TOFD講座演示文稿

1、TOFD衍射時差法衍射時差法超聲檢測技術超聲檢測技術什么是 TOFD? TOFD是Time of Flight Diffraction 的第一個英文字母的縮寫，中文簡稱衍射時差法 。是上世紀七十年代由英國哈威爾無損檢測中心根據超聲波衍射現象首先提出來的，檢測時使用一對或多對寬聲束探頭，每對探頭相對焊縫對稱布置（一發(fā)一收），聲束覆蓋檢測區(qū)域，遇到缺陷時產生反射波和衍射波。探頭同時接收反射波和衍射波，通過測量衍射波傳播時間，利用三角方程來確定出缺陷的尺寸和位置。TOFD的典型設置發(fā)射探頭接收探頭直通波上端點下端點底面反射信號缺陷檢出率 手工UT：5070； RT：7080； TOFD：7090；

2、機械掃查UT+TOFD：8095。l l檢驗是使用一對寬聲束、寬頻帶、縱波斜探頭，探頭頻率高于脈沖回波法（PE）的探頭頻率，探頭相對于焊縫對稱布置。l 聲束在焊縫中傳播遇到缺陷時，缺陷會產生反射波，缺陷上下端點產生衍射波，衍射波比反射波低2030dB。接收探頭具有極高的靈敏度，接收衍射波和反射波。 l 以精確測量衍射波的傳輸時間和簡單的三角方程為理論基礎，使用計算機來完成缺陷尺寸和位置的測量。TOFD檢測的特點檢測的特點TOFD技術的優(yōu)點（與技術的優(yōu)點（與PE相比）相比） 缺陷的衍射信號與缺陷的方向無關。 缺陷的定量不依賴于缺陷的回波幅度。 精確測量衍射波的傳播時間來確定缺陷的尺寸和位置，對面

3、狀缺陷自身高度的測量精度很高。（對于自然裂紋自身高度測量精度為1mm，對于監(jiān)測裂紋擴展測量精度為 0.3mm。缺陷長度的測量精度與PE相當5mm ） 檢測數據有永久的數字記錄。 檢測速度快，效率高。TOFD技術的局限性 上、下表面存在盲區(qū)（幾個毫米，與設置有關 ）。 缺陷定性比較困難，需要豐富的經驗，還要輔助其它檢測手段。 TOFD圖像識別和判讀比較難，數據分析需要豐富的經驗 橫向缺陷檢測比較困難（焊縫余高）。 復雜幾何形狀的工件檢測比較困難。TOFD標準 1993年，英國BS7706標準中規(guī)定了用TOFD法進行缺陷定量評價的具體程序和要求。1996年，美國ASME規(guī)范在案例2235中對AUT

4、（包括TOFD）法檢測壓力容器焊縫的方法和驗收條件作出了詳細規(guī)定。1999年ASME規(guī)范修訂版中，明確提出允許在UT中用AUT（包括TOFD）取代RT。2000年ASME規(guī)范第I卷（動力鍋爐）也允許用AUT取代RT，用TOFD法記錄焊縫檢測結果。2000年歐共體也在原英國標準BS7706：1993基礎上，制訂了有關焊縫TOFD法檢測的現行標準ENV583-6：2000超聲衍射波時差法用于缺陷檢出和定量。TOFD檢測標準 BS7706(1993)超聲波衍射時差技術的設置以及校準標準中規(guī)定了用TOFD法進行缺陷定量評價的具體程序和要求。 ENV583-6(2000)超聲波衍射時差法用于缺陷檢出和定

5、量。 NVN-CEN/TS 14751焊接- TOFD技術用于焊縫檢測，計劃于2007年替代BS7706和ENV583-6成為正式的歐洲標準。 ASME Section ，Article 4 (2004) ASTM E 2373(2004 )超聲衍射時差技術TOFD驗收標準 ASME 2235 （20042004） 美國的驗收標準，用于幅度法和非幅度法。 NEN 1822NEN 1822（20042004） 歐洲的驗收標準，僅用于TOFD。 國內TOFD標準2006年成立編寫組，計劃2007年完成，成為JB/T4730-2005的一個案例。衍射現象裂紋衍射波衍射波入射波反射波衍射現象 惠更斯原

