TOFD衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)課件

TOFD衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)什么是TOFD?TOFD是TimeofFlightDiffraction的第一個(gè)英文字母的縮寫(xiě)，中文簡(jiǎn)稱衍射時(shí)差法。是上世紀(jì)七十年代由英國(guó)哈威爾無(wú)損檢測(cè)中心根據(jù)超聲波衍射現(xiàn)象首先提出來(lái)的，檢測(cè)時(shí)使用一對(duì)或多對(duì)寬聲束探頭，每對(duì)探頭相對(duì)焊縫對(duì)稱布置（一發(fā)一收），聲束覆蓋檢測(cè)區(qū)域，遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生反射波和衍射波。探頭同時(shí)接收反射波和衍射波，通過(guò)測(cè)量衍射波傳播時(shí)間，利用三角方程來(lái)確定出缺陷的尺寸和位置。TOFD中文名稱TimeofFlightDiffractionTechnique的中文翻譯為——衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)GB/T12604.1—2005（等同ISO5577:2000）翻譯為——衍射聲時(shí)物理學(xué)術(shù)語(yǔ)翻譯為——衍射渡越時(shí)間TOFD發(fā)展歷程TOFD技術(shù)發(fā)現(xiàn)(20世紀(jì)70年代）——摸索、完善、裝備研發(fā)開(kāi)始應(yīng)用（20世紀(jì)90年代）大規(guī)模應(yīng)用（21世紀(jì)初）TOFD技術(shù)得以推廣應(yīng)用的先決條件TOFD技術(shù)得以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵主要是：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)。計(jì)算機(jī)技術(shù)：快速處理大量數(shù)據(jù)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)脈沖超聲探頭采用數(shù)字化記錄超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)1、能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存；2、便于采取各種信號(hào)處理操作，例如多樣的可視化顯示、信號(hào)增強(qiáng)、平均、疊加等；3、取用、再分析、通訊傳輸方便；4、精度高，抗干擾性強(qiáng)。模擬信號(hào)的局限性，容易失真，精度低，抗干擾能力差，遠(yuǎn)距離傳輸和大規(guī)模存儲(chǔ)困難，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的分析處理等壓電復(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??；（2）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q值低;（3）帶寬大（80%～100%）；（4）機(jī)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(nèi)特性穩(wěn)定；（7）可加工形狀復(fù)雜的探頭，僅需簡(jiǎn)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（因這些參數(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）；（10）可通過(guò)陶瓷體積率的變化，調(diào)節(jié)超聲波靈敏度。合格的TOFD成像缺陷檢出率手工UT：50～70％；RT：70～80％；TOFD：70～90％；機(jī)械掃查UT+TOFD：80～95％。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(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)。衍射現(xiàn)象裂紋衍射波衍射波入射波反射波向各個(gè)方向傳播能量低TOFD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（與PE相比）缺陷的衍射信號(hào)與缺陷的方向無(wú)關(guān)。缺陷的定量不依賴于缺陷的回波幅度。精確測(cè)量衍射波的傳播時(shí)間來(lái)確定缺陷的尺寸和位置，對(duì)面狀缺陷自身高度的測(cè)量精度很高。（對(duì)于自然裂紋自身高度測(cè)量精度為±1mm，對(duì)于監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展測(cè)量精度為±0.3mm。缺陷長(zhǎng)度的測(cè)量精度與PE相當(dāng)±5mm）檢測(cè)數(shù)據(jù)有永久的數(shù)字記錄。檢測(cè)速度快，效率高。折射角度與衍射波幅度的關(guān)系折射角度與衍射波幅度的關(guān)系裂紋上尖端信號(hào)從0－65°單調(diào)增大，從65°~85°單調(diào)降低。波幅最大時(shí)的折射角為65°。裂紋下尖端的信號(hào)波幅曲線在20°和65°時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，在38°時(shí)，裂紋下尖端的信號(hào)波幅下降到最低。在45°~80°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。在45°～80°之間波幅的變化小于6dB?？v波探頭聲場(chǎng)特點(diǎn)1、縱波與橫波同時(shí)存在。由于TOFD技術(shù)采用縱波檢測(cè)，探頭折射角小于第一臨界角。這樣在探頭聲場(chǎng)中，同時(shí)存在縱波與橫波。2、大擴(kuò)散角和寬波束。探頭縱波具有很寬的波束。通過(guò)計(jì)算可以求出，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(chǎng)的強(qiáng)度比縱波大的多。TOFD檢測(cè)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(shí)別缺陷，以縱波波速計(jì)算缺陷深度，不會(huì)與橫波信號(hào)混淆。60°5MHz6mm波束模擬晶片尺寸與頻率對(duì)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(hào)時(shí)間差至少20個(gè)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(guò)兩個(gè)周期，減小盲區(qū)，提高時(shí)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。一般使用的TOFD探頭中心頻率為1～15MHz，晶片尺寸為3～20mm。常用的探頭角度為：45°、60°、70°TOFD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)A掃信號(hào)發(fā)射探頭接收探頭直通波LW上端點(diǎn)下端點(diǎn)底面反射波BW直通波(LW)：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)。缺陷信號(hào)：缺陷上、下端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射信號(hào)，在直通波和底面反射波之間，比底面反射波信號(hào)弱很多。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。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)還會(huì)產(chǎn)生各種波型轉(zhuǎn)換信號(hào)。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(cè)時(shí)如果只使用TOFD檢測(cè)，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(cè)的典型信號(hào)相位變化上端點(diǎn)下端點(diǎn)直通波LW底面反射波BW+-+-需要不檢波的A掃來(lái)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(gè)顯示的上、下端點(diǎn)衍射波相位是相反的。缺陷的下端點(diǎn)與直通波的相位是相同的。缺陷的上端點(diǎn)與底面反射波的相位是相同的。傳播時(shí)間發(fā)射探頭接收探頭SSdLWBWt0t0始脈沖t傳播時(shí)間發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t0缺陷深度發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t0缺陷自身高度發(fā)射探頭接收探頭2Sd1d2由于計(jì)算自身高度只需要測(cè)量時(shí)間,所以高度估計(jì)會(huì)很準(zhǔn)確。實(shí)際操作中，檢測(cè)裂紋±1-mm的精度是完全可以達(dá)到的(檢測(cè)人工缺陷時(shí)可以達(dá)到±0.1mm)。確定探頭間距聚焦深度：d=2/3D探頭間距：PCS=2S=2dtanq

