TOFD超声波衍射时差法教程 PPT课件

1 TOFD培训教程TOFD 超声波衍射时差法 也叫 裂纹端点衍射法 或 尖端反射法 2 3 4 TOFD技术概念 TOFD技术 即Timeofflightdiffractiontechnique 超声波衍射时差检测技术 概念 一种依靠超声波与缺陷端部相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对缺陷进行定量的检测技术 发展条件 因其原理与传统检测方式有很多不同 弥补了传统方法的不足之处 5 TOFD技术的发展历史背景 1 TOFD即衍射时差法是由上个世纪七十年代由国际原子能中心的哈韦尔 英国原子能权威人士 UKKAEA 提议下发展而来 2 TOFD最初的发展仅仅是作为定量工具 最初的想法是 使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行精确的定量和监测在线设备裂纹的扩展 例如检测压力容器 3 很多年以来TOFD一直在实验室里 各国做过大量实验直到八十年代才为业界所认同 在这些实验中 用事实证明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技术 4 利用TOFD技术探伤沿焊缝进行扫查基本能发现焊缝所有缺陷 收集扫查数据组成B扫或D扫图像比单纯看A扫更容易判断缺陷的尺寸和性质 6 TOFD技术的优势 1 TOFD技术的可靠性好 由于其主要是利用衍射波进行检测 而衍射信号不受声束影响 任何方向的缺陷都能有效的发现 使该技术具有很高的缺陷检出率 国外研究机构的缺陷检出率的试验得出的评价是 手工UT 50 70 TOFD 70 90 机械扫查UT TOFD 80 95 由此可见 TOFD检测技术比常规手工UT的检测可靠性要高得多 2 TOFD技术的定量精度高 采用衍射时差技术对缺陷定量 精度远远高于常规手工超声波检测 一般认为 对线性缺陷或面积型缺陷 TOFD定量误差小于1mm 对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米 7 TOFD技术的优势 3 TOFD检测简单快捷 最常用的非平行扫查只需一人即可以操作 探头只需沿焊缝两侧移动即可 不需做锯齿扫查 检测效率高 操作成本低4 TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置 能够确定缺陷与探头的相对位置 信号通过处理可以转换为TOFD图像 图像的信息量显示比A扫描显示大得多 在A型显示中 屏幕只能显示一条A扫信号 而TOFD图像显示的是一条焊缝检测的大量A扫信号的集合 与A型信号的波形显示相比 包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析 8 TOFD技术的优势 5 当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器 完全客服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点 不仅能全过程记录信号 长久保存数据 而且能够高速进行大批量信号处理 6 TOFD技术除了用于检测外 还可用于缺陷扩展的监控 是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一 TOFD能对缺陷深度位置进行精确定位 对缺陷自身高度进行定量 由于缺陷衍射信号与角度无关 检测可靠性和精度不受角度影响 根据衍射信号传播时差确定衍射点位置 缺陷定量定位不依靠信号振幅 9 TOFD技术的优势 1 TOFD检测结果与射线检测结果都是以二维图像显示 