TOFD講座演示文稿

TOFD講座演示文稿第一頁，共78頁。什么是TOFD?TOFD是TimeofFlightDiffraction的第一個英文字母的縮寫，中文簡稱衍射時差法。是上世紀(jì)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。第二頁，共78頁。TOFD的典型設(shè)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第三頁，共78頁。缺陷檢出率手工UT：50～70％；RT：70～80％；TOFD：70～90％；機(jī)械掃查UT+TOFD：80～95％。第四頁，共78頁。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20～30dB。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(chǔ)，使用計算機(jī)來完成缺陷尺寸和位置的測量。TOFD檢測的特點第五頁，共78頁。TOFD技術(shù)的優(yōu)點（與PE相比）缺陷的衍射信號與缺陷的方向無關(guān)。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(kuò)展測量精度為±0.3mm。缺陷長度的測量精度與PE相當(dāng)±5mm）檢測數(shù)據(jù)有永久的數(shù)字記錄。檢測速度快，效率高。第六頁，共78頁。TOFD技術(shù)的局限性上、下表面存在盲區(qū)（幾個毫米，與設(shè)置有關(guān)）。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圖像識別和判讀比較難，數(shù)據(jù)分析需要豐富的經(jīng)驗橫向缺陷檢測比較困難（焊縫余高）。復(fù)雜幾何形狀的工件檢測比較困難。第七頁，共78頁。TOFD標(biāo)準(zhǔn)1993年，英國BS7706標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了用TOFD法進(jìn)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（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(xì)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(jié)果。2000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)ENV583-6：2000《超聲衍射波時差法用于缺陷檢出和定量》。第八頁，共78頁。TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)BS7706(1993)《超聲波衍射時差技術(shù)的設(shè)置以及校準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了用TOFD法進(jìn)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量》。NVN-CEN/TS14751《焊接--TOFD技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)。ASMESectionⅤ，Article4(2004)

ASTME2373(2004)《超聲衍射時差技術(shù)》第九頁，共78頁。TOFD驗收標(biāo)準(zhǔn)ASME2235（2004）美國的驗收標(biāo)準(zhǔn)，用于幅度法和非幅度法。NEN1822（2004）歐洲的驗收標(biāo)準(zhǔn)，僅用于TOFD。國內(nèi)TOFD標(biāo)準(zhǔn)2006年成立編寫組，計劃2007年完成，成為JB/T4730-2005的一個案例。第十頁，共78頁。衍射現(xiàn)象裂紋衍射波衍射波入射波反射波第十一頁，共78頁。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。第十二頁，共78頁。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能量低第十三頁，共78頁。折射角度與衍射波幅度的關(guān)系第十四頁，共78頁。折射角度與衍射波幅度的關(guān)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°。第十五頁，共78頁。晶片尺寸與頻率對探頭性能的影響小晶片，擴(kuò)散角大，覆蓋范圍大。頻率高，擴(kuò)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。綜合考慮晶片尺寸與探頭頻率，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選擇。厚度6～300mm；晶片尺寸2～20mm；中心頻率1～15MHz。第十六頁，共78頁。探頭的中心頻率0123456789101112MHzPeakvalue第十七頁，共78頁。探頭的帶寬0123456789101112MHz100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%Bandwidth~3.5MHzBandwidthmeasuredat.707ofpeakvalue第十八頁，共78頁。探頭的頻譜HighfrequencyShortwavelengthLowfrequencylongwavelength100%80%60%40%20%0%第十九頁，共78頁。寬頻帶探頭的波長第二十頁，共78頁。晶片尺寸與頻率對探頭性能的影響q2q2q2Sinq1

