TOFD衍射衍射时差法差法超声超声检测技技术天津天津诚信达金属信达金属检测技技术有限公司有限公司张平平UT-Ⅲ 复复试2019年年4月月21日于日于济南南 什么是 TOFD?•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中文名称•Time of Flight Diffraction Technique的中文翻译为——衍射时差法超声检测技术•GB/T 12604.1—2019〔等同ISO 5577:2000〕翻译为——衍射声时•物理学术语翻译为——衍射渡越时间 TOFD发展历程•TOFD技技术发现(20世世纪70年代）年代）——探探求、完善、装求、完善、装备研研发•开始开始应用〔用〔20世世纪90年代）年代）•大大规模模应用〔用〔21世世纪初）初） TOFD技术得以推广应用的先决条件技术得以推广应用的先决条件•TOFD技术得以推广应用的关键主要是：技术得以推广应用的关键主要是：•数字技术：是计算机技术、多媒体技术、数字技术：是计算机技术、多媒体技术、智能技术和信息技术的基础。
智能技术和信息技术的基础•计算机技术：快速处理大量数据计算机技术：快速处理大量数据•压电复合材料：可用于相控阵探头、压电复合材料：可用于相控阵探头、TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头探头和高性能常规脉冲超声探头 采用数字化记录超声波检测数据采用数字化记录超声波检测数据的优点的优点1、能够实现海量数据的长期保存；、能够实现海量数据的长期保存；2、便于采取各种信号处理操作，例如多样的可、便于采取各种信号处理操作，例如多样的可视化显示、信号增强、平均、叠加等；视化显示、信号增强、平均、叠加等； 3、取用、再分析、通讯传输方便；、取用、再分析、通讯传输方便；4、精度高，抗干扰性强精度高，抗干扰性强模拟信号的局限性，容易失真，精度低，抗干模拟信号的局限性，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，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无法进行复杂的分析处理 等等 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；•（2〕机械品质因数Q值低;•（3〕带宽大〔80%～100%）；•（4〕机电耦合系数值大；•（5〕灵敏度高，信噪比优于普通PZT探头； •（6〕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；•（8〕声速、声阻抗、相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）；•（9〕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。
合格的TOFD成像 缺陷检出率•手工UT：50～70％；•RT：70～80％；•TOFD：70～90％；•机械扫查UT+TOFD：80～95％ 衍射现象裂纹衍射波衍射波入射波反射波 衍射现象•惠更斯原理:缺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 衍射现象裂纹衍射波衍射波入射波反射波向各个方向向各个方向传播播能量低能量低 TOFD技术的优点〔与技术的优点〔与PE相比）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•精确测量衍射波的传播时间来确定缺陷的尺寸和位置，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，对于监测裂纹扩展测量精度为± 0.3mm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 折射角度与衍射波幅度的关系 折射角度与衍射波幅度的关系•裂纹上尖端信号从0－65°单调增大，从65 ° ~85°单调降低波幅最大时的折射角为65 ° •裂纹下尖端的信号波幅曲线在20 °和65 °时出现两个峰值，在38 °时，裂纹下尖端的信号波幅下降到最低•在45 °~80 °区间，裂纹下尖端的信号波幅略大于上尖端的信号波幅。
•在45 ° ～80 °之间波幅的变化小于6dB 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通过计算可以求出，该探头在钢中声压下降12dB的波束上边界角为90°，下边界角为45.7°3、从图11中可以看出，横波声场的强度比纵波大的多 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 60°5MHz 6mm波束模拟 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•一般使用的TOFD探头中心频率为1～15MHz，晶片尺寸为 3～20mm•常用的探头角度为：45 ° 、60 ° 、70 ° TOFD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 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BW •直通波直通波(LW)：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。
