TOFD检测步骤及要领.doc

TOFD检测步骤及要领1 原理介绍TOFD技术有赖于超声波与缺陷端部的相互作用。此相互作用的结果：在相当大的角度范围发射衍射波。检出衍射波就能确定缺陷的存在。信号的幅值用来发现缺陷，所记录信号的传播时间信息用来对缺陷进行定位定量。TOFD采用一对相同型号的探头一发一收，对置放置。波速覆盖的扫查面中有缺陷时，直通波和底面回波之间还含有缺陷端部产生的衍射波，根据直通波、缺陷回波和底面回波三者的时间关系和两探头之间的位置，就能对缺陷进行定位、定量。计算示意图见图1。图1 计算示意图(1.发射探头 2.接收探头 A.侧向波 B.底面回波 C.上端点衍射波 D.试件厚度 S.探头间距的一半)则缺陷深度可由简单的几何关系得出： (1) (2) (3)式中 c ：工件中纵波波速； S： 1/2探头间距； d ：缺陷端点高度； ： A信号中上端点衍射信号出现的时间； ： A信号中下端点衍射信号出现的时间； D ：工件自身高度；2 探头角度、频率、尺寸和间距对检查的影响TOFD检测中，探头角度、频率、尺寸和探头间距的选择十分重要，四者起着相互制约的作用。1 探头角度大小的选择关系到声波能量的分布，大角度探头声波能量分布靠上，检测区域也就靠上，小角度探头能量分布靠下，相应的检测区域也就靠下。2 探头频率对检测的分辨力和声波衰减影响较大。当探头频率较高，波形振动周期短，分辨力提高，但难发生明显衍射现象，且衰减大。探头频率减小，波形振动周期长，分辨力下降，但易于发生衍射现象，且衰减小。3 探头晶片尺寸的大小关系到声束扩撒角的大小和与弧面工件耦合效果，小尺寸晶片扩散角较大，声束覆盖面广，对于弧面工件耦合较好，但局部声能相对较低，进场长度相对较长。大尺寸晶片声束扩散较小，声束覆盖面窄，对弧面耦合效果不好，但局部声能集中，进场长度较短。4 探头间距大小的调节可以改变近表面和远表面的分辨力，但较远的探头间距对应的声波传输路径也相对较长导致声波衰减较大。3 扫查TOFD检测对缺陷的定量分析不同于传统的脉冲回波法对幅值的灵敏度要求那么高，在第一次扫查时，最主要的目的是使声速覆盖到检测面，以免缺陷漏检。常用的探头有晶片尺寸6mm、10mm、12mm，探头频率2.25Mhz、2.5MHz、5MHz、10Mhz，斜楔角度45、60、70等。为此确定出探头尺寸、频率、角度和探头间距组合，以备第一次缺陷扫查时缺陷不被漏检。3.1 晶片、频率选择为使声束覆盖区域大，我们首先选择较小的晶片、较低的频率。一般晶片大小选直径6mm的，探头频率选2.5Mhz。3.2 角度、探头间距选择针对45、60、70三种角度探头，我们以波幅降低一半（即-6db）来计算三者的半波扩散角，见表1。表1角度频率4560702.25Mhz28.865.0941.79047.84905Mhz38.0852.9750.8972.4558.3190 对于探头间距的选择，一般使探头主声束角聚焦到工件厚度D的1/2，但由表1可以看出，声束向上等能量扩散角大于向下等能量扩散角，即声束能量向上衰减的慢，向下衰减的快，根据这一特点，我们可以把声束聚焦点略向下移动至工件厚度D的3/5，对应的半波高深度检测范围见表2。表2角度频率4560702.25Mhz0.28D1.91D01.17D01.49D5Mhz0.45D0.77D0.33D0.84D01.02D由表2可以看出，频率为2.25Mhz的60探头、频率为2.25Mhz的70探头和频率为5Mhz的70探头都能满足工件厚度方向负6db声能全覆盖，但声波频率越高，声能衰减越大，则选择2.25Mhz低频声波，声波路径越远，衰减越大，而根据探头主声速聚焦到工件厚度D的3/5原则，对于同等深度的缺陷，70探头声波传输的路径要大于60探头，顾选择2.25Mhz、60探头作为初次扫查探头。