超声衍射方差法ofd检测技术进展

超声衍射方差法ofd检测技术进展

自20世纪90年代以来，超声辐射时差（tfd）法已在国外的工业损伤试验领域得到广泛应用，并在欧洲、美国和日本推出了相应的应用标准。近两年来,国内也在积极推广,自制便携式装置如小荷露尖。下面对该新技术的基本原理、探头典型布置和检测系统关键性要求,以及检测工艺的实施要领作一简介。TOFD技术最早是1972年由英国哈威尔无损检测中心Dr.SilkMG提出的。20年后英标准BS7706问世,1996年起美ASME将其列入规范案例2235和第Ⅴ卷《无损检测》附录,2000年欧、日分别推出专用标准。最近,TOFD还与相控阵技术结合一起,相辅相成,用于不同壁厚的承压设备焊接接头的制造和在用检测。1tofd法检测几何超声TOFD法可用于材料探伤、缺陷定位和定量。但与常规超声技术不同,TOFD法不用脉冲回波幅度对缺陷大小作定量测定,而是靠脉冲传播时间来定量。TOFD法使用一对同尺寸、同频率和同角度的纵波斜探头,按一定间距置于被检焊缝两侧,借助于D型扫查(图1)进行探伤和定量;也可借助于B型扫查(图2)进行定量。如果检测任务要求快速、可靠并精确定量,TOFD法自有独到长处。它可适用于一般比较规则的几何形状。可用于承压设备各种厚度的平板或各种直径的筒体或管子对接接头的探伤和定量。但对某些复杂的几何形状,如管座角焊缝和三通类分支焊缝等,还需借助于特殊的工装工艺,才能完成检测和定量。TOFD法中使用的回波幅度只涉及三方面:①要使探测的缺陷所产生的脉冲与某种噪声(如超声晶粒散射)区别开来,要验证已知或实测的脉冲变化与超声传播距离和位置的相关性,或界定具体测量值的有效性,仍可借助于波幅法。②需根据面状缺陷上下端的回波幅度,为缺陷表征提供重要线索。③需根据人工缺陷产生的脉冲幅度,来验证系统校正在一次或多次测量中并未发生变化。2重要术语(1)tofd法缺陷检测工艺探头对沿焊缝(或缺陷)长度方向作垂直于声束方向移动时,由采集数据显示出焊缝或缺陷纵断面图形。D扫描是TOFD法缺陷检测阶段的主要显示型式。又称纵向扫描或非平行扫描。(2)焊缝或缺陷横断面的检测探头对沿声束平行方向作横切焊缝或缺陷横断面的移动时,由采集数据显示出焊缝或缺陷横断面图形。B扫描是在缺陷检测后,对缺陷作精确定位、定量之用。又称横向扫描或平行扫描。(3)直接波探测面为平面或凸面时,两TOFD探头间直接传播的声波(纵波)。(4)岩石下降探测面为平面或凹面时,两TOFD探头间直接传播的声波(纵波)。注:平面介于凸面与凹面之间,侧向波与爬波均可使用。3方法原理3.1衍射脉冲ls当超声波在材料中传播,遇到平面状缺陷而与之相互作用时,除了产生正常的反射波外,还会在缺陷端部产生衍射波(图3)。该衍射脉冲假定起源于缺陷尖端,它会在一个较大的角度范围内辐射。因缺陷信号可用一对探头从一系列不同方向记录下来,故该衍射脉冲很适合于检测缺陷。又因衍射波的空间(或时间)间隔直接正比于缺陷高度,故该衍射脉冲也可用于对缺陷进行定量。通常,TOFD法使用纵波,因纵波声速比横波快,先到达接收探头,可使信号解释简化。3.2检测探针的布置忽略波型转换效应(为简化说明),绘出表明超声脉冲有限传播路径的声程,TOFD法用于焊缝检测的典型探头对布置大致有四种,即平面检测布置(图4)、凸面检测布置(图5)、凹面检测布置(图6)和异面检测布置(图7)。3.3tofd法检测内部缺陷从面状缺陷下端点传到接收探头的脉冲,迟后于从面状缺陷上端点传到接收探头的能量。