路程：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波路程最逗，最先到达最逗，最先到达•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，比底面反射波信号弱很多反射波之间，比底面反射波信号弱很多•底面反射波底面反射波(BW)：纵波在底面的反射波因其传播距离比直通：纵波在底面的反射波因其传播距离比直通波大，总是在直通波之后波大，总是在直通波之后•波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号还会产生波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号还会产生各种波型转换信号由于横波速度较慢，在底面反射波之后出各种波型转换信号由于横波速度较慢，在底面反射波之后出现，但波幅相当大现，但波幅相当大•由于直通波由于直通波(LW)和底面反射波和底面反射波(BW)的存在，检测时如果只使用的存在，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，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近表面的盲区大于底面的盲区TOFD检测的典型信号 相位变化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 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 传播时间发射探头接收探头SSdLWBWt0t0始脉冲t 传播时间发射探头接收探头SSdt0t0 缺陷深度发射探头接收探头SSdt0t0 缺陷自身高度发射探头接收探头2Sd1d2由于由于计算自身高度只需要算自身高度只需要测量量时间, 所以高度估所以高度估计会很准确会很准确 实际操作中，操作中，检测裂裂纹 ±1-mm 的精度是完全可以达到的的精度是完全可以达到的 (检测人工缺陷人工缺陷时可以达到可以达到± 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 tanqs2s=PCSqd=2/3DD A扫信号－灰度图Typically used for TOFD 灰度图•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+100％FSH，用数字0(中间灰)代表0％FSH，用数字-128(纯黑色)代表-100％FSH100%-100%-128+127Zero 典型的TOFD图像 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焊缝焊缝TxRx波束方向波束方向扫查方向扫查方向 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TxRx 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焊缝TxRx波束方向波束方向扫查方向扫查方向 平行扫查•当探头相对于缺陷对称时时间最短当探头相对于缺陷对称时时间最短 发射探头接收探头SSdt0t0x 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 图形显示B扫扫上表面上表面内壁内壁A扫扫LWBW 典型的B扫视图 B扫C扫D扫 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0.2μs，PCS=100mm，工件厚度40mm，直通波为两倍周期0.4μs，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 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 μs，时间误差0.02 μs，深度误差0.02 μs ×5.95mm/ μs＝0.1mm TOFD检测的精度•轴偏移误差：8％发射探头接收探头SSt2t1相等时间的轨迹相等时间的轨迹(t1+t2=2t)dmindmax 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2～3个波长•5MHz探头，波长1.1mm，分辨率2～3mm•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没有侧向波向波 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 l l 检验是是使使用用一一对宽声声束束、、宽频带、、纵波波斜斜探探头，，探探头频率率高高于于脉脉冲冲回回波波法法〔〔PEPE〕〕的的探探头频率率，，探探头相相对于于焊缝对称布置。
称布置l l 声声束束在在焊缝中中传播播遇遇到到缺缺陷陷时，，缺缺陷陷会会产生生反反射射波波，，缺缺陷陷上上下下端端点点产生生衍衍射射波波，，衍衍射射波波比比反反射射波波低低2020～～30dB30dB接接收收探探头具具有有极极高高的的灵灵敏敏度度，，接接收收衍射波和反射波衍射波和反射波 l l 以以精精确确测量量衍衍射射波波的的传输时间和和简单的的三三角角方方程程为理理论基基础，，使使用用计算算机机来来完完成成缺缺陷陷尺尺寸寸和和位位置置的的测量TOFD检测的特点检测的特点 灵敏度的设置•根据标准规定设置•把直通波的信号调为40～80％FSH.•底面回波信号大于满屏高度的18～30dB•调节晶粒噪声为满屏的5～10％FSH•用开有侧横孔、开口槽的试块来调整• 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60％FSH 数字化记录•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•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。
TOFD技术的优点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，信号通过处理可转换为TOFD图像TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析5、能全过程记录信号，长久保存数据，而且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，且对裂纹高度扩展的测量精度极高，可达0.1mm TOFD技术的局限性1、由于上、下表面存在盲区，TOFD技术对近表面缺陷和下表面缺陷，检测的可靠性不够2、对缺陷定性比较困难，需要丰富的经验，还要辅助其它检测手段TOFD技术比较有把握区分上表面开口、下表面开口及埋藏缺陷，但难以准确判断缺陷性质3、TOFD图像识别和判读比较难，数据分析需要