張平老師TOFD課件)

1、衍射時(shí)差法超聲檢測技術(shù)衍射時(shí)差法超聲檢測技術(shù)(TOFD(TOFD技術(shù)）技術(shù)）張平張平2013年年8月月15日日 北京北京第一章第一章 TOFD TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.1 TOFD1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史和衍射基本原理技術(shù)的發(fā)展歷史和衍射基本原理1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史l定義：定義： TOFD技術(shù)是一種基于衍射信號(hào)實(shí)施檢技術(shù)是一種基于衍射信號(hào)實(shí)施檢測的技術(shù)。測的技術(shù)。l衍射衍射時(shí)差法超聲檢測技術(shù)（時(shí)差法超聲檢測技術(shù)（Time of Flight Diffraction Technique，英文，英文 TOFD技術(shù)）依技術(shù)）依靠超聲波與缺陷尖端或端部相互作用后，而

2、發(fā)靠超聲波與缺陷尖端或端部相互作用后，而發(fā)出的衍射波來檢測缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定出的衍射波來檢測缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量的一種無損檢測技術(shù)。量的一種無損檢測技術(shù)。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史關(guān)于關(guān)于TOFD 的不同翻譯：的不同翻譯：l中文翻譯為衍射時(shí)差衍射時(shí)差法超聲檢測技術(shù)法超聲檢測技術(shù)； lGB/T 12604.1:2005（等同ISO 5577:2000）翻譯為衍射聲時(shí)；衍射聲時(shí)；l物理學(xué)術(shù)語翻譯為衍衍射渡越時(shí)間；射渡越時(shí)間；發(fā)射探頭接收探頭直通波裂紋衍射波底面反射橫波dD2S1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史l缺陷的衍射信號(hào)缺陷的衍射信號(hào)與哪些因素?zé)o關(guān)與哪些因素?zé)o關(guān)？ 1、與衍

3、射信號(hào)的角度無關(guān)、與衍射信號(hào)的角度無關(guān) 2、與衍射信號(hào)的、與衍射信號(hào)的幅度無關(guān)幅度無關(guān)l因?yàn)檠苌湫盘?hào)與角度和振幅無關(guān)，所以，因?yàn)檠苌湫盘?hào)與角度和振幅無關(guān)，所以，TOFD技術(shù)在原理和方法上與傳統(tǒng)脈沖反射超技術(shù)在原理和方法上與傳統(tǒng)脈沖反射超聲波檢測技術(shù)有根本性的區(qū)別。聲波檢測技術(shù)有根本性的區(qū)別。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史l傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)是：傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)是： 1、根據(jù)缺陷反射信號(hào)檢出缺陷、根據(jù)缺陷反射信號(hào)檢出缺陷 2、根據(jù)缺陷幅度評(píng)定缺陷尺寸、根據(jù)缺陷幅度評(píng)定缺陷尺寸l影響缺陷的定量因素：影響缺陷的定量因素： 1、入射聲束角度、入射聲束角度 2、檢測方向、檢測方向 3、缺陷表面粗超度、

4、缺陷表面粗超度 4、工件表面狀態(tài)、工件表面狀態(tài) 5、探頭的壓力、探頭的壓力1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史l在模擬儀器上應(yīng)用在模擬儀器上應(yīng)用TOFD儀器的困難是：儀器的困難是： 超聲波信號(hào)不能記錄，無法進(jìn)行計(jì)算，超聲波信號(hào)不能記錄，無法進(jìn)行計(jì)算，無法顯示圖像，只能顯示一條無法顯示圖像，只能顯示一條A掃信號(hào)。掃信號(hào)。l在簡單數(shù)字儀器上應(yīng)用在簡單數(shù)字儀器上應(yīng)用TOFD儀器的困難儀器的困難是：超聲波信號(hào)不能記錄，無法顯示圖像。是：超聲波信號(hào)不能記錄，無法顯示圖像。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史lTOFD技術(shù)發(fā)展歷程技術(shù)發(fā)展歷程 A、20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代摸索、完善、裝備研發(fā)階段，摸索、完善、

5、裝備研發(fā)階段，經(jīng)歷了約經(jīng)歷了約10年的時(shí)間。年的時(shí)間。 B、 20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代開始應(yīng)用階段；開始應(yīng)用階段； C、 20世紀(jì)世紀(jì)90年代到年代到21世紀(jì)初世紀(jì)初大規(guī)模應(yīng)用推廣階大規(guī)模應(yīng)用推廣階段；大約又經(jīng)過段；大約又經(jīng)過10年的時(shí)間，功能強(qiáng)大的便攜式年的時(shí)間，功能強(qiáng)大的便攜式TOFD儀器問世。儀器問世。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史lTOFD技術(shù)得以推廣應(yīng)用的先決條件：技術(shù)得以推廣應(yīng)用的先決條件：l數(shù)字技術(shù)：是計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、智數(shù)字技術(shù)：是計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、智能技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)。能技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)。l計(jì)算機(jī)技術(shù)：快速處理大量數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)：快速處理大量數(shù)據(jù)l壓電

6、復(fù)合材料：可用于相控陣探頭、壓電復(fù)合材料：可用于相控陣探頭、 TOFD探頭和高性能常規(guī)脈沖超聲探頭探頭和高性能常規(guī)脈沖超聲探頭 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史lTOFD儀器性能：儀器性能： 1、更寬的接收放大系統(tǒng)頻帶、更寬的接收放大系統(tǒng)頻帶 2、更快的數(shù)字化采樣頻率、更快的數(shù)字化采樣頻率 3、更高的信號(hào)處理速度、更高的信號(hào)處理速度 4、更大的存儲(chǔ)量、更大的存儲(chǔ)量1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史一、一、TOFD技術(shù)在我國的應(yīng)用情況技術(shù)在我國的應(yīng)用情況l TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程監(jiān)察規(guī)程于于2009年年12月月1日起施行，做出如下日起

7、施行，做出如下規(guī)定：規(guī)定：l4.5 無損檢測無損檢測l4.5.1 無損檢測人員無損檢測人員l無損檢測人員應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行考核無損檢測人員應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行考核取得相應(yīng)資格證書后，方能承擔(dān)與資格證書的取得相應(yīng)資格證書后，方能承擔(dān)與資格證書的種類和技術(shù)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的無損檢測工作。種類和技術(shù)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的無損檢測工作。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史l4.5.3 壓力容器焊接接頭無損檢測壓力容器焊接接頭無損檢測l4.5.3.1 無損檢測方法的選擇無損檢測方法的選擇l(1)壓力容器的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢壓力容器的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測或者超聲檢測，超聲檢測包括衍射時(shí)差測或者超聲檢測，超

