TOFD衍射时差法超声检测技术张平

TOFD衍射时差法超声检测技术天津诚信达金属检测技术有限公司张平UT-复试2010年4月21日于济南,什么是TOFD?,TOFD是TimeofFlightDiffraction的第一个英文字母的缩写，中文简称衍射时差法。是上世纪七十年代由英国哈威尔无损检测中心根据超声波衍射现象首先提出来的，检测时使用一对或多对宽声束探头，每对探头相对焊缝对称布置（一发一收），声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生反射波和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波，通过测量衍射波传播时间，利用三角方程来确定出缺陷的尺寸和位置。,TOFD中文名称,TimeofFlightDiffractionTechnique的中文翻译为衍射时差法超声检测技术GB/T12604.12005（等同ISO5577:2000）翻译为衍射声时物理学术语翻译为衍射渡越时间,TOFD发展历程,TOFD技术发现(20世纪70年代）摸索、完善、装备研发开始应用（20世纪90年代）大规模应用（21世纪初）,TOFD技术得以推广应用的先决条件,TOFD技术得以推广应用的关键主要是：数字技术：是计算机技术、多媒体技术、智能技术和信息技术的基础。计算机技术：快速处理大量数据压电复合材料：可用于相控阵探头、TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头,采用数字化记录超声波检测数据的优点,1、能够实现海量数据的长期保存；2、便于采取各种信号处理操作，例如多样的可视化显示、信号增强、平均、叠加等；3、取用、再分析、通讯传输方便；4、精度高，抗干扰性强。模拟信号的局限性，容易失真，精度低，抗干扰能力差，远距离传输和大规模存储困难，无法进行复杂的分析处理等,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。,合格的TOFD成像,缺陷检出率,手工UT：5070；RT：7080；TOFD：7090；机械扫查UT+TOFD：8095。,衍射现象,裂纹,衍射现象,惠更斯原理:,衍射现象,裂纹,衍射波,衍射波,入射波,反射波,向各个方向传播能量低,TOFD技术的优点（与PE相比）,缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关。缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度。精确测量衍射波的传播时间来确定缺陷的尺寸和位置，对面状缺陷自身高度的测量精度很高。（对于自然裂纹自身高度测量精度为1mm，对于监测裂纹扩展测量精度为0.3mm。缺陷长度的测量精度与PE相当5mm）检测数据有永久的数字记录。检测速度快，效率高。,折射角度与衍射波幅度的关系,折射角度与衍射波幅度的关系,裂纹上尖端信号从065单调增大，从6585单调降低。波幅最大时的折射角为65。裂纹下尖端的信号波幅曲线在20和65时出现两个峰值，在38时，裂纹下尖端的信号波幅下降到最低。在4580区间，裂纹下尖端的信号波幅略大于上尖端的信号波幅。在4580之间波幅的变化小于6dB。,纵波探头声场特点,1、纵波与横波同时存在。由于TOFD技术采用纵波检测，探头折射角小于第一临界角。这样在探头声场中，同时存在纵波与横波。2、大扩散角和宽波束。探头纵波具有很宽的波束。通过计算可以求出，该探头在钢中声压下降12dB的波束上边界角为90，下边界角为45.7。3、从图11中可以看出，横波声场的强度比纵波大的多。,TOFD检测为什么使用纵波而不用横波探头,纵波传播速度快，几乎是横波的两倍，最先到达接收探头，容易识别缺陷，以纵波波速计算缺陷深度，不会与横波信号混淆。,605MHz6mm波束模拟,晶片尺寸与频率对探头性能的影响,小晶片，扩散角大，覆盖范围大。频率高，扩散角小，覆盖范围小。另一方面，频率高，周期短，容易满足直通波与底波信号时间差至少20个周期的要求，这可使直通波与底波回波在10以上的波幅不超过两个周期，减小盲区，提高时间分辨率。综合考虑晶片尺寸与探头频率，根据标准规定选择。一般使用的TOFD探头中心频率为115MHz，晶片尺寸为320mm。常用的探头角度为：45、60、70,TOFD的典型设置,发射探头,接收探头,A扫信号,发射探头,直通波(LW)：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。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，比底面反射波信号弱很多。底面反射波(BW)：纵波在底面的反射波。因其传播距离比直通波大，总是在直通波之后。波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号还会产生各种波型转换信号。由于横波速度较慢，在底面反射波之后出现，但波幅相当大。由于直通波(LW)和底面反射波(BW)的存在，检测时如果只使用TOFD检测，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米左右，近表面的盲区大于底面的盲区。,TOFD检测的典型信号,相位变化,上端点,下端点,需要不检波的A扫来显示相位的变化,相位变化,直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的。每一个显示的上、下端点衍射波相位是相反的。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。,传播时间,传播时间,发射探头,接收探头,缺陷深度,发射探头,缺陷自身高度,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1-mm的精度是完全可以达到的(检测人工缺陷时可以达到0.1mm)。