不同的是TOFD能对缺陷的深度和自身高度进行精确测量 而射线只能得到缺陷的俯视图信息 对于判断缺陷危害性程度的重要指标 厚度方向的长度 射线是很困难的2 TOFD技术可探测的厚度大 对厚板探伤的效果比较明显 但射线对厚板的穿透能力非常有限3 TOFD技术检测缺陷的能力非常强 特殊的探伤方式使其具有相当高的检出率 约90 左右 而相比之下 射线检测的检出率稍低 大约75 在实际工作中 我们也发现有TOFD检测出来的缺陷 X射线未能发现的情况 这给质量控制带来了极大的隐患 TOFD技术与射线技术比较的优势 10 TOFD技术的优势 4 TOFD技术所采集的是数据信息 能够进行多方位分析 甚至可以对缺陷进行立体复原 这是因为TOFD技术是将扫查中所有的原始信号都进行了保存 在脱机分析中我们可以利用计算机对这些原始信号进行各种各样的分析 以得出更加精确的缺陷判断结果 而射线检测只能将射线底片置于观片灯前进行分析 不可以再进一步利用软件对缺陷进行更加全面的分析 TOFD检测操作简单 扫查速度快 检测效率高 而射线检测过程繁琐 耗时长 效率低下 TOFD技术与射线技术比较的优势 11 TOFD技术的优势 TOFD技术是利用超声波进行探伤 对检测时的工作环境没有特殊的要求 超声波检测是一种环保的检测方式 对使用人员没有任何伤害 所以在工作场合不需要特殊的安全保护措施 而射线检测因其放射的危害性受到国家政策的严格控制 现场只能单工种工作 降低了检测工作效率 阻碍了整个工程进度 7 TOFD检测成本低 重复成本少 而射线检测 建造暗室需要较高的投入 平时工作中的耗材成本重复发生 综合成本相对较高 TOFD技术与射线技术比较的优势 12 TOFD的局限性 在上 下表面附近盲区对 噪声 敏感夸大了一些良性的缺陷 如气孔 冷夹层 内部未熔合 解释比较困难注意标准问题 有待解决 13 TOFD技术的国内发展情况 世纪 年代 我国开始引进 检测技术 最早应用的单位有核动力研究所和中国一重 年左右在西气东输中进行了大量应用 年一重与中国特检院合作编订国内第一个 企业标准 并对神华煤液化工程中世界上最大的加氢反应器 壁厚 mm 进行 检测 年 武汉中科创新技术有限公司研发出国内第一台 专用检测设备 年通过全国特种设备无损考委会培训和考核的共 人 年 中 检测标准出台 武汉中科创新技术有限公司是国内唯一一家参与标准制订的超声仪器生产厂家 14 TOFD原理 1 波形衍射 当超声波作用于一条长裂纹缺陷时 在裂纹缝隙产生衍射 另外在裂纹表面还会产生反射 TOFD就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来对缺陷进行定位定量 探头 入射波 折射波 衍射波 探头 被测工件 15 衍射现象 惠更斯原理 衍射波的特点 1 向各个方向传播2 能量低3 衍射方向不取决于入射角 16 发射探头 接收探头 被测工件 TOFD扫查焊缝 形成的A扫脉冲图像 17 3 波形的相位关系 当超声波束由一个高阻抗的介质传播到一个低阻抗介质中时 在界面经过反射后波束相位发生改变 如果波束在遇到界面前是负向周期则在界面反射后转变为正向周期 发射探头 接收探头 如下图 波束经过上端点和底面时 在异质界面反射和相位发生转变 因此波形相位相似 而波束经过下端点时相当于波束在底缺陷底部环绕 相位不发生转变与直通波相位相似 根据理论和实验证明 如果两个衍射信号的相位相反 则在两个信号间一定存在一个连续不间断的缺陷 因此识别相位变化对于评定缺陷尺寸非常重要 利用上 下端点的时间差来计算缺陷深度和自身高度是TOFD探伤最重要的部分 注在一些特殊情况下 例如气孔 小夹渣之类的缺陷由于几何尺寸太小不会产生两个分离的端点信号 18 s s 4 