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1、衍射时差法超声检测技术衍射时差法超声检测技术(TOFD技术）技术）张平张平2012年年11月月28日日 北京北京第一章第一章 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.1 TOFD技术的发展历史和衍射基本原理技术的发展历史和衍射基本原理1.1.1 TOFD技术的发展历史衍射时差法超声检测技术（衍射时差法超声检测技术（Time of Flight Diffraction Technique，英文，英文 TOFD技术）依靠超技术）依靠超声波与缺陷尖端或端部相互作用后，而发出的衍射声波与缺陷尖端或端部相互作用后，而发出的衍射波来检测缺陷并对缺陷进行定位、定量的一种无损波来检测缺陷并对缺陷进行定位、定量
2、的一种无损检测技术。检测技术。定义：定义： TOFD技术是一种基于衍射信号实施检测的技术是一种基于衍射信号实施检测的技术。技术。1.1.1 TOFD技术的发展历史关于关于TOFD 的不同翻译：的不同翻译：中文翻译为衍射时差法超声检测技术衍射时差法超声检测技术； GB/T 12604.1:2005（等同ISO 5577:2000）翻译为衍射声时；衍射声时；物理学术语翻译为衍射渡越时间；衍射渡越时间；1.1.1 TOFD技术的发展历史缺陷的衍射信号与什么无关？缺陷的衍射信号与什么无关？ 1、与衍射信号的角度无关、与衍射信号的角度无关 2、与衍射信号的幅度无关、与衍射信号的幅度无关因为衍射信号与角度
3、和振幅无关，所以，因为衍射信号与角度和振幅无关，所以，TOFD技术在原理和方法上与传统脉冲反射超技术在原理和方法上与传统脉冲反射超声波检测技术有根本性的区别。声波检测技术有根本性的区别。1.1.1 TOFD技术的发展历史传统超声检测技术是：传统超声检测技术是： 1、根据缺陷反射信号检出缺陷、根据缺陷反射信号检出缺陷 2、根据缺陷幅度评定缺陷尺寸、根据缺陷幅度评定缺陷尺寸影响缺陷的定量因素：影响缺陷的定量因素： 1、入射声束角度、入射声束角度 2、检测方向、检测方向 3、缺陷表面粗超度、缺陷表面粗超度 4、工件表面状态、工件表面状态 5、探头的压力、探头的压力1.1.1 TOFD技术的发展历史T
4、OFD技术发展历程技术发展历程 A、20世纪世纪70年代年代摸索、完善、装备研发阶段，摸索、完善、装备研发阶段，经历了约经历了约10年的时间。年的时间。 B、 20世纪世纪90年代年代开始应用阶段；开始应用阶段； C、 20世纪世纪90年代到年代到21世纪初世纪初大规模应用推广大规模应用推广阶段；大约又经过阶段；大约又经过10年的时间，功能强大的便携式年的时间，功能强大的便携式TOFD仪器问世。仪器问世。1.1.1 TOFD技术的发展历史一、一、TOFD技术在我国的应用情况技术在我国的应用情况 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术固定式压力容器安全技术监察规程监察规程于于200
5、9年年12月月1日起施行，做出如日起施行，做出如下规定：下规定：4.5 无损检测无损检测4.5.1 无损检测人员无损检测人员无损检测人员应当按照相关技术规范进行考核无损检测人员应当按照相关技术规范进行考核取得相应资格证书后，方能承担与资格证书的取得相应资格证书后，方能承担与资格证书的种类和技术等级相对应的无损检测工作。种类和技术等级相对应的无损检测工作。1.1.1 TOFD技术的发展历史4.5.3 压力容器焊接接头无损检测压力容器焊接接头无损检测4.5.3.1 无损检测方法的选择无损检测方法的选择(1)压力容器的对接接头应当采用射线检测压力容器的对接接头应当采用射线检测或者超声检测，超声检测包
6、括衍射时差法或者超声检测，超声检测包括衍射时差法超声检测（超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法）、可记录的脉冲反射法超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检测；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测时，应当采用射线检测或者衍射时差法测时，应当采用射线检测或者衍射时差法超声检测做为附加局部检测；超声检测做为附加局部检测；1.1.1 TOFD技术的发展历史二、二、TOFD检测人员的培训和资格鉴定情况检测人员的培训和资格鉴定情况2007年国家质监总局发布国质检特函年国家质监总局发布国质检特函402号号“关关于进一步完善锅炉压力容器压
7、力管道安全监察工于进一步完善锅炉压力容器压力管道安全监察工作的通知作的通知” 中，第六条中，第六条关于关于TOFD方法的应用方法的应用，对现场制造壁厚度，对现场制造壁厚度60mm以上的压力容器，以上的压力容器，可以采用可以采用TOFD检测方法替代射线法进行无损检检测方法替代射线法进行无损检测。从事测。从事TOFD检测的无损检测机构必须符合以检测的无损检测机构必须符合以下条件：下条件：1.1.1 TOFD技术的发展历史1、在我国、在我国TOFD无损检测标准未公布前，应当参无损检测标准未公布前，应当参照国外成熟标准制订企业标准，经全国锅压标委照国外成熟标准制订企业标准，经全国锅压标委会审核通过后，
8、进行备案。会审核通过后，进行备案。2、从事、从事TOFD检测的无损检测机构至少应具有检测的无损检测机构至少应具有UT-级人员级人员1名，名，UT-级资格级资格4年以上（含年以上（含4年）年）人员人员2名，作为名，作为TOFD检测责任人和操作复核人员。检测责任人和操作复核人员。3、从事、从事TOFD检测人员应当具有检测人员应当具有UT级资格级资格4年年以上（含以上（含4年），其年），其TOFD操作技能经全国无损检操作技能经全国无损检测考核委员会考核合格。测考核委员会考核合格。从从2003年初全国考委会举办年初全国考委会举办TOFD-II级人员培训级人员培训考核到现在，全国已有近考核到现在，全国已
9、有近550人持有人持有TOFD-II级资级资格证书。格证书。 1.1.1 TOFD技术的发展历史TSG特种设备安全技术规范特种设备安全技术规范TSG Z8001-2011特种设备无损检测人员考核规则特种设备无损检测人员考核规则(征求意见稿征求意见稿)中将超声检测分为：中将超声检测分为：A、脉冲反射法超声检测、脉冲反射法超声检测、B、衍射时差法超声检测、相控阵超声检测、衍射时差法超声检测、相控阵超声检测和奥氏体焊缝超声检测，和奥氏体焊缝超声检测，C、超声检测专项检测，包括板材类、无缝、超声检测专项检测，包括板材类、无缝管材类、焊接管材类、锻件类、板材类管材类、焊接管材类、锻件类、板材类1.1.1
10、 TOFD技术的发展历史三、三、TOFD检测仪器情况检测仪器情况国外产品1、以色列、以色列Sonotron NDT公司产品公司产品Isonic2005型、型、2008型检型检测仪测仪2、加拿大R/D Tech公司产品公司产品Omnisacn MX TOFD检测仪检测仪3、美国物理声学公司（、美国物理声学公司（PAC）公司）公司4、美国、美国AIS公司公司NB2000-MC八通道超声波检测设备引进国内八通道超声波检测设备引进国内国内产品国内产品1、武汉中科创新公司于、武汉中科创新公司于2005年研制了年研制了HS800便携式便携式TOFD超超声波检测仪，声波检测仪，2008年年7通道的仪器已经投
11、入了检测市场通道的仪器已经投入了检测市场2、南通友联公司开发了、南通友联公司开发了PXUT-900便携式便携式TOFD检测仪，该仪检测仪，该仪器具有三种操作模式、器具有三种操作模式、U盘恢复等优点。盘恢复等优点。1.1.1 TOFD技术的发展历史四、四、TOFD标准的制定情况标准的制定情况 1、国际标准、国际标准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案例中，明确提出允许使用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
12、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。2001年，日本制定了NDIS2423：2001超声波衍射时差技术(TOFD)用于缺陷高度测量的方法。1.1.1 TOFD技术的发展历史2、国内标准、国内标准目前，我国正在修订蒸汽锅炉安全技术监察规程和已颁布的固定式压力容器安全技术监察规程已经将TOFD技术方法纳入正式条文。2004年中国一重与中国特检院合作编制的第一份年中国一重与中国特检院合作编制的第一份企业标准通过全国锅容标委的审查和备案。目前，企业标准通过全国锅容标委的审查和备案。目前，国内有国内有8