8、聲檢測包括衍射時(shí)差法超聲檢測（法超聲檢測（TOFD）、可記錄的脈沖反）、可記錄的脈沖反射法超聲檢測和不可記錄的脈沖反射法超射法超聲檢測和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測；當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測；當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用射線檢測或者衍射時(shí)聲檢測時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用射線檢測或者衍射時(shí)差法超聲檢測做為附加局部檢測；差法超聲檢測做為附加局部檢測；1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 二二、TOFD檢測人員的培訓(xùn)和資格鑒定情況檢測人員的培訓(xùn)和資格鑒定情況l2007年國家質(zhì)監(jiān)總局發(fā)布國質(zhì)檢特函年國家質(zhì)監(jiān)總局發(fā)布國質(zhì)檢特函402號(hào)號(hào)“關(guān)關(guān)于進(jìn)一步完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監(jiān)察工于進(jìn)一步

9、完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監(jiān)察工作的通知作的通知” 中，第六條中，第六條關(guān)于關(guān)于TOFD方法的應(yīng)方法的應(yīng)用用，對(duì)現(xiàn)場制造壁厚度，對(duì)現(xiàn)場制造壁厚度60mm以上的壓力容器，以上的壓力容器，可以采用可以采用TOFD檢測方法替代射線法進(jìn)行無損檢測。檢測方法替代射線法進(jìn)行無損檢測。從事從事TOFD檢測的無損檢測機(jī)構(gòu)必須符合以下條件：檢測的無損檢測機(jī)構(gòu)必須符合以下條件：1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史l1、在我國、在我國TOFD無損檢測標(biāo)準(zhǔn)未公布前，應(yīng)當(dāng)參照無損檢測標(biāo)準(zhǔn)未公布前，應(yīng)當(dāng)參照國外成熟標(biāo)準(zhǔn)制訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)全國鍋壓標(biāo)委會(huì)審國外成熟標(biāo)準(zhǔn)制訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)全國鍋壓標(biāo)委會(huì)審核通過后，進(jìn)行備案。核通過后

10、，進(jìn)行備案。l2、從事、從事TOFD檢測的無損檢測機(jī)構(gòu)至少應(yīng)具有檢測的無損檢測機(jī)構(gòu)至少應(yīng)具有UT-級(jí)人員級(jí)人員1名，名，UT-級(jí)資格級(jí)資格4年以上（含年以上（含4年）人員年）人員2名，作為名，作為TOFD檢測責(zé)任人和操作復(fù)核人員。檢測責(zé)任人和操作復(fù)核人員。l3、從事、從事TOFD檢測人員應(yīng)當(dāng)具有檢測人員應(yīng)當(dāng)具有UT級(jí)資格級(jí)資格4年以年以上（含上（含4年），其年），其TOFD操作技能經(jīng)全國無損檢測考操作技能經(jīng)全國無損檢測考核委員會(huì)考核合格。核委員會(huì)考核合格。l從從2007年初全國考委會(huì)舉辦年初全國考委會(huì)舉辦TOFD-II級(jí)人員培訓(xùn)考級(jí)人員培訓(xùn)考核到現(xiàn)在，全國已有近核到現(xiàn)在，全國已有近600人持有

11、人持有TOFD-II級(jí)資格證級(jí)資格證書。書。 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史lTSG特種設(shè)備安全特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范技術(shù)規(guī)范lTSG Z8001-2013特種設(shè)備無損檢測人員考核規(guī)特種設(shè)備無損檢測人員考核規(guī)則則將將超聲檢測分為：超聲檢測分為：lA、脈沖反射法、脈沖反射法超聲檢測超聲檢測UT（I、II、III）lB、衍射時(shí)差、衍射時(shí)差法超聲檢測法超聲檢測TOFD（I、II、III）lC、超聲檢測檢測（自動(dòng)）超聲檢測檢測（自動(dòng)）UT（AUTO）I、IIl2013年年6月月1日實(shí)施日實(shí)施1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史三、三、TOFD檢測儀器情況檢測儀器情況l國外產(chǎn)品1、以色列、以色列Sono

12、tron NDT公司產(chǎn)品公司產(chǎn)品Isonic2005型、型、2008型檢測儀型檢測儀2、加拿大R/D Tech公司產(chǎn)品公司產(chǎn)品Omnisacn MX TOFD檢測儀檢測儀3、美國物理聲學(xué)公司（、美國物理聲學(xué)公司（PAC）公司）公司4、美國、美國AIS公司公司NB2000-MC八通道超聲波檢測設(shè)備引進(jìn)國內(nèi)八通道超聲波檢測設(shè)備引進(jìn)國內(nèi)l國內(nèi)產(chǎn)品國內(nèi)產(chǎn)品1、武漢中科創(chuàng)新公司于、武漢中科創(chuàng)新公司于2005年研制了年研制了HS800便攜式便攜式TOFD超聲波超聲波檢測儀，檢測儀，2008年年7通道的儀器已經(jīng)投入了檢測市場通道的儀器已經(jīng)投入了檢測市場2、南通友聯(lián)公司開發(fā)了、南通友聯(lián)公司開發(fā)了PXUT-90

13、0便攜式便攜式TOFD檢測儀，該儀器具檢測儀，該儀器具有三種操作模式、有三種操作模式、U盤恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。盤恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史四、四、TOFD標(biāo)準(zhǔn)的制定情況標(biāo)準(zhǔn)的制定情況 1、國際標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)l1993年，英國BS7706標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了用TOFD法進(jìn)行缺陷定量評(píng)價(jià)的具體程序和要求。l1996年，美國ASME規(guī)范在案例2235案例中，明確提出允許使用TOFD取代RT。2000年ASME規(guī)范第I卷（動(dòng)力鍋爐）也允許用AUT取代RT，用TOFD法記錄焊縫檢測結(jié)果。l2000年歐共體也在原英國標(biāo)準(zhǔn)BS7706：1993基礎(chǔ)上，制訂了有關(guān)焊縫TOFD法檢測的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ENV583-

14、6-2000超聲衍射波時(shí)差法用于缺陷檢出和定量。l2001年，日本制定了NDIS2423：2001超聲波衍射時(shí)差技術(shù)(TOFD)用于缺陷高度測量的方法。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史l2、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)lTSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程已經(jīng)將TOFD技術(shù)方法納入正式條文。l國家能源局于國家能源局于2010年年8月月27日發(fā)布了日發(fā)布了NB/T47013.10-2010（JB/T4730.10）第）第10部部分：衍射時(shí)差法超聲檢測，該標(biāo)準(zhǔn)于分：衍射時(shí)差法超聲檢測，該標(biāo)準(zhǔn)于 2010年年12月月15日實(shí)施。日實(shí)施。l2004年中國一重與中國特檢院合作編制的第一年

