TOFD衍射時差法超聲檢測技術張平

1、TOFD衍射時差法衍射時差法超聲檢測技術超聲檢測技術天津誠信達金屬檢測技術有限公司天津誠信達金屬檢測技術有限公司張平張平UT- 復試復試2010年年4月月21日于濟南日于濟南什么是 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(jù)超聲波衍射現(xiàn)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(chǎn)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中文名稱

2、 Time of Flight Diffraction Technique的中文翻譯為衍射時差法超聲檢測技術 GB/T 12604.12005（等同ISO 5577:2000）翻譯為衍射聲時衍射聲時 物理學術語翻譯為衍射渡越時間衍射渡越時間TOFD發(fā)展歷程(20世紀世紀70年代）年代）摸摸索、完善、裝備研發(fā)索、完善、裝備研發(fā)（20世紀世紀90年代）年代）（21世紀初）世紀初）TOFD技術得以推廣應用的先決條件技術得以推廣應用的先決條件 TOFD技術得以推廣應用的關鍵主要是：技術得以推廣應用的關鍵主要是： 數(shù)字技術：是計算機技術、多媒體技術、智能技術和信息技術的基礎。 計算機技術：快速處理大量數(shù)

3、據(jù) 壓電復合材料：可用于相控陣探頭、TOFD探頭和高性能常規(guī)脈沖超聲探頭 采用數(shù)字化記錄超聲波檢測數(shù)據(jù)采用數(shù)字化記錄超聲波檢測數(shù)據(jù)的優(yōu)點的優(yōu)點1、能夠實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的長期保存；、能夠實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的長期保存；2、便于采取各種信號處理操作，例如多樣的可、便于采取各種信號處理操作，例如多樣的可視化顯示、信號增強、平均、疊加等；視化顯示、信號增強、平均、疊加等； 3、取用、再分析、通訊傳輸方便；、取用、再分析、通訊傳輸方便；4、精度高，抗干擾性強。、精度高，抗干擾性強。 模擬信號的局限性，容易失真，精度低，抗模擬信號的局限性，容易失真，精度低，抗干擾能力差，遠距離傳輸和大規(guī)模存儲困難，干擾能力差，遠距離

4、傳輸和大規(guī)模存儲困難，無法進行復雜的分析處理無法進行復雜的分析處理 等壓電復合材料制作的探頭有以下優(yōu)點以下優(yōu)點（1）橫向振動很弱，串擾聲壓??；（2）機械品質因數(shù)Q值低;（3）帶寬大（80%100%）；（4）機電耦合系數(shù)值大；（5）靈敏度高，信噪比優(yōu)于普通PZT探頭； （6）在較大溫度范圍內特性穩(wěn)定； （7）可加工形狀復雜的探頭，僅需簡易的切塊和充填技術；（8）聲速、聲阻抗、相對絕緣常數(shù)及機電系數(shù)易于改變（因這些參數(shù)相關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）；（10）可通過陶瓷體積率的變化，調節(jié)超聲波靈敏度。合格的TOFD成像缺陷檢出率 手工UT：5070； RT：70

5、80； TOFD：7090； 機械掃查UT+TOFD：8095。衍射現(xiàn)象裂紋衍射波衍射波入射波反射波衍射現(xiàn)象 惠更斯原理:缺陷上的每一個點都產(chǎn)生出一個球面子波入射波使缺陷產(chǎn)生振動。衍射現(xiàn)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(shù)據(jù)有永久的數(shù)

6、字記錄。 檢測速度快，效率高。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 裂紋上尖端信號從065單調增大，從65 85單調降低。波幅最大時的折射角為65 。 裂紋下尖端的信號波幅曲線在20 和65 時出現(xiàn)兩個峰值，在38 時，裂紋下尖端的信號波幅下降到最低。 在45 80 區(qū)間，裂紋下尖端的信號波幅略大于上尖端的信號波幅。 在45 80 之間波幅的變化小于6dB?？v波探頭聲場特點1、縱波與橫波同時存在縱波與橫波同時存在。由于TOFD技術采用縱波檢測，探頭折射角小于第一臨界角。這樣在探頭聲場中，同時存在縱波與橫波。2、大擴散角和寬波束大擴散角和寬波束。探頭縱波具有很寬的波束。通過計算可

