毕业设计（论文）-衍射时差法（TOFD）与脉冲反射法焊缝超声波检测技术的对比分析.doc

兰州工业学院毕业设计（论文）题目 衍射时差法（TOFD）与脉冲反射法焊缝超声波检测技术的对比分析 院 别 材料工程学院 专 业 焊接质量检测技术 班 级 焊检142班 姓 名 学 号 指导教师（职称） 工程师） 日 期 2017.3.7 兰州工业学院毕业设计（论文）任务书材料工程学院2017届焊接质量检测技术专业毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目衍射时差法（TOFD）与脉冲反射法焊缝超声波检测技术的对比分析 课题内容性质工程技术研究课题来源性质自拟课题实验校内（外）指导教师职 称工作单位及部门联系方式工程师材料工程学院一、题目说明（目的和意义）：毕业设计是本专业教学过程的最后一个重要环节，也是培养学生分析问题和解决问题能力的主要方法，通过毕业设计，要求学生全面综合运用所学基本理论，基本技能和生产实践知识；学习系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充知识，使认识提高到一个新的水平。通过毕业设计的实践，培养调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择实验方法、实验设备，正确操作、分析，并能以实验分析过程和毕业论文表达设计的思想和结果。通过毕业设计，不但要提高解决具体问题的独立工作能力，而且应建立正确的设计和科研思想，加强思想性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。二、设计（论文）要求（工作量、内容）： 1、总要求：要求每个学生根据给定的毕业设计题目独立完成针对选定、检测对象，明确检测方法，并对TOFD和脉冲反射法焊缝超声波检测技术课题进行研究。明确该检测方法的所研究课题国内外现状或该检测方法的特点；明确该实验研究的思路、原理、方法、设备、器材等；分析、阐述或记录、汇总研究数据；得出研究结论或分析研究结果。根据文献及相关的理论知识对实验结果进行分析总结，并得出结论,根据结论可进行相应的补充实验，完成毕业设计论文一份，毕业设计完成后进行答辩。2、给定的条件和要求：实验设备有SUPOR2T、CTS-9009种类齐全；以及各种缺陷试块；查阅文献，明确毕业设计的意义及目的；严格按照标准及操作规程进行实验。3、确定总体方案：分析国内外无损检测技术的发展和趋势，了解毕业设计任务书给定的条件和用途，可到工厂进行调研、内外现状或TOFD及脉冲反射法无损检测方法的特点，进行毕业设计可行性分析和论证，最后确定总体方案。4、具体要求（1）查阅资料，确定所研究的TOFD及脉冲反射法无损检测方法，明确所研究的对象或问题。（2）分析所研究课题的国内外现状或TOFD及脉冲反射法无损检测方法的特点。（3）设计实验研究的思路、原理、方法、设备、器材。（4）观点分析、阐述或记录、汇总研究数据。（5）得出研究结论或分析研究结果。（6）列举参考文献。 （7）毕业论文一份，幅面大小为A4，全部由计算机打印。 5、撰写毕业设计论文包括内容：封面、任务书、摘要、目录、论文正文、总结论、致谢、参考文献等。应阐述整个毕业设计内容，要突出重点和特色，图文并茂，文字通畅。毕业论文的页数不少于20页（幅面大小为A4，全部由计算机打印）。6、试样的要求：实验试样要符合相应国家标准。7、论文撰写格式、装订顺序及要求依毕业设计（论文）规范。日 期内 容2016.11.142016.11.272016.11.282017.1.12017.1.22017.1.15毕业设计共9周，安排如下：1、文献查阅及方案论证2周 （1）调查研究、搜集和查阅资料 （2016.11.142016.11.20） （2）总体设计方案的拟定和论证 （2016.11.212016.11.27） 2、实验过程5周（1）实验前期准备 （2016.11.282016.12.4） （2）试样制备 （2016.12.52016.12.11） （3）实验操作、实验记录 （2016.12.122016.12.25） （6）结果分析并得出结论 （2016.12.252017.1.1）3、撰写毕业设计论文2周 （2017.1.22017.1.15）完成日期2017.1.15答辩日期2017.2.272017.3.19 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：1 王宗杰.熔焊方法及设备. 北京：机械工业出版社，2007.11.2 英若采.熔焊原理及金属材料焊接. 北京：机械工业出版社，2009.12.3 邓洪军.焊接结构生产. 北京：机械工业出版社，2012年1月.4 英若采.