深度计算公式 如上图所示 两探头的信号是对称的 则在两探头之间的信号时间t可以用下式计算 s 两探头中心距的一半h 反射信号的深度c 声速 由于时间可以由仪器自行测出 因此由左式可计算出缺陷深度 19 S S h1 h2 h 5 缺陷自身高度计算 根据刚才的公式 计算出缺陷的上端点深度和下端点深度两者之差即为缺陷自身高度 如下式 h h1 h2 h1 上端点深度h2 下端点深度 20 TOFD扫描成像 发射探头 接收探头 TOFD的成像并非是缺陷的实际图像显示 而是通过扫查时探头所接收到的A扫图形转换为黑白两色的灰度图 为了能有更清晰的图像因些要求至少256级的灰度分辨率 100 0 100 利用灰阶度来表示振幅 当回波处于0位时用中间灰色表示 当波形向正半周变化时向100 灰度 白色 渐变 当波形向负正半周变化时向 100 灰度 黑色 渐变 A扫图像 D扫图像 直通波 上端点 下端点 底波 21 连续扫查时得到的扫描图像 A扫波形 D扫图像 直通波 底波 22 有缺陷时扫描图像 A扫图像 D扫图像 上端点 下端点 23 特殊缺陷的特征 直通波被阻断 下端点 底波 没有直通波和上端点的信号 1 上表面开口裂纹 24 当缺陷沿扫查方向有一定长度时 连续扫查得下如下D扫图像 直通波被阻断 下端点 底波 直通波断开 只有下端点信号 25 当表面开口深度非常小时 直通波并没有断开 但明显滞后 直通波被阻断 底波 直通波滞后 26 底波被阻断 底波 2 下表面开口裂纹 没有下端点和底波 底波断开 上端点 27 底波被阻断 底波 2 下表面开口裂纹由于开口深度较小 无法完全阻当直通波 因此底波并未消失 但明显滞后 没有下端点和底波 上端点 底波滞后 28 底波 3 短小缺陷 在焊缝中出现短小缺陷 上下端点距离很小 因此没有明显区分的上下端点衍射 因此会出现一个非常明显的不规则多次振荡信号 29 底波 4 近表面缺陷 在近表面发现的缺陷 由于与直通波距离近 因此上端点与直通波叠加在一起难以区分 30 5 单个气孔 由于几何尺寸小 因此没有明显分离的上下端点回波 形成一个独立的小月牙状 相位无法分辨 31 6 水平方向的平面形缺陷 层间未熔 冷夹层 发射探头 接收探头 32 缺陷位置的不确切性 发射探头 接收探头 S S t2 t1 相等时间的轨迹 t1 t2 ct 实际上 绝对深度的最大误差低于壁厚10 内部 小 缺陷的高度估计误差是可以忽略的 33 TOFD扫查模式 平行扫查 又称横向扫查 是指扫查方向与超声波束方向是平行的 扫查结果称为B scan 所得结果主要是 轴和 轴方向值 该扫查方法能为我们提供很准确的深度结果 但因扫查时探头须越过焊缝 操作起来相对烦琐 非平行扫查 又称纵向扫查 是指扫查方向与超声波束方向不平行 扫查结果称为 scan 所得结果主要是 轴和 轴方向值 扫查方便 适用大范围的焊逢检测 一般采用探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向扫查 左偏置非平行扫查 右偏置非平行扫查 34 TOFD扫查模式 35 不同类型缺陷在TOFD中的显示 36 近表面裂纹 裂纹阻挡了直通波 下尖端衍射信号显示在A 扫描中 2 1 37 根部未焊透 注意上下尖端的两个信号 1 2 3 4 38 根部未熔合 注意直通波和缺陷信号之间的波形相位转换 1 2 3 39 侧壁未熔合 注意上下尖端的两个信号 1 2 3 4 40 气孔 密集型气孔 1 2 41 层间未熔合 42 检测前要重点控制的指标 分辨率分辨率是指识别 个信号所能代表的最小距离 分辨率在 检测中决定了所能分辨的缺陷的高度尺寸极限 一般一个信号可以包含 个周期 相当于 波长 对于 探头相当于 mm 对于小的夹渣和气孔 