该时间延迟量即为缺陷高度的量值。而且,缺陷上下端点产生的两衍射脉冲,总是位于沿试件表面传播的声脉冲之后,在试件底面产生的反射脉冲之前。因此,通常可获得有关缺陷埋藏深度位置和缺陷自身高度的准确信息。图8为TOFD法检测内部缺陷所得简化的A扫描非检波波形图,缺陷深、高信息一目了然。若缺陷位于试件上表面,则直通波会被截断。3.4两接头处理工艺假定超声脉冲从发射探头入射点进入试件,又在接收探头入射点离开试件,两探头相隔间距为2S(图4),则超声脉冲入射到面状缺陷上,在端点D处相互作用,产生衍射波后,又传到接收探头的全程时间t,可由下式求出式中C——纵波声速;d——缺陷端点D离表面距离(埋藏深度);X——缺陷(衍射体)偏离两探头间距中分平面的距离。当面状缺陷位于两探头间距中心,即X=0时,t值最小。此时,式(1)可简化为通常,以直通波信号为基准,缺陷埋藏深度d可由直通波与衍射脉冲的传播时差tD算出,即求出面状缺陷上下两端点的深度位置d上和d下,就很容易测出缺陷自身高度h=d上-d下。4tofd法的系统要求4.1电子仪器仪器和数据存储(1)数据记录系统TOFD法大多使用自动数据记录系统。特殊情况下,可使用手工或模拟设备。如需从检后处理获益,或需强化数据,则须采用数字数据记录系统。(2)脉冲发生器的设置要求脉冲冲为获得高质量的有重复性的检测结果,就要考虑脉冲发生-接收器的电子线路和使用探头及连接电缆。保证检测有重复性的重要参数有:①脉冲发生器的脉冲上升时间。②脉冲发生器的脉冲幅度。③脉冲发生器的脉冲宽度。④脉冲接收器的频率范围(低端、中心和高端)。⑤探头中心频率、发射脉冲持续时间、电缆和探头阻抗、电缆长度。(3)脉冲宽度ns经验表明,虽然普通的尖脉冲发生器能获得良好结果,但方波脉冲发生器更适于TOFD法精控细调。下列参数很重要:①脉冲幅度200V,100ns～1.2ps(1ns=10-9s;1ps=10-12s)的脉冲宽度适于大多数应用。②若用单向脉冲发生器,则脉冲宽度应最小,脉冲上升时间应尽量短。正常的单向脉冲宽度≤100ns,脉冲上升时间应规定为≤50ns。③若用双向脉冲发生器,则理想的脉冲宽度应为3/4λ(一般为1～2μs)。最小脉冲宽度为1/4λ(λ为与探头中心频率相应的波长,一般为0.3～0.6μs),脉冲上升时间仍应为50ns左右。④脉冲接收器宜用带宽为0.8～30MHz的宽带接收器。这里往往还需设置一系列带通滤波器。(4)增益调到固定用TOFD法时,一般接收到的信号很弱,必须将增益调到高于正常值,以便获得适当的信噪比。有关增益调节方法详见5.4节。仪器中宜设置前置放大器,特别是使用长电缆时。(5)与脉冲发生-接收线路的同步动作对自动系统来说,数据取样按等空间间隔进行时,可获最佳精确度。为此,扫查机构的移动与脉冲发生-接收线路及数据记录系统要同步动作。TOFD法对自动记录系统的数字化模块要求很严,因测时误差是影响该技术的总精确度的十分关键的因素。对大多数应用来说,数字器取样率为20～25MHz即可。另外,也要考虑取样率的计时起伏(≯1ns)。(6)tofd检测的一般形式为判读TOFD数据,建议观测信号用D扫描或B扫描图像,可在监视器显示屏上进行或打印到纸上。普通超声探伤仪一般不适用于TOFD法,要用专门设计的TOFD检测仪。所需显示的一般形式,包括相关于灰度或彩色级谱显示的幅度,相关于一系列数字化A显示,及其附近的D显示或B显示的一整套图像。