=C1Sinq2

C2Refraction:聲束在探頭楔塊中的擴(kuò)散角:q1q1q1qKl

DSineq=第二十一頁，共78頁。波束擴(kuò)散模擬600縱波探頭6mm圓晶片在碳鋼中進(jìn)行波束模擬第二十二頁，共78頁。60°5MHz6mm波束模擬第二十三頁，共78頁。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(dá)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。第二十四頁，共78頁。TOFD:典型的設(shè)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第二十五頁，共78頁。A掃信號發(fā)射探頭接收探頭直通波LW上端點下端點底面反射波BW第二十六頁，共78頁。直通波(又稱側(cè)向波)(LW)：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(dá)。底面反射波(BW)：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。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。變形波信號：橫波經(jīng)底面放射轉(zhuǎn)換為縱波以及縱波經(jīng)底面放射轉(zhuǎn)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(xiàn)，但波幅相當(dāng)大。由于直通波(LW)和底面反射波(BW)的存在，檢測時如果只使用TOFD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)。TOFD檢測的典型信號第二十七頁，共78頁。TOFD檢測的典型信號底面反射波直通波縱波變形波TxRx橫波第二十八頁，共78頁。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。第二十九頁，共78頁。相位變化上端點下端點直通波LW底面反射波BW+-+-需要不檢波的A掃來顯示相位的變化第三十頁，共78頁。傳播時間發(fā)射探頭接收探頭SSdLWBWt0t0始脈沖t第三十一頁，共78頁。傳播時間發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t0第三十二頁，共78頁。缺陷深度發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t0第三十三頁，共78頁。缺陷自身高度發(fā)射探頭接收探頭2Sd1d2由于計算自身高度只需要測量時間,所以高度估計會很準(zhǔn)確。實際操作中，檢測裂紋±1-mm的精度是完全可以達(dá)到的(檢測人工缺陷時可以達(dá)到±0.1mm)。第三十四頁，共78頁。確定探頭間距聚焦深度：d=2/3D探頭間距：PCS=2S=2dtanq=(4/3)Dtanqs2s=PCSqd=2/3DD第三十五頁，共78頁?；叶葓D一個8比特的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用數(shù)字127(純白色)代表+100％FSH，用數(shù)字0(中間灰)代表0％FSH，用數(shù)字-128(純黑色)代表-100％FSH。+100%-100%Amplitude-128+127Zero第三十六頁，共78頁。A掃信號－灰度圖TypicallyusedforTOFD第三十七頁，共78頁。典型的TOFD圖像第三十八頁，共78頁。B掃

C掃

D掃第三十九頁，共78頁。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。第四十頁，共78頁。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TxRx波束方向掃查方向第四十一頁，共78頁。典型的D掃視圖第四十二頁，共78頁。D掃所看到的視圖D掃描用于采集焊縫及兩側(cè)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第四十三頁，共78頁。平行掃查-B掃采用平行掃查可以對缺陷深度進(jìn)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TxRx波束方向掃查方向第四十四頁，共78頁。平行掃查當(dāng)探頭相對于缺陷對稱時時間最短。發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t0x第四十五頁，共78頁。平行掃查上表面下表面B掃直通波這種掃查會產(chǎn)生典型的反向拋物線當(dāng)探頭相對于缺陷對稱時時間最短。第四十六頁，共78頁。典型的B掃視圖第四十七頁，共78頁。圖形顯示D掃上表面內(nèi)壁A掃LWBW第四十八頁，共78頁。靈敏度的設(shè)置根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)置。把直通波的信號調(diào)為40～80％FSH.底面回波信號大于滿屏高度的18～30dB。調(diào)節(jié)晶粒噪聲為滿屏的5～10％FSH。用開有側(cè)橫孔、開口槽的試塊來調(diào)整。用有上表面開口槽的試塊來調(diào)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(diào)到滿屏的60％FSH。第四十九頁，共78頁。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。第五十頁，共78頁。采樣頻率采樣頻率越高，重構(gòu)的波形越精確，數(shù)據(jù)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。第五十一頁，共78頁。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(zhǔn)方式等?？蓪Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高靈敏度、信噪比、易于識別缺陷?？蓪υ嫉臋z測數(shù)據(jù)再分析，使用多樣的可視化顯示。第五十二頁，共78頁。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(dāng)于直通波信號的深度是盲區(qū)。5MHz探頭，周期0.2μs，PCS=100mm，工件厚度40mm，直通波為兩倍周期0.4μs，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。第五十三頁，共78頁。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第五十四頁，共78頁。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0.04μs，時間誤差0.02μs，深度誤差0.02μs×5.95mm/μs＝0.1mm第五十五頁，共78頁。TOFD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(t1+t2=2t)dmindmax第五十六頁，共78頁。TOFD檢測的分辨率能夠識別兩個信號的最小距離。TOFD可以識別2～3個波長。5MHz探頭，波長1.1mm，分辨率2～3mm2mm的氣孔和夾渣無法分辨出上下尖端。第五十七頁，共78頁。1、上表面存在裂紋時，聲束無法從上表面通過，無側(cè)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(nèi)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波形第五十八頁，共78頁。上表面開口裂紋發(fā)射探頭接收探頭裂紋尖端底面反射波BW直通波被隔開了沒有側(cè)向波第五十九頁，共78頁。外表面開口缺陷第六十頁，共78頁。下表面開口裂紋發(fā)射探頭接收探頭直通波LW尖端信號底面反射信號被隔開了沒有底面反射波第六十一頁，共78頁。內(nèi)部面開口缺陷第六十二頁，共78頁。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LW底面反射波BW反射回波反射信號反射回波反射信號第六十三頁，共78頁。與檢測面平行的面狀缺陷第六十四頁，共78頁。內(nèi)部埋藏缺陷第六十五頁，共78頁。NVN-CEN/TS14751〔en〕