13、个单位拥有个单位拥有TOFD企业标准。企业标准。国家能源局于国家能源局于2010年年8月月27日发布了日发布了NB/T47013.10-2010（JB/T4730.10）第）第10部分：部分：衍射时差法超声检测，该标准于衍射时差法超声检测，该标准于 2010年年12月月15日实施。日实施。1.1.2 衍射现象衍射现象一、衍射定义一、衍射定义 波在传播路径中遇到障碍物，发生绕过障波在传播路径中遇到障碍物，发生绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象，称为波的衍碍物，产生偏离直线传播的现象，称为波的衍射。衍射也是波在传输过程中与界面作用而发射。衍射也是波在传输过程中与界面作用而发生的不同于反射的另一种物
14、理现象。生的不同于反射的另一种物理现象。干涉和衍射的本质：干涉和衍射的本质： 干涉是分离的有限多束波的相干叠加；衍射干涉是分离的有限多束波的相干叠加；衍射是波阵面上无限多子波连续的相干叠加，也可是波阵面上无限多子波连续的相干叠加，也可以说衍射是无数个干涉的综合效果。以说衍射是无数个干涉的综合效果。1.1.2 衍射现象衍射现象二、惠更斯菲涅尔原理：二、惠更斯菲涅尔原理：惠更斯惠更斯提出，介质上波阵面上的各点，都可提出，介质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。菲涅尔
15、菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点的个面元都可视为子波的波源，在空间某点的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加。的叠加。1.1.2 衍射现象衍射现象裂纹衍射波衍射波入射波反射波裂纹的上下端点都裂纹的上下端点都可以产生衍射波。可以产生衍射波。 衍射波信号比反射衍射波信号比反射波信号弱得多，且波信号弱得多，且向空间的各个方向向空间的各个方向传播，即没有明显传播，即没有明显的指向性的指向性。图图1.1 裂纹端点衍射波示意图裂纹端点衍射波示意图1.1.2 衍射现象衍射现象惠更斯原理:缺
16、陷上的每一个点都产生出一个球面子波入射波使缺陷产生振动。1.1.2 衍射现象衍射现象图1.2 惠更斯原理的解释 由图示可见由图示可见:(1) 裂纹中部的反射波接近裂纹中部的反射波接近平面波，其波阵面由众平面波，其波阵面由众多子波源反射波叠加构多子波源反射波叠加构成成;(2) 裂纹尖端则没有叠加现裂纹尖端则没有叠加现象发生。象发生。定义：尖端独立的子波定义：尖端独立的子波源发出的超声波即为衍源发出的超声波即为衍射波。射波。衍射波的重要特点：衍射波的重要特点： 1、没有明显的方向性；、没有明显的方向性； 2、衍射波强度很弱。、衍射波强度很弱。 1.1.2 衍射现象衍射现象1.1.2 衍射现象衍射现
17、象缺陷端点形状对衍射的影响：缺陷端点形状对衍射的影响：（1）端点越尖锐，衍射特性越明显，）端点越尖锐，衍射特性越明显，（2）端点越圆滑，衍射特性越不明显，）端点越圆滑，衍射特性越不明显，（3）当端点圆半径大于波长（）当端点圆半径大于波长（d)时，主要体现时，主要体现的是反射特性。的是反射特性。1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化不同角度下衍射信号波幅的变化裂纹下尖端信号在折射角裂纹下尖端信号在折射角20和和65时时,波幅曲线出现两个峰；波幅曲线出现两个峰；在在38时时,波幅下降很大几乎为波幅下降很大几乎为零。零。裂纹上尖端信号在裂纹上尖端信号在0 65区区域单调增大，在域单调增大，在65时
18、波幅达时波幅达到最大值，从到最大值，从65 85单调降单调降低。低。折射角为折射角为65时，裂纹上、下时，裂纹上、下尖端信号波幅均达到最大值，尖端信号波幅均达到最大值，在在45 80区间，裂纹下尖端区间，裂纹下尖端的信号波幅大于上尖端的信的信号波幅大于上尖端的信号波幅。号波幅。 图1.3 衍射波波幅随着角度变化的曲线1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化不同角度下衍射信号波幅的变化综上所述综上所述(1) 衍射信号幅度随折射角的变化而变化。衍射信号幅度随折射角的变化而变化。(2)TOFD技术一般使用技术一般使用4570的探头，避开了的探头，避开了38角角度度，这就保证衍射信号的强度；因探头角度
19、这就保证衍射信号的强度；因探头角度70以以上时，会增大测量误差，所以，在实际上时，会增大测量误差，所以，在实际TOFD检测中检测中一般也不使用一般也不使用75以上的探头。以上的探头。(3) 由角度变化引起的信号波幅变化不大于由角度变化引起的信号波幅变化不大于6dB。1.1.3 不同角度下衍射信号波幅的变化不同角度下衍射信号波幅的变化折射角度与衍射波幅度的关系的总结折射角度与衍射波幅度的关系的总结:(1) 上尖端信号从上尖端信号从0 65单调增大，从单调增大，从65 85单调降单调降低。低。(2) 上尖端信号波幅最大处于折射角上尖端信号波幅最大处于折射角65。(3) 下尖端的信号波幅曲线出现两个
20、峰。在下尖端的信号波幅曲线出现两个峰。在20和和65时时波幅达到峰值。波幅达到峰值。(4) 下尖端的信号波幅在下尖端的信号波幅在38时时 ，波幅下降到最低。波幅下降到最低。(5) 在在45 80区间，裂纹下尖端的信号波幅略大于上区间，裂纹下尖端的信号波幅略大于上尖端的信号波幅。尖端的信号波幅。(6) 在此区间内，由角度变化而引起的信号波幅变化不在此区间内，由角度变化而引起的信号波幅变化不大于大于6dB。1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响图1.4 裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响1.1.4 关于关于
21、TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响响研究结果：试验中不断改变两探头中心线与裂纹的夹研究结果：试验中不断改变两探头中心线与裂纹的夹角，即使裂纹走向与两探头中心线不垂直，对衍射角，即使裂纹走向与两探头中心线不垂直，对衍射信号波幅不会产生严重影响。信号波幅不会产生严重影响。(1)夹角夹角由由9060时，时， TOFD衍射信号振幅降低衍射信号振幅降低1dB。(2)夹角夹角由由45 60 时，时，TOFD衍射信号振幅降低衍射信号振幅降低6分贝分贝。 1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知
22、识衍射信号的进一步知识 1、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响、裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响裂纹相对于探头中心线裂纹相对于探头中心线90 裂纹相对于探头中心线裂纹相对于探头中心线1351.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化 图图1.5上半部分所示为裂纹衍上半部分所示为裂纹衍射的几何布置。下半部为平射的几何布置。下半部为平底孔反射的几何布置，参考底孔反射的几何布置，参考反射体是一个直径为反射体是一个直径为3mm平底孔。平底孔。 在该模型中，衍射信号的振
23、在该模型中，衍射信号的振幅是裂纹倾斜角度的函数。幅是裂纹倾斜角度的函数。倾斜系数倾斜系数Ve以垂直检测表面以垂直检测表面为基准，为基准，Ve0对应于缺陷对应于缺陷垂直于检测平面。模型中的垂直于检测平面。模型中的缺陷是光滑的平面椭圆型裂缺陷是光滑的平面椭圆型裂纹。纹。1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识2、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化、裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化图图1.6显示了当显示了当-30VeVe+30时衍射波幅时衍射波幅度的变化。该图中有很重要的两点：度的变化。该图中有很重要的两点：第一点，在相同深度范围内衍射波的波幅第一点，在相同