注意,要有足够的灰度或彩色级谱,以使相关信息成像(经验表明,一般至少使用64灰度级谱)。从D扫描或B扫描显示要提取的数据包括:①由缺陷回波产生的传播时差。②缺陷回波的长度和形状。③直通波或爬波与底面回波信号的传播时差。此外,还要考虑数据采集后的存档方式。4.2接头选择因素要获得最高的定位定量精确度,超声回波须有很好的时间分辨力。为此建议使用由短脉冲换能器产生的非检波脉冲。探头的选择多半取决于应用,下列因素先要明确:①所需波型。②所需时间分辨力。③采用高频或短脉冲探头,以使分辨力最佳。④试件中的衰减效应。⑤在试件中捕捉有用回波的性能。⑥有无对近场操作的要求。⑦所需声束宽度。以上各参数的选择往往要在分辨力、信噪比与增益值三者之间作折中考虑。4.2.1波型选择TOFD法一般选用纵波,因其声速最快。普通的垂直偏振横波几乎不用。水平偏振横波可用于某些组织材料的检测,但要用特殊换能器作波源。4.2.2分辨力限值的计算具体应用中的探测分辨力,可根据脉冲宽度和式(1)估算。实际上,常用简化的式(2)来界定分辨力的限值就足够准确。例如,可检出的最小深度的近表面缺陷,取决于直通波的脉冲宽度;而可检出的近底面缺陷,又取决于缺陷下端点的衍射脉冲宽度。要提高分辨力,可选用高频探头或短脉冲探头,而后者受材料衰减影响又较小。4.2.3接头直径a要明确是否在近场区探测。近场长度由N=a2/4λ(a为探头直径)算出。在近场区,脉冲形状会改变,以致影响分辨力。近场影响可在适当的含缺陷试块上测试验证。4.2.4缺陷检测试验探头声束宽度会影响采集数据的能力。一般说来,为达到搜索和探测目的,TOFD所选用的探头声束要能扫查整个被检区域,以使所有缺陷被检测到。由于声束从材料表面入射后产生折射,通常又多用大折射角扫查,所以这不难做到。在TOFD法中,波幅并不用于定量,而仅用于表明在声束边缘有适当信噪比,有足够灵敏度探测所有缺陷。实际检验可能要使用较窄的声束,如只想寻找底面开口的面状缺陷。聚焦探头不应用于搜索缺陷,因其材料声穿透区太小,不能保证全面检测;但可用于缺陷端点定位和缺陷测高定量。4.2.5接头选择起点TOFD检测大多使用直径为6～20mm、中心频率为2～10MHz的探头。通常推荐用ϕ12mm,5MHz宽带探头作为探头选择起点。对给定的检验来说,应考虑检验目的和材料特性。提高探头频率,则波长缩短,分辨力提高,直通波脉冲宽度缩短,声束扩散角变小,近场长度变大,声穿透力降低,声衰减提高,声晶粒散射增强;减小探头直径,则声能输出降低,声束扩散角变大,近场长度缩短,接触面变小,前沿距离缩短。5检测技术的实施5.1基本考虑5.1.1一般前提接到TOFD检测任务后,首先要考虑的是如何使探头布置最佳化。这对确保TOFD准确度和信噪比,具有举足轻重的作用。5.1.2纵向对接焊缝的检验图4所示平面检测布置不只适用于平板对接焊缝的检验,也适用于管子和筒体环向对接焊缝的检验。图5和图6所示检测布置分别适用于探头对在管子或筒体外表面和内表面,对纵向对接焊缝的检验。这里,应注意①曲面检测时,缺陷的超声指示深度dU与实际深度dA有所不同,当从凸面检测时,dU<dA;当从凹面检测时,dU>dA。②在凸面上,直通波沿两探头入射点连线(即圆弧弦长)传播,而爬波则沿弧长迟后于直通波传播,因而存在一定盲区。基于以上两点,在选定探头间距和探测频率时应予适当考虑。图7所示异面检测布置对承压设备制造和使用过程中的一些特殊接头(T形接头和各种管接头角焊缝)的超声TOFD检测具有一定实用价值,但需配制专用机械联动机构。