1-对接焊缝TOFD技术介绍

1、 对接焊缝TOFD技术介绍1.方法原理TOFD（Timeofflightdiffraction）法有赖于超声波与缺陷端部的相互作用。相互作用的结果会在较大角度范围发射衍射波。检出衍射波就能确定缺陷的存在。信号传播时间差就是缺陷高度量值。缺陷尺寸根据衍射信号的传播时间而非幅度来测量。图1为T0FD法的探头布臵。1发射探头2.接收探头a侧向波b上端波c下端波d底面回波e中夹角为使缺陷端部产生被接收探头接收的衍射波信号,通常要用指向角较大的纵波探头。这样就可通过一次扫查检测一定体积,但仅局限于一次扫查可检测到的体积尺寸。发射声脉冲后到达接收探头上的第一个信号通常就是在试件表面下传播的侧向波（late

2、ralwave）。若无缺陷,到达接收探头的第二个信号就是底面回波。这两个信号通常供参考用。若忽略波型转换,则材料中由缺陷产生的任何信号均在侧向波与底波之间到达。因为侧向波和底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。典型的A扫描AC波形图示于图2。缺陷高度可由衍射信号的时间差求得。用AC波形是为了利用参考波（侧向波和底波）和缺陷波（上端波和下端波）的相位信息来估判缺陷性质。应注意图2中两参考波的相位相反，缺陷的两个端部衍射波相位也相反。（含相位信息，图中ad含义同图1）x波幅y时间2.被检材料及表面状态和耦合要求

3、TOFD法所用信号幅度较低，通常只适用于超声波衰减、散射较小的材料。它可用于低碳钢和低合金钢材料和焊缝，也可用于细晶奥氏体钢和铝材。对粗晶材料和有严重各向异性的材料，如铸铁、奥氏体焊缝和高镍合金，则需作附加验证和数据处理。经合同方商定，可用含人工或自然缺陷的典型试样验证TOFD法的可检性。但要注意，人工缺陷的衍射特性可能明显不同于实际缺陷。由于衍射信号很弱，表面状态不良会引起信号质量（幅度和形状等）下降，严重影响检测可靠性。因此，表面越光滑平整，定量结果越精确。一般要求机加工表面Ra=6.3pm,喷砂表面为12.5gm;探头与接触面的间隙0.5mm。上述要求通常仅适用于要进行缺陷定量的表面。可

4、以选用不同的耦合介质，但应与被检材料匹以选用不同的耦合介质，但应与被检材料匹配。如可用含附加剂（润湿剂、防冻剂及防腐剂等）的水、浆糊、机油、润滑剂和含水纤维糊剂等。3.人员要求用TOFD法检测焊缝的人员除需有NDTII级以上资格证书外，还需通过根据被检产品等级和书面实施细则进行TOFD法检测的附加培训和考试。4.检测设备4.1仪器及特性接收探头的-6dB带宽通常至少为标称探头频率的0.52倍。可用适当的带宽滤波。发射脉冲为检波(DC)或不检波(AC)脉冲。脉冲上升时间不超过标称探头频率相应周期的0.25倍。非检波信号应使用标称探头频率至少4倍的取样率进行数字化。超声设备和扫查装置组合后，一般每

5、毫米扫查长度应至少能获得一个A扫描信号,并将信号数字化。数据的获取与扫查装臵的移动应同步。为选择适当的时基部分将A扫描信号数字化，应显示有编程位置和范围的窗口。编程窗口始点离发射脉冲0200ys，窗口范围为5100ys。用该法可选定适当信号(侧向波或爬波，底波信号，一个或多个变型波信号)数字化和显示。数字化A扫描结果应以相关灰度或单色等级的幅度显示，并在邻近绘出D扫描(焊缝纵断面显示)或B扫描(焊缝横断面显示)图像。图3和图4为双探头平行于焊缝方向和垂直于焊缝方向的D扫描和B扫描结果。灰度或单色等级数至少为64。所有A，D或B扫描结果均应存储在磁性或光学储存介质(硬盘、软盘、磁带或光盘)上。检