=(4/3)Dtanqs2s=PCSqd=2/3DDA掃信號(hào)－灰度圖TypicallyusedforTOFD灰度圖一個(gè)8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換的灰度等級(jí)數(shù)值是256個(gè)，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(zhǎng)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(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平行掃查-B掃采用平行掃查可以對(duì)缺陷深度進(jìn)行更精確的定量，而且有助于對(duì)缺陷寬度和傾斜角度的判斷。焊縫TxRx波束方向掃查方向平行掃查當(dāng)探頭相對(duì)于缺陷對(duì)稱時(shí)時(shí)間最短。發(fā)射探頭接收探頭SSdt0t0x平行掃查上表面下表面B掃直通波這種掃查會(huì)產(chǎn)生典型的反向拋物線當(dāng)探頭相對(duì)于缺陷對(duì)稱時(shí)時(shí)間最短。圖形顯示B掃上表面內(nèi)壁A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(hào)可能隱藏在直通波信號(hào)之下，因此相當(dāng)于直通波信號(hào)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。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(hào)中看到，可能被底面回波信號(hào)掩蓋。在傳播時(shí)間相同軌跡上任意一點(diǎn)的信號(hào)都具有相同的時(shí)間在傳播時(shí)間相同軌跡上任意一點(diǎn)的信號(hào)都具有相同的時(shí)間檢測(cè)不到的缺陷TOFD檢測(cè)的精度時(shí)間誤差：探頭頻率5MHz，假定采樣頻率25MHz，則采用間隔0.04μs，時(shí)間誤差0.02μs，深度誤差0.02μs×5.95mm/μs＝0.1mmTOFD檢測(cè)的精度軸偏移誤差：8％發(fā)射探頭接收探頭SSt2t1相等時(shí)間的軌跡(t1+t2=2t)dmindmaxTOFD檢測(cè)的分辨率能夠識(shí)別兩個(gè)信號(hào)的最小距離。TOFD可以識(shí)別2～3個(gè)波長(zhǎng)。5MHz探頭，波長(zhǎng)1.1mm，分辨率2～3mm2mm的氣孔和夾渣無(wú)法分辨出上下尖端。1、上表面存在裂紋時(shí)，聲束無(wú)法從上表面通過(guò)，無(wú)側(cè)向波（LW）和上端點(diǎn)衍射波。2、下表面存在裂紋時(shí)，聲束無(wú)法從下表面通過(guò)，無(wú)內(nèi)壁反射波（BW）和下端點(diǎn)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(diǎn)衍射波合在一起。幾種典型的TOFD波形上表面開(kāi)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(kāi)了沒(méi)有側(cè)向波外表面開(kāi)口缺陷下表面開(kāi)口裂紋發(fā)射探頭接收探頭直通波LW尖端信號(hào)底面反射信號(hào)被隔開(kāi)了沒(méi)有底面反射波內(nèi)部面開(kāi)口缺陷與檢測(cè)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(hào)反射回波反射信號(hào)與檢測(cè)面平行的面狀缺陷內(nèi)部埋藏缺陷l