6、理:缺陷上的每一個點都產生出一個球面子波入射波使缺陷產生振動。衍射現象裂紋衍射波衍射波入射波反射波向各個方向傳播向各個方向傳播能量低能量低折射角度與衍射波幅度的關系折射角度與衍射波幅度的關系 實驗的示意圖如上頁所示。 在鋼材中，波幅最大時的角度為65，裂紋下尖端的信號略大于上尖端的信號，在45 80 之間波幅的變化小于6dB。 在38 時裂紋下尖端的信號下降很大，而在20 時波幅又有所回升。 常用的探頭角度是45 、60 、70 。晶片尺寸與頻率對探頭性能的影響 小晶片，擴散角大，覆蓋范圍大。 頻率高，擴散角小，覆蓋范圍小。 另一方面，頻率高，周期短，容易滿足直通波與底波信號時間差至少20個周

7、期的要求，這可使直通波與底波回波在10以上的波幅不超過兩個周期，減小盲區(qū)，提高時間分辨率。 綜合考慮晶片尺寸與探頭頻率，根據標準規(guī)定選擇。 厚度6300mm；晶片尺寸220mm；中心頻率115MHz。探頭的中心頻率0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12MHzPeak value探頭的帶寬0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12MHz100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%Bandwidth 3.5MHzBandwidth measured at .707 of peak value探頭的頻譜High frequencyShort wa

8、velengthLow frequencylong wavelength100%80%60%40%20%0%寬頻帶探頭的波長晶片尺寸與頻率對探頭性能的影響q2q2q2Sinq1 = C1Sinq2 C2Refraction :聲束在探頭楔聲束在探頭楔塊中的擴散角塊中的擴散角:q1q1q1q qK l DSine q=波束擴散模擬600 縱波探頭6mm 圓晶片在碳鋼中進行波束模擬605MHz 6mm波束模擬TOFD檢測為什么使用縱波而不用橫波探頭 縱波傳播速度快，幾乎是橫波的兩倍，最先到達接收探頭，容易識別缺陷，以縱波波速計算缺陷深度，不會與橫波信號混淆。TOFD: 典型的設置發(fā)射探頭接收探頭直

9、通波直通波上端點下端點底面反射信號A掃信號發(fā)射探頭接收探頭直通波直通波LW上端點上端點下端點下端點底面反射波底面反射波BW直通波直通波(又稱側向波又稱側向波)(LW)：兩個探頭之間沿工件表面直線傳播：兩個探頭之間沿工件表面直線傳播的縱波。路程最逗，最先到達。的縱波。路程最逗，最先到達。底面反射波底面反射波(BW)：縱波在底面的反射波。因其傳播距離比直：縱波在底面的反射波。因其傳播距離比直通波大，總是在直通波之后。通波大，總是在直通波之后。缺陷信號：缺陷上、下端點產生的衍射信號，在直通波和底缺陷信號：缺陷上、下端點產生的衍射信號，在直通波和底面反射波之間，比底面反射波信號弱很多。面反射波之間，比

10、底面反射波信號弱很多。變形波信號：橫波經底面放射轉換為縱波以及縱波經底面放變形波信號：橫波經底面放射轉換為縱波以及縱波經底面放射轉換為橫波的信號。由于橫波速度較慢，在底面反射波之后射轉換為橫波的信號。由于橫波速度較慢，在底面反射波之后出現，但波幅相當大。出現，但波幅相當大。由于直通波由于直通波(LW)(LW)和底面反射波和底面反射波(BW)(BW)的存在，檢測時如果只使的存在，檢測時如果只使用用TOFDTOFD檢測，在上表面和下表面存在盲區(qū)，一般為幾毫米左右，檢測，在上表面和下表面存在盲區(qū)，一般為幾毫米左右，近表面的盲區(qū)大于底面的盲區(qū)。近表面的盲區(qū)大于底面的盲區(qū)。TOFD檢測的典型信號TOFD

