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1、第五章 TOFD技术的工艺参数,中国一重核电石化事业部 周凤革,5.1探头的选择,1、探头角度的选择 脉冲反射法对探头角度的选择原则： 脉冲回波法常用横波探头，波长较短 探头角度越大，探测声程越长，衰减也越大，厚工件不能使用大角度探头 保证能量和穿透力的情况下，尽量选择角度大一些的探头 ，利于裂纹缺陷的检出 TOFD检测技术 裂纹检出与探头角度无关 探头角度的选择应考虑：工件厚度、分辨力、深度测量精度、扫查覆盖范围,5.1探头的选择,1.1 TOFD探头角度与工件厚度的关系 按照2/3T法则，检测同样厚度的工件时，探 头角度大，PCS也大声程也长 检测深度增加时，声程随探头角度的增加而 快速增
2、加，衰减变大 声场的大小随着声程的增加而增加 规律与常规脉冲回波法一致,5.1探头的选择,1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系： TOFD信号测量精度是指测量信号达到时间的准确 性，其同时影响缺陷高度和缺陷深度 分辨力（纵向）是指能够识别的两个信号到达的 时间间隔或其所代表的最小距离 分辨力取决于脉冲信号的持续时间，一个脉冲信号 包含几个周期，时间分辨力就是这几个周期的时间， 距离分辨力就是这段时间超声波传播的距离,5.1探头的选择,1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系 对TOFD技术的非平行扫查，要求执行2/3T法则 探头角度越小，PCS也越小 PCS越小，直通波与底面反射波的时间间隔越
3、大 对同深度、同高度的缺陷： PCS越小，上、下端 点的时间间隔也越大 PCS越小，沿时间轴的信号分辨力就越高，深度 测量的精度也就越高,直通波,LW,上端点,下端点,底面波,BW,5.1探头的选择,5.1探头的选择,1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系 直通波与底面波之间的时间间隔t计算公式 ：,例如：检测厚度40mm工件 ，探头聚焦深度在2/3T时，直通波与底面波的时间范围如表1所示，从表中可以看出在45、60 、70 三种折射角度，以45 探头的时间差最大，分辨力最好。,5.1探头的选择,表1壁厚40mm探头聚焦深度在2/3T时直通波与底面波的时间范围,S,D,L,当工件厚度T固定时，
4、 随着探头角度增加，探头中心距 PCS也增加 直通波的声程2S、底面波的声程2L也分别增加 但直通波与底面波的时间间隔是减小的 随着时间间隔的减小，分辨力是降低的 在下面的公式中，D、c是固定的， t 随s的增加而减少,5.1探头的选择,5.1探头的选择,1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围 波束扩散范围与探头角度、晶片尺寸、频率有关 检测大厚度工件时，扫查覆盖范围还与声程有关 在上边界角没有达到90以前，探头的折射角越 大，波束扩散范围越大 大多数情况下， 70、60 探头比45 探头的 声束覆盖范围要大，初次检测时多使用60 70探头,5.1探头的选择,1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖
5、范围 如果探头的频率较低，晶片尺寸较小，使用折射角60 楔块的上边界角已达到90 ；如果这时进一步增加楔块角度到70 ，波速的覆盖范围反而减小。 例如：晶片尺寸3mm，频率5MHz的探头，折射角60 时的上、下边界角分别为90 和35.6 ； 同样晶片尺寸3mm，频率5MHz探头，折射角70 时的上、下边界角分别为90 和42. 。,5.1探头的选择,1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围 选择大角度探头必须注意的几个问题： 最优的衍射角度就在60 到70 之间 折射角为65 时，上尖端信号与下尖端信号波幅 均为最大 折射角在60 到70 之间时，分辨力也较好， 所以一般不采用折射角大于70