24、深度范围内衍射波的波幅与直径为与直径为3的平底孔相当；其次，信号的平底孔相当；其次，信号随着缺陷倾角增加而加强。随着缺陷倾角增加而加强。第二点，垂直裂纹缺陷的衍射信号幅度最第二点，垂直裂纹缺陷的衍射信号幅度最小，当倾角小，当倾角V=90时会产生一个信号幅度时会产生一个信号幅度为为32dB的最大值。的最大值。衍射信号幅度随着倾角的增加也随之增加衍射信号幅度随着倾角的增加也随之增加。当当V趋近趋近90时，裂纹如同平底孔那样会形时，裂纹如同平底孔那样会形成反射波，两信号比近似等于它们的面积成反射波，两信号比近似等于它们的面积比。比。 计算表明当裂纹倾角计算表明当裂纹倾角为为30时，衍射信号时，衍射信
25、号幅度增加不超过幅度增加不超过3dB，这表明裂纹方向对，这表明裂纹方向对衍射时差法检测相对不敏感。衍射时差法检测相对不敏感。图1.6衍射信号幅度随倾斜角度的变化关系1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识3、裂纹偏离两探头中心时衍射信号幅度的变化在1983年Temple研究了，当裂纹的位置相对于两个探头的位置变化时，衍射信号波幅的变化情况：即使缺陷偏离两个探头之间的对称中心达到即使缺陷偏离两个探头之间的对称中心达到30mm，衍射信号仅比来自对称放置的直径为，衍射信号仅比来自对称放置的直径为3mm平底孔的信号降低平底孔的信号降低10dB。这说明裂纹偏离两探头中心对衍射
26、信号幅度没有太大的影响。1.1.4 关于关于TOFD衍射信号的进一步知识衍射信号的进一步知识4、横波检测裂纹端点衍射的最优入射角度、横波检测裂纹端点衍射的最优入射角度1983年研究结果：用横波在钢中检测垂直平年研究结果：用横波在钢中检测垂直平面裂纹，最优入射角度为：面裂纹，最优入射角度为：第一组：上端点为第一组：上端点为50 ，下端点为，下端点为55 。第二组：上端点为第二组：上端点为45 ，下端点为，下端点为57 。1.1.5 TOFD检测的声场分布不同位置的信号强度分布：不同位置的信号强度分布：(1)在在60的声束聚焦中心区域有最高的信号波幅；的声束聚焦中心区域有最高的信号波幅；(2)在在
27、4574范围可以得到适中的信号幅度；范围可以得到适中的信号幅度；(3)虚线内其余区域虽然可以得到信号，虚线内其余区域虽然可以得到信号，但波幅减小到但波幅减小到-24dB，特别是在靠近特别是在靠近表面的区域减小的更多。表面的区域减小的更多。波束覆盖范围主要是受探头波束 宽度的限制，可以通过使用小直 径的探头，或是使用更大折射角 探头（例如使用70折射角探头） 来增大波束覆盖的有效区域。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.1 TOFD技术的基本配置双探头的优点：双探头的优点：(1) 可避免镜面反射信号掩盖衍可避免镜面反射信号掩盖衍射波信号，从而在任何情况射波信号，从而在任何情况下都
28、能很好地接收端点衍射下都能很好地接收端点衍射波信号，波信号，(2) 测定反射体的准确位置和深测定反射体的准确位置和深度，度，(3) 易于实现大范围扫查，快速易于实现大范围扫查，快速接收大量信号。接收大量信号。双探头系统是双探头系统是TOFD技术的基技术的基本配置和特征。本配置和特征。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识TOFD技术技术的典型设置的典型设置发射探头接收探头直通波上端点下端点底面反射信号1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.1 TOFD技术的基本配置 实践证明：在常规技术中实践证明：在常规技术中 采用一个探头也能发射超采用一个探头也能发射超 声波和接收衍射波
29、，通常声波和接收衍射波，通常 情况下，反射信号，比衍情况下，反射信号，比衍 射信号波幅高，射信号波幅高，624dB, 对单探头而言对单探头而言,接收到的接收到的 端点衍射波信号可能被反端点衍射波信号可能被反 射信号掩盖，因此衍射波射信号掩盖，因此衍射波信号是否能看到具有不确定性（如图信号是否能看到具有不确定性（如图1.9） 。总之，单探头对端点衍射波信号接收不利，难以实现大范总之，单探头对端点衍射波信号接收不利，难以实现大范围检测，也难以快速测定反射体的准确位置和深度。围检测，也难以快速测定反射体的准确位置和深度。虽然，单探头是可以进行缺陷检测的，但虽然，单探头是可以进行缺陷检测的，但TOFD
30、技术不采用技术不采用这种方法。这种方法。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.2 TOFD技术使用的探头TOFD探头的特点：探头的特点： (1) 采用小尺寸芯片的大扩散角探头；采用小尺寸芯片的大扩散角探头； (2) 要有良好的发射和接收性能；要有良好的发射和接收性能； (3) 应具有宽频带和窄脉冲特性应具有宽频带和窄脉冲特性 。TOFD探头一般使用的频率范围是探头一般使用的频率范围是1MHz15MHz，芯片尺寸范围是芯片尺寸范围是3mm 20mm，通过楔块在钢铁，通过楔块在钢铁中形成中形成4570的不同角度的折射纵波。的不同角度的折射纵波。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的
31、基本知识1.2.2 TOFD技术使用的探头纵波探头声场特点：纵波探头声场特点：(1) 纵波与横波同时存在。纵波与横波同时存在。 (2) 大扩散角和宽波束大扩散角和宽波束。 (3) 横波声场的强度比纵波大的多横波声场的强度比纵波大的多。图1.11 频率5MHz，芯片直径6mm，折射角60的探头在钢中的声场分布1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.2 TOFD技术使用的探头TOFD技术使技术使用的典型超声用的典型超声探头，是将一探头，是将一个压电传感器个压电传感器安装在有机玻安装在有机玻璃或其它类似璃或其它类似材料的楔块上材料的楔块上组成探头。压组成探头。压电传感器大多电传感器大多采
32、用复合材料。采用复合材料。 压电复合材料制作的探头有以下优点压电复合材料制作的探头有以下优点（1）横向振动很弱，串扰声压小；）横向振动很弱，串扰声压小；（2）机械品质因数）机械品质因数Q值低值低;（3）带宽大（）带宽大（80%100%）；）；（4）机电耦合系数值大；）机电耦合系数值大；（5）灵敏度高，信噪比优于普通）灵敏度高，信噪比优于普通PZT探头；探头； （6）在较大温度范围内特性稳定；）在较大温度范围内特性稳定； （7）可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术；）可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术；（8）声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数易于改变（因）声速、声阻抗、相
33、对绝缘常数及机电系数易于改变（因这些参数相关于陶瓷材料的体积率）；这些参数相关于陶瓷材料的体积率）；（9）易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）；）易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）；（10）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型在各种波中，纵波的传播速度最快，几乎是横波的在各种波中，纵波的传播速度最快，几乎是横波的两倍，从而能够领先于其它种类的波，在最短时间两倍，从而能够领先于其它种类的波，在最短时间内到达接收探头。内到达接收探头。使用纵波并利用纵波波速计算缺使