熔焊原理及金属材料焊接. 北京：机械工业出版社，2009.12.5 刘世荣.金属学与热处理. 北京：机械工业出版社，1997.6.6 丁德全.金属工艺学.北京：机械工业出版社，2008.4.7 上海市特种设备监督检验技术研究院.北京：特种设备焊接技术.机械工业出版社,2010.8 胡义祥.金相检验实用技术. 北京：机械工业出版社，2012.6. 9 机械工业理化检测人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验. 北京：中国计量出版社，2011.3.10 魏延宏.焊接检验.高等教育出版社,2010.11 张博.金相检验.北京：机械工业出版社，2009.12 李以善.焊接结构检测技术.北京：化学工业出版社2009.13 徐卫东.焊接检验与质量管理.北京：机械工业出版2011. 14 强天鹏.射线检测（第2版）.北京：中国劳动社会保障出版社.2007.15 王乐生.射线检测. 北京：机械工业出版社.2009.8.16 郑世才.射线检测.北京：机械工业出版社.2011.1.17 史亦韦.超声检测.北京：机械工业出版社.2012.1.18 郑晖，林树青.超声检测.北京：中国劳动社会保障出版社.2008.5.19 郭伟.超声检测.北京：机械工业出版社.2009.9.20 邓洪军.无损检测实训.北京：机械工业出版社.2010.2.21 丁守宝.无损检测新技术及应用.北京：高等教育出版社，2012.9.22 张俊哲.无损检测技术及其应用（第二版）.北京：科学出版社，2010.10.23宋天民无损检测新技术.北京：中国石化出版社，2012.1.24夏纪真无损检测导论.广州：中山大学出版社，2010.125李孟源.声发射检测及信号处理.北京：科学出版社，2010.10.指导教师签字教研室主任签字主管院（系）领导签字年 月 日年 月 日年 月 日注：本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。兰州工业学院毕业设计说明书（论文） 摘要 介绍了超声衍射时差法（TOFD）和脉冲反射法的基本原理，阐述了采用此方法检测焊缝时的技术要点，主要包括工件表面状况、耦合剂的选择、探头参数的选择、探头间距的确定、参考试块的制作、灵敏度的调节、扫查方式、图像的显示和缺陷的定深测高等,并对DR和脉冲反射法以及TOFD进行了仔细的对比分析。与脉冲反射法相比，TOFD检测方法对缺陷的检测与定量不依赖于缺陷的取向；表面平整度对检测结果的影响比脉冲反射法要高。与射线检测相比，可以检测和定量不垂直于检测面的平面状缺陷；可精确测量缺陷的大小，适合于监测已知缺陷的扩展或变化；具有更高的缺陷检出率；与射线检测相比，检测效率高、成本低、安全,但对形状复杂的工件检测不及射线检测。关键字：超声衍射时差法；缺陷尖端；探头；耦合剂 IABSTRACTAbstract: in this article ,it introduced the basic principle of TOFD in brief ,expatiated the technical essentials during weld inspection, covering surface condition of work piece, selecting complane and probe parameters, determining space between probes, processing reference test block, adjusting sensitivity, scanning mode, displaying image ,determining the depth and height of defect, and etc. in analyzed the advantages and laminations of TOFD through inspection case, And the Dr and pulse reflection method and TOFD a careful comparison and analysis.Quantitative high precision, accurate positioning and defect size can determine etc, and is other detection method of the incomparable, has started to widely used in weld and pressure containers of special equipment detection.But for the complicated shape