6、测报告用A，D或B扫描的硬拷贝。TOFD设备应能对信号作平均化处理。为获得典型TOFD信号所需的较高增益调整值，可使用预置放大器。该放大器能对所关注的频率范围有平缓的响应，位置尽可能靠近接收探头。收”侧向波一缺陷上端鶴播时何壁厚方向)总：缺陷F端_、底面探头轉痫(工幽】反射图3TOFD法双探头移向(沿焊缝长度方向)与相应的D扫描图像探孑AA移向二皆探头移向E(.vH)Zr卡图4TOFD法双探头移向（沿焊缝宽度方向）与相应的B扫描图像2超声探头超声探头为两个（一发一收,相向对臵）;选用类型参阅5.2节;波型通常为压缩波（纵波）,特殊情况可商定用横波,但波形较复杂;两探头中心频率应相同,误差20%

7、,探头频率选择细节见5.2节;侧向波和底面回波脉冲宽度均不得超过峰值波幅10%时测出的两个周期;脉冲重复频率应调节到相继发射脉冲所产生的声信号之间无干扰。3扫查器扫查器的作用是使两探头入射点间距离保持固定,始终对准,并向超声探伤仪提供探头位臵信息,以产生与位置有关的D扫描或B扫描图像。探头位臵信息可由步进磁性编码器、光学编码器或电位差计提供。扫查器由电机驱动作自动探伤,也可用手工驱动作验证试验等。可使用钢轨、钢带、追踪系统的自动跟踪器和导轮等适当的导向机构。设备调整程序5.1概述探头选择和布置相当重要。两者在很大程度上决定了总的准确度、信噪比和TOFD法评定区范围。设备调整应该：有足够的系统增

8、益和信噪比,以检出要评定的衍射信号。可获得许可的分辨力和足够的评定范围。能有效使用系统动态范围。5.2探头参数和探头间距2.1探头参数的选择首先要确定TOFD法的探头布置，以便在薄板和厚板焊缝中都能获得良好的缺陷检出能力。对壁厚T70mm的钢焊缝,用一对纵波斜探头横跨在焊缝两侧。表1为对三种壁厚范围可达到足够分辨力和评定范围的探头参数推荐值。表1钢厚度TW70mm时TOFD探头选择参数的推荐值動Tlinn中心頻率MIlziVr.ll-：-rnnn标称探黑肖曲70mm的钢焊缝，应将壁厚分成几个检测区，每区覆盖不同的深度范围。表2是对T70-300mm钢焊缝可获得足够分辨力和足够评定范围的探头参数

9、推荐值。表2钢厚度T70300mm时TOFD探头参数推荐值壁厚I川心频率iVr.ll-.-rnunMHzmm5-1050-;C.|灼10D2-56-12100-他1宀A102545605.2.2探头间距当图1中缺陷1/2高度处（即高度中点）的声束中夹角为120左右时，缺陷端部衍射效率最高。双探头的布臵应使成像的声束中心线以此角度与所需寻找或评定缺陷的深度区域相交。因此，TOFD法检测的最佳双探头间距2s可由下式求得（图5）2s=2dmtg60=3.46dm(1)或s=dmtg60=1.73dm(2)式中dm缺陷高度中点离板材表面距离（深度）图5TOFD法最佳双探头间距的设定声束中夹角若165，

10、就可能引起缺陷端部衍射波减弱。5.3时间窗的调整时间窗口始点最好设置在侧向波到达时间前至少1MS的位置，终点至少设在第一次底波出现的位置。因波型变换回波可用于识别缺陷，建议时间窗口中包括第一次变型底波到达时间。作为最低要求，时间窗口应至少覆盖所需评定的深度范围，如表1，2所示。5.4灵敏度调整设备调整（电子噪声抑制和系统增益）到侧向波信号到达前的电子噪声，比侧向波到达后在时基范围内的波幅至少低6dB。侧向波应调到波幅刻度的5%左右。随后就可用参考试块（图6）中典型缺陷或衍射测试用人工缺陷来校正灵敏度。校正结果可用于判断增益调整值和信噪比是否恰当。5.5扫查分辨力和扫查速度调整通常要求探头每移动

