厚所需选用的探头参数可查标准参数表，两探头有相同的中心频率，误差2 0 1 0 1 。 1 0 第三章t o f d 法扫描显示方式及探伤方法的改进 第三章t o f d 法扫描显示方式及探伤方法的改进 本章主要对t o f d 超声探伤法常用的扫描、显示方式进行了分析论述，并结 合各种方式的原理和应用，详细总结了t o f d 法在焊缝缺陷检出方面的独特优 势。但实践应用中任何方法都不是完美无缺的，t o f d 法也存在着由衍射波进行 探伤而引起的不足，本章后篇剖析了引起这些不足的原因，并针对其局限性，提 出了一些弥补的方法，主要是t o f d 法与其它探伤方式相结合，相互发挥各自的 优势进行检测的方案。这样，在极大程度上可以有效地提高焊缝各位置缺陷的检 出度，在实际探伤应用中具有重要的研究价值。 3 1 数据显示方式及扫描方式 超声t o f d 探伤法的数据显示方式有a 扫描、b 扫描及d 扫描图像，利用 这些图像中的特征能够有效地对缺陷进行识别和定位定量。其中，a 扫描信号能 给出缺陷的波形及其相位特征，d 扫描图像则给出了缺陷长度尺寸方面的信息， 而b 扫描可以检测到d 扫描中不易于发现的缺陷，并且b 扫描图像能给出更为 准确的缺陷信息。为了识别和准确评价焊缝缺陷，实际测量中a 扫描信号，b 、 d 扫描图像都是必不可少的。 3 1 1a 扫描 随着计算机及数字技术在超声探伤中的深入应用，现在a 、b 、c 、d 、p 扫 描等字眼经常出现在各种文献及产品介绍中。这些超声探伤中的信息显示模式 ( 俗称扫描) 的概念，已经添加了不少新的内容，但是对于超声探伤而言，传统的 也是现阶段应用得最多的是a 扫描及a 型显示。 t o f d 法a 扫描是利用脉冲回波法，采用直角坐标形式表示。a 型显示为一 维图像，表示某一位置上沿焊缝厚度方向的检测情况。探头接收到的超声脉冲信 号幅度用轴向( 通常是y 轴) 位移显示，用来表示回波的振动情况；超声脉冲对应 的传播时间以另一轴向( 通常是x 轴) 位移显示，可以表示焊缝厚度方向的距离。 在线性放大系统中，y 轴位移量与超声脉冲信号幅度成正比。t o f d 法典型a 扫描 图像如图3 - 1 所示，其中a 图为实际探伤仪器的检测图，b 图为经过模数转换的 典型t o f d 法探伤示意图。 信号的型式有多种：( 1 ) 射频信号；( 2 ) 正半波；( 3 ) 负半波；( 4 ) 检波和非检波。 当需要研究信号的相位漂移时，要用射频显示，而其他各种显示方式可用于简化 第三章t o f d 法扫描显示方式及探伤方法的改进 结果和简化对结果的解释1 1 1 。 器 图a 臣 陷 舅囱波 蜢 一 一 一一 一一。 vv y 。i l 靳瑚 1 靳时间 图b 图3 - lt o f d 法a 扫描图像 与模拟式探伤设备不同的是，在计算机化、数字化的超声检测设备中，荧光 屏上的一幅a 扫描图是由一串等间隔的彼此不相连的亮点组成，每个点包含两 个信息声程和幅度，声程可用该亮点距参考点的间隔数及声速计算出来，幅 度可用灰度、颜色或纵坐标值表示。计算机表示屏幕上一个点的灰度或颜色的等 级数是很多的，是足够用的，亮点是按其声程的大小顺序排列起来的。更重要的 是每个点所包含的这两个信息及各个点的相对位置都可以存储起来，并可重新提 取出来。正是这些特点，使计算机化、数字化的超声检测设备中的各种信号显示 模式增添了许多新内容，但其中利用a 型显示的图像没有包含探头位置的信息。 3 1 2d 扫描一焊缝缺陷纵断面图像显示 按照b s 7 7 0 6 等标准的规定，实际使用的t o f d 超声衍射波探伤法为：使用一 对纵波斜探头置于焊缝两侧，靠自动行走装置( 附编码器) ，沿着焊缝或缺陷方向 作平行扫查( 即超声波的传播方向和探头运动方向相垂直) 称为d 扫描，d 扫描又称为纵向扫描或非平行扫描。将所得到的探伤信息，通过亮度改变，可根 据接收信号的强度转换成为图像显示。图3 2 中的a 图即是t o f d 探伤法中d 扫描 的模式示意图 1 2 - 1 3 j 。 目前列入欧、美、日等国标准的t o f d 法，多指具有这种图像显示的方法。 与一般靠直角坐标式探伤波形( 即a 型显示) 用波幅法测定的情况相比，t o f d 法 测定结果是焊缝纵断面的图像显示，在显示屏上，由缺陷端部产生的微弱衍射波 所变换成的图像，能被直观地读出，判读可靠性高。