of the workpiece detection than ray detection. key words: sound waves diffraction method of time difference;Accurate measurement;probe;coupling agent.s目录摘要IABSTRACTII第1章 脉冲反射法超声波原理11.1 超声波探头的分类11.1.1 探头的主要组成11.2超声波斜探头11.3其它探头21.4超声波检测的原理2第2章 TOFD的基本原理52.1 TOFD方法的原理概要52.2 TOFD方法的物理原理52.3 TOFD方法的工作原理52.4 TOFD方法的存在方式6第3章 检测仪器及参数的选择原则73.1 TOFD检测仪器73.2 TOFD检测中主要参数的选择原则73.2.1 探头角度的选择73.2.3 探头晶片尺寸的选择83.2.4 扫查次数的选择93.2.5 扫查方式的选择93.2.6 楔块种类93.2.7 耦合剂的选择93.2.8 灵敏度设置103.2.9 图像的显示和缺陷的定深测高103.3 TOFD检测的主要步骤123.4对人工试块的检测143.4.1试块的制备143.4.2参数的选择14第4章 TOFD技术与脉冲技术的比较164.1 TOFD技术与传统脉冲回波技术的最主要的两个区别在于164.2 优越性比较204.2.1 TOFD技术优点：204.2.2 TOFD技术局限性：204.3 检测方法比较204.3.1 TOFD技术相比A型脉冲检测方法的优势204.4 比较优势折叠21结论23参考文献24致谢25外文翻译26衍射时差法超声检测技术28IV第1章 脉冲反射法超声波原理1.1 超声波探头的分类伤仪探头主要由压电晶片组成。探头可发射及接收超声波。探头由于其结构的不同可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、可变角探头（纵波、横波、表面波、兰姆波）、双探头（一个探头发射，另一个探头接收）、聚焦探头（将声波聚集为一细束）、水浸探头（可浸在液体中）以及其它专用探头（如探高压瓷瓶的S型或扁平探头或探人体用的医用探头）等，声波探伤仪探头之一：直探头也称平探头，可发射及接受纵波，直探头主要由压电晶片、阻尼块（吸收块）及保护膜组成。1.1.1 探头的主要组成（1）压电晶片压电晶片的厚度与超声频率成反比。例如锆钛酸铅（PZT5）的频率厚度常数为1890千赫/毫米，晶片厚度为1毫米时，自然频率为1.89兆赫，厚度为0.7毫米时，自然频率约2.5兆赫。电压晶片的直径与扩散角成反比。电压晶片两面敷有银层，作为导电的极板，晶片底面接地线，晶片上面接导线引至电路上。 （2）保护膜直探头为避免晶片与工件直接接触而磨损晶片，在晶片下粘合一层保护膜，有软性保护和硬性保护两种。软性的可用塑料薄膜（厚约0.3毫米），与表面粗糙的工件接触较好。硬性可用不锈钢片或陶瓷片。保护膜的厚度为二分之一波长的整数倍，声波穿透率最大。厚度为四分之一波长的奇数倍时，穿透率最小。晶片与保护膜粘合后，探头的谐振频率将降低。保护膜与晶片粘合时，粘合层应尽可能的薄，不得渗入空气。粘合剂的配方为618环氧树脂：二乙烯三胺：邻苯二甲酸二丁酯=100：8：10粘合后加一定的压力，放置24小时，再在6080温度下烘干4小时。 （3）阻尼块阻尼块又名吸收块，其作用为降低晶片的机械品质系数，吸收声能量。如果没有阻尼块，电振荡脉冲停止时，压电晶片因惯性作用，仍继续振动，加长了超声波的脉冲宽度，使盲区增大，分辨力差。吸收块的声阻抗等于晶片的声阻抗时，效果最佳，常用的吸收快配方如下钨粉：环氧树脂：二乙烯三胺（硬化剂）：邻苯二甲酸二丁酯（增塑剂）=35克：10克：0.5克：1克为使晶片和阻尼块粘合良好，在灌浇前先用丙酮清洗晶片和晶片座表面，并加热至6080再行灌浇。环氧树脂和钨粉应充分混合均匀。灌浇后把探头倾斜，使阻尼块上表面倾斜20左右，这样可消除声波在吸收块上的发射，使荧光屏上杂波减少。1.2超声波斜探头超声波探伤仪斜探头可发射及接收横波。斜探头主要由压电晶片、阻尼块和斜楔块组成。晶片产生纵波，经斜楔倾斜入射到被测工件中，转换为横波。斜楔为有机玻璃，被测工件为钢，斜探头的角度（即入射角）在2861之间时，在钢中可产生横波。斜楔的形状应使声波在斜楔中传播时不得返回晶片，以免出现杂波。直探头在液体中倾斜入射工件时，也能产生横波。1.3其它探头（1）表面波探头可发射和接收表面波。表面波探头是斜探头的一个特例。当入射角增大到某一角度，使在工件中横波的折射角为90时，在工件中可产生表面波，直探头在液体中倾斜入射工件时，也能产生表面波。超声波探伤仪探头之四：兰姆波探头可发射和接收兰姆波，也是斜探头的一个特例。