檢驗(yàn)是使用一對(duì)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(duì)于焊縫對(duì)稱布置。l

聲束在焊縫中傳播遇到缺陷時(shí)，缺陷會(huì)產(chǎn)生反射波，缺陷上下端點(diǎn)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(cè)量衍射波的傳輸時(shí)間和簡(jiǎn)單的三角方程為理論基礎(chǔ)，使用計(jì)算機(jī)來(lái)完成缺陷尺寸和位置的測(cè)量。TOFD檢測(cè)的特點(diǎn)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(hào)調(diào)為40～80％FSH.底面回波信號(hào)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(kāi)有側(cè)橫孔、開(kāi)口槽的試塊來(lái)調(diào)整。用有上表面開(kāi)口槽的試塊來(lái)調(diào)整，在信噪比滿足要求的情況下將上表面開(kāi)口槽下端點(diǎn)的衍射信號(hào)調(diào)到滿屏的60％FSH。數(shù)字化記錄TOFD記錄的是每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的完整的未經(jīng)修正的原始的數(shù)字化A掃信號(hào)?？捎谰糜涗浰袛?shù)據(jù)信號(hào)，包括檢測(cè)參數(shù)、校準(zhǔn)方式等?？蓪?duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高靈敏度、信噪比、易于識(shí)別缺陷?？蓪?duì)原始的檢測(cè)數(shù)據(jù)再分析，使用多樣的可視化顯示。TOFD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1、TOFD技術(shù)的可靠性好。2、TOFD技術(shù)的定量精度高。3、TOFD檢測(cè)簡(jiǎn)便快捷，檢測(cè)效率高。4、TOFD檢測(cè)系統(tǒng)配有自動(dòng)或半自動(dòng)掃查裝置，能夠確定缺陷與探頭的相對(duì)位置，信號(hào)通過(guò)處理可轉(zhuǎn)換為T(mén)OFD圖像。TOFD圖像更有利于缺陷的識(shí)別和分析。5、能全過(guò)程記錄信號(hào)，長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)，而且能高速進(jìn)行大批量信號(hào)處理。6、TOFD技術(shù)除了用于檢測(cè)外，還可用于缺陷擴(kuò)展的監(jiān)控，且對(duì)裂紋高度擴(kuò)展的測(cè)量精度極高，可達(dá)0.1mm。TOFD技術(shù)的局限性1、由于上、下表面存在盲區(qū)，TOFD技術(shù)對(duì)近表面缺陷和下表面缺陷，檢測(cè)的可靠性不夠。2、對(duì)缺陷定性比較困難，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，還要輔助其它檢測(cè)手段。TOFD技術(shù)比較有把握區(qū)分上表面開(kāi)口、下表面開(kāi)口及埋藏缺陷，但難以準(zhǔn)確判斷缺陷性質(zhì)。3、TOFD圖像識(shí)別和判讀比較難，數(shù)據(jù)分析需要豐富的經(jīng)驗(yàn)。4、對(duì)粗晶材料，例如奧氏體焊縫檢測(cè)比較困難，其信噪比較低。5、橫向缺陷檢測(cè)比較困難（焊縫余高）。6、復(fù)雜幾何形狀的工件檢測(cè)比較困難。7、點(diǎn)狀缺陷的尺寸測(cè)量不夠準(zhǔn)確。在線分析與離線分析

在線分析的優(yōu)點(diǎn)和局限性1、不需要使用額外的設(shè)備和軟件就能夠直接對(duì)缺陷進(jìn)行分析。2、在現(xiàn)場(chǎng)就能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行最快的診斷。3、對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)量分析時(shí)，采用儀器的鍵盤(pán)操控比較費(fèi)力。4、儀器屏幕較小，分辨率較低，操作人員容易疲勞，同時(shí)會(huì)影響測(cè)量精度和判讀結(jié)果。5、在線分析軟件的可擴(kuò)展性差，很難及時(shí)更新?lián)Q代。在線分析與離線分析離線分析的優(yōu)點(diǎn)和局限性1、計(jì)算機(jī)屏幕大，分辨率高，數(shù)據(jù)測(cè)量精度高。2、計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)大，結(jié)構(gòu)為人所熟悉，操作輕松方便。3、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間大，數(shù)據(jù)調(diào)用、存放、打包處理方便。4、計(jì)算機(jī)速度快，工作效率高。5、專(zhuān)可利用的軟件較多，分析處理功能強(qiáng)大，容易及時(shí)更新。6、需要使用額外的設(shè)備.7、現(xiàn)場(chǎng)使用不夠方便。TOFD標(biāo)準(zhǔn)1993年，英國(guó)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。1996年，美國(guó)AS