15、中國一重與中國特檢院合作編制的第一份企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過全國鍋容標(biāo)委的審查和備案。份企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過全國鍋容標(biāo)委的審查和備案。目前，國內(nèi)有目前，國內(nèi)有8個(gè)單位擁有個(gè)單位擁有TOFD企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象一、衍射定義一、衍射定義 波在傳播路徑中遇到障礙物，發(fā)生繞過障波在傳播路徑中遇到障礙物，發(fā)生繞過障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍射。礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍射。衍射也是波在傳輸過程中與界面作用而發(fā)生的不衍射也是波在傳輸過程中與界面作用而發(fā)生的不同于反射的另一種物理現(xiàn)象。同于反射的另一種物理現(xiàn)象。1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象二、惠更斯菲涅爾原理：二、惠更斯菲

16、涅爾原理：l惠更斯惠更斯提出，介質(zhì)上波陣面上的各點(diǎn)，都可以提出，介質(zhì)上波陣面上的各點(diǎn)，都可以看成是發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)刻這些子看成是發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)刻這些子波的包跡，就是該時(shí)刻新的波陣面。波的包跡，就是該時(shí)刻新的波陣面。l菲涅爾菲涅爾充實(shí)了惠更斯原理，他提出波前上每個(gè)充實(shí)了惠更斯原理，他提出波前上每個(gè)面元都可視為子波的波源，在空間某點(diǎn)的振動(dòng)面元都可視為子波的波源，在空間某點(diǎn)的振動(dòng)是所有這些子波在該點(diǎn)產(chǎn)生的相干振動(dòng)的疊加。是所有這些子波在該點(diǎn)產(chǎn)生的相干振動(dòng)的疊加。1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象裂紋衍射波衍射波入射波反射波裂紋的上下端點(diǎn)都裂紋的上下端點(diǎn)都可以產(chǎn)生衍射波?？梢援a(chǎn)生衍射波

17、。 衍射波信號(hào)比反射衍射波信號(hào)比反射波信號(hào)弱得多，且波信號(hào)弱得多，且向空間的各個(gè)方向向空間的各個(gè)方向傳播，即沒有明顯傳播，即沒有明顯的指向性的指向性。圖圖1.1 裂紋端點(diǎn)衍射波示意圖裂紋端點(diǎn)衍射波示意圖1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象 惠更斯原理:缺陷上的每一個(gè)點(diǎn)都產(chǎn)生出一個(gè)球面子波入射波使缺陷產(chǎn)生振動(dòng)。1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象l圖1.2 惠更斯原理的解釋 l由圖示可見由圖示可見:(1) 裂紋中部的反射波接近裂紋中部的反射波接近平面波，其波陣面由眾平面波，其波陣面由眾多子波源反射波疊加構(gòu)多子波源反射波疊加構(gòu)成成;(2) 裂紋尖端則沒有疊加現(xiàn)裂紋尖端則沒有疊加現(xiàn)象發(fā)生。象發(fā)生。l定義：尖端獨(dú)立的

18、子波定義：尖端獨(dú)立的子波源發(fā)出的超聲波即為衍源發(fā)出的超聲波即為衍射波。射波。l衍射波的重要特點(diǎn)：衍射波的重要特點(diǎn)： 1、沒有明顯的方向性；、沒有明顯的方向性； 2、衍射波強(qiáng)度很弱。、衍射波強(qiáng)度很弱。 1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象l缺陷端點(diǎn)形狀對(duì)衍射的影響：缺陷端點(diǎn)形狀對(duì)衍射的影響：（1）端點(diǎn)越尖銳，衍射特性越明顯，）端點(diǎn)越尖銳，衍射特性越明顯，（2）端點(diǎn)越圓滑，衍射特性越不明顯，）端點(diǎn)越圓滑，衍射特性越不明顯，（3）當(dāng)端點(diǎn)圓半徑大于波長（）當(dāng)端點(diǎn)圓半徑大于波長（d)時(shí)，主要體現(xiàn)時(shí)，主要體現(xiàn)的是反射特性。的是反射特性。1.1.3 1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅的變

19、化不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化l裂紋下尖端信號(hào)在折射角裂紋下尖端信號(hào)在折射角20和和65時(shí)時(shí),波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰；波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰；在在38時(shí)時(shí),波幅下降很大幾乎為波幅下降很大幾乎為零。零。l裂紋上尖端信號(hào)在裂紋上尖端信號(hào)在0 65區(qū)區(qū)域單調(diào)增大，在域單調(diào)增大，在65時(shí)波幅達(dá)時(shí)波幅達(dá)到最大值，從到最大值，從65 85單調(diào)單調(diào)降低。降低。l折射角為折射角為65時(shí)，裂紋上、下時(shí)，裂紋上、下尖端信號(hào)波幅均達(dá)到最大值，尖端信號(hào)波幅均達(dá)到最大值，在在45 80區(qū)間，裂紋下尖區(qū)間，裂紋下尖端的信號(hào)波幅大于上尖端的信端的信號(hào)波幅大于上尖端的信號(hào)波幅。號(hào)波幅。 圖1.3 衍射波波幅隨著角度變化的曲線1.1.

20、3 1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化l綜上所述綜上所述(1) 衍射信號(hào)幅度隨折射角的變化而變化。衍射信號(hào)幅度隨折射角的變化而變化。(2)TOFD技術(shù)一般使用技術(shù)一般使用4570的探頭，避開了的探頭，避開了38角度角度，這就保證衍射信號(hào)的強(qiáng)度；因探頭角度這就保證衍射信號(hào)的強(qiáng)度；因探頭角度70以以上時(shí)，會(huì)增大測量誤差，所以，在實(shí)際上時(shí)，會(huì)增大測量誤差，所以，在實(shí)際TOFD檢測中一檢測中一般也不使用般也不使用75以上的探頭。以上的探頭。(3) 由角度變化引起的信號(hào)波幅變化不大于由角度變化引起的信號(hào)波幅變化不大于6dB。1.1.3 1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅

21、的變化不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化l折射角度與衍射波幅度的關(guān)系的總結(jié)折射角度與衍射波幅度的關(guān)系的總結(jié):(1) 上尖端信號(hào)從上尖端信號(hào)從0 65單調(diào)增大，從單調(diào)增大，從65 85單調(diào)單調(diào)降低。降低。(2) 上尖端信號(hào)波幅最大處于折射角上尖端信號(hào)波幅最大處于折射角65。(3) 下尖端的信號(hào)波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰。在下尖端的信號(hào)波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰。在20和和65時(shí)時(shí)波幅達(dá)到峰值。波幅達(dá)到峰值。(4) 下尖端的信號(hào)波幅在下尖端的信號(hào)波幅在38時(shí)時(shí) ，波幅下降到最低。波幅下降到最低。(5) 在在45 80區(qū)間，裂紋下尖端的信號(hào)波幅略大于上區(qū)間，裂紋下尖端的信號(hào)波幅略大于上尖端的信號(hào)波幅。尖端的信號(hào)波幅。(6