当入射角达到一定角度时，在工件中产生兰姆波，直探头在液体中倾斜入射工件时，也能产生兰姆波。 （2）超声波探伤仪探头之五：可变角探头可变角探头可连续改变入射角，以产生纵波，横波，表面波和兰姆波。压电晶片固定在半圆楔块上，半圆楔块又置于大楔块的圆洞内，空隙处注有油，以作导声耦合剂。半圆楔块转动时，入射角即改变。 （3）超声波探伤仪探头之六：双晶探头超声波探伤仪双双晶探头，又称组合探头，两块压电晶片装在一个探头架内，一个晶片发射，另一个接收。双探头发射及接收纵波，晶片下的延迟块使声波延迟一段时间后射入工件，这样可探测近表面的缺陷并可提高分辨力。两块晶片有一倾角（一般约318），两晶片声场重合部分（阴影部分），是探伤灵敏度较高的部位。 （4）超声波探伤仪探头之七：水浸探头可在水中探伤，其结构与直探头相似，只是探头较长，以便浸在水中，保护膜也可去掉。 （5）超声波探伤仪探头之八：聚焦探头可将超声波聚集成一细束（线状或点状），在焦点处声能集中，可提高探伤灵敏度及分辨力。聚焦探头多用于液浸法自动化探伤。探头发射纵波，但在液体中倾斜入射到工件时，由于入射角的不同，在工件中可产生横波、表面波或兰姆波，根据需要而定。超声聚焦有二种方法：一种是将压电晶片做成凹面，发射的声波直接聚焦。1.4超声波检测的原理 超声波检测是指用超声波来检测材料和工件、并以超声波检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。工业上无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。超声波是频率大于20kHz的一种机械波（相对于频率范围在20Hz20kHz的声波而言）。超声波检测用的超声波，其频率范围一般在0.25MHz15MHz之间。用于金属材料超声波检测的超声波，其频率范围通常在0.5MHz10MHz之间；而用于普通钢铁材料超声波检测的超声波，其频率范围通常为1MHz5MHz。 超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为0.55兆赫。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。 通常，超声波检测采用了不同的技术：按波源不同可分为：连续波、脉冲波；按波型不同可分为：纵波、横波、表面波、板波、爬波；按接收方式不同可分为：回波（反射）、穿透；按耦合方式不同可分为：接触式、液浸式；按探头数不同可分为：单探头、双探头、多探头。 脉冲回波探伤法通常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。可发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊透等缺陷。被探测物要求形状较简单，并有一定的表面光洁度。为了成批地快速检查管材、棒材、钢板等型材，可采用配备有机械传送、自动报警、标记和分选装置的超声探伤系统。除探伤外，超声波还可用于测定材料的厚度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪,其原理与脉冲回波探伤法相同，可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度。利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量(见拉伸试验)、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。此外，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂窝结构材料方面的应用也已日益广泛。超声全息成象技术也在某些方面得到应用。 超声波检测法的优点是：穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上;对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小；设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。缺点是：不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。此外，超声波检测还要求有一定经验的检验人员来进行操作和判断检测结果。 超声波检测主要用于探侧试件的内部缺陷，它的应用十分广泛。超声波检测属于反射波检测法，即根据反射波的强弱和传播时间来判断缺陷的大小和位置。超声波检测的频率范围为0.425MHz，其中用得最多的是15MHz。按超声波检测原理划分：包括脉冲反射法、穿透法和共振法三种。目前用得最多的是脉冲反射法。 