7、以求出，該探頭在鋼中聲壓下降12dB的波束上邊界角為90，下邊界角為45.7。3、從圖11中可以看出，橫波聲場的強度比縱波橫波聲場的強度比縱波大的多大的多。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。605MHz 6mm波束模擬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

8、晶片尺寸與探頭頻率，根據(jù)標準規(guī)定選擇。 一般使用的TOFD探頭中心頻率為115MHz，晶片尺寸為 320mm。 常用的探頭角度為：45 、60 、70 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(LW)：兩個探頭之間沿工件表面直線傳播的縱波。路：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。程最逗，最先到達。缺陷信號：缺陷上、下端點產(chǎn)生的衍射信號，在直通波和底缺陷信號：缺陷上、下端點產(chǎn)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，

9、比底面反射波信號弱很多。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。波型轉換信號：在底面縱波和底面反射波型轉換信號還會產(chǎn)波型轉換信號：在底面縱波和底面反射波型轉換信號還會產(chǎn)生各種波型轉換信號。由于橫波速度較慢，在底面反射波之后生各種波型轉換信號。由于橫波速度較慢，在底面反射波之后出現(xiàn)，但波幅相當大。出現(xiàn)，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

10、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。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SSdt0t022

11、022Sttcd缺陷自身高度12ddh發(fā)射探頭接收探頭2Sd1d2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 0.1 mm )。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=2/3DDA掃信號灰度圖Typically used for TOFD灰度圖 一個8位模/數(shù)轉換的灰度等級數(shù)值是256個，

12、用數(shù)字127(純白色)代表+100FSH，用數(shù)字0(中間灰)代表0FSH，用數(shù)字-128(純黑色)代表-100FSH。+100%-100%-128+127Zero典型的TOFD圖像常規(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，

13、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(chǎn)生典型的這種掃查會產(chǎn)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 。圖形顯示B掃掃上表面上表面內壁內壁A掃掃LWBW典型的B掃視圖B掃C掃D掃近表面盲區(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號的深度是盲區(qū)。 5MHz探頭，周期0.2s，PCS=100mm，工件厚度40m

14、m，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)射探頭接收探頭SSt2t1相等時間的軌跡相等時間的軌跡(t1+t2=2t)dmind

15、maxTOFD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

16、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(chǎn)生反射波，缺陷上下端點產(chǎn)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

17、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靈敏度的設置 根據(jù)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射信號調到滿屏的60FSH。數(shù)字化記錄 TOFD記錄的是每個檢測點的完整的未經(jīng)修正的原始的數(shù)字化A掃信號。 可永久記錄所有數(shù)據(jù)信號，包括檢測參數(shù)、校準方式等。 可對采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)再分析，使用多樣的可視

18、化顯示。TOFD技術的優(yōu)點1、TOFD技術的可靠性好。2、TOFD技術的定量精度高。3、TOFD檢測簡便快捷，檢測效率高。4、TOFD檢測系統(tǒng)配有自動或半自動掃查裝置，能夠確定缺陷與探頭的相對位置，信號通過處理可轉換為TOFD圖像。TOFD圖像更有利于缺陷的識別和分析。5、能全過程記錄信號，長久保存數(shù)據(jù)，而且能高速進行大批量信號處理。6、TOFD技術除了用于檢測外，還可用于缺陷擴展的監(jiān)控，且對裂紋高度擴展的測量精度極高，可達0.1mm。TOFD技術的局限性1、由于上、下表面存在盲區(qū)，TOFD技術對近表面缺陷和下表面缺陷，檢測的可靠性不夠。2、對缺陷定性比較困難，需要豐富的經(jīng)驗，還要輔助其它檢測手段。TOFD技術比較有把握區(qū)分上表面開口、下表面開口及埋藏缺陷，但難以準確判斷缺陷性質。3、TOFD圖像識別和判讀比較難，數(shù)據(jù)分析需要豐富的經(jīng)驗。4、對粗晶材料，例如奧氏體焊縫檢測比較困難，其信噪比較低。5、橫向缺陷檢測比較困難（焊縫余高） 。6、復雜幾何形狀的工件檢測比較困難。7、點狀缺陷的尺寸測量不夠準確。在線分析與離線分析在線分析與離線分析在線分析的優(yōu)點和局限性1、不需要使用額外的設備和軟件就能夠直接對