22、) 在此區(qū)間內(nèi)，由角度變化而引起的信號(hào)波幅變化不大在此區(qū)間內(nèi)，由角度變化而引起的信號(hào)波幅變化不大于于6dB。1.1.4 1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFDTOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響圖1.4 裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響1.1.4 1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFDTOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響幅的影響研究結(jié)果：試驗(yàn)中不斷改變兩探頭中心線與裂紋研究結(jié)果：試驗(yàn)中不斷改變兩探頭中心線與裂紋的夾角，即使裂紋走向與兩探頭

23、中心線不垂直，的夾角，即使裂紋走向與兩探頭中心線不垂直，對(duì)衍射信號(hào)波幅不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)衍射信號(hào)波幅不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。(1)夾角夾角由由9060時(shí)，時(shí)， TOFD衍射信號(hào)振衍射信號(hào)振幅降低幅降低1dB。(2)夾角夾角由由60 45 時(shí)，時(shí)，TOFD衍射信號(hào)振衍射信號(hào)振幅降低幅降低6分貝分貝。 1.1.4 1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFDTOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 1 1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響 裂紋相對(duì)于探頭中心線裂紋相對(duì)于探頭中心線9090 裂紋相對(duì)于探頭中心線裂紋相對(duì)于探頭中心線1351351.1.

24、4 1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFDTOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)2 2、裂紋相對(duì)于探測面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化、裂紋相對(duì)于探測面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化 圖圖1.5上半部分所示為裂紋衍上半部分所示為裂紋衍射的幾何布置。下半部為平射的幾何布置。下半部為平底孔反射的幾何布置，參考底孔反射的幾何布置，參考反射體是一個(gè)直徑為反射體是一個(gè)直徑為3mm平平底孔。底孔。 在該模型中，衍射信號(hào)的振在該模型中，衍射信號(hào)的振幅是裂紋傾斜角度的函數(shù)。幅是裂紋傾斜角度的函數(shù)。傾斜系數(shù)傾斜系數(shù)Ve以垂直檢測表面以垂直檢測表面為基準(zhǔn)，為基準(zhǔn)，Ve0對(duì)應(yīng)于缺陷對(duì)應(yīng)于缺陷垂直于檢測平面。模型中的垂直于檢測平

25、面。模型中的缺陷是光滑的平面橢圓型裂缺陷是光滑的平面橢圓型裂紋。紋。1.1.4 1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFDTOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)2 2、裂紋相對(duì)于探測面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化、裂紋相對(duì)于探測面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化l圖圖1.6顯示了當(dāng)顯示了當(dāng)-30VeVe+30時(shí)衍射波時(shí)衍射波幅度的變化。該圖中有很重要的兩點(diǎn)：幅度的變化。該圖中有很重要的兩點(diǎn)：l第一點(diǎn)，在相同深度范圍內(nèi)衍射波的波幅第一點(diǎn)，在相同深度范圍內(nèi)衍射波的波幅與直徑為與直徑為3的平底孔相當(dāng)；其次，信號(hào)的平底孔相當(dāng)；其次，信號(hào)隨著缺陷傾角增加而加強(qiáng)。隨著缺陷傾角增加而加強(qiáng)。l第二點(diǎn)，垂直裂紋缺陷的衍射信號(hào)幅

26、度最第二點(diǎn)，垂直裂紋缺陷的衍射信號(hào)幅度最小，當(dāng)傾角小，當(dāng)傾角V=90時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)幅時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)幅度為度為32dB的最大值。的最大值。l衍射信號(hào)幅度隨著傾角的增加也隨之增加衍射信號(hào)幅度隨著傾角的增加也隨之增加。當(dāng)當(dāng)V趨近趨近90時(shí)，裂紋如同平底孔那樣會(huì)時(shí)，裂紋如同平底孔那樣會(huì)形成反射波，兩信號(hào)比近似等于它們的面形成反射波，兩信號(hào)比近似等于它們的面積比。積比。 l計(jì)算表明當(dāng)裂紋傾角為計(jì)算表明當(dāng)裂紋傾角為30時(shí)，衍射信時(shí)，衍射信號(hào)幅度增加不超過號(hào)幅度增加不超過3dB，這表明裂紋方向，這表明裂紋方向?qū)ρ苌鋾r(shí)差法檢測相對(duì)不敏感。對(duì)衍射時(shí)差法檢測相對(duì)不敏感。圖1.6衍射信號(hào)幅度隨傾斜角度的變化關(guān)系

27、1.1.4 1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFDTOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)3、裂紋偏離兩探頭中心時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化l在1983年Temple研究了，當(dāng)裂紋的位置相對(duì)于兩個(gè)探頭的位置變化時(shí)，衍射信號(hào)波幅的變化情況：l即使缺陷偏離兩個(gè)探頭之間的對(duì)稱中心達(dá)到即使缺陷偏離兩個(gè)探頭之間的對(duì)稱中心達(dá)到30mm，衍射信號(hào)僅比來自對(duì)稱放置的直徑為，衍射信號(hào)僅比來自對(duì)稱放置的直徑為3mm平底孔的信號(hào)降低平底孔的信號(hào)降低10dB。l這說明裂紋偏離兩探頭中心對(duì)衍射信號(hào)幅度沒有太大的影響。1.1.4 1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFDTOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)4、橫波檢測裂紋端點(diǎn)衍射的

28、最優(yōu)入射角度、橫波檢測裂紋端點(diǎn)衍射的最優(yōu)入射角度l1983年研究結(jié)果：用橫波在鋼中檢測垂直平面年研究結(jié)果：用橫波在鋼中檢測垂直平面裂紋，最優(yōu)入射角度為：裂紋，最優(yōu)入射角度為：l第一組：上端點(diǎn)為第一組：上端點(diǎn)為50 ，下端點(diǎn)為，下端點(diǎn)為55 。l第二組：上端點(diǎn)為第二組：上端點(diǎn)為45 ，下端點(diǎn)為，下端點(diǎn)為57 。1.1.5 TOFD檢測的聲場分布l不同位置的信號(hào)強(qiáng)度分布：不同位置的信號(hào)強(qiáng)度分布：(1)在在60的聲束聚焦中心區(qū)域有最高的信號(hào)波幅；的聲束聚焦中心區(qū)域有最高的信號(hào)波幅；(2)在在4574范圍可以得到適中的信號(hào)幅度；范圍可以得到適中的信號(hào)幅度；(3)虛線內(nèi)其余區(qū)域雖然可以得到信號(hào)，虛線內(nèi)其