按超声波探伤图形的显示方式划分：有A型显示、B型显示、C型显示等。目前用得最多的是A型显示探伤法。 按探伤波型分类，脉冲反射法大致可分为直射探伤法（纵波探伤法）、斜射探伤法（横波探伤法）、表面波探伤法和板波探伤法4种。用的较多的是纵波和横波探伤法。按探伤时使用的探头数目分：有单探头法，双探头法，多探头法3种。用得最多的是单探头法。 按接触方法分类：有直接接触法和水浸法两种。直接接触法的操作要领是，在探头和试件表面之间涂上耦合剂，以消除空隙，让超声波能顺利地进入被检工件。耦合剂可以用机油、水、甘油或水玻璃等。用水浸法时，探头和试件之间有水层，超声波通过水层传播，受表面状态影响不大，可以进行稳定的探伤。4第2章 TOFD的基本原理2.1 TOFD方法的原理概要TOFD技术的英文全称是Time of Flight Diffraction Technique，中文译名为衍射时差法超声检测技术。TOFD技术于20世纪70年代由英国哈威尔的国家无损检测中心silk博士首先提出，其原理源于silk博士对裂纹尖端衍射信号的研究。在同一时期我国中科院也检测出了裂纹尖端衍射信号，发展出一套裂纹测高的工艺方法，但并未发展出现在通行的TOFD检测技术。TOFD技术首先是一种检测方法，但能满足这种检测方法要求的仪器却迟迟未能问世。详细情况在下一部分内容进行讲解。TOFD要求探头接收微弱的衍射波时达到足够的信噪比，仪器可全程记录A扫波形、形成D扫描图谱，并且可用解三角形的方法将A扫时间值换算成深度值。而同一时期工业探伤的技术水平没能达到可满足这些技术要求的水平。直到20世纪90年代，计算机技术的发展使得数字化超声探伤仪发展成熟后，研制便携、成本可接受的TOFD检测仪才成为可能。但即便如此，TOFD仪器与普通A超仪器之间还是存在很大技术差别。2.2 TOFD方法的物理原理衍射现象是TOFD技术采用的基本物理原理。衍射现象的解释：波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，根据惠更斯原理，媒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。 2.3 TOFD方法的工作原理TOFD技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。TOFD方法的工作原理图如图2.1所示：图2.1TOFD工作原理2.4 TOFD方法的存在方式当超声波入射到裂纹状缺陷上时，声波的能量以以下方式存在：一是以反射波的形式存在，声波遵循反射定律；其次是以透射波的形式存在，与入射声波的传播方向相同，此外，声波在缺陷的两个尖端产生衍射现象，以裂纹尖端为中心向四周辐射能量。以上三种形式的能量中，一般来说反射波的能量最强，传统超声检测时利用的正是反射波的能量，并以探头接收到的能量的多少、即回波幅度的高低来评价缺陷的大小。当某类（平面状缺陷）缺陷取向不良时，单个探头将无法接收到反射波，只能增加探头从其他方向接收声波，而且平面状缺陷越大，这种影响越大。对于缺陷尖端产生的衍射波，由于其能量远远低于反射回波的能量，在回波幅度定量法中一般很少利用，但由于衍射波向西周传播，没有明显的指向性，声波更易于接收，而且其传播时间中包含着丰富的空间位置信息，因此可以利用衍射波来对缺陷进行检测和定量。第3章 检测仪器及参数的选择原则3.1 TOFD检测仪器TOFD检测系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括：TOFD检测仪(主机)、TOFD检测扫查器、超声波探头、TOFD检测校准试块。TOFD检测仪是一由计算机控制的能够满足衍射时差法检测工艺过程特殊要求的数字化超声波检测仪，它包括脉冲反射电路、信号接收放大电路、模拟/数字转换电路、数字逻辑控制电路、接口电路、探头位置传感器电路等六个单元和计算机终端。本次检测实验所用仪器为双通道TOFD检测仪SUPOR2T超声TOFD检测仪。3.2 TOFD检测中主要参数的选择原则3.2.1 探头角度的选择探头角度是探头和楔块组合在工件形成的折射纵波角度。衍射信号与缺陷的方向没有关系，与探头折射角有关。在45到80之间,上下尖端衍射信号幅度规律性变化一样，两者之间的幅度不超过60dB。因此，TOFD技术探头通常在4570之间。探头角度小,直通波与底面波的时间间隔大,分辨率高,深度测量精度高;而探头角度大,扫查覆盖范围大。故对薄板工件宜选择大角度探头,而对厚板工件宜选择小角度探头,壁厚超过50mm的宜选择多通道同时扫查。表31为探头角度变化所带来的影响。