6、的探头 探头角度大PCS也大，对于厚工件声程变长导致 信号幅度的衰减很大，使检测变得困难,5.1探头的选择,1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围,表2探头角度变化导致的后果,5.1探头的选择,2、探头频率的选择探头脉冲信号持续时间越短，分辨力越高信号震动周期数相同的情况下，信号频率高，持续时间越短。TOFD技术要求采用短脉冲探头，使信号振动周期一般不超过两个缩短信号时间的有效措施就是提高频率,5.1探头的选择,2、探头频率的选择 在TOFD检测中，要求直通波与底面波的时间间隔 远远大于信号周期 在表1中，使用60 探头检测40mm工件，直通波 与底面波之间的时间间隔是5.42 s 对于1MH
7、z探头，一个振动周期的时间是1s，直通 波与底面波的时间间隔只有5个振动周期 对于5MHz探头，一个振动周期的时间是0.2s，直 通波与底面波之间的时间间隔有27个振动周期，能 够达到满意的效果,发射探头,接收探头,s,s,D,LW,BW,t0,t0,始脉冲,t,5.1探头的选择,5.1探头的选择,2、探头频率的选择直通波与底面反射波之间的时间间隔包含的信号周期数越多，深度分辨力就越高要获得高分辨力最好要达到30周期实际应用中，一般希望达到20周期通过增加频率可以很容易增加周期数频率增加时，衰减和噪声随之增加，波束扩散也将减小,5.1探头的选择,表3 聚焦不同深度的直通波与底面波之间的周期数,
8、5.1探头的选择,按照周期数要求，根据表3选择探头的频率： 对厚度10mm的工件，应选择频率20MHz 厚度在1025mm之间时，应选择频率157.5MHz 实际检测中并不使用这么高的频率 表4 中 583-6标准推荐值,5.1探头的选择,表4 TOFD检测中推荐的探头选择,5.1探头的选择,表5 频率变化导致的后果,5.1探头的选择,表6 频率5MHz，不同晶片尺寸探头的扩散角（-12dB）,5.1探头的选择,3、晶片尺寸的选择晶片尺寸小的探头可增大波束扩散角 减小晶片尺寸可获得大的覆盖区域晶片尺寸小有利于与工件接触。在大曲率薄工件中，小晶片探头的使用效果更好一些，如管道焊缝的检测小晶片发出
9、的超声脉冲能量小，仅适用于薄工件或厚壁焊缝最上一层扫查区的检测,5.1探头的选择,表7 探头晶片尺寸变化导致的后果,5.1探头的选择,4、探头选择小结 TOFD检测用探头应该是宽频带和短脉冲 直通波的脉冲长度以波幅10%测量应不超过2个周期 探头选择的主要参数是：频率、晶片尺寸、折射角 首要条件是获得足够的功率和信噪比，即选择较大的晶片尺寸和较低的频率 次要条件是声束覆盖和时间分辨力应满足要求,5.1探头的选择,选择探头频率的准则是直通波和底面波信号的时间窗口应达到20个信号周期 薄工件检测时，分辨力要求高而穿透力要求低，选用大角度、高频率、小尺寸晶片；厚工件与之相反 对粗晶材料选用低频探头
10、对大曲率工件，应选择小晶片尺寸 如欲提高检测效率，获得更大的波束覆盖范围，应选择低频、小晶片尺寸探头,5.1探头的选择,如欲获得更高的检测精度和深度分辨力，应选择高频率、小角度、更短的脉冲 同一组TOFD探头，一般都选择相同的频率、晶片尺寸、折射角 同一组探头，最重要的是保证两个探头的中心频率相同，其差值应在10%以内 中心频率是否就是峰值频率？P76页,5.1探头的选择,5、PCS的选择5.1影响探头PCS选择的因素 保证超声波能够达到和覆盖检测区域 保证裂纹尖端的衍射信号有足够的能量 保证能获得适当的分辨力,5.1探头的选择,5.2 PCS的选择原则对非平行扫查，首选使用2/3T聚焦法则，