29、余區(qū)域雖然可以得到信號(hào)，但波幅減小到但波幅減小到-24dB，特別是在靠近特別是在靠近表面的區(qū)域減小的更多。表面的區(qū)域減小的更多。l波束覆蓋范圍主要是受探頭波束 寬度的限制，可以通過使用小直 徑的探頭，或是使用更大折射角 探頭（例如使用70折射角探頭） 來增大波束覆蓋的有效區(qū)域。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.1 TOFD技術(shù)的基本配置l雙探頭的優(yōu)點(diǎn)：雙探頭的優(yōu)點(diǎn)：(1) 可避免鏡面反射信號(hào)掩蓋衍射可避免鏡面反射信號(hào)掩蓋衍射波信號(hào)，從而在任何情況下都波信號(hào)，從而在任何情況下都能很好地接收端點(diǎn)衍射波信號(hào)，能很好地接收端點(diǎn)衍射波信號(hào)，(2) 測定反射體的準(zhǔn)確位置和

30、深度，測定反射體的準(zhǔn)確位置和深度，(3) 易于實(shí)現(xiàn)大范圍掃查，快速接易于實(shí)現(xiàn)大范圍掃查，快速接收大量信號(hào)。收大量信號(hào)。l雙探頭系統(tǒng)是雙探頭系統(tǒng)是TOFD技術(shù)的基技術(shù)的基本配置和特征。本配置和特征。 12341.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)TOFDTOFD技術(shù)的典型設(shè)置技術(shù)的典型設(shè)置發(fā)射探頭接收探頭直通波上端點(diǎn)下端點(diǎn)底面反射信號(hào)1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.1 TOFD技術(shù)的基本配置l 實(shí)踐證明：在常規(guī)技術(shù)中實(shí)踐證明：在常規(guī)技術(shù)中 采用一個(gè)探頭也能發(fā)射超采用一個(gè)探頭也能發(fā)射超 聲波和接收衍射波，通常聲波和接收衍射波，通常 情況下，

31、反射信號(hào)，比衍情況下，反射信號(hào)，比衍 射信號(hào)波幅高，射信號(hào)波幅高，624dB, 對(duì)單探頭而言對(duì)單探頭而言,接收到的接收到的 端點(diǎn)衍射波信號(hào)可能被反端點(diǎn)衍射波信號(hào)可能被反 射信號(hào)掩蓋，因此衍射波信射信號(hào)掩蓋，因此衍射波信號(hào)是否能看到具有不確定性（如圖號(hào)是否能看到具有不確定性（如圖1.9） 。l總之，單探頭對(duì)端點(diǎn)衍射波信號(hào)接收不利，難以實(shí)現(xiàn)大范圍總之，單探頭對(duì)端點(diǎn)衍射波信號(hào)接收不利，難以實(shí)現(xiàn)大范圍檢測，也難以快速測定反射體的準(zhǔn)確位置和深度。檢測，也難以快速測定反射體的準(zhǔn)確位置和深度。l雖然，單探頭是可以進(jìn)行缺陷檢測的，但雖然，單探頭是可以進(jìn)行缺陷檢測的，但TOFD技術(shù)不采用技術(shù)不采用這種方法。這種

32、方法。 1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭lTOFD探頭的特點(diǎn)：探頭的特點(diǎn)： (1) 采用小尺寸芯片的大擴(kuò)散角探頭；采用小尺寸芯片的大擴(kuò)散角探頭； (2) 要有良好的發(fā)射和接收性能；要有良好的發(fā)射和接收性能； (3) 應(yīng)具有寬頻帶和窄脈沖特性應(yīng)具有寬頻帶和窄脈沖特性 。lTOFD探頭一般使用的頻率范圍是探頭一般使用的頻率范圍是1MHz15MHz，芯片尺寸范圍是芯片尺寸范圍是3mm 20mm，通過楔塊在鋼鐵中，通過楔塊在鋼鐵中形成形成4570的不同角度的折射縱波。的不同角度的折射縱波。 1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)

33、的基本知識(shí)1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭l縱波探頭聲場特點(diǎn)：縱波探頭聲場特點(diǎn)：(1) 縱波與橫波同時(shí)存在?？v波與橫波同時(shí)存在。 (2) 大擴(kuò)散角和寬波束大擴(kuò)散角和寬波束。 (3) 橫波聲場的強(qiáng)度比縱波大的多橫波聲場的強(qiáng)度比縱波大的多。圖1.11 頻率5MHz，芯片直徑6mm，折射角60的探頭在鋼中的聲場分布1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭lTOFD技術(shù)使技術(shù)使用的典型超聲用的典型超聲探頭，是將一探頭，是將一個(gè)壓電傳感器個(gè)壓電傳感器安裝在有機(jī)玻安裝在有機(jī)玻璃或其它類似璃或其它類似材料的楔塊上材料的楔塊上組成探頭。壓組成探頭。壓電傳

34、感器大多電傳感器大多采用復(fù)合材料。采用復(fù)合材料。 壓電復(fù)合材料制作的探頭有以下優(yōu)點(diǎn)壓電復(fù)合材料制作的探頭有以下優(yōu)點(diǎn)（1）橫向振動(dòng)很弱，串?dāng)_聲壓??；）橫向振動(dòng)很弱，串?dāng)_聲壓??；（2）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q值低值低;（3）帶寬大（）帶寬大（80%100%）；）；（4）機(jī)電耦合系數(shù)值大；）機(jī)電耦合系數(shù)值大；（5）靈敏度高，信噪比優(yōu)于普通）靈敏度高，信噪比優(yōu)于普通PZT探頭；探頭； （6）在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定；）在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定； （7）可加工形狀復(fù)雜的探頭，僅需簡易的切塊和充填技術(shù)；）可加工形狀復(fù)雜的探頭，僅需簡易的切塊和充填技術(shù)；（8）聲速、聲阻抗、相對(duì)絕緣常數(shù)及機(jī)電系數(shù)易于改變

35、（因這些參）聲速、聲阻抗、相對(duì)絕緣常數(shù)及機(jī)電系數(shù)易于改變（因這些參數(shù)相關(guān)于陶瓷材料的體積率）；數(shù)相關(guān)于陶瓷材料的體積率）；（9）易與聲阻抗不同的材料匹配（從水到鋼）；）易與聲阻抗不同的材料匹配（從水到鋼）；（10）可通過陶瓷體積率的變化，調(diào)節(jié)超聲波靈敏度。）可通過陶瓷體積率的變化，調(diào)節(jié)超聲波靈敏度。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型l在各種波中，縱波的傳播速度最快，幾乎是橫波的兩在各種波中，縱波的傳播速度最快，幾乎是橫波的兩倍，從而能夠領(lǐng)先于其它種類的波，在最短時(shí)間內(nèi)到倍，從而能夠領(lǐng)先于其它種類的波，在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)接收探頭。達(dá)