通常不能分辨其上下端点 但有时通过采用高频探头可以提高分辨率 不过会带来噪声并限制了检测厚度 声束扩散在 检测中 一般情况下要尽可能少的扫查次数来检测大范围的金属材料 因此声束扩散角足够大是非常重要的 制定工艺时需要通过计算来确定声束覆盖范围 43 参数设置的设置与选择 熟悉工件 焊缝类型 运行条件 需要检出缺陷的类型及位置 检验母材的分层和厚度 材料的衰减特性等 选择超声探头 探头频率 晶片尺寸 探头角度 探头对数 扫查次数等 设置探头间距 根据工件及探头的选择情况计算并设置探头中心间距 扫描采集参数选择 激发脉冲宽度设置 时间窗口的设置 阻尼设置等 增益设置 根据工件实际情况选择合适检测灵敏度 44 TOFD检测中探头的选择 探头角度探头频率探头晶片尺寸探头对数选择 45 1 探头角度 TOFD检测中探头的选择 46 TOFD检测中探头的选择 由上表我们可以分析出 扩散角最小 但同一厚度时的时间差最大 即分辨率最好 时扩散范围最大 但时间差太小 分辨率太低 可以看出角度与探头覆盖率成正比 与分辨率成反比 注 在直通波与底波之间容纳的周期数越多 分辨率越好 1 探头角度 47 TOFD检测中探头的选择 探头频率越高 波长越短 半扩散角越小 sinB Fr D 覆盖率越低 增加了直通波与底波间的周期数 提高了分辨率 例 度测 mm工件为例 直通波和底波间隔为 us 对于 探头 一个振动周期为 us 则直通波和底面回波的时间间隔只有 个超声周期 这对显然是不够的 一般达到 个周期能达到相当好的分辨率 如果是 探头 一个振动周期为 us 则直通波与底面回波的时间间隔有 个周期 效果还比较好 探头频率 48 TOFD检测中探头的选择 从半扩散角公式 我们可了解到 晶片直径与扩散角成反比 即覆盖范围成反比 探头晶片尺寸 探头间距 PCS 探头间距与覆盖率成正比 比较直观 49 TOFD检测中探头中心间距的选择 探头中心间距 即我们常说的 probecenterdistance 是两 探头中心间的距离 在探头选择完毕后 我们可以根据公式确定探头中心间距 一般要求声束聚焦在工件的 厚度处 但在进行分层的时候也可以根据需要聚焦在其他厚度上 50 5 6t或若 51 8 9t或若 11 12t或若 52 TOFD技术中灵敏度的调试方法 用开槽的衍射波来设置增益用晶粒噪声来设置增益用直通波来设置增益用底波来设置增益 在超声检测中 我们一般都需要对检测灵敏度进行调整 因为合适的灵敏度能避免漏检缺陷 但灵敏度高同时会带来较大的噪声影响缺陷的判读 所以必须要有合适的检测灵敏度 53 TOFD技术中灵敏度的调试方法 在英国BS7706标准中就要求到 用一系列上表面开口窄槽的下短点信号来设置增益 这种上表面开口槽的下端点幅值非常类似于疲劳裂纹的衍射信号 校准试块厚度应与工件厚度相近 材质相同 槽开在1 3和2 3厚度处 在增益调节时应在满足信噪比要求的情况下 把最远处的端点衍射信号波调到满屏的60 1 用开槽的衍射波来设置增益 54 TOFD技术中灵敏度的调试方法 在英国BS7706标准中也描述到 用被检工件中的典型噪声水平来设置增益 这种方法能确保所有缺陷信号都能够检测到 但增益设置过高会导致B扫和D扫图中的信号很亮 给信号分析带来困难 一般可将晶粒噪声调至满屏的5 2 用晶粒噪声来设置增益 55 TOFD技术中灵敏度的调试方法 在直通波可见的情况下 用被检工件中的直通波波幅来设置增益 这种方法调节的灵敏度比较合适 在噪声满足的情况下将直通波波幅调整至满屏的40 80 3 用直通波来设置增益 在底波可见的情况下用被检工件中的底波波幅来设置增益 在噪声满足的情况下将底波波幅调整至满屏的80 然后在增加20 32dB作为检测灵敏度 这种方法使用较少 一般可以用在多通道 