表31 探头角度的影响减小探头角度增大探头角度分辨率提高分辨率降低深度误差减小深度误差增大波束扩散角减小波束扩散角增大PCS减小PCS增大衍射信号波幅增大衍射信号波幅减小频率越高,直通波和底面波的时间间隔内包含的信号周期越多,深度分辨率就越高,至少要达到20个周期才可获得满意的分辨率,但波的衰减和散射也随之增大,故不能一味增加频率。选择探头频率应考虑的主要因素：频率高，有利于发现小缺陷。（由于绕射，探伤灵敏度约为/2）频率高，脉冲宽度小，分辨率高，有利于区分相邻缺陷。频率高，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。频率高，近场区长度大，对探伤不利。频率高，声束衰减加剧。（衰减系数与频率的四次方成正比）。对厚度10mm的工件，应选择频率20MHZ,厚度在1025mm之间时，应选择157.5MHZ实际应用中，直通波和底面反射波的时间间隔至少相当于20个周期，最好更多。表32为探头频率变化带来的影响。表32 探头频率的影响提高探头频率降低探头频率波长变短波长变长分辨率提高分辨率降低波束扩散角减少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（衰减减小）近场长度增加近场长度减小3.2.3 探头晶片尺寸的选择晶片尺寸和频率决定声束的扩散角大小,从分辨率和声束强度考虑,应选择高频率和大直径探头,而在扫查缺陷时考虑声束覆盖范围就应选择低频率、小直径探头,对缺陷尺寸测量时要更多地考虑分辨率。选择探头晶片尺寸应考虑的主要因素： 晶片尺寸选择：晶片尺寸大,发射能量大,扩散角远距离探测灵敏度高,适用于大型工件探伤,晶片尺寸小,近距离范围声束窄，有利于缺陷定位，对凹凸度大曲率半径小的工件,宜采用尺寸较小的探头。表33为探头晶片尺寸变化导致的后果。表33 探头晶片尺寸变化导致的后果减少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加波束扩散角增加波束扩散角减小近场长度减小近场长度增加与工件接触面减小与工件接触面增大3.2.4 扫查次数的选择 JB/T4730.规定102010和ASME2335的规定：当厚度200时，检测区域包括焊缝本身，及焊缝熔合线两侧各50的范围当厚度200时，检测区域包括焊缝本身，及焊缝熔合线两侧各25或t中较小值的范围特殊规定：如果满足一定的条件，检测区域可以减小到包括实际热影响区再加上焊缝两侧热影响区以外6.4的部分。3.2.5 扫查方式的选择TOFD扫查方式一般分为非平行扫查、偏置非平行扫查和平行扫查。1. 非平行扫查：探头运动方向与声束方向垂直的扫查方式，一般指探头对称布置于焊缝中心线两侧和焊缝长度方向（X轴）的扫查方式。发射探头至中心线距离等于接收探头至中心线的距离。主要用于快速探测以及缺陷长度、自身高度等的测定，可大致测定缺陷的量度。2. 偏置非平行扫查：探头对称中心与焊缝中心线保持一定偏移距离的非平行扫查方式。发射探头与接收探头与中心线不对称。3. 平行扫查：探头运动方向与声束方向平行的扫查方式。可以检查横向缺陷，测量其自身高度。一般针对已发现缺陷进行，可精确测定缺陷的自身高度和深度以及缺陷相对于中心线的距离。3.2.6 楔块种类SIUI的楔块主要分为注水型和非注水型两种类型，分别适应于不同的场合。注水型材质为树脂材质纵波楔块，系列有TFB、TFC、TFD，角度可分为45、60、70。适用于不同的TOFD探头，主要用于采用主动耦合方式的场合。非注水型材质为铜材质纵波楔块，系列有TFB、TFC、TFD，角度可分为45、60、70。适用于不同的TOFD探头，主要用于采用被动耦合方式的场合。3.2.7 耦合剂的选择在探头与工作表面之间施加的一层透声介质，称为耦合剂。影响声耦合的主要因素有：(1)耦合层厚度：厚度为4的奇数倍时，透声效果差。厚度为2的整数倍或很薄时，透声效果好。 (2)表面粗糙度：一般要求表面粗糙度不大于6.3um。表面粗糙耦合效果差，表面光洁耦合效果好。(3)耦合剂声阻抗：耦合剂声阻抗大，耦合效果好。(4)工作表面形状：平面耦合效果最好，凸的曲面最差。不同曲率半径耦合效果也不相同，曲率半径大，耦合效果好。3.2.8 灵敏度设置检测前应设置检测通道数的灵敏度。灵敏度设置一般应采用对比试块。当采用对比试块上的反射体设置灵敏度时，需要将较弱的衍射信号波幅设置为满屏高4080%，并在实际工件表面扫查时进行表面耦合补偿。若工件厚度不大于50且采用单检测通道时，也可直接在工件上进行灵敏度设置。一般将直通波的波幅设定到满屏高的40%80%；若采用直通波不适合或直通波不可见，可将底面反射波幅设定为满屏的80%，再提高2032dB；若直通波和底面反射波均不可用，可将材料的晶粒噪声设定为满屏高的5%10%作为灵敏度。有条件时，建议采用对比试块进行验证。3.2.9 图像的显示和缺陷的定深测高图像数据分析在TOFD检测中,可以收数据采集时一个相对简单的工作,最重要和最困难的是对数据进行正确分析。