d 扫描是一维性单向扫查方 法，只要探头、设备、条件等适当，就可以迅速地、高精度地对缺陷测高。 对典型缺陷探伤的d 扫描显示如图3 2 中的b 图所示。由于探头在缺陷上 方偏移时，接收波的传播距离会变长些，实际测量定性时，只要在图中的月牙形 中心位置测定缺陷端部衍射波与沿试件表面传播的侧向波的传播时间差t d ，就可 1 2 第i 章t o f d 法扫描e 示方式厦搽伤方# 改进 利用式2 - 7 得出缺陷端部的深度位置。 对焊缝内部的缺陷，因对其上下端部的衍射波同样可观测，故测出上下两端 深度，就可判定缺陷得高度。 图a ：i ) f 3 描模式图 t * 目t 氐一鬟l 卜 囫 1 十 圈b ：i ) f 3 描实际显示圈 图3 - 2t o f d 法d 扫描模式图及显示图像 313 b 扫描一焊缝缺陷横断面图像显示 b 扫描又称为横向扫描或平行扫描。它是将两t o f d 探头沿着垂直于焊缝或 缺陷的方向移动使超声波的传播方向和探头的运动方向平行，这种扫查方式就 称为b 扫描。检测所得到的图像为t o f d 法探伤的b 扫描图像【1 2 - 1 3 ( 如图3 - 3 中的b 图所示) 。 震 匝 圉虬b 扫描模式图圉b ：b 扫描实际显示图 图3 - 3t o f d 法b 扫描模式图及显示图像 t o f d 法d 扫描，是以两纵波斜探头将被测缺陷夹在探头间距中线位置为前 第三章t o f d 法扫描显示方式及探伤方法的改进 提的，而当缺陷位置偏离探头间距中线时( 如坡口面未熔合缺陷等情况下) ，用式 2 7 计算得出的缺陷深度，就会产生几何误差。因此，实际测量中为对缺陷进行 更加精确地定位和定量，t o f d 法还要在d 扫描的基础上，加适当的b 扫描动 作。扫描示意图如3 3 中的a 图所示，当在焊缝右侧坡口面上有一个未熔合时， 就要在两探头间距不变的情况下，使发射探头朝缺陷位置方向移动；反之，若在 焊缝左侧坡口面上有一未熔合，也要在两探头间距不变的情况下，使接收探头朝 缺陷位置移动。从实质上讲，使探头作b 扫描动作的目的是使被检缺陷位于两 探头间距中线的位置。 需要注意的是，无论是d 扫描或b 扫描，声束扫查时，始终要保持两探头 间距( 2 w ) 不变。与测定d 扫描图像的方法一样，在b 扫描图像中，也要寻找t d 最小的位置。只有当缺陷处于两探头间距中线位置时，用t o f d 法所得缺陷测高 定深的数据才最为准确。 3 1 4 附加扫描 t o f d 系统的两种典型扫描方式( d 扫描和b 扫描) ，它们的区别在于声波传 播方向和探头运动方向是否平行。利用这两种方式可以较好地对缺陷进行定位、 定量，但是对于不同环境下，特别是不同性质的缺陷该两种方法存在一定程度的 局限性。因此，可采用不同的探头角度、频率和双探头间距作附加扫描来弥补某 些方面的不足。t o f d 法的主要附加扫描方式包括以下几个方面【1 4 】： 1 、低频扫描。若信噪比太低，即使用很大的平均值法，也不能作缺陷详细 分析，此时可用较低的探测频率进行扫查。但是，通常情况下低频扫描会增大盲 区，降低分辨力，应该与其它方式结合使用。 2 、高频扫描。探测频率提高，可提高分辨力，提高定量精度，也可减小盲 区。但由于其使晶粒噪声增大、信噪比降低，也应适当结合使用。 3 、小角度、小间距扫描。用较小的探头角度及与之相关的较小探头间距进 行扫描，可提高分辨力和定量精度，并减小盲区，但会减小试件的声透体积。 4 、不同探头间距扫描。为获得缺陷的水平位置及其方向信息，可用不同的 探头间距2 w ( 相对位置) 作平行于声束方向的y 向扫描，或附加的平行于焊缝方 向的x 向扫描。 缺陷端部的水平位置可直接通过平行于声束方向的y 向扫描，由最小表观 深度位置测出。为找到缺陷的实际最小深度位置，需要在不同的x 坐标作多次 相邻的平行扫描。 一旦探知缺陷上下两端部的位置，由两缺陷端部的轴线即可判定该缺陷的方 向。原则上，通过相互偏离一定距离的两次平行于焊缝方向的x 向扫描，只要 1 4 镕= 章t o f d 法扫描显示方t 搽伤方法改进 透声区覆盖足够的体积，便足以测准缺陷的深度、长度和方向。但用两次x 向 扫描测定的缺陷端部位置不够直观，这就需要用附加软件绘制空间曲线。通常， 也用附加的平行于声束的y 向扫描来综合对缺陷性质进行判定。