5.1.3tofd表面试件扫查表面状态会影响所得结果的精确度。通常,机加工、轧制或轻微锈蚀表面可适用于TOFD检测;但有凹痕凹坑、锈蚀严重或焊后状态的表面,有可能至少影响扫查区的探头耦合。当需在焊缝表面扫查时(如检测横向裂纹),宜将焊缝余高磨平。5.1.4x的内涵与缺陷定时误差、探头间距及探头对相对于被检缺陷不对称性的参数X(X的涵义见式(1)和图4),都会影响缺陷定位定量精确度。要估计到X的不确定性,缺陷回波有可能来自焊缝,也可能来自热影响区。缺陷深度d与偏心距X可由下式给出当X=0时,深度d最大。5.1.5声束下边缘通常偏心距X的限定范围与试件特征和探头有关,其上限受控于焊缝和热影响区宽度,而下限相关于声束下边缘。例如,设X≯0.2Ct,则对任何给定的延迟时差,均可界定可检缺陷的最大深度dmax和最小深度dmin,即5.2检测距离的选择5.2.1声透射+分辨力法TOFD探头间距的选择遵循以下三原则:①使被检区声能得以充分覆盖,即声透射最佳。②保证从裂纹端部获得足够衍射能量。③保证声波在被检区有一定分辨力。一般TOFD探头增大间距可增大声束覆盖范围,而减小间距可改善声束分辨力。5.2.2声束接头位置的调节理论上,要从方向垂直于表面的面状缺陷检出衍射信号,TOFD探头最佳间距的设定,应使声束(折射波+衍射波)轴线在缺陷端部的夹角ω=120°。实际设定时,应使声束对准试件厚度三分之二的部位,声束夹角ω宜调节为110°。必要时,还应考虑其它因素作适当修正,以适应检测要求。注意,一种探头对布置不一定符合所有检测要求。如果单次扫查不能完全覆盖被检区域,可用两种以上探头间距进行扫查。5.3试验角度的选择5.3.1接头角度的影响探头角度应在探头间距设定后确定。探头角度的选择要使声束对准被检区域。典型的标称探头角度有35°,45°,60°和70°。探头角度过大,会引起直通波强度增大,使近表面缺陷难以识别。TOFD检测并不要求精测声束角度。偏离标准值±5°不会明显影响检测质量。5.3.2表面活性剂的选择若检测目标只是检出试件底面开口裂纹,所设定的探头间距应使底面处声束夹角ω=110°,而所选用的探头角度应使声能对准底面“焦点”。要使壁厚范围内的可检区尽可能最大,用45°～60°探头时,声束“焦点”宜定在壁厚三分之二处。60°探头更适于厚板检测。5.3.3薄试验的检测角度检测焊缝盖帽宽度与材料厚度比大的薄壁试件,需设定的探头间距宜大于最佳值。此时增大探头角度可使声束充分覆盖大探头间距下的被检区域。5.4声束加工及灵敏度在TOFD法中,衍射信号的幅度往往比反射信号低得多。为使衍射回波在记录上得以显示,应有足够的灵敏度调节量。经验表明,裂纹端部产生的衍射信号幅度取决于很多因素,如裂面上的压缩力、裂纹相对于声束的方向、裂纹端部特征以及材料的噪声特性等。可用带缺陷试板、用铣槽或线切槽衍射信号、用横通孔反射信号或用增益噪声调节仪器灵敏度。注意点如下:(1)人工反射体的响应特性有别于实际缺陷。对TOFD而言,信号幅度与缺陷的严重性一般无直接关系。人工反射体仅用于验证试块中的声能分布、获得有重复性的灵敏度以及证实检测分辨力。(2)无论选用何种灵敏度调节方法,校验记录应保留信号波形。校验扫查可动态或静态进行,记录一种或多种波形。由校验提供下列信息:①可追踪的永久性记录,包括增益调节值、信噪比和脉冲特性。②系统稳定性证据。③探头间距变动证据。5.5槽端部衍射灵敏度校准铣加工的V形槽或电火花线切槽试块形状尺寸见图9。校准试块的材质和厚度最