36、接收探頭。使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺陷的深使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺陷的深度得到的結(jié)果是唯一的。度得到的結(jié)果是唯一的。lTOFD檢測不使用橫波而使用縱波，其目的也是為了檢測不使用橫波而使用縱波，其目的也是為了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。l使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺陷的深度得到的結(jié)果使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺陷的深度得到的結(jié)果是唯一的是唯一的。 1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型l設(shè)想設(shè)想:探頭發(fā)射的縱波探頭發(fā)射的縱波 進(jìn)入工件，其中一部進(jìn)入工件，其中一部 分轉(zhuǎn)換為折射縱波分轉(zhuǎn)換為折射縱波C， 另

37、一部分轉(zhuǎn)換成折射另一部分轉(zhuǎn)換成折射 橫波橫波S。工件中傳播的。工件中傳播的 縱波縱波C遇到缺陷遇到缺陷A和和B， 可能產(chǎn)生缺陷可能產(chǎn)生缺陷A的的CCA和和CSA，以及缺陷，以及缺陷B的的CCB和和CSB； 同樣同樣,工件中傳播的橫波工件中傳播的橫波S遇到缺陷遇到缺陷A和和B, 可能產(chǎn)生包括缺陷可能產(chǎn)生包括缺陷A的的SCA和和SSA，以及缺陷，以及缺陷B的的SCB和和SSB。這樣。這樣,工件中傳播的信號(hào)就工件中傳播的信號(hào)就包括了包括了CCA、CSA、CCB、CSB、SCA、SCB、SSA、SSB，這些，這些信號(hào)都可能被探頭接收到，按信號(hào)的傳播速度，信號(hào)在時(shí)間軸上信號(hào)都可能被探頭接收到，按信號(hào)的傳

38、播速度，信號(hào)在時(shí)間軸上的排列次序如圖的排列次序如圖1.12所示。所示。ABABABABCCACCBCSACSBSCASCBSSASSB發(fā)射接收缺陷A缺陷Bt1.4tt1.4t1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型l由于由于TOFD檢測是以波的傳輸時(shí)間來確定缺陷檢測是以波的傳輸時(shí)間來確定缺陷深度的，因此信號(hào)傳輸時(shí)間與缺陷深度必須有深度的，因此信號(hào)傳輸時(shí)間與缺陷深度必須有唯一性。在金屬材料中，縱波最先到達(dá)接收探唯一性。在金屬材料中，縱波最先到達(dá)接收探頭。依據(jù)縱波信號(hào)（頭。依據(jù)縱波信號(hào)（CCA、CCB）識(shí)別缺陷）識(shí)別缺陷和以縱波波速計(jì)算其

39、深度，就不會(huì)與橫波信號(hào)和以縱波波速計(jì)算其深度，就不會(huì)與橫波信號(hào)（CSA、CSB、SCA、SSA、SCB、SSB）或變形波信號(hào)混淆，也不會(huì)發(fā)生計(jì)算出錯(cuò)誤的或變形波信號(hào)混淆，也不會(huì)發(fā)生計(jì)算出錯(cuò)誤的缺陷深度。缺陷深度。lTOFD檢測不使用橫波而使用縱波，其目的也檢測不使用橫波而使用縱波，其目的也是為了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。是為了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。 1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型l按圖按圖1.12（b）所示模型，可大致估算縱波與橫波信號(hào)的傳輸時(shí)間差。）所示模型，可大致估算縱波與橫波信號(hào)的傳輸時(shí)間差。l設(shè)：缺陷設(shè)：缺陷

40、A、B分別在工件上、下表面，且在兩探頭之間的中線上，分別在工件上、下表面，且在兩探頭之間的中線上，主聲束與底面法線夾角為主聲束與底面法線夾角為45，近似認(rèn)為橫波聲速為縱波一半，則：，近似認(rèn)為橫波聲速為縱波一半，則：假如經(jīng)缺陷假如經(jīng)缺陷A的縱波信號(hào)的縱波信號(hào)CCA的傳輸時(shí)間近似于直通波的傳輸時(shí)間的傳輸時(shí)間近似于直通波的傳輸時(shí)間2t，那么經(jīng)過缺陷那么經(jīng)過缺陷B的縱波信號(hào)的縱波信號(hào)CCB的傳輸時(shí)間近似于底波的傳輸時(shí)間就的傳輸時(shí)間近似于底波的傳輸時(shí)間就為為2.8t；經(jīng)過缺陷；經(jīng)過缺陷A的變形波的變形波CSA或或SCA的信號(hào)傳輸時(shí)間為的信號(hào)傳輸時(shí)間為3t；經(jīng)過；經(jīng)過缺陷缺陷B的變形波信號(hào)（的變形波信號(hào)（

41、CSB或或SCB）傳輸時(shí)間為）傳輸時(shí)間為4.2t；而橫波信號(hào)；而橫波信號(hào)SSA、SSB分別為分別為4t和和5.6t。l可見，位于兩探頭中間的缺陷，其產(chǎn)生的橫波信號(hào)始終在底波之后，可見，位于兩探頭中間的缺陷，其產(chǎn)生的橫波信號(hào)始終在底波之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干擾；在聲束經(jīng)過的大部分區(qū)域，即使產(chǎn)生變形不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干擾；在聲束經(jīng)過的大部分區(qū)域，即使產(chǎn)生變形波信號(hào)也將在底波之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干擾，只有在靠近其中波信號(hào)也將在底波之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干擾，只有在靠近其中一個(gè)探頭附近的很小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的變形波信號(hào)可能在底波之前出現(xiàn)。一個(gè)探頭附近的很小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的變形波信號(hào)可能在底波之前出現(xiàn)。1

42、.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型l綜上所述，在綜上所述，在TOFD檢測時(shí)，工件中存在多種波：檢測時(shí)，工件中存在多種波：首先是探頭發(fā)射的縱波和橫波；其次在波的傳首先是探頭發(fā)射的縱波和橫波；其次在波的傳播過程中，遇到缺陷，底面，或其它不同聲阻播過程中，遇到缺陷，底面，或其它不同聲阻抗的界面，會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。因此，到達(dá)接收抗的界面，會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。因此，到達(dá)接收探頭的信號(hào)包括：探頭的信號(hào)包括：所有縱波、所有橫波、波型所有縱波、所有橫波、波型轉(zhuǎn)換后的一部分縱波和一部分橫波。轉(zhuǎn)換后的一部分縱波和一部分橫波。 l為什么TOFD檢測使用縱波而

43、不用橫波探頭?1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號(hào)l圖1.13所示為TOFD技術(shù)應(yīng)用時(shí)，波型種類和傳播路徑的示意圖圖1.13 TOFD技術(shù)的波傳播路徑發(fā)射探頭接收探頭直通波裂紋衍射波底面反射橫波dD2S1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號(hào)l圖1.14所示為TOFD技術(shù)應(yīng)用時(shí)，A掃信號(hào)的示意圖圖1.14 TOFD技術(shù)的A掃信號(hào)1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號(hào)發(fā)射探頭接收探頭直通波直通波LW上端點(diǎn)上端點(diǎn)下端點(diǎn)下端點(diǎn)底面反射波底面反射