11、可保证声场均匀覆盖最大区域对于平行扫查或特定区域的扫查，可不使用2/3T法则，此时往往把焦点定位于特定深度。此时PCS为： 2S=2dtan d为指定深度，为探头角度扫查面焊缝余高过宽，小的PCS会导致无法放置探头使用多对探头分区扫查时，应根据具体情况进行调整若即想缩短焦距,又要避免焦点上移,就需要改变探头角度,5.1探头的选择,5.3 探头PCS变化导致的后果,表9 探头角度不变，PCS变化导致的后果,5.2 扫查次数的选择,扫查次数的选择取决于要检测工件的厚度和需要覆盖的范围 对于厚工件，需要多对探头分层扫查 对于宽焊缝，有时需要增加偏置非平行扫查 为减少盲区，有时需要增加扫查次数（主要是
12、底面轴偏离盲区，增加偏置非平行扫查或平行扫查） 扫查的次数也取决于TOFD探头声束的覆盖范围,5.2 扫查次数的选择,1、检测区域 检测区域由其长度、高度和宽度表征。2、宽度区域 焊缝、热影响区和附加母材区域构成 不同标准对于应检测的宽度区域的规定不同,5.2 扫查次数的选择,2.1 JB/T4730.10-2010和 ASME 2235的规定： 当厚度200mm时，检测区域包括焊缝本身，及焊缝熔合线两侧各50mm的范围 当厚度200mm时，检测区域包括焊缝本身，及焊缝熔合线两侧各25mm或t中较小值的范围 特殊规定：如果满足一定的条件，检测区域可以减小到包括实际热影响区再加上焊缝两侧热影响区
13、以外6.4mm的部分,5.2扫查次数的选择,2.2 NVN-CEN/TS 14751中要求的检测区域为：在焊缝两侧至少10mm，或者热影响区的宽度，或者更大一点，但必须保证工件都被检测到2.3 验证：在试块上采用将扫查器偏置的方法，确定在焊缝宽度方向上的有效检测范围2.4 补偿方法：如果验证表明一次扫查无法覆盖宽度区域，可根据验证结果增加偏置扫查次数,5.2扫查次数的选择,2.5 增加偏置非平行扫查的目的焊缝宽度方向上满足标准规定的检测范围使底面轴偏离盲区满足要求使焊缝根部、宽度方向上的边缘处，声束入射角大于38对于特定的几何形状所造成的底面轴偏离盲区增大 ，如从外表面检测焊缝纵缝，减小盲区,
14、5.2扫查次数的选择,3、高度区域3.1检测方法： 在厚度范围内可分1个或几个TOFD检测区域 相邻区域内12dB声束至少有一定的重叠 对上、下表面盲区采取适当的补充检测 对声束不能覆盖的检测区域，应进行辅助检测，并且在检测工艺中注明 注意：在考试或工作中，如果焊缝有余高，应注明增加辅助检测,5.2 扫查次数的选择,3.2分区方法3.2.1等深度分区 不考虑探头尺寸、频率、波束扩散和盲区等，几个分区厚度相同 根据厚度和强制性的检测区域覆盖等因素去选择探头的参数 这种方法的代表标准为CEN/TS 14751 需要注意：采用此种分区方法检测厚壁焊缝时需要采用较大的PCS，此时近表面区的直通波一般较
15、弱，有时上表面盲区很大，常需要采用其它检测手段进行补充检测,5.2 扫查次数的选择,3.2.1 等深度分区（续）优势：1）计算相对比较简单，试块设计也比较简单 2）综合考虑了探头对不同深度缺陷的检出能力范围，检测效果较好 3）经试块验证，这种分区方法在试块上检测时每个通道的检测效果都能达到令人满意的水平，对于各检测区域间的覆盖也能被很好地验证。,5.2 扫查次数的选择,3.2.2不等深度分层 确定分层深度时，须考虑探头参数的影响、声束扩散和表面盲区 所分各区域厚度逐渐变化，第一对探头检测的深度范围较小， PCS也较小；后面探头检测的范围逐渐增大 这种方法的代表标准为最新版的JB/T4730.10 -2005、ASTM2373、ENV583-6注意：需要在探头参数上加以考虑，避免远场声束边缘区域灵敏度不足，同时需要在试块上验证检测效果。,5.2 扫查次数的选择,