34、用纵波并利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结果是唯一的。陷的深度得到的结果是唯一的。TOFD检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为了避免回波信号难以识别的困难了避免回波信号难以识别的困难。使用纵波并利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结使用纵波并利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结果是唯一的果是唯一的。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型设想设想:探头发射的纵波探头发射的纵波 进入工件，其中一部进入工件，其中一部 分转换为折射纵波分转换为折射纵波C， 另一部分转换成折射另一部分转换成折射 横波横波S。工件中传播的。
35、工件中传播的 纵波纵波C遇到缺陷遇到缺陷A和和B， 可能产生缺陷可能产生缺陷A的的CCA和和CSA，以及缺陷，以及缺陷B的的CCB和和CSB； 同样同样,工件中传播的横波工件中传播的横波S遇到缺陷遇到缺陷A和和B, 可能产生包括缺陷可能产生包括缺陷A的的SCA和和SSA，以及缺陷，以及缺陷B的的SCB和和SSB。这样。这样,工件中传播的信号工件中传播的信号就包括了就包括了CCA、CSA、CCB、CSB、SCA、SCB、SSA、SSB，这些信号都可能被探头接收到，按信号的传播速度，信号在时这些信号都可能被探头接收到，按信号的传播速度，信号在时间轴上的排列次序如图间轴上的排列次序如图1.12所示。
36、所示。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型由于由于TOFD检测是以波的传输时间来确定缺陷深度检测是以波的传输时间来确定缺陷深度的，因此信号传输时间与缺陷深度必须有唯一性。的，因此信号传输时间与缺陷深度必须有唯一性。在金属材料中，纵波最先到达接收探头。依据纵波在金属材料中，纵波最先到达接收探头。依据纵波信号（信号（CCA、CCB）识别缺陷和以纵波波速计算其）识别缺陷和以纵波波速计算其深度，就不会与横波信号（深度，就不会与横波信号（CSA、CSB、SCA、SSA、SCB、SSB）或变形波信号混淆，也不会发）或变形波信号混淆，也不会发生计算出错误的缺陷
37、深度。生计算出错误的缺陷深度。TOFD检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为检测不使用横波而使用纵波，其目的也是为了避免回波信号难以识别的困难。了避免回波信号难以识别的困难。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型按图按图1.12（b）所示模型，可大致估算纵波与横波信号的传输时间差。）所示模型，可大致估算纵波与横波信号的传输时间差。设：缺陷设：缺陷A、B分别在工件上、下表面，且在两探头之间的中线分别在工件上、下表面，且在两探头之间的中线上，主声束与底面法线夹角为上，主声束与底面法线夹角为45，近似认为横波声速为纵波一，近似认为横波声速为纵波一半，则
38、：假如经缺陷半，则：假如经缺陷A的纵波信号的纵波信号CCA的传输时间近似于直通的传输时间近似于直通波的传输时间波的传输时间2t，那么经过缺陷，那么经过缺陷B的纵波信号的纵波信号CCB的传输时间的传输时间近似于底波的传输时间就为近似于底波的传输时间就为2.8t；经过缺陷；经过缺陷A的变形波的变形波CSA或或SCA的信号传输时间为的信号传输时间为3t；经过缺陷；经过缺陷B的变形波信号（的变形波信号（CSB或或SCB）传输时间为）传输时间为4.2t；而横波信号；而横波信号SSA、SSB分别为分别为4t和和5.6t。可见，位于两探头中间的缺陷，其产生的横波信号始终在底波可见，位于两探头中间的缺陷，其产
39、生的横波信号始终在底波之后，不会对纵波信号产生干扰；在声束经过的大部分区域，之后，不会对纵波信号产生干扰；在声束经过的大部分区域，即使产生变形波信号也将在底波之后，不会对纵波信号产生干即使产生变形波信号也将在底波之后，不会对纵波信号产生干扰，只有在靠近其中一个探头附近的很小区域内产生的变形波扰，只有在靠近其中一个探头附近的很小区域内产生的变形波信号可能在底波之前出现。信号可能在底波之前出现。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.3 TOFD技术采用的超声波波型综上所述，在综上所述，在TOFD检测时，工件中存在多种检测时，工件中存在多种波：首先是探头发射的纵波和横波；其次在波波：首
40、先是探头发射的纵波和横波；其次在波的传播过程中，遇到缺陷，底面，或其它不同的传播过程中，遇到缺陷，底面，或其它不同声阻抗的界面，会发生波型转换。因此，到达声阻抗的界面，会发生波型转换。因此，到达接收探头的信号包括：接收探头的信号包括：所有纵波、所有横波、所有纵波、所有横波、波型转换后的一部分纵波和一部分横波。波型转换后的一部分纵波和一部分横波。 为什么TOFD检测使用纵波而不用横波探头?1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号图1.13所示为TOFD技术应用时，波型种类和传播路径的示意图图1.13 TOFD技术的波传播路径1.2 TOFD技术的基本知识技
41、术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号图1.14所示为TOFD技术应用时，A扫信号的示意图图1.14 TOFD技术的A扫信号1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号发射探头接收探头直通波直通波LW上端点上端点下端点下端点底面反射波底面反射波BW1 1、直通波：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路程最逗，、直通波：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路程最逗，最先到达。当探头间距较大时，直通波可能非常微弱，甚至不能最先到达。当探头间距较大时，直通波可能非常微弱，甚至不能识别。由于识别。由于TOFD扫查所发射和接收的信号在近表面区有较大的扫查
42、所发射和接收的信号在近表面区有较大的压缩，因此这些区域的一些有用信号可能隐藏在直通波下。直通压缩，因此这些区域的一些有用信号可能隐藏在直通波下。直通波的频率比声束中心的频率低。波的频率比声束中心的频率低。2、缺陷信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底面、缺陷信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底面反射波之间，比直通波信号强，比底面反射波信号弱。为提高小反射波之间，比直通波信号强，比底面反射波信号弱。为提高小缺陷的上尖端和下尖端信号的分辨能力，可采取减少信号周期的缺陷的上尖端和下尖端信号的分辨能力，可采取减少信号周期的措施。措施。 3、底面反射波：纵波在底面的反射波。因传播距
43、离比直通波长，、底面反射波：纵波在底面的反射波。因传播距离比直通波长，所以在直通波之后出现。如果探头的波束只发射到金属材料的上所以在直通波之后出现。如果探头的波束只发射到金属材料的上部分或者工件没有合适底部进行反射，则底面反射波可能不存在部分或者工件没有合适底部进行反射，则底面反射波可能不存在。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.4 TOFD声场中的A扫信号4、波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号之间会、波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号之间会产生各种波型转换信号，波型转换信号
44、到达接收探头时间比产生各种波型转换信号，波型转换信号到达接收探头时间比底面纵波反射信号长，但比底面反射波型转换信号短。底面纵波反射信号长，但比底面反射波型转换信号短。 5、底面反射波型转换信号：在底面纵波反射信号之后将出现一、底面反射波型转换信号：在底面纵波反射信号之后将出现一个相当大的信号，这种信号是底面横波反射信号，它有时会个相当大的信号，这种信号是底面横波反射信号，它有时会被误认为是底面纵波反射信号。被误认为是底面纵波反射信号。6、底面反射波型转换信号以后的信号、底面反射波型转换信号以后的信号 ：底面反射波型转换信：底面反射波型转换信号以后还会出现许多纵波和横波多次反射和转换的信号，对号
