TOFD检测技术及标准

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1、TOFD衍射时差法 超声检测技术及标准 福建省特检院 张志超 2013年4月24日,A型脉冲反射式超声检测（PE）,利用声波：挑西瓜 超声波：大于20000Hz,PE检测的特点,比较大小，当量，波高相当的量。 16+9dB，2404dB，,PE检测的特点,超声波遇到界面有反射、折射衍射现象，就像光线。 焊缝检测一般用横波斜探头，既做发射又做接受。 缺陷的当量大小与超声波声束与缺陷的方向（夹角）关系很大，垂直时当量最大。,缺陷检出率试验,手工UT，4060； 射线，5560； X射线，5565； UT机械扫查，5585； TOFD，7585。 机械扫查UT+TOFD：8095。,什么是 TOFD

2、?,TOFD是Time of Flight Diffraction 的第一个英文字母的缩写，中文简称衍射时差法 。是上世纪七十年代由英国哈威尔无损检测中心根据超声波衍射现象首先提出来的，检测时使用一对或多对宽声束探头，每对探头相对焊缝对称布置（一发一收），声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生反射波和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波，通过测量衍射波传播时间，利用三角方程来确定出缺陷的尺寸和位置。,TOFD的典型设置,发射探头,接收探头,探头架,l检验是使用一对宽声束、宽频带、纵波斜探头，探头频率高于脉冲回波法（PE）的探头频率，探头相对于焊缝对称布置。 l声束在焊缝中传播遇到缺陷时，缺陷会产生反射

3、波，缺陷上下端点产生衍射波，衍射波比反射波低2030dB。接收探头具有极高的灵敏度，接收衍射波和反射波。 l以精确测量衍射波的传输时间和简单的三角方程为理论基础，使用计算机来完成缺陷尺寸和位置的测量。,TOFD检测的特点,TOFD技术的优点（与PE相比）,缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关。 缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度。 对面状缺陷自身高度的测量精度很高。（对于自然裂纹自身高度测量精度为1mm，缺陷长度的测量精度与PE相当5mm）。 检测数据有永久的数字记录。 检测速度快，效率高，可靠性好。,纵波探头声场特点,1、纵波与横波同时存在。由于TOFD技术采用纵波检测，探头折射角小于第一临界角。这

4、样在探头声场中，同时存在纵波与横波。 2、大扩散角和宽波束。探头纵波具有很宽的波束。,TOFD技术的局限性,工件上、下表面存在盲区（几个毫米，与设置有关 ）。 缺陷定性比较困难（需要丰富的经验，还要辅助其它检测手段）。 TOFD图像识别和判读比较难，数据分析需要丰富的经验 横向缺陷检测比较困难（焊缝余高）。 复杂几何形状的工件检测比较困难。 对粗晶材料（奥氏体焊缝）检测比较困难，信噪比较低。 点状缺陷的尺寸测量不够准确。,TOFD标准,1993年，英国BS7706标准中规定了用TOFD法进行缺陷定量评价的具体程序和要求。1996年，美国ASME规范在案例2235中对AUT（包括TOFD）法检测

5、压力容器焊缝的方法和验收条件作出了详细规定。1999年ASME规范修订版中，明确提出允许在UT中用AUT（包括TOFD）取代RT。2000年ASME规范第I卷（动力锅炉）也允许用AUT取代RT，用TOFD法记录焊缝检测结果。2000年欧共体也在原英国标准BS7706：1993基础上，制订了有关焊缝TOFD法检测的现行标准ENV583-6：2000超声衍射波时差法用于缺陷检出和定量。,TOFD检测标准,BS7706(1993)超声波衍射时差技术的设置以及校准标准中规定了用TOFD法进行缺陷定量评价的具体程序和要求。 ENV583-6(2000)超声波衍射时差法用于缺陷检出和定量。 NVN-CEN

6、/TS 14751焊接- TOFD技术用于焊缝检测，计划于2007年替代BS7706和ENV583-6成为正式的欧洲标准。 ASME Section ，Article 4 (2004) ASTM E 2373(2004 )超声衍射时差技术,TOFD验收标准,ASME 2235 （2004） 美国的验收标准，用于幅度法和非幅度法。 NEN 1822（2004） 欧洲的验收标准，仅用于TOFD。 国内TOFD标准2006年成立编写组，计划2007年完成。 国家能源局于2010年8月27日发布了NB/T47013.10-2010（JB/T4730.10）第10部分：衍射时差法超声检测，该标准于 20

7、10年12月15日实施。,衍射现象,裂纹,衍射波,衍射波,入射波,反射波,向各个方向传播 能量低,晶片尺寸与频率对探头性能的影响,小晶片，扩散角大，覆盖范围大。 频率高，扩散角小，覆盖范围小。 另一方面，频率高，周期短，容易满足直通波与底波信号时间差至少20个周期的要求，这可使直通波与底波回波在10以上的波幅不超过两个周期，减小盲区，提高时间分辨率。 综合考虑晶片尺寸与探头频率，根据标准规定选择。 厚度6300mm；晶片尺寸220mm；中心频率115MHz。,探头的中心频率,探头的带宽,探头的频谱,宽频带探头的波长,晶片尺寸与频率对探头性能的影响,q2,q2,q2,Sinq1 = C1 Sin