11、檢測的典型信號底面反射波底面反射波直通波直通波縱波縱波變形波變形波TxRx橫波橫波相位變化 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的。 每一個顯示的上、下端點衍射波相位是相反的。 缺陷的下端點與直通波的相位是相同的。 缺陷的上端點與底面反射波的相位是相同的。相位變化上端點上端點下端點下端點直通波直通波LW底面反射波底面反射波BW+-+-需要不檢波的A掃來顯示相位的變化傳播時間發(fā)射探頭接收探頭SSdLWBWt0t0始脈沖t傳播時間發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t002222tcdSt=缺陷深度發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t022022Sttcd=缺陷自身高度12ddh=發(fā)射探頭接收探頭2Sd1

12、d2由于計算自身高度只需要測量時間由于計算自身高度只需要測量時間,所以高度估計會很準確。所以高度估計會很準確。實際操作中，檢測實際操作中，檢測裂紋裂紋1-mm的精度是完全可以達到的的精度是完全可以達到的(檢測人工缺陷時可以達到檢測人工缺陷時可以達到0.1mm)。確定探頭間距 聚焦深度： d = 2/3 D 探頭間距： PCS =2S=2d tanq = (4/3)D tanqs2s=PCSqd=2/3DD灰度圖 一個8比特的數字轉換器，用數字127(純白色)代表+100FSH，用數字0(中間灰)代表0FSH，用數字-128(純黑色)代表-100FSH。+100%-100%-128+127Zer

13、oA掃信號灰度圖Typically used for TOFD典型的TOFD圖像B掃C掃D掃常規(guī)掃查方式 非平行掃查或D掃：掃查方向與聲束方向垂直。 平行掃查或B掃：掃查方向與聲束方向平行。非平行掃查-D掃 非平行掃查主要用于缺陷定位和長度方向的定量，但是在高度方向上的定量不精確。焊縫焊縫TxRx波束方向波束方向掃查方向掃查方向典型的D掃視圖D 掃所看到的視圖 D掃描用于采集焊縫及兩側母材中的缺陷 D掃描視圖不能判斷出缺陷在焊縫中的橫向位置TxRx平行掃查-B掃 采用平行掃查可以對缺陷深度進行更精確的定量，而且有助于對缺陷寬度和傾斜角度的判斷。焊縫焊縫TxRx波束方向波束方向掃查方向掃查方向平

14、行掃查 當探頭相對于缺陷對稱時時間最短當探頭相對于缺陷對稱時時間最短。發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t0 x平行掃查上表面上表面下表面下表面B掃掃直通波直通波這種掃查會產生典型的這種掃查會產生典型的反向拋物線反向拋物線當探頭相對于當探頭相對于缺陷對稱時時缺陷對稱時時間最短間最短。典型的B掃視圖圖形顯示D掃掃上表面上表面內壁內壁A掃掃LWBW靈敏度的設置 根據標準規(guī)定設置。 把直通波的信號調為4080FSH. 底面回波信號大于滿屏高度的1830dB。 調節(jié)晶粒噪聲為滿屏的510FSH。 用開有側橫孔、開口槽的試塊來調整。 用有上表面開口槽的試塊來調整，在信噪比滿足要求的情況下將上表面開口槽下端點的衍

15、射信號調到滿屏的60FSH。采樣頻率 尼奎斯特（Nyquist）極限：采樣頻率至少為模擬信號頻率的兩倍，即每半個周期至少有一個取樣點。信號不失真的最低條件。采樣頻率 采樣頻率越高，重構的波形越精確，數據量越大，所需的存儲空間越大，掃描速度越低。 實際檢測時，采樣頻率為探頭頻率的5倍。數字化記錄 TOFD記錄的是每個檢測點的完整的未經修正的原始的數字化A掃信號。 可永久記錄所有數據信號，包括檢測參數、校準方式等。 可對采集的數據進行處理，提高靈敏度、信噪比、易于識別缺陷。 可對原始的檢測數據再分析，使用多樣的可視化顯示。近表面盲區(qū) 由于近表面缺陷的信號可能隱藏在直通波信號之下，因此相當于直通波信