45、以后还会出现许多纵波和横波多次反射和转换的信号，对这些信号一般不再进行观察和分析。这些信号一般不再进行观察和分析。由于直通波和底面反射波的存在，检测时如果只使用由于直通波和底面反射波的存在，检测时如果只使用TOFD技术，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米或十几毫技术，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米或十几毫米之间，近表面的盲区大于底面的盲区。米之间，近表面的盲区大于底面的盲区。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系图1.15是无缺陷工件无缺陷工件TOFD检测情况检测情况，A-Scan图中只有直通波和底面反为射波信号波形。当波束从高阻抗介质中入射到一个低阻抗介
46、质（例如，从钢中入射到钢/水界面或钢/空气 界面）时，在界面反射的信 号相位改变180。如图1.15所示，波束在碰到波束在碰到 界面之前是以正向周期开始界面之前是以正向周期开始 传播的，在经过界面反射后传播的，在经过界面反射后 变成以负向周期开始传播。变成以负向周期开始传播。图1.15 从高阻抗介质入射到低阻抗介质的信号相位发生改变1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系图1.16是有缺陷工件TOFD检测情况，A-Scan信号中直通波、缺陷上、下尖端信号和底面反射波的波形图。上尖端信号就像底面上尖端信号就像底面反射信号一样，相位变化了反射信号一样，相位变化了180。缺陷
47、下尖端的衍射信号相位不发生改变，以解释为波束只是在缺陷底部环绕,没有发生界面反射。如果上尖端信号相位从负周期开始，与底面如果上尖端信号相位从负周期开始，与底面 反射信号相同，那么下尖端信号反射信号相同，那么下尖端信号 就是从正向周期开始，其相位与就是从正向周期开始，其相位与 直通波信号相同。直通波信号相同。研究表明，如果两个衍射信号的如果两个衍射信号的 相位相反，可以判断在信号之间相位相反，可以判断在信号之间 一定存在一个连续的缺陷一定存在一个连续的缺陷。因此， 相位对分析信号和测定缺陷准确 尺寸是非常重要。图1.16 有缺陷的A-Scan信号相位比较1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知
48、识1.2.5 相位关系上端点上端点下端点下端点直通波直通波LW底面反射波底面反射波BW+-+-需要不检波的A扫来显示相位的变化1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系相位的变化：直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的。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。每一个衍射信号的上、下端点衍射波相位是相反的。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.5 相位关系对不同深度的两个衍射信号，可根据相位变化判断工件中的缺陷是一个缺陷还是两个缺陷。如果两个信号的相位相反，可能是一个缺陷（例如一如果两个信号的相位相反，可能是一个缺
49、陷（例如一条裂纹）的上下尖端衍射信号；条裂纹）的上下尖端衍射信号；如果两个信号的相位相同，则可判定为两个缺陷如果两个信号的相位相同，则可判定为两个缺陷。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.6 深度计算 探头中心距：两探头入射点之间的距离又称为探头中心距探头中心距：两探头入射点之间的距离又称为探头中心距，用符号符号PCS表示表示。如图1.17所示，PCS2S。由于两探头相对于衍射端点是对称的，则超声信号传播距离L可以用下式计算： L= 2(s2 + d2)1/2超声信号传播时间计算式： t = 2(s2 + d2)1/2/c衍射端点深度的计算式： d = (ct/2)2 - s2
50、1/2 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.6 深度计算【例题1】衍射点位于两探头连线的中心线上，已知：两探头中心距80mm，衍射点深度30mm，则超声信号传播距离是多少？ 解：由公式L= 2(s2 + d2)1/2，得：L= 2(402 + 302)1/2100mm。 答：超声信号传播距离为100mm。【例题2】衍射点位于两探头连线的中心线上，已知：两探头中心距80mm，衍射点深度30mm，声波速度6 mm/s，则超声信号传播时间是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：t = 2(402 + 302)1/2/616.6 s 答：超声信号传播时间是16.
51、6 s。【例题3】已知：声波速度6 mm/s，衍射信号传播时间为16.6 s，两探头中心距80mm：假设衍射点位于两探头连线的中心线上，则衍射点深度是多少？ 解：由公式d = (ct/2)2 - s21/2， 得：d = (616.6/2)2 -4021/230mm。 答：衍射点深度是30mm。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.6 深度计算【例题4】衍射点位于两探头连线的中心线上，设声速为6mm/s，已知两探头中心距80mm，计算衍射点深度0.5mm、1mm、2mm、4mm的信号传输时间。 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：d 0.5 mm ，t0.5 =
52、 2(402 + 0.52)1/2/613.3343s；d 1 mm ，t1 = 2(402 + 12) 1/2/613.3374s；d 2 mm ，t2 = 2(402 + 22) 1/2/613.3499s；d 4 mm ，t4 = 2(402 + 42) 1/2/613.3998s；由计算结果可知， 深度1mm与0.5mm的衍射信号传输时间差仅为0.0031s； 深度2mm与1mm的衍射信号传输时间差仅为0.01259s； 深度4mm与2mm的衍射信号传输时间差仅为0.05s，由于深度变化的时间增量太小，深度就难以测准。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.6 深度计算在T
53、OFD检测中，深度和时间的关系不是线性的，而是呈平方关系的，因此，在近表面区域，信号在时间上的微小变化在近表面区域，信号在时间上的微小变化转换成深度就变化较大转换成深度就变化较大。深度测量的误差随着接近表面而迅深度测量的误差随着接近表面而迅速增大速增大。通过软件计算进行线性化处理可得出B-Scan和D-Scan的线性深度图。由于存在直通波和不断增大的深度误差，TOFD对近表面的缺陷探测的可靠性和准确性并不太高。这个不能保证区域可以通过减小PCS或采用高频探头来改变。当工件只作一次扫查时，近表面不能保证距离大约是10mm。例如，采用15MHz的探头和较小的PCS，对工件的检测可以达到表面以下1m
54、m深度，不过这些措施会使检测覆盖面减小。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定1、深度校准延时时间：从晶片发出的声束到入射点需要的时间称为延时时间。用2t0表示。 发射探头接收探头SSdLWBWt0t0始脉冲t1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定 信号总的传播时间：SSdt0t0发射探头接收探头1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定1、深度校准 缺陷深度计算公式：接收探头SSdt0t0发射探头1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定1、深度校准