焊接---TOFD技術(shù)用于焊縫檢測第六十六頁，共78頁。適用范圍此項標(biāo)準(zhǔn)主要是TOFD技術(shù)在熔合焊縫的半自動和全自動超聲的檢測，對于材料的厚度必須等于或大于6mm，主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，TOFD也可以適用于其它材料的檢測

此項標(biāo)準(zhǔn)中將給出工件的超聲參數(shù)，對于縱波而言，聲速為5920±50m/s，對于橫波，3255±30m/s,這些在檢測過程中，對于不同的材料聲速，將會運(yùn)用

此項標(biāo)準(zhǔn)參照ENV583-6，對于TOFD技術(shù)在缺陷檢出、定位以及定量的能力以及局限性作出了指導(dǎo)，TOFD不僅可以作為單獨(dú)的檢測方法，也可以結(jié)合其它有檢測方法，同樣也適用于制造以及在役檢測第六十七頁，共78頁。適用范圍為了增加檢測的可靠性，此標(biāo)準(zhǔn)定義了四個檢測等級A,B,C,D，標(biāo)準(zhǔn)里會指出相應(yīng)的檢測等級此標(biāo)準(zhǔn)對于缺陷的可接受標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)在TOFD成象里反射以及衍射信號的計算來定義的

此標(biāo)準(zhǔn)里沒有包括對于不連續(xù)缺陷的可接受等級第六十八頁，共78頁。術(shù)語及定義

3．1TOFD設(shè)置根據(jù)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3．2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最短的距離3．3聲束聚焦點兩個主聲束的交叉點第六十九頁，共78頁。術(shù)語及定義3．4缺陷TOFD成象所需要精確計算的缺陷3．5TOFD成象TOFD是成象是二維成象，它是由于無數(shù)個A掃成象的疊加構(gòu)成的，A掃波幅的顯示在成象中是以灰度等級顯示的3．6偏心掃查掃查是平行于焊縫中心的，聲束的交點不在焊縫中心線上第七十頁，共78頁。技術(shù)能力概述在ENV583-6中有對TOFD技術(shù)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(shù)的局限性TOFD技術(shù)是一項超聲成象技術(shù)，它可以對缺陷進(jìn)行定位以及定量，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(shù)相比，TOFD技術(shù)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

在特定情況下，TOFD設(shè)置是很必要第七十一頁，共78頁。技術(shù)能力概述典型的TOFD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，根據(jù)圖像可以去計算缺陷，如果缺少耦合劑會給數(shù)據(jù)帶來誤差

TOFD成象需要有經(jīng)