对TOFD检出的任何缺陷信号,都应有缺陷位置、长度、深度、高度、缺陷类型等参数的描述。缺陷定量 1）测长 与常规超声波缺陷的测长不同,TOFD图像中缺陷的两端由于波束扩散信号形成弧形，因此在测量缺陷长度时采用特殊的抛物线指针,让抛物线与图像的弧形相吻合,此时指针的中心线对应缺陷的点端。当然这种测量方法对平行于工件表面的缺陷长度测量比较精确,而对于有曲线外形的缺陷长度测量误差较大。 2）测高根据图像的灰白颜色代表的正负相,对照A扫描波形显示,使一个指针放在图像上端点的负相,另一指针放在下端点的正相,此时显示的差值就是缺陷高度,深度自然也就知道了。影响超声波检测缺陷定量的主要因素： （1）仪器和探头的影响：包括仪器的垂直线性、衰减器精度和探头的频率、晶片尺寸、K值的影响。 （2）耦合和衰减的影响 （3）工件几何形状和尺寸的影响 （4）缺陷的影响：包括缺陷的形状、方位、指向性、粗糙度、性质、位置的影响 缺陷定位在常规检测超声波中,缺陷的定位是通过测量缺陷距离探头前沿的位置确定的,而TOFD检测中,在进行D扫描时得到的图像是最短时间的声程,是在2个探头的中心线上。为确定缺陷相对焊缝中心线的距离,还需进行B扫描得到缺陷的精确数据,从而测量缺陷在焊缝的位置 影响超声波检测缺陷定位的主要因素： （1）仪器的影响：包括仪器的水平线性和仪器显示屏的水平刻度精度的影响。 （2）探头的影响：包括声束偏离、双峰、指向性、斜探头磨损等的影响。 （3）工件的影响：包括工件表面粗糙度、表面形状、材质、边界、温度、工件中缺陷情况的影响。 （4）操作人员的影响：包括仪器调节、测量、方法、责任心等。缺陷定性 在焊接结构中，缺陷可粗略地分为两大类，危害性缺陷和非危害性缺陷，危害性缺陷即面积型缺陷，主要包括裂纹、未焊透和未熔合，在绝大部分焊接结构中，均不允许存在上述缺陷: 非危害性缺陷即体积型缺陷，主要包括气孔和夹渣，在很多焊接结构中允许存在，但对其数量、大小、形状均有详细的规定。 对于体积型缺陷，入射超声波入射到缺陷时，在其上表面会有一个具有一定面积的反射面，超声波会发生反射，该反射波会与在相邻位置发生的衍射波共同到达接收探头，由于反射波的能量一般远大于衍射波的能量，衍射波被覆盖，接收到的信号主要反映反射波的特征，而超声波在反射时会发生位相损失，即反射超声波的位相与入射超声波的位相恰好相反。对于面积型缺陷的边缘，以及体积型缺陷的底部，均不可能发生超声波反射，衍射信号占据主导地位，而超声衍射波的特性是不改变入射波本身的特性，即相位和频率不发生改变，衍射波的位相与入射波的位相完全相同。因此，根据接收到的信号的相位，可以判断接收到的信号是反射波还是衍射波，从而可以判断缺陷是体积型缺陷还是面积型缺陷。跟常规超声波检测一样，TOFD技术对于缺陷的定性比较困难，这需要检测人员除了信号特征外还要了解尽可能多的工件及焊缝背景知识。对于有自身高度的内部缺陷，观察其上下尖端的衍射信号的相位很重要，上下尖端的相位是相反的。3.3 TOFD检测的主要步骤在用TOFD检测时，我们应按以下步骤：一、资料审查准备二、对被测工件准备： 1.检查焊缝外观、余高宽度与高度，两侧母材的厚度是否一致等。 2.清除表面的焊接飞溅等。机加工表面粗糙度不超高6.3m。 3.确定和标记检测区域，画出焊缝中心线和检测区宽度。3、 TOFD简易操作1.检测设备器材: 1)仪器：SUPOR2T。 2)楔块：TFB70。 3)扫查装置：UHTSX02扫查架。 4)对比试块：直接采用被检工件。2.启动向导 长按仪器开关键，仪器上指示灯亮后放开按键。待仪器启动启动进入工件界面后点击“基本”菜单，在主菜单界面选择“TOFD”进入扫描向导。3.设置通道数量 将“扫查通道数”设置为1，完成后点击下一步。4. 声束覆盖计算 1）输入工件信息并设置计算法则。 2）完成后点击下一步选择探头与楔块、设置PCS值（PCS设置根据焦点位置而定)。完成上述步骤后软件自动计算出声束覆盖范围，确认满足检测需求后进行下一步。5.装配探头与楔块 将两个探头分别和TFB70楔块拧紧，注意添加耦合剂。装配好楔块后，将两个探头分别与仪器通道1的发射接收端口连接。6.零点校准1)将发射和接收探头进行对接。适当调节“探测范围”，使回波位于显示屏中央。调节增益使回波波幅为50%左右。 2)来回移动探头，直至回波高度最大时，固定探头不动，调节“A闸门起位”使闸门套住回波，点击菜单“校正零点”完成校准，然后用尺子量出并记录此时探头前沿数值。7.探头架装配1）将探头楔块固定在UHTSX02探头架上，调整探头架的位置，使两楔块的前沿间距为PCSd。此时，紧固探头架不松动。2）将扫查架放在T21mm工件没有缺陷的地方并耦合良好。8.设置超声参数 1)将“重复频率”菜单设置为800HZ。 