11、1mm作一次A扫描记录。扫查速度应符合时间窗、灵敏度调整和扫查分辨力的要求。图6TOFD参考试块草图5.6系统特性的校验要求通过有代表性的A扫描限定数的记录和比较,在每次焊缝检验前和检验后进行系统特性校验。6TOFD数据解析1缺陷初析对TOFD法检出的缺陷应至少描述以下特征：缺陷在试件中的位置(X、Y座标)；缺陷长度(X)；缺陷埋藏深度和自身高度(Z、Z)；缺陷类型(表面开口型、底面开口型、埋藏型)。6.1.1缺陷的表征为表征缺陷,应确定该缺陷端部产生的衍射波信号相位；表观相位与侧向波相同的信号,应视为由缺陷下端部产生；表观相位与底波相同的信号,应视为由缺陷上端部产生,或由无可测高度的缺陷产生

12、。若信噪比不够,以致信号相位无从检出,则以上识别无效。表面开口型缺陷:发现缺陷下端部衍射有所减弱的信号(通过耦合损失校正),或侧向波中断时,应视为表面开口型缺陷。有时可观测到侧向波会朝传播时间稍长的方向移动。底面开口型缺陷:发现底波朝传播时间较长的方向移动,或底波中断(通过耦合损失校正)时,应视为底面开口型缺陷。埋藏型缺陷:发现既有上端部衍射又有下端部衍射产生的信号,应视为埋藏型缺陷。发现只有上端部衍射产生的信号,而无侧向波或底波的相应信号,应视为无高缺陷。但要注意,由于侧向波或底波信号微弱,也可能将缺陷误判漏检。有怀疑时，应采取相应动作，或通过多次TOFD扫查怀疑时，应采取相应动作，或通过多

13、次TOFD扫查(见6.2.1)或用其他方法验证。需要作进一步表征时，应参照6.2。对缺陷评定有怀疑时，应保持可能是最差的评定意见，直到验证评定正确为止。6.1.2缺陷定位一般说来，要通过双探头同步移动，使缺陷位于两探头之间中间位置的X-Z平面与通过两探头中心线的Y-Z平面的交叉部位，就足够准确(X、Y、Z座标意义见图6)。图6TOFD法定位座标意义由缺陷产生的信号传播时间也可用于判定缺陷位臵。理论上,传播时间不变的表面是超声探头入射点附近的椭圆面中心。衍射点的位臵至少要通过两次扫查才能准确测出（见6.2.1）。若要求对缺陷位置或方向作更精确的测定，必须作多次TOFD扫查（双探头同步移动方向垂直

14、于或平行于声束传播方向）。6.1.3缺陷测长缺陷长度应根据X向扫查的探头移动量直接测出。与所有超声波探伤法一样，因超声波束有一定宽度,TOFD测长结果也可能是偏长的。缺陷长度小于所用探头晶片尺寸1.5倍时,用一般TOFD法测长结果很不准确，此时可参阅6.2.2用附加算法确定缺陷长度。1.4缺陷测深定高假定超声能量都在探头入射点进入和离开试件。当缺陷位于两探头之间的中间位置时（见6.1.2）,缺陷深度由下式求出：丄-1/2甘=斗_-5严式中c纵波声速t缺陷上端部衍射信号的传播时间d缺陷上端部的埋藏深度（离板面距离）s两探头入射点间距之半超声信号在探头楔块内的传播时间应从深度计算中减去。否则,会使

15、深度计算值产生严重误差。为避免探头延迟时间测量中可能遇到的误差，应尽可能从侧向波与衍射脉冲之间的传播时间差厶t求深度d。即d=（cAd2+扛（4）由缺陷深度位置即可求得缺陷在板厚方向的自身高度:表面开口缺陷:其高度由侧向波与缺陷下端部衍射波两信号的深度差求得;底面开口缺陷:其高度由缺陷上端部衍射波与底波两信号的深度差求得;埋藏缺陷:其高度由缺陷上下两端部衍射波信号的深度差求得。6.2缺陷详析详细的缺陷分析可针对用基本TOFD扫查已检出的缺陷进行。另外，也可考虑用其他NDT法对缺陷作出更详细的表征。缺陷详析包括:精测缺陷长、深、高，精测缺陷方向，精测缺陷类型。缺陷详析方法：用不同的探头角度、频率