16、號的深度是盲區(qū)。 5MHz探頭，周期0.2s，PCS=100mm，工件厚度40mm，直通波為兩倍周期0.4s，則盲區(qū)為11mm。 減小近表面盲區(qū)的措施：減小PCS，窄脈沖探頭，直通波去除。底面盲區(qū) 偏離焊縫中心的缺陷很難在D掃描的底面反射信號中看到，可能被底面回波信號掩蓋。 在傳播時間相同軌跡上任意一點的信號都具有相同的時間在傳播時間相同軌跡上任意一點的信號都具有相同的時間檢測不到的缺陷TOFD檢測的精度 時間誤差： 探頭頻率5MHz，假定采樣頻率25MHz，則采用間隔0.04 s，時間誤差0.02 s，深度誤差0.02 s 5.95mm/ s0.1mmTOFD檢測的精度 軸偏移誤差：8發(fā)射探

17、頭接收探頭SSt2t1相等時間的軌跡相等時間的軌跡(t1+t2=2t)dmindmaxTOFD檢測的分辨率 能夠識別兩個信號的最小距離。 TOFD可以識別23個波長。 5MHz探頭，波長1.1mm，分辨率23mm 2mm的氣孔和夾渣無法分辨出上下尖端。1、上表面存在裂紋時，聲束無法從上表面通過，無側向波（LW）和上端點衍射波。 2、下表面存在裂紋時，聲束無法從下表面通過，無內壁反射波（BW）和下端點衍射波。3、水平方向的平面形缺陷 (層間未熔, 冷夾層) 上下端點衍射波合在一起。幾種典型的TOFD波形上表面開口裂紋發(fā)射探頭接收探頭裂紋尖端裂紋尖端底面反射波底面反射波BW直通波被隔開了直通波被隔

18、開了沒有側向波沒有側向波外表面開口缺陷下表面開口裂紋發(fā)射探頭接收探頭直通波直通波LW尖端信號尖端信號底面反射信號被隔開了底面反射信號被隔開了沒有底面沒有底面反射波反射波內部面開口缺陷與檢測面平行的平面形缺陷(層間未熔, 冷夾層)發(fā)射探頭接收探頭直通波直通波LW底面反射波底面反射波BW反射回波反射回波反射信號反射回波反射回波反射信號與檢測面平行的面狀缺陷內部埋藏缺陷NVN-CEN/TS14751en 焊接焊接-TOFD技術用于焊縫檢測技術用于焊縫檢測適用范圍適用范圍 此項標準主要是此項標準主要是TOFDTOFD技術在熔合焊縫的半自動和全自動技術在熔合焊縫的半自動和全自動超聲的檢測，對于材料的厚度

19、必須等于或大于超聲的檢測，對于材料的厚度必須等于或大于6mm6mm，主，主要是使用在簡單的平板對接，管道，容器，對于焊縫以要是使用在簡單的平板對接，管道，容器，對于焊縫以及原始材料必須為低合金碳鋼，及原始材料必須為低合金碳鋼，TOFDTOFD也可以適用于其它也可以適用于其它材料的檢測材料的檢測 此項標準中將給出工件的超聲參數，對于縱波而言，聲此項標準中將給出工件的超聲參數，對于縱波而言，聲速為速為5920592050m/s50m/s，對于橫波，對于橫波，3255325530m/s,30m/s,這些在檢這些在檢測過程中，對于不同的材料聲速，將會運用測過程中，對于不同的材料聲速，將會運用 此項標準

20、參照此項標準參照ENV583-6ENV583-6，對于，對于TOFDTOFD技術在缺陷檢出、定技術在缺陷檢出、定位以及定量的能力以及局限性作出了指導，位以及定量的能力以及局限性作出了指導，TOFDTOFD不僅可不僅可以作為單獨的檢測方法，也可以結合其它有檢測方法，以作為單獨的檢測方法，也可以結合其它有檢測方法，同樣也適用于制造以及在役檢測同樣也適用于制造以及在役檢測適用范圍適用范圍 為了增加檢測的可靠性，此標準定義了四個為了增加檢測的可靠性，此標準定義了四個檢測等級檢測等級A,B,C,D，標準里會指出相應的檢測，標準里會指出相應的檢測等級等級 此標準對于缺陷的可接受標準是根據在此標準對于缺陷的