2）将“工作频率”菜单选择为3.510MHz。 3）将“脉冲电压”设置为500V，“脉冲宽度”设置为180us。 适当调节增益和探测范围，直至能在显示屏上看到直通波、底面反射波和一次波型转换波。9.A扫时间窗口设置 1）起始时间窗口：调节“脉冲移位”,直至屏幕显示的起始时间（左下角）与到达直通波起始位置时间的时间差在0.5us以上。 2）结束时间窗口：“脉冲移位”不动，调节“探测范围”，使屏幕显示的终止位置时间（右下角）大于工件底面的一次波型转换波终止位置时间0.5us以上。10.深度校准调节菜单“测量线1”使屏幕上测量线1位于直通波“第一个波峰和波谷”的中心交界处。然后调整“PCS”菜单值进行深度校准，使屏幕上方信息栏中MDI0.5之间。11.探伤灵敏度设置调整“增益”使直通波的波幅为满屏高的40%80%之间。12.扫查架选择13.保存校准参数 完成上述所有步骤后，点击“完成”菜单进入检查侧界面，此时软件会提示是否要保存参数?选择“是”并保存设置文件，默认保存到仪器中。14.检测1)将扫查架置于焊缝之上，采用非平行扫查方式。2)点击“开始”菜单启动扫描。3)扫描完成后点击“结束”菜单并“保存”扫描文件。3.4对人工试块的检测3.4.1试块的制备 为了验证TOFD技术在缺陷定位、定量方面的准确度,使用统刀在试块的不同位置加工了不同尺寸的开口槽,以模拟人工缺陷,缺陷尺寸见表34。试块材料:低碳钢。试块长度300mm,宽度200mm,厚度50mm。人工缺陷尺寸位置如下： 表34 人工缺陷尺寸3.4.2参数的选择在对人工试块进行检测时,选择恰当的检测参数至关重要,当参数选择不当时,会直接影响检测结果,更是无法验证TOFD技术的定量精度。 参数的选择主要有:探头参数的选择(即探头的折射角、中心频率、晶片尺寸)、探头间距的选择、通道数选择。探头参数的选择: 探头的中心频率、折射角和晶片尺寸是决定传感器性能的重要参数,也直接影响了检测的灵敏度及准确性。探头频率越低,其衰减越小,则探测深度越深,但分辨力变差了,不利于内部缺陷上下端衍射波或近表面缺陷的分辨;相反,频率越髙,分辨力越髙,但衰减越大,探测深度小,探头主声束扫査范围窄,不能对整个工件进行全面的扫查。“探头折射角越小,分辨率越高,深度误差小,但波束扩散角小,波束覆盖范围小,检测效率底;相反,折射角越大,分辨率越低,深度误差大,但波束覆盖范围大,检测效率高。检测时,在保证超声波覆盖范围的前提下,为了获得最大的衍射效率,充分利瓦超声波能量,提高缺陷检出率,应尽量使探头的实际折射角在70附近。探头晶片尺寸的大小对声束指向性、近场区长度、远距离缺陷检出能力和近距离扫査范围有较大影响。晶片尺寸大,波束指向性好,辖射的超声波能量大,探头未扩散区扫查范围大,远距离扫查范围相对变小,发现远距离缺陷能力增强;但随着晶片尺寸的增加,近场区长度迅速增加,对探伤不利。 综上,选择合适的探头参数,由于试块的厚度为50mm,则本次检测的探头参数为:中心频率为3.5Hz,折射角为60,晶片尺寸为6mm。 探头间距(PCS)的选择:图38 2/3T法则原理 利用2/3T法则(原理如图38 )计算探头间距,使探头声束中心聚焦在2/3T处,利用工件厚度计算二探头间距(PCS),以两个探头的声束轴线交于工件壁厚的2/3处来计算PCS值。 PCS=2S=4/3Ttan (31) 式中为探头楔块角度。调好探头间距后,将探头对称放置在焊缝两侧,使超声波声束覆盖检测区域。在非平行扫查时,要确保探头走直线,二探头始终与焊缝轴线对称,即声束交点始终位于焊缝中心位值。 根据计算得到探头间距值,移动探头调整间距后,将探头在扫查器上固定好,准备检测。 通道数的选择:由于试块厚度为50mm,只需一对探头就可完成扫查,选单通道。第4章 TOFD技术与脉冲技术的比较4.1 TOFD技术与传统脉冲回波技术的最主要的两个区别在于 1) 更加精确的尺寸测量精度(一般为1mm，当监测状态为0.3mm)，且检测时与缺陷的角度几乎无关。尺寸测量是基于衍射信号的传播时间而不依赖于波幅。 2) TOFD技术不使用简单的波幅阈值作为报告缺陷与否的标准。由于衍射信号的波幅并不依赖于缺陷尺寸，在任何缺陷可能被判不合格之前所有数据必须经过分析，因此培训和经验对于TOFD技术的应用是基本的要求。试块编号缺陷编号缺陷深度/mm最高波位置/mm（S2）缺陷起始位置/mm（S1）缺陷末端位置/mm（S3）缺陷长度/mm（L）回波区域评定级别4301#16.5115110132222#26.6200195250551181#169470 98 202# 1324023625721 5301#24493963242#22160150180303181#11118100140402#1023522025232SUSI1#1015232302# 23 82 70 93 23