44、波BW1 1、直通波：兩個(gè)探頭之間沿工件表面直線傳播的縱波。路程最、直通波：兩個(gè)探頭之間沿工件表面直線傳播的縱波。路程最逗，最先到達(dá)。當(dāng)探頭間距較大時(shí)，直通波可能非常微弱，甚至逗，最先到達(dá)。當(dāng)探頭間距較大時(shí)，直通波可能非常微弱，甚至不能識(shí)別。由于不能識(shí)別。由于TOFD掃查所發(fā)射和接收的信號(hào)在近表面區(qū)有較掃查所發(fā)射和接收的信號(hào)在近表面區(qū)有較大的壓縮，因此這些區(qū)域的一些有用信號(hào)可能隱藏在直通波下。大的壓縮，因此這些區(qū)域的一些有用信號(hào)可能隱藏在直通波下。直通波的頻率比聲束中心的頻率低。直通波的頻率比聲束中心的頻率低。2、缺陷信號(hào)：缺陷上、下端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射信號(hào)，在直通波和底、缺陷信號(hào)：缺陷上、下端點(diǎn)產(chǎn)

45、生的衍射信號(hào)，在直通波和底面反射波之間，比直通波信號(hào)強(qiáng)，比底面反射波信號(hào)弱。為提高面反射波之間，比直通波信號(hào)強(qiáng)，比底面反射波信號(hào)弱。為提高小缺陷的上尖端和下尖端信號(hào)的分辨能力，可采取減少信號(hào)周期小缺陷的上尖端和下尖端信號(hào)的分辨能力，可采取減少信號(hào)周期的措施。的措施。 3、底面反射波：縱波在底面的反射波。因傳播距離比直通波長，、底面反射波：縱波在底面的反射波。因傳播距離比直通波長，所以在直通波之后出現(xiàn)。如果探頭的波束只發(fā)射到金屬材料的上所以在直通波之后出現(xiàn)。如果探頭的波束只發(fā)射到金屬材料的上部分或者工件沒有合適底部進(jìn)行反射，則底面反射波可能不存在部分或者工件沒有合適底部進(jìn)行反射，則底面反射波可能

46、不存在。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號(hào)1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場中的A掃信號(hào)4、波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底面縱波和底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生、波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底面縱波和底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生各種波型轉(zhuǎn)換信號(hào)，波型轉(zhuǎn)換信號(hào)到達(dá)接收探頭時(shí)間比底面縱波各種波型轉(zhuǎn)換信號(hào)，波型轉(zhuǎn)換信號(hào)到達(dá)接收探頭時(shí)間比底面縱波反射信號(hào)長，但比底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)短。反射信號(hào)長，但比底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)短。 5、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底面縱波反射信號(hào)之后將出現(xiàn)一個(gè)相、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底

47、面縱波反射信號(hào)之后將出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)大的信號(hào)，這種信號(hào)是底面橫波反射信號(hào)，它有時(shí)會(huì)被誤認(rèn)為當(dāng)大的信號(hào)，這種信號(hào)是底面橫波反射信號(hào)，它有時(shí)會(huì)被誤認(rèn)為是底面縱波反射信號(hào)。是底面縱波反射信號(hào)。6、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)以后的信號(hào)、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)以后的信號(hào) ：底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)以后：底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)以后還會(huì)出現(xiàn)許多縱波和橫波多次反射和轉(zhuǎn)換的信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)一還會(huì)出現(xiàn)許多縱波和橫波多次反射和轉(zhuǎn)換的信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)一般不再進(jìn)行觀察和分析。般不再進(jìn)行觀察和分析。l由于直通波和底面反射波的存在，檢測時(shí)如果只使用由于直通波和底面反射波的存在，檢測時(shí)如果只使用TOFD技術(shù)，技術(shù)，在上表面和下表面存在盲區(qū)，一

48、般為幾毫米或十幾毫米之間，近在上表面和下表面存在盲區(qū)，一般為幾毫米或十幾毫米之間，近表面的盲區(qū)大于底面的盲區(qū)。表面的盲區(qū)大于底面的盲區(qū)。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系l圖1.15是無缺陷工件無缺陷工件TOFD檢測情況檢測情況，A-Scan圖中只有直通波和底面反為射波信號(hào)波形。l當(dāng)波束從高阻抗介質(zhì)中入射到一個(gè)低阻抗介質(zhì)（例如，從鋼中入射到鋼/水界面或鋼/空氣 界面）時(shí)，在界面反射的信 號(hào)相位改變180。l如圖1.15所示，波束在碰到波束在碰到 界面之前是以正向周期開始界面之前是以正向周期開始 傳播的，在經(jīng)過界面反射后傳播的，在經(jīng)過界面反射后 變成

49、以負(fù)向周期開始傳播。變成以負(fù)向周期開始傳播。圖1.15 從高阻抗介質(zhì)入射到低阻抗介質(zhì)的信號(hào)相位發(fā)生改變1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系l圖1.16是有缺陷工件TOFD檢測情況，A-Scan信號(hào)中直通波、缺陷上、下尖端信號(hào)和底面反射波的波形圖。上尖端信號(hào)就像底面反射信號(hào)一上尖端信號(hào)就像底面反射信號(hào)一樣，相位變化了樣，相位變化了180。缺陷下尖端的衍射信號(hào)相位不發(fā)生改變，以解釋為波束只是在缺陷底部環(huán)繞,沒有發(fā)生界面反射。如果上尖端信號(hào)相如果上尖端信號(hào)相位從負(fù)周期開始，與底面位從負(fù)周期開始，與底面 反射信號(hào)相同，那么下尖端信號(hào)反射信號(hào)相同，那么下尖端信

50、號(hào) 就是從正向周期開始，其相位與就是從正向周期開始，其相位與 直通波信號(hào)相同。直通波信號(hào)相同。l研究表明，如果兩個(gè)衍射信號(hào)的如果兩個(gè)衍射信號(hào)的 相位相反，可以判斷在信號(hào)之間相位相反，可以判斷在信號(hào)之間 一定存在一個(gè)連續(xù)的缺陷一定存在一個(gè)連續(xù)的缺陷。因此， 相位對(duì)分析信號(hào)和測定缺陷準(zhǔn)確 尺寸是非常重要。圖1.16 有缺陷的A-Scan信號(hào)相位比較1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系上端點(diǎn)上端點(diǎn)下端點(diǎn)下端點(diǎn)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1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系l相位