21、可接受標準是根據在TOFD成象里反射以及衍射信號的計算來定義的成象里反射以及衍射信號的計算來定義的 此標準里沒有包括對于不連續(xù)缺陷的可接受此標準里沒有包括對于不連續(xù)缺陷的可接受等級等級術語及定義術語及定義 31TOFD設置設置根據探頭的特點來安排探頭的排列，例如，頻根據探頭的特點來安排探頭的排列，例如，頻率，探頭的尺寸，波的類型，探頭的間距率，探頭的尺寸，波的類型，探頭的間距32探頭的間距探頭的間距兩個探頭入射點之間的距離，對于曲面來說是兩個探頭入射點之間的距離，對于曲面來說是兩個探頭入射點最短的距離兩個探頭入射點最短的距離33聲束聚焦點聲束聚焦點兩個主聲束的交叉點兩個主聲束的交叉點術語及定義

22、術語及定義34缺陷缺陷TOFD成象所需要精確計算的缺陷成象所需要精確計算的缺陷35TOFD成象成象TOFD是成象是二維成象，它是由于無數個是成象是二維成象，它是由于無數個A掃成象的疊加構成的，掃成象的疊加構成的，A掃波幅的顯示在成象掃波幅的顯示在成象中是以灰度等級顯示的中是以灰度等級顯示的36偏心掃查偏心掃查掃查是平行于焊縫中心的，聲束的交點不在焊掃查是平行于焊縫中心的，聲束的交點不在焊縫中心線上縫中心線上技術能力概述技術能力概述 在在ENV583-6中有對中有對TOFD技術一般原則的描述，必須技術一般原則的描述，必須意識到檢測熔合型焊縫的特殊能力以及這項技術的局意識到檢測熔合型焊縫的特殊能力

23、以及這項技術的局限性限性 TOFD技術是一項超聲成象技術，它可以對缺陷進行技術是一項超聲成象技術，它可以對缺陷進行定位以及定量，也可以檢測出焊縫中的不連續(xù)缺陷定位以及定量，也可以檢測出焊縫中的不連續(xù)缺陷 和純粹的脈沖反射技術相比，和純粹的脈沖反射技術相比，TOFD技術是基于波的技術是基于波的衍射，對于不連續(xù)缺陷的方向有較低的靈敏度衍射，對于不連續(xù)缺陷的方向有較低的靈敏度 在特定情況下，在特定情況下，TOFD設置是很必要設置是很必要技術能力概述技術能力概述 典型的典型的TOFD成象是時間的線性化和探頭移成象是時間的線性化和探頭移動，由于聲程是縱向的，可能不連續(xù)缺陷的動，由于聲程是縱向的，可能不連

24、續(xù)缺陷的位置是非線性的，這個和射線是相同的，位置是非線性的，這個和射線是相同的，TOFD成象可以讀出，而且可以永久保存，成象可以讀出，而且可以永久保存，根據圖像可以去計算缺陷，如果缺少耦合劑根據圖像可以去計算缺陷，如果缺少耦合劑會給數據帶來誤差會給數據帶來誤差 TOFD成象需要有經驗的操作者，對于典型成象需要有經驗的操作者，對于典型的的TOFD成象附錄中有詳細的介紹成象附錄中有詳細的介紹技術能力概述技術能力概述 如果不連續(xù)缺陷距掃查表面和它相反的表面很如果不連續(xù)缺陷距掃查表面和它相反的表面很近時，此時它的檢測能力就會減小，因此在役近時，此時它的檢測能力就會減小，因此在役檢測中不得不考慮到裂紋靈敏度，掃查覆蓋到檢測中不得不考慮到裂紋靈敏度，掃查覆蓋到整個區(qū)域也是必須的，可以采取其它方法，例整個區(qū)域也是必須的，可以采取其它方法，例如，用其它的方法配合如，用其它的方法配合TOFD法，常用的傳統(tǒng)法，常用的傳統(tǒng)脈沖檢測法脈沖檢測法 不連續(xù)缺陷的衍射信號只有很小的波幅，所以不連續(xù)缺陷的衍射信號只有很小的波幅，所以得進行信號放大，同時也增大了谷狀雜波得進行信