55、直通波出现的时间公式： t L= 2s/c + 2to 底面反射波出现时间公式： t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to探头的延时式： 2to = t b - 2(s2 + D2)1/2/c 波的传播速度： c = 2(s2 + D2)1/2 - 2s/ (t b t L) 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定1、深度校准发射探头接收探头2Sd1d2由于计算自身高度只需要测量时间由于计算自身高度只需要测量时间, 所以高度估计会很所以高度估计会很准确。实际操作中，检测裂纹准确。实际操作中，检测裂纹 1mm 的精度是完全可的精度是完全可以达到
56、的以达到的 (检测人工缺陷时可以达到检测人工缺陷时可以达到 0.1 mm )。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定【例题5】衍射点位于两探头连线的中心线上，已知：两探头中心距80mm，衍射点深度30mm，声波速度6 mm/s，两个探头楔块中的总延时1.6s，则从发射到接收超声信号总的传播时间是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c + 2to 得：t = 2(402 + 302)1/2/6 + 1.618.2 s。 答：从发射到接收超声信号总的传播时间是18.2 s。【例题6】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超声信号
57、总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时1.6s，两探头中心距80mm：假设衍射点位于两探头连线的中心线上，则衍射点深度是多少？ 解：由公式d = (c/2)2(t-2to)2 - s21/2 得：d = (6/2)2(18.2-1.6)2 - 4021/2= 30mm。 答：衍射点深度是30mm。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识 1.2.7 深度校准和PCS设定【例题7】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超声信号总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时1.6s，两探头中心距80mm：则直通波信号出现的时间是多少？ 解：由公式 t L = 2s/
58、c + 2to 得：t L =80/6 + 1.614.9 s。 答：直通波出现的时间为14.9 s。【例题8】已知：声波速度6 mm/s，工件厚度53mm，衍射超声信号总的传播时间为18.2 s，两个探头楔块中的总延时1.6s，两探头中心距80mm：则底面反射波出现的时间是多少？ 解：由公式t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to 得：t b = 2(402 + 532)1/2/6 + 1.623.6 s。 答：底面反射波出现的时间为23.6 s。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定2、检测时PCS的设定 聚焦深度： d = 2/3 D探
59、头间距： PCS =2S=2d tan = (4/3)D tans2s=PCSd=2/3DD1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定2、检测时PCS的设定【例题9】检测60mm厚焊缝，聚焦点选在板厚的2/3处，计算：（1）探头折射角=45，探头中心距PCS？（2）探头折射角=60，探头中心距PCS？（3）探头折射角=60聚焦点选在板厚的1/2处，探头中心距PCS？1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定2、检测时PCS的设定【例题9】检测60mm厚焊缝，聚焦点选在板厚的2/3处，则：（1）探头折射角=45，探头中心距PCS
60、？ 解：由公式 2s = (4/3)Dtan，得2s 460tan45/3 = 80 mm（2）探头折射角=60，探头中心距PCS？ 解： 2s 460tan60/3 = 138.56 mm（3）探头折射角=60聚焦点选在板厚的1/2处，探头中心距PCS？ 解： s=dtan2s=2dtan (d=D/2)2s=Dtan 2s=60tan60=104mmsd【练习1】已知工件厚度D20mm，探头角度60,声速c5.96mm/s，请计算：【练习2】检测D=40mm厚的焊缝，探头中心距2S120mm，声速c5930m/s, 底波信号的传播时间t b=25.1s，（1）求超声波在楔块中的传播时间？（
61、2）如果有三个衍射信号的传播时间分别为23.78s、22s和21.03s，求衍射点的深度？【练习3】已知工件厚度D50mm，探头角度45，声速c5.96mm/s, 楔块内总延时1.6s，聚焦点2D/3，请计算：（1）PCS？ （2）直通波到达时间？ （3）底波到达时间？ （4）直通波与底波时间差？1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.7 深度校准和PCS设定3、检查A-Scan采集信号的正确性直通波的信号非常弱，而横波的底面反射波比纵波的底面反射波还要强，因此TOFD检测的信号显示应包括：直通波、底面反射纵波、底面反射变形波。为保证信号采集的正确性，通常需要利用直通波出现时间公式
62、和底面反射波出现时间公式计算，用计算结果来核查所采集的信号是否正确。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.8 TOFD技术的图像显示TOFD技术把一系列A扫数据组合，通过信号处理转换为TOFD图像。在图像中每个独立的每个独立的A扫信号成扫信号成为图像中很窄的一行为图像中很窄的一行，通常一幅TOFD图像包含了数 百个A扫信号。A扫信 号的波幅在图像中是 以灰度明暗显示的。 通过灰度等级表现出 幅度大小。 图1.18 TOFD图像1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.8 TOFD技术的图像显示一个8位模/数转换的灰度等级数值是256个， 用数字127(纯白色)代表+10
63、0FSH，用数字0(中间灰)代表0FSH，用数字-128(纯黑色)代表-100FSH。+100%-100%-128+127Zero1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.8 TOFD技术的图像显示A扫信号灰度图Typically used for TOFD1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.8 TOFD技术的图像显示原因解释原因解释：弧形凸起峰的最高点对应的是衍射信号声程的最小位置。在扫查过程中，衍射点相对于探头位置不断变化，衍射信号传输时间也不断变化。当缺陷位于发射和接收探头的连线中点下方的对称当缺陷位于发射和接收探头的连线中点下方的对称处时，脉冲传输时间最短。当
64、探头偏离这一位置处时，脉冲传输时间最短。当探头偏离这一位置（无论是（无论是D扫或扫或B扫），传输时间都会增加扫），传输时间都会增加。TOFD扫查时，探头由远处而来，经过缺陷再离去，由对称位置的一边扫描至另一边，衍射信号的传输时间先是逐渐减小，直到一个最小值，然后再次增加，这样在TOFD图像中就形成一个弧。平行扫查上表面上表面下表面下表面B扫扫直通波直通波这种扫查会产生典型的这种扫查会产生典型的 反向抛物线反向抛物线当探头相对于当探头相对于缺陷对称时时缺陷对称时时间最短间最短 。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 TOFD扫查类型TOFD检测基本扫查类型分类：1、非平行扫查，
65、扫查得到的图像称为D扫描图像；非平行扫查分为两种扫查形式： (1)探头在焊缝两边对称放置的非平行扫查(正常情况)； (2)探头在焊缝两边不对称放置的偏置非平行扫查（特殊情况）。2、平行扫查，扫查得到的图像称为B扫描图像。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 TOFD扫查类型非平行扫查或D-Scan： 是指扫查方向与超声波扫查方向与超声波束方向不是平行的。束方向不是平行的。特点：1、能够实现大范围检测；2、焊缝余高不影响扫查。3、效率高、速度快、成本低、操作方便。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 TOFD扫查类型D 扫所看到的视图：扫所看到的视图：D扫描