,确定探头间距,聚焦深度：d=2/3D探头间距：PCS=2S=2dtanq=(4/3)Dtanq,A扫信号灰度图,TypicallyusedforTOFD,灰度图,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。,典型的TOFD图像,常规扫查方式,非平行扫查或D扫：扫查方向与声束方向垂直。平行扫查或B扫：扫查方向与声束方向平行。,非平行扫查-D扫,非平行扫查主要用于缺陷定位和长度方向的定量，但是在高度方向上的定量不精确。,典型的D扫视图,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,平行扫查-B扫,采用平行扫查可以对缺陷深度进行更精确的定量，而且有助于对缺陷宽度和倾斜角度的判断。,焊缝,Tx,Rx,波束方向,扫查方向,平行扫查,当探头相对于缺陷对称时时间最短。,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,图形显示,B扫,典型的B扫视图,B扫C扫D扫,近表面盲区,由于近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。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。减小近表面盲区的措施：减小PCS，窄脉冲探头，直通波去除。,底面盲区,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,TOFD检测的精度,时间误差：探头频率5MHz，假定采样频率25MHz，则采用间隔0.04s，时间误差0.02s，深度误差0.02s5.95mm/s0.1mm,TOFD检测的精度,轴偏移误差：8,发射探头,接收探头,S,S,t2,t1,相等时间的轨迹(t1+t2=2t),TOFD检测的分辨率,能够识别两个信号的最小距离。TOFD可以识别23个波长。5MHz探头，波长1.1mm，分辨率23mm2mm的气孔和夹渣无法分辨出上下尖端。,1、上表面存在裂纹时，声束无法从上表面通过，无侧向波（LW）和上端点衍射波。2、下表面存在裂纹时，声束无法从下表面通过，无内壁反射波（BW）和下端点衍射波。3、水平方向的平面形缺陷(层间未熔,冷夹层)上下端点衍射波合在一起。,几种典型的TOFD波形,上表面开口裂纹,发射探头,接收探头,没有侧向波,外表面开口缺陷,下表面开口裂纹,发射探头,接收探头,内部面开口缺陷,与检测面平行的平面形缺陷(层间未熔,冷夹层),发射探头,接收探头,与检测面平行的面状缺陷,内部埋藏缺陷,l检验是使用一对宽声束、宽频带、纵波斜探头，探头频率高于脉冲回波法（PE）的探头频率，探头相对于焊缝对称布置。l声束在焊缝中传播遇到缺陷时，缺陷会产生反射波，缺陷上下端点产生衍射波，衍射波比反射波低2030dB。接收探头具有极高的灵敏度，接收衍射波和反射波。l以精确测量衍射波的传输时间和简单的三角方程为理论基础，使用计算机来完成缺陷尺寸和位置的测量。,TOFD检测的特点,灵敏度的设置,根据标准规定设置。把直通波的信号调为4080FSH.底面回波信号大于满屏高度的1830dB。调节晶粒噪声为满屏的510FSH。用开有侧横孔、开口槽的试块来调整。用有上表面开口槽的试块来调整，在信噪比满足要求的情况下将上表面开口槽下端点的衍射信号调到满屏的60FSH。,数字化记录,TOFD记录的是每个检测点的完整的未经修正的原始的数字化A扫信号。可永久记录所有数据信号，包括检测参数、校准方式等。可对采集的数据进行处理，提高灵敏度、信噪比、易于识别缺陷。可对原始的检测数据再分析，使用多样的可视化显示。,TOFD技术的优点,1、TOFD技术的可靠性好。2、TOFD技术的定量精度高。3、TOFD检测简便快捷，检测效率高。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，信号通过处理可转换为TOFD图像。TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。5、能全过程记录信号，长久保存数据，而且能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，且对裂纹高度扩展的测量精度极高，可达0.1mm。,TOFD技术的局限性,1、由于上、下表面存在盲区，TOFD技术对近表面缺陷和下表面缺陷，检测的可靠性不够。2、对缺陷定性比较困难，需要丰富的经验，还要辅助其它检测手段。TOFD技术比较有把握区分上表面开口、下表面开口及埋藏缺陷，但难以准确判断缺陷性质。3、TOFD图像识别和判读比较难，数据分析需要丰富的经验。4、对粗晶材料，例如奥氏体焊缝检测比较困难，其信噪比较低。5、横向缺陷检测比较困难（焊缝余高）。6、复杂几何形状的工件检测比较困难。7、点状缺陷的尺寸测量不够准确。,在线分析与离线分析,在线分析的优点和局限性1、不需要使用额外的设备和软件就能够直接对缺陷进行分析。2、在现场就能够对缺陷进行最快的诊断。3、对缺陷进行测量分析时，采用仪器的键盘操控比较费力。4、仪器屏幕较小，分辨率较低，操作人员容易疲劳，同时会影响测量精度和判读结果。5、在线分析软件的可扩展性差，很难及时更新换代。,在线分析与离线分析,离线分析的优点和局限性1、计算机屏幕大，分辨率高，数据测量精度高。2、计算机键盘大，结构为人所熟悉，操作轻松方便。3、计算机存储空间大，数据调用、存放、打包处理方便。4、计算机速度快，工作效率高。5、专可利用的软件较多，分析处理功能强大，容易及时更新。6、需要使用额外的设备.7、现场使用不够方便。,TOFD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T