51、的變化：l直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的。l缺陷的下端點(diǎn)與直通波的相位是相同的。l缺陷的上端點(diǎn)與底面反射波的相位是相同的。l每一個(gè)衍射信號(hào)的上、下端點(diǎn)衍射波相位是相反的。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系l對(duì)不同深度的兩個(gè)衍射信號(hào)，可根據(jù)相位變化判斷工件中的缺陷是一個(gè)缺陷還是兩個(gè)缺陷。l如果兩個(gè)信號(hào)的相位相反，可能是一個(gè)缺陷（例如一如果兩個(gè)信號(hào)的相位相反，可能是一個(gè)缺陷（例如一條裂紋）的上下尖端衍射信號(hào)；條裂紋）的上下尖端衍射信號(hào)；l如果兩個(gè)信號(hào)的相位相同，則可判定為兩個(gè)缺陷如果兩個(gè)信號(hào)的相位相同，則可判定為兩個(gè)缺陷。1.2 TO

52、FD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算 l探頭中心距：兩探頭入射點(diǎn)之間的距離又稱為探頭中心距探頭中心距：兩探頭入射點(diǎn)之間的距離又稱為探頭中心距，用符號(hào)符號(hào)PCS表示表示。l如圖1.17所示，PCS2S。由于兩探頭相對(duì)于衍射端點(diǎn)是對(duì)稱的，則超聲信號(hào)傳播距離L可以用下式計(jì)算： L= 2(s2 + d2)1/2l超聲信號(hào)傳播時(shí)間計(jì)算式： t = 2(s2 + d2)1/2/cl衍射端點(diǎn)深度的計(jì)算式： d = (ct/2)2 - s21/2 1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算【例題1】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探

53、頭中心距80mm，衍射點(diǎn)深度30mm，則超聲信號(hào)傳播距離是多少？ 解：由公式L= 2(s2 + d2)1/2，得：L= 2(402 + 302)1/2100mm。 答：超聲信號(hào)傳播距離為100mm。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算l【例題2】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心距80mm，衍射點(diǎn)深度30mm，聲波速度6 mm/s，則超聲信號(hào)傳播時(shí)間是多少？l 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：t = 2(402 + 302)1/2/616.6 sl 答：超聲信號(hào)傳播時(shí)間是16.6 s。1.2 TOFD1.2 TOF

54、D技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算l【例題3】已知：聲波速度6 mm/s，衍射信號(hào)傳播時(shí)間為16.6 s，兩探頭中心距80mm：假設(shè)衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，則衍射點(diǎn)深度是多少？l 解：由公式d = (ct/2)2 - s21/2，l 得：d = (616.6/2)2 -4021/230mm。l 答：衍射點(diǎn)深度是30mm。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算【例題4】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，設(shè)聲速為6mm/s，已知兩探頭中心距80mm，計(jì)算衍射點(diǎn)深度0.5mm、1mm、2mm、4mm的信號(hào)傳輸時(shí)間。 解：由公式t = 2

55、(s2 + d2)1/2/c，得：ld 0.5 mm ，t0.5 = 2(402 + 0.52)1/2/613.3343s；ld 1 mm ，t1 = 2(402 + 12) 1/2/613.3374s；ld 2 mm ，t2 = 2(402 + 22) 1/2/613.3499s；ld 4 mm ，t4 = 2(402 + 42) 1/2/613.3998s；l由計(jì)算結(jié)果可知， 深度1mm與0.5mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.0031s； 深度2mm與1mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.01259s； 深度4mm與2mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.05s，l由于深度變化的時(shí)間增量太小，深度就

56、難以測準(zhǔn)。由于深度變化的時(shí)間增量太小，深度就難以測準(zhǔn)。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算l在TOFD檢測中，深度和時(shí)間的關(guān)系不是線性的，而是呈平方關(guān)系的，因此，在近表面區(qū)域，信號(hào)在時(shí)間上的微小變化轉(zhuǎn)換成深度在近表面區(qū)域，信號(hào)在時(shí)間上的微小變化轉(zhuǎn)換成深度就變化較大就變化較大。深度測量的誤差隨著接近表面而迅速增大深度測量的誤差隨著接近表面而迅速增大。l通過軟件計(jì)算進(jìn)行線性化處理可得出B-Scan和D-Scan的線性深度圖。l由于存在直通波和不斷增大的深度誤差，TOFD對(duì)近表面的缺陷探測的可靠性和準(zhǔn)確性并不太高。這個(gè)不能保證區(qū)域可以通過減小PCS或采用高

57、頻探頭來改變。當(dāng)工件只作一次掃查時(shí)，近表面不能保證距離大約是10mm。l例如，采用15MHz的探頭和較小的PCS，對(duì)工件的檢測可以達(dá)到表面以下1mm深度，不過這些措施會(huì)使檢測覆蓋面減小。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定1、深度校準(zhǔn)延時(shí)時(shí)間：從晶片發(fā)出的聲束到入射點(diǎn)需要的時(shí)間稱為延時(shí)時(shí)間。用2t0表示。 發(fā)射探頭接收探頭SSdLWBWt0t0始脈沖t1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 信號(hào)總的傳播時(shí)間：SSdt0t002222tcdSt發(fā)射探頭接收探頭1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知

58、識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定1、深度校準(zhǔn) 缺陷深度計(jì)算公式：接收探頭SSdt0t0發(fā)射探頭22022Sttcd1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定1、深度校準(zhǔn)l直通波出現(xiàn)的時(shí)間公式： t L= 2s/c + 2to l底面反射波出現(xiàn)時(shí)間公式： t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2tol探頭的延時(shí)式： 2to = t b - 2(s2 + D2)1/2/c l波的傳播速度： c = 2(s2 + D2)1/2 - 2s/ (t b t L) 1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2

59、.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定1、深度校準(zhǔn)發(fā)射探頭接收探頭2Sd1d212ddh由于計(jì)算自身高度只需要測量時(shí)間由于計(jì)算自身高度只需要測量時(shí)間, 所以高度估計(jì)會(huì)很所以高度估計(jì)會(huì)很準(zhǔn)確。實(shí)際操作中，檢測裂紋準(zhǔn)確。實(shí)際操作中，檢測裂紋 1mm 的精度是完全可的精度是完全可以達(dá)到的以達(dá)到的 (檢測人工缺陷時(shí)可以達(dá)到檢測人工缺陷時(shí)可以達(dá)到 0.1 mm )。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定【例題5】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心距80mm，衍射點(diǎn)深度30mm，聲波速度6 mm/s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí)1.6s，則從發(fā)射到接收超

60、聲信號(hào)總的傳播時(shí)間是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c + 2to 得：t = 2(402 + 302)1/2/6 + 1.618.2 s。 答：從發(fā)射到接收超聲信號(hào)總的傳播時(shí)間是18.2 s。1.2 TOFD1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定【例題6】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超聲信號(hào)總的傳播時(shí)間為18.2 s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí)1.6s，兩探頭中心距80mm：假設(shè)衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，則衍射點(diǎn)深度是多少？ 解：由公式d = (c/2)2(t-2to)2 - s21/2 得：d = (6/