16、和双探头间距作附加扫查；用双探头作平行于声束方向的Y向扫查;用附加的计算机算法分析数据。6.2.1附加扫查选用以下一种或几种附加扫查时,设备调整参数应最佳化。用低频扫查：若信噪比太低,即使用很大的平均值法,也不能作缺陷详析,此时可用较低的探测频率进行扫查。通常,低频扫查会增大死区,降低分辨力。用高频扫查：探测频率提高,可提高分辨力,提高定量精度,也可减小死区,但由于晶粒噪声增大,会使信噪比降低。用小角度、小间距扫查：用较小的探头角度及与之相关的较小探头间距进行扫查,可提高分辨力和定量精度,并减小死区,但也会减小试件声透体积。用不同间距扫查：为获得缺陷的水平位臵(Y向)及其方向信息,可用不同探头

17、间距(相对位臵)作平行于声束方向的Y向扫查或附加的平行于焊缝方向的X向扫查。应校验：在这些扫查中所观测到的信号相位关系,是否与初始扫查中的相位关系保持一致。对某一端部衍射信号来说,传播时间恒定的表面是个椭圆面。如果只考虑通过探头的Y-Z平面，则描述恒定声程的椭圆可表示为：a=(y+刖1/2-山+刃1/2(5)由上式可见，衍射点离两探头间的中心平面距离不同(即y值不同)，会使端部衍射的传播时间也不同。因此，缺陷端部的表观深度会因用不同的探头位臵扫查而变化。缺陷端部的水平位置(Y向)可直接通过平行于声束方向的Y向扫查，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座标作多次相

18、邻的平行扫查。一旦探知缺陷上下两端部位置，由通过两缺陷端部的轴线即可判定该缺陷的方向。原则上，用相互偏离一定距离的两次平行于焊缝方向的X向扫查，只要透声区覆盖足够的体积，也足以测准缺陷深度、长度和方向。但用两次X向扫查测定缺陷端部位置，不够直观，这将牵涉到用附加软件绘制空间曲线(见6.2.2)。也可用附加的平行于声束的Y向扫查来检出近表面缺陷，由于侧向波或底波靠得较近，缺陷一般不太好识别。但各次扫查中缺陷的表观深度会有所不同，因而可将缺陷波与侧向波或底波区别开来。6.2.2附加算法计算机算法对分析TOFD扫查所记录的数据很有用。例如：拟合叠加曲线，可精测缺陷长度。对侧向波和底波作减法，可检出信

19、号，否则因干扰会使信号模糊不清。若表面粗糙或有凹坑，此算法有效性应通过试验验证。作线性化算法，即令整个D扫描或B扫描线性化，可精测缺陷深度、高度。作模式化算法，可绘制轨迹曲线，分析波型转换信号，从而可附加窥测缺陷位置、深度和方向。有关物理原理和模式软件，要求操作者充分熟悉。7特殊几何条件下的检测和定量将被检试件按几何条件的特殊性分为5类。对2类试件，若两探头之间的表面是平直的，则无需作进一步限制。否则，对2类试件及所有3类试件，均需作改进的检测和评判程序，以适应试件曲率。对4类和5类试件，要应用特殊的数据处理和操作条件。凡遇特殊情况，计算机算法对分析数据很有用。为验证缺陷检出能力，也极力推荐使

20、用含自然缺陷或人工缺陷的试块或试样。8TOFD法的局限性这里提出有关TOFD法的一些局限性，包括TOFD法的基本检测和定量技术。也指出在正常条件下可达到的准确度限值，并讨论可能影响缺陷检出率的死区。要理解TOFD法总的可靠性取决于多种因素，而总的误差不小于这里讨论的综合误差。倾斜度、弯曲度大的缺陷，如X向扫查中的横向裂纹，一般较难检出。在这种情况下，建议对检出能力要作具体验证。另外，有些并不严重的缺陷，如点状缺陷，有混淆裂纹类较严重缺陷的可能，对此应予识别。适当时，应验证区分小裂纹的能力。检测能力的验证可针对具体检测进行，也可查阅其他记录数据。8.1准确度和分辨力应将准确度与分辨力区分开来:准