66、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TxRx1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 TOFD扫查类型非平行扫查-D扫：主要用于缺陷定位缺陷定位和长度方向的定量长度方向的定量，不能判断出缺陷在焊缝中的横向位置横向位置；在高度方向上的定高度方向上的定量不精确量不精确。焊缝焊缝TxRx波束方向波束方向扫查方向扫查方向1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 TOFD扫查类型偏置非平行扫查：探头在 焊缝两边不对称放置，扫 查方向与超声波束方向不 平行。这种扫查主要针对 一些特殊情况，例如解决解决 轴偏离底面盲区问题轴偏离底面盲区问题。当
67、 工件的底面的焊缝较宽时，为提高焊缝底面熔合区和 热影响区的缺陷检出率就 需要采用该方法扫查。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 信号的位置的测量典型的D扫视图1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 TOFD扫查类型平行扫查是指扫查方向与扫查方向与超声波束方向是平行的超声波束方向是平行的。扫查结果称为扫查结果称为B扫描。扫描。平行扫查是跨越焊缝的横截面，扫查中探头需要越过焊缝，多数情况下需要将焊缝余高磨平再进行扫查。平行扫查在深度上能够提深度上能够提供很高的精度供很高的精度。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 TOFD扫查类型采用平行扫查
68、-B扫虽然没有提供缺陷的长度，但可以对缺陷深度进行更精确的定量和缺陷距焊缝中心线的距离，也有助于对缺陷宽度和倾斜角度的判断。焊缝焊缝TxRx波束方向波束方向扫查方向扫查方向1.2.9 TOFD扫查类型D扫扫上表面上表面内壁内壁A扫扫LWBW1.2.9 TOFD扫查类型上表面上表面下表面下表面B扫查会产生典型的扫查会产生典型的 反向抛物线反向抛物线直通波直通波要想使衍射信要想使衍射信号显示曲线凸号显示曲线凸起更明显，可起更明显，可以采用较小的以采用较小的PCS和较窄的和较窄的波束宽度波束宽度。当探头相对于当探头相对于缺陷对称时时缺陷对称时时间最短间最短 。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本
69、知识 1.2.9 TOFD扫查类型典型的B扫视图B扫C扫D扫1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.9 TOFD扫查类型对非平行扫查，缺陷高对非平行扫查，缺陷高度的检测精度与缺陷距度的检测精度与缺陷距焊缝中线的位置有关，焊缝中线的位置有关，如果缺陷不在焊缝中线，如果缺陷不在焊缝中线，则深度计算将出现误差则深度计算将出现误差。如果衍射点不在两探头如果衍射点不在两探头的中间线上（如果探头的中间线上（如果探头相对于焊缝对称设置，相对于焊缝对称设置，则两探头的中间线就是则两探头的中间线就是焊缝中线），则深度计焊缝中线），则深度计算将不准确算将不准确。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基
70、本知识1.2.9 TOFD扫查类型由由TOFD技术的衍射点深度计算公式可知，在以两个探头为技术的衍射点深度计算公式可知，在以两个探头为焦点形成的椭圆轨迹上的任意位置，衍射信号的传播时间是焦点形成的椭圆轨迹上的任意位置，衍射信号的传播时间是一样的。当探头相对于缺陷对称时时间最短一样的。当探头相对于缺陷对称时时间最短 。发射探头接收探头SSdt0t0x1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.10 信号的位置的测量在TOFD扫查的图形中，缺陷显示的两端都呈弧形，这一点在平行扫查的图形中尤其明显，为了比较准确地测量出缺陷的长度和高度，需要采用特殊的测测量工具弧形光标拟合缺陷端点的弧形量工具
71、弧形光标拟合缺陷端点的弧形。TOFD光标有两种：一种是十字光标，用于从A扫信号中测量数据；另一种是抛物线光标，用于从D扫描图中测量数据。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.10 信号的位置的测量典型的TOFD图像十字光标1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.10 信号的位置的测量典型的TOFD图像抛物线光标1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.10 信号的位置的测量测量信号包括三个参数三个参数：平行焊缝方向上距扫查起始点的距离（X），参数X用于确定信号位置和缺陷长度。垂直焊缝方向的横向距离（Y），用于平行扫查，确定缺陷的横向位置 。 距离检测面的深度
72、（Z）， 参数Z用于确定缺陷深度 和缺陷高度。ZXYO扫查面底面1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.10 信号的位置的测量1、沿扫查线的位置参数（X）的测量因X参数是测量缺陷水平位置和缺陷长度的，所以，在测试前，首先应确定扫查的起始点，探头移动时，仪器通过编码器记录下每一个A扫信号相对起始点的位置。通过移动十字光标就可以从记录中得到任意一个A扫信号的X参数。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.10 信号的位置的测量2、距检测面的深度参数（Z）的测量测量缺陷深度和缺陷高度的方法是，首先将十字光标置于A扫直通波的起始位置，记录相应的时间，然后将光标置于缺陷波起始位置
73、，再次记录时间，计算机就会自动显示出缺陷的深度。在缺陷靠近表面的情况下，缺陷信号和直通波信号之间的干涉可能会使测量变得困难，但从D扫描图中可观察到信号的尾部形状，测量方法是将抛物线光标与信号显示的尾部拟合。为保证准确性也可将直通波去除后在测量。在近表面区域，抛物线形状的很小变化就会引起较大的深度误差，所以测量时需仔细、认真。缺陷高度的测量方法：先测量缺陷上尖端信号位置，记下时间，在测量缺陷下尖端信号位置，记下相对的时间，通过计算机即显示缺陷的自身高度。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.10 信号的位置的测量3、横向位置参数（Y）的测量在非平行扫查中，无法测定横向位置参数Y值，
74、要想确定缺陷信号的横向位置Y值，就必须在缺陷上方进行平行扫查。首先确定扫查的起始点，以两探头中间的对称点为位置零点，探头移动，编码器记录下过程中每一个A扫信号相对起始点的位置。用光标测量缺陷信号声程最小的位置，该数值就是缺陷位于探头中间的对称位置的信号，即参数Y的数值。也是缺陷相对于焊缝中心线的位置。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.11 TOFD检测的盲区盲区：是指盲区：是指TOFD技术实施检测时，被检体积中不能发现缺陷的区域。技术实施检测时，被检体积中不能发现缺陷的区域。上表面盲区就是直通波信号所覆盖的深度范围。上表面盲区就是直通波信号所覆盖的深度范围。由于上表面缺陷的信
75、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。决定上表面盲区深度的因素：决定上表面盲区深度的因素： 1、直通波脉冲时间宽度、直通波脉冲时间宽度 2、探头带宽与频率、探头带宽与频率 3、探头中心间距（、探头中心间距（PCS值）值）一般情况盲区占检测厚度的1525mm。例如对40mm厚焊缝，按照正常规范选择检测参数，其盲区大致为515mm。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。减小上表面盲区的措施：减小上表面盲区的措施：减小PCS，窄脉冲探头，直通波去除。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.11