检测中 用底波来设置增益 56 技术误差及解决方案 时间误差近表面误差轴偏移深度误差底面盲区入射点偏移误差耦合剂深度变化误差声速变化误差 57 技术误差及解决方案 数字仪器都是将通过对模拟信号进行采样而将其转化成数字信号 但由于不可能对所有信号进行全采集 会产生采到的点并不是最端点位置的信号 从而产生时间误差 导致深度计算的误差 时间误差 以 mm厚试块为例 声速为5 95mm us 为 mm探头频率为 数字化频率为 58 技术误差及解决方案 由上表可以看出 近表面深度误差迅速增加 这是由于这个区域内超声波几乎是水平的 时间上一个小的误差会给深度带来很大的误差 可以减小探头间距 或使用更高的数字转化率和增加探头频率来减少时间差 但将减少检查覆盖范围 时间误差解决方案 59 技术误差及解决方案 近表面误差除了有上面所述时间不准而产生的深度误差 还有直通波存在而导致的误差 近表面误差 直通波等效深度 60 技术误差及解决方案 直通波的存在容易导致缺陷埋没在直通波中不易分辨 可以减少 增加数字化频率 使用高频探头或高阻尼宽带探头来解决 近表面误差解决方案 61 技术误差及解决方案 轴偏移深度误差 在 扫查中缺陷可能被中心声束发现也可能被边缘声束发现 但在恒定椭圆轨迹中是无法分辨的 这就产生了了不同的深度 即主声束所得结果是最大的 但偏声束会偏小 一般认为对于 型剖口内缺陷误差小于 对于 型剖口缺陷小于 但所有情况都不会大于 62 技术误差及解决方案 在上面提到过时间恒定椭圆曲线 那么最大深度和最小深度之间的距离就是底面的盲区了 一般小于工件厚度 及工件厚度 以上的缺陷都是绝对可以发现的 对这种底面盲区可以采用横波方法来进行解决 底面盲区 63 TOFD技术和PE方法组合检测焊缝的解决方案 多通道一次非平行扫查方式 完成发现缺陷和对缺陷初步评价非平行扫查方式转换为平行扫查方式 检测缺陷的详细信息 64 五通道一次非平行扫查方式 当焊缝厚度大于6mm小于等于70mm时 采用一对TOFD探头覆盖整个焊缝厚度范围 另外采用两对PE探头从两边对焊缝根部和盖帽区域补充检测 五通道解决方案 65 七通道解决方案 当焊缝厚度大于100mm小于等于200mm时 采用三对TOFD探头覆盖整个焊缝厚度范围 另外采用两对PE探头从两边对焊缝根部和盖帽区域补充检测 七通道解决方案 66 总误差 D 40mm PCS 90mm 探头角度 60 数字化频率50 67 TOFD技术的现场应用 68 TOFD技术的现场应用 69 TOFD技术图像的处理工具 差分法通过移除直通波或侧向波 增强近表面分辨力 数据分析模块功能 70 TOFD技术图像的处理工具 直通波与底波拉直TOFD图像 数据分析模块功能 71 通过设置不同的增益增加TOFD对比度 数据分析模块功功能 TOFD技术图像的处理工具 72 通过设置不同的增益增加B扫对比度 数据分析模块功能 TOFD技术图像的处理工具 73 检测结果图像1 1比例显示 有利于与射线底片进行对比 数据分析模块功能 TOFD技术图像的处理工具 74 HS800TOFD检测仪 曲线游标拟合分析和TOFD尺寸判读 记录并标记缺陷 数据分析模块功能 75 TOFD技术图像的测量工具 抛物线指针测量 技术测量 76 TOFD技术图像的测量工具 在 的 扫描中 横向移动抛物线指针使其与缺陷的弧线拟合 则两抛物线指针的距离就是缺陷的长度 这种方法测量精度在 mm内 拟合中如效果不太好 可以断定缺陷外形为曲线形 抛物线指针测量 技术测量 技术 又称合成孔径聚焦技术 该技术能产生宽度是晶片尺寸一般的准直声束 而且扩散很小 对与测量小于正常波束的扩散范围比较有效果 但 技术分析中所耗时间长 效率比较低 77 TOFD图像的判性分析 点状缺陷 