4 精度提高为提高TOFD成像质量，增加缺陷识别能力，在检测时需对不同类别的缺陷设置不同的检测工艺参数。而检测精确精度提高，关键是对A信号中直通波和缺陷波信号的识别（即两波应具有一定波幅），由于缺陷深度分布不同，影响直通波和缺陷波的识别能力的主要因素也不同。4.1 近上表面缺陷检测对于近上表面缺陷(距表面距离10mm)的精确检测，缺陷波走过的路程相对较小，衰减较小，顾衍射信号能量得到保证，但由于缺陷的特殊位置使得缺陷回波与直通波的路径差相对较小导致A信号中的时间间隔小，难于区分两波的到达时间，这时应当在满足信噪比的要求下适当提高探头频率，减小两波的振动周期。对于探头间距的调节，减小探头间距有利于加大直通波与缺陷回波的路径，但过小的探头间距会加大直通波的能量，导致直通波衰减不够充分在A信号中振动周期过长，针对直通波这一特点，可以用角度较小的45纵波折射角探头，使能量分布靠下从而减弱直通波能量。如下图，分别采用探头频率为5Mhz，探头角度为45、60、70，探头间距一半为10mm、20mm的参数设置对一近表面缺陷进行检测，检测效果最好的是图2，即探头角度为45、探头频率为5MHZ、探头间距的10mm。图2 角度45 频率5Mhz 间距10mm 图3 角度45 频率5Mhz 间距20mm图4 角度60 频率5Mhz 间距10mm 图5 角度70 频率5Mhz 间距10mm4.2 非近表面缺陷检测当缺陷埋深在10mm30mm之间时，对于45、60和70探头，通过调节探头间距，主声束都能覆盖缺陷，且缺陷波能量都能得到保证，但角度的增大，PCS也增大，这使得直通波衰减增大，识别能力下降，图610中可以看出对于一埋深30mm的缺陷，采用三种不同角度的探头检测，当探头间距调节到探头主声束覆盖缺陷时，缺陷波波幅得到保证，但直通波波幅确因探头间距增大而降低较快，识别起来较为困难，而在此基础下适当拉近探头间距，有易于增大直通波幅值的同时缺陷波幅值降低不大，从而提高直通波和缺陷波的分辨能力。 图6 角度45 频率5MHZ 间距20mm 图7 角度45 频率5MHZ 间距30mm 图8 角度60 频率5MHZ 间距35mm 图9 角度60频率5MHZ 间距50mm 图10 角度70 频率5MHZ 间距70mm 图11 角度60 频率5MHZ 间距80mm 图8中对直通波和缺陷回波分辨力最高，因此对于不大于30mm的缺陷，用60探头，探头间距调节到主声束聚焦到缺陷的基础上减小15mm时检测效果较佳。当缺陷埋深在30mm及以上时，这时缺陷波回波路径很长，选用路径小的探头是原则，与60和70探头相比，45探头在更能满足在主声束距缺陷较近的情况下具有最小的直通波和缺陷回波路径。4.3 近下表面缺陷检测对于近下表面缺陷的精确检测，由于缺陷衍射点距上表面有一定的距离，使得直通波和缺陷回波不能同时获得较高的幅值，且近下表面衍射波因能量较小容易被反射波掩盖，都将影响直通波和缺陷回波的识别，这时可以选用折射角度较小的探头，在减小探头间距的同时，波速聚焦点相对靠下，即保证了直通波和缺陷回波的能量，又拉大了缺陷回波和底面回波的距离。下图分别用频率5Mhz、探头角度为45、60、70，探头间距一半为。的设置对一近下表面。的缺陷进行检测，不同深度缺陷的适宜探头角度、频率、探头间距见表三。表三缺陷埋深类别探头纵波折射角度探头频率探头间距2S 近上表面455Mhz10Mhz直通波振动持续时间适中情况下尽量减小S非近表面埋深10mm30mm605Mhz10Mhz-10非近表面30mm及以上452.5Mhz5Mhz保证缺陷回波具有一定波高的情况下尽量减小S工件厚度10mm40mm近下表面455Mhz10Mhz保证缺陷回波具有一定波高的情况下尽量减小S工件厚度40mm及以上近下表面452.5Mhz5Mhz保证缺陷回波具有一定波高的情况下尽量减小S5 小结对工件的第一次TOFD检测所达到的目的应该是使所布