76、 TOFD检测的盲区下表面盲区：主要是指轴偏离底面盲区，即偏离两探头中心下表面盲区：主要是指轴偏离底面盲区，即偏离两探头中心位置的底面区域存在的盲区。位置的底面区域存在的盲区。按TOFD检测一收一发的探头布置，超声衍射信号传输时间相等位置为一个椭圆轨迹。如果缺陷在椭圆轨迹以下区域，则信号出现在底面反射波之后，因此无法检出。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检测不到的缺陷1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.11 TOFD检测的盲区下表面盲区距中心线越远，盲区高度就越大。轴偏移误差：8发射
77、探头接收探头SSt2t1相等时间的轨迹相等时间的轨迹(t1+t2=2t)dmindmax1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.12 TOFD技术的精度和可靠性试验1、裂纹高度尺寸测量试验、裂纹高度尺寸测量试验1979年年M.G.Silk公布了利用公布了利用TOFD技术对缺陷高度尺寸测技术对缺陷高度尺寸测量试验的数据，用于试验的缺陷为量试验的数据，用于试验的缺陷为815 mm之间疲劳裂纹。之间疲劳裂纹。 图中用实线给出裂纹的图中用实线给出裂纹的 实际高度，实际高度，TOFD测量测量 值用圆圈表示，均方根值用圆圈表示，均方根 （RMS）误差为）误差为0.3 mm， 证明应用证明应用T
78、OFD测量裂纹测量裂纹 高度是很准确的。高度是很准确的。 1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.12 TOFD技术的精度和可靠性试验2、缺陷尺寸测量精度试验、缺陷尺寸测量精度试验表1.1 衍射时差技术对非平面缺陷的测量误差 实验结果表明，衍射时差技术检测精度比其它方法更高，尤其在测量缺陷高度尺寸时，使用衍射时差技术可以得到误差小于1mm的检测精度。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.12 TOFD技术的精度和可靠性试验表1.2 衍射时差技术对平面缺陷的测量误差 TOFD技术对缺陷高度尺寸的测量精度1.8mm，试验的缺陷高度为1.5mm3mm之间的接近衍射时差技术的
79、最小识别能力的缺陷，对这些缺陷的检测偏差稍大。即使如此， TOFD技术的测量精度也高于其它各种检测方法的精度（标准偏差2.45.0mm）。1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.12 TOFD技术的精度和可靠性试验3、TOFD技术与基于波幅检测技术在缺陷尺寸测量精度上的比较技术与基于波幅检测技术在缺陷尺寸测量精度上的比较 1989年Ammirato和Willetts公布了基于波幅技术和TOFD技术对缺陷尺寸测量的试验结果。 试件中的三类缺陷通常出现在 核电设备上，第一类缺陷位于 碳钢上堆焊不锈钢的过渡层的 下面；第二类缺陷位于焊缝里； 第三类缺陷在接管与壳体连接 处的焊缝中。各种试
80、验方法，如50%DAC、 20%DAC、6dB法等，结果表明： TOFD法对缺陷尺寸测量进度最 高、误差最小、方法最好。图1.24 TOFD技术与基于波幅检测技术的测量精度比较1.2 TOFD技术的基本知识技术的基本知识1.2.12 TOFD技术的精度和可靠性试验4、缺陷检出率试验、缺陷检出率试验使用TOFD技术、机械扫查的超声波技术、手工扫查的超声波技术和射线照相技术方法。得出的缺陷检出率评价是：手工UT，4060；射线，5560；X射线， 5565；UT机械扫查，5585； TOFD，7585。 由图可见，TOFD技术比常规手工 UT或RT检测可靠性要高得多。 试验还指出，如果使用机械扫查
81、 脉冲回波技术结合TOFD技术， 缺陷检出率可达到8095， 缺陷检测精度和尺寸测量精度都很高。 1.3 TOFD技术的特点技术的特点1.3.1 常规超声检测技术的局限性 1、角度问题常规超声检测中，当反射面相对于超声波束垂直时，回波幅值最高；反射面倾斜将导致回波幅值迅速下降，仅仅5的倾斜波幅将下降一半（的倾斜波幅将下降一半（6dB），而），而10或更大的倾斜将使检测无法进行，即探头可能完全或更大的倾斜将使检测无法进行，即探头可能完全接收不到反射波接收不到反射波。在斜射横波检测时，可以在一定的角度范围选择探头，以便获得良好的入射角。但实际操作中仍会遇到声束与面积型缺陷不垂直，从而影响缺陷检出。
82、例如垂直于表面的未熔合，由于超声波束无法以适当的角度到达缺陷表面，而导致漏检。 1.3 TOFD技术的特点技术的特点1.3.1 常规超声检测技术的局限性2、波幅问题在常规超声脉冲回波检测中，判断缺陷存在及测量缺陷的大小都是基于信号的波幅，如当量比较法或端点6dB法，这是一种简单且实用的方法。影响信号波幅的因素很多影响信号波幅的因素很多：（1）缺陷与标准反射体的表面粗糙度不同；）缺陷与标准反射体的表面粗糙度不同；（2）工件与标准试块的表面粗糙度不同；）工件与标准试块的表面粗糙度不同；（3）缺陷的倾斜角度；）缺陷的倾斜角度；（4）缺陷的形状；）缺陷的形状；（5）操作时对探头的压紧力等等。）操作时对
83、探头的压紧力等等。这些都是影响反射信号的波幅。因此，基于信号波幅的定量方法的准确性难以提高。1.3 TOFD技术的特点技术的特点1.3.1 常规超声检测技术的局限性3、信号记录和存储问题常规超声脉冲回波检测使用的模拟模拟超声探伤仪和简简单数字单数字超声探伤仪都有下列缺点：（1）记录信号能力差记录信号能力差，（2）无法记录存储信号或只能记录存储单个信号，无法记录存储信号或只能记录存储单个信号，（3）不能连续全过程记录信号，）不能连续全过程记录信号，（4）不能进行大批量信号处理。）不能进行大批量信号处理。1.3 TOFD技术的特点技术的特点 1.3.2 TOFD检测技术的优点TOFD技术的优点：技
84、术的优点： 1、TOFD技术的可靠性好。 2、TOFD技术的定量精度高。 3、TOFD检测简便快捷，检测效率高。 4、TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。 5、TOFD仪器能全过程记录信号，长久保存数据，能高速进行大批量信号处理 6、TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控，对裂纹高度扩展的测量精度可高达0.1mm。1.3 TOFD技术的特点技术的特点1.3.3 TOFD技术的局限性TOFD技术的局限性：技术的局限性：1、工件上、下表面存在盲区。2、难以准确判断缺陷性质。3、TOFD图像识别和判读比较难，数据分
85、析需要丰富的经验。4、对粗晶材料（奥氏体焊缝）检测比较困难，其信噪比较低。5、横向缺陷检测比较困难（焊缝余高） 。6、复杂几何形状的工件检测比较困难。7、点状缺陷的尺寸测量不够准确。1.3 TOFD技术的特点技术的特点采用数字化记录超声波检测数据的优点采用数字化记录超声波检测数据的优点: 1、TOFD记录的是每个检测点的完整的未经修正的原始的数字化A扫信号。 2、可永久记录所有数据信号，包括检测参数、校准方式等。 3、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。 4、可对原始的检测数据再分析，使用多样的可视化显示。模拟信号的局限性，容易失真，精度低，抗干扰能力差，远模拟信号的局限
86、性，容易失真，精度低，抗干扰能力差，远距离传输和大规模存储困难，无法进行复杂的分析处理距离传输和大规模存储困难，无法进行复杂的分析处理 等。合格的TOFD成像1、上表面存在裂纹时，声束无法从上表面通过，无 直通波和上端点衍射波。2、下表面存在裂纹时，声束无法从下表面通过，无 底面反射波和下端点衍射波。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裂纹尖端裂纹尖端底面反射波底面反射波BW直通波被隔开了直通波被隔开了没有直通波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直通波直通波LW尖端信号尖端信号底面反射信号被隔开了底面反射信号被隔开了没有底面没有底面反射波反射波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号反射回波反射回波反射信号与检测面平行的面状缺陷内部埋藏缺陷焊缝TOFD检测技术和常规超声技术的不同点 祝成绩祝成绩成功成功！