21、确度是指反射体或衍射体位臵可测定的程度,而分辨力是指将两个紧靠的衍射体区分开来的程度。TOFD测量准确度受定时误差、声速误差、探头间距误差和缺陷水平位臵误差的影响。在正常情况下,总的准确度主要取决于缺陷水平位臵误差。8.1.1缺陷水平位置误差(6)如6.1.2所示，缺陷的水平位置通常都假设处于两探头之间的中间位置。实际上，缺陷可能处于非中间位置(如坡口面未熔合、焊趾裂纹等)，此时由缺陷偏离两探头间距中心线的水平位置误差C)引起的深度测量误差蔦可由下式求出：原则上，声束下边缘决定“。若无声束下边缘的可靠数据，则取几；8.1.2定时误差由定时误差J引起的缺陷测深准确度的限值，可由下式求出:(7)4

22、缺陷端部离扫查表面的深度d的误差。要减小定时误差，可采用较短的脉冲或较高的频率。8.1.3声速误差由声速误差(&c)引起的缺陷测深准确度的限值，可由下式给出:单独校正声速，可大大减若两探头间距减小，此误差就会减小。用一已知壁厚，测量底波延迟时间，小声速误差引起的测深误差。8.1.4探头间距误差由两探头入射点之间的间距误差(6s)引起的缺陷测深误差，可由下式给出:注意，两探头间距误差可能由测距误差以及入射点测试误差引起。当探头间距小于试件厚度两倍时，入射点可不再认为是一个固定的点，但它与深度有关此时，若要求准确定量，应借助于有代表性的试件进行测深校正。8.1.5空间分辨力空间分辨力(R)是深度的

23、函数，可用下式计算：(10)式中tp声脉冲长度td到达深度d的传播时间分辨力随深度而增大，减小探头间距或声脉冲长度可改善分辨力。8.2死区(11)靠近扫查表面有一个死区(Dds),系由侧向波存在而致。侧向波与缺陷信号之间的干扰可能妨碍缺陷检出。此扫查表面死区的深度由下式给出：I.芒-?fP靠近底面也有一个死区(Ddw),系底面回波的存在而致。此近底面死区深度由下式给出:_4(12)式中tw底面回波的传播时间w壁厚以上两个死区均可通过减小探头间距或使用具有较短脉冲长度的探头来减小。9无数据记录的TOFD检测在手工TOFD法中，结果评定直接从A扫描获得，应使用非检波(AC)显示的信号。这种TOFD

24、法只适用于几何条件简单的工件检测，设备的布置调节应符合5.25.4的要求。一般说来，这种方法不可能象有记录数据的TOFD法详析任何信号。用它来检出相位变化，传播时间的轻微变化，以及靠近侧向波的缺陷回波，都较困难。10检测程序和报告TOFD检测程序也应符合EN583-1超声检测的一般原理所规定的要求。应用的具体条件和TOFD法的使用取决于被检产品类型和具体要求，要在书面程序中交代。TOFD检测报告除应符合EN583-1规定的要求外，还应包括以下内容：所用试样或参考试块的说明;探头型式、频率、角度、间距、相对于参考线(如焊缝中心线)的位置;描绘的图像(硬拷贝)，至少应有已检出的相关显示的位置。设备

25、调节细节，调节探伤灵敏度的方法。再有，检测过程中所有记录的原始数据，应存贮在磁性或光学存贮介质，如硬盘、软盘、磁带或光盘中，妥善保存，以备日后查阅。11TOFD用参考试块参考试块用作校正系统灵敏度，以获得足够的体积覆盖范围。参考试块的最低要求如下：材料与被检工件相似(如具有相似的声速、晶粒噪声和表面状态);壁厚应等于或大于被检工件标称壁厚;扫查表面的宽度和长度应满足探头在参考衍射体上的移动范围。测试时，应根据参考衍射体的衍射信号。参考衍射体可为：表面开口的机加工槽;横通孔，孔径至少为检测所用探头标称频率下波长的2倍。横孔应被截割到扫查表面，以阻止孔顶产生的直接反射，见图7。图7TOFD参考试块草图a.锯槽b