8、q2 C2,Refraction :,声束在探头楔 块中的扩散角:,q1,q1,q1,q,波束扩散模拟,600 纵波探头 6mm 圆晶片 在碳钢中进行波束模拟,605MHz 6mm波束模拟,TOFD检测为什么使用纵波而不用横波探头,纵波传播速度快，几乎是横波的两倍，最先到达接收探头，容易识别缺陷，以纵波波速计算缺陷深度，不会与横波信号混淆。,TOFD: 典型的设置,A扫信号,发射探头,直通波(又称侧向波)(LW)：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路程最短，最先到达。焊缝余高 底面反射波(BW)：纵波在底面的反射波。因其传播距离比直通波大，总是在直通波之后。 缺陷信号：缺陷上、下端点产生的

9、衍射信号，在直通波和底面反射波之间，比底面反射波信号弱很多。 变形波信号：横波经底面放射转换为纵波以及纵波经底面放射转换为横波的信号。由于横波速度较慢，在底面反射波之后出现，但波幅相当大。 由于直通波(LW)和底面反射波(BW)的存在，检测时如果只使用TOFD检测，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米左右，近表面的盲区大于底面的盲区。,TOFD检测的典型信号,TOFD检测的典型信号,相位变化,直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的。 每一个显示的上、下端点衍射波相位是相反的。 缺陷的下端点与直通波的相位是相同的。 缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的。,相位变化,上端点,下端点,

10、需要不检波的A扫来显示相位的变化,传播时间,传播时间,发射探头,接收探头,缺陷深度,发射探头,缺陷自身高度,由于计算自身高度只需要测量时间, 所以高度估计会很准确。 实际操作中，检测裂纹 1-mm 的精度是完全可以达到的 (检测人工缺陷时可以达到 0.1 mm )。,确定探头间距,聚焦深度： d = 2/3 D 探头间距： PCS =2S=2d tanq = (4/3)D tanq,灰度图,一个8比特的数字转换器，用数字127(纯白色)代表+100FSH，用数字0(中间灰)代表0FSH，用数字-128(纯黑色)代表-100FSH。,A扫信号灰度图,Typically used for TOFD

11、,典型的TOFD图像,B扫C扫D扫,常规扫查方式,非平行扫查或D扫：扫查方向与声束方向垂直。 平行扫查或B扫：扫查方向与声束方向平行。,非平行扫查-D扫,非平行扫查主要用于缺陷定位和长度方向的定量，但是在高度方向上的定量不精确。,典型的D扫视图,D 扫所看到的视图,D扫描用于采集焊缝及两侧母材中的缺陷 D扫描视图不能判断出缺陷在焊缝中的横向位置,平行扫查-B扫,采用平行扫查可以对缺陷深度进行更精确的定量，而且有助于对缺陷宽度和倾斜角度的判断。,焊缝,Tx,Rx,波束方向,扫查方向,平行扫查,当探头相对于缺陷对称时时间最短 。,平行扫查,上表面,下表面,B扫,直通波,这种扫查会产生典型的 反向抛

12、物线,典型的B扫视图,图形显示,D扫,灵敏度的设置,根据标准规定设置。 把直通波的信号调为4080FSH. 底面回波信号大于满屏高度的1830dB。 调节晶粒噪声为满屏的510FSH。 用有上表面开口槽的试块来调整，在信噪比满足要求的情况下将上表面开口槽下端点的衍射信号调到满屏的60FSH。,采样频率,尼奎斯特（Nyquist）极限：采样频率至少为模拟信号频率的两倍，即每半个周期至少有一个取样点。信号不失真的最低条件。,采样频率,采样频率越高，重构的波形越精确，数据量越大，所需的存储空间越大，扫描速度越低。 实际检测时，采样频率为探头频率的5倍。,数字化记录,TOFD记录的是每个检测点的完整的

13、未经修正的原始的数字化A扫信号。 可永久记录所有数据信号，包括检测参数、校准方式等。 可对采集的数据进行处理，提高灵敏度、信噪比、易于识别缺陷。 可对原始的检测数据再分析，使用多样的可视化显示。,近表面盲区,由于近表面缺陷的信号可能隐藏在直通波信号之下，因此相当于直通波信号的深度是盲区。 5MHz探头，周期0.2s，PCS=100mm，工件厚度40mm，直通波为两倍周期0.4s，则盲区为11mm。 减小近表面盲区的措施：减小PCS，窄脉冲探头，直通波去除。,底面盲区,偏离焊缝中心的缺陷很难在D扫描的底面反射信号中看到，可能被底面回波信号掩盖。 在传播时间相同轨迹上任意一点的信号都具有相同的时间

14、,TOFD检测的精度,时间误差： 探头频率5MHz，假定采样频率25MHz，则采用间隔0.04 s，时间误差0.02 s，深度误差0.02 s 5.95mm/ s0.1mm,TOFD检测的精度,轴偏移误差：8,发射探头,接收探头,S,S,t2,t1,相等时间的轨迹 (t1+t2=2t),TOFD检测的分辨率,能够识别两个信号的最小距离。 TOFD可以识别23个波长。 5MHz探头，波长1.1mm，分辨率23mm 2mm的气孔和夹渣无法分辨出上下尖端。,1、上表面存在裂纹时，声束无法从上表面通过，无侧向波（LW）和上端点衍射波。 2、下表面存在裂纹时，声束无法从下表面通过，无内壁反射波（BW）和下端点衍射波。 3、水平方向的平面形缺陷 (层间未熔, 冷夹层) 上下端点衍射波合在一起。,几种典型的TOFD波形,上表面开口裂纹,发射探头,接收探头,没有直通波,外 表 面 开 口 缺 陷,下表面开口裂纹,发射探头,接收探头,内 部 面 开 口 缺 陷,与检测面平行的平面形缺陷(层间未熔, 冷夹层),发射探头,接收探头,与 检 测 面 平 行 的 面 状 缺 陷,内 部 埋 藏 缺 陷,谢谢大家！,