射线底片 78 TOFD图像的判性分析 点状缺陷 扫查图 小夹渣 点状缺陷 扫查图 气孔 79 TOFD图像的判性分析 扫查图 密集型气孔 扫查图 条状夹渣 80 TOFD图像的判性分析 扫查图 裂纹 裂纹 射线底片 81 HS800TOFD检测仪 1 高清晰6 5英寸实时显示 60HzA 扫描刷新率 640 x480的显示器分辨率可以在任何灯光条件下清楚的看见缺陷细节2 内置两个探头位置编码器3 USB LAN VGA输出接口4 支持纵波 横波 导波和表面波等模式5 具备A扫 腐蚀剖面 B扫 和TOFD检测以及连续线性扫查成像 并对图像进行差分 拉直 对比度及1 1比例显示处理 基本特点 82 6 回放图像记录中每点位置的A扫波形7 缺陷全面模式分析8 符合国内4730标准和国外EN DNV API ASME RBIM等有关标准9 单通道 5通道及7通道扫查模式可选 最多达7个通道 三对TOFD 两对PE 10个探头同时扫查和记录10 配置便于使用的手动扫查器11 配置TOFD探头和PE探头 基本特点 HS800TOFD检测仪 83 12 平行扫查以及非平行扫查13 检测厚度可达200MM14 便携式 电池供电 配备两块锂电池 单块电池可运行8小时15 整机重量2 4Kg 含电池 16 全中文操作 界面友好 基本特点 HS800TOFD检测仪 84 通道设置编码器校准自动检测数据分析 仪器各功能模块 HS800TOFD检测仪 85 配套手动扫查器 设计轻巧 人性化三个磁性轮吸附在检测对象表面具有刹车系统 在任何时候任何场合均有效探头导杆可调角度 适用范围广耦合良好 HS800TOFD检测仪 86 基于A扫波形的传统脉冲回波和穿透检测1 脉冲宽度可调 根据探头选择合适的阻抗2 增益0 110dB范围内可调 步进最小为0 1dB3 低噪声设计 提高信噪比4 用最多10点校准数据能产生DAC TGC曲线校准超声信号的距离幅度变化5 全检波 正半波 负半波 射频 射频显示提高了仪器对材料特性 胶结层 不同材料 缺陷模式和探头的评价能力 主要检测功能 HS800TOFD检测仪 87 一维直线扫查和多通道组合记录实现以下功能1 多通道TOFD及横波PE非平行组合扫查沿探头扫查轨迹连续测量TOFD衍射信号和横波的反射体回波幅度 同时实现对焊缝的全面覆盖检测2 单或多通道横波PE平行组合扫查沿探头扫查轨迹连续测量横波的反射体回波幅度 实现对焊缝截面的B扫成像和缺陷当量评定3 单或多通道TOFD平行扫查沿探头扫查轨迹连续测量TOFD衍射信号 实现对焊缝截面缺陷衍射端点的精确分析4 单通道横波 导波 表面波PE非平行扫查投影成像 P扫 沿探头扫查轨迹连续测量横波 导波或表面波的反射体回波幅度 实现较长距离范围的平面投影二维成像 主要检测功能 HS800TOFD检测仪 88 一维直线扫查和多通道组合记录实现以下功能5 单通道纵波PE厚度剖面或B扫描成像和记录沿探头扫查轨迹连续记录壁厚读数或回波幅度 支持多种基于风险分析的检测和维护规程直线扫查和记录能采用1 计时模式 内置实时时钟 2 真实位置模式 内置增量编码器接口 平行扫查以及非平行扫查 主要检测功能 HS800TOFD检测仪 89 差分法通过移除直通波或侧向波 增强近表面分辨力直通波与底波拉直TOFD图像通过设置不同的增益增加TOFD或B扫图像的对比度检测结果图像1 1比例显示 有利于与射线底片进行对比曲线游标拟合分析和TOFD尺寸判读 记录并标记缺陷输出图像与报表 数据分析模块功能 HS800TOFD检测仪 90 单通道纵波PE厚度剖面或B扫描成像和记录支持时基 实时时钟 和真实位置 内置增量编码器接口 的数据记录模式和厚度剖面同时记录完整A扫序列厚度剖面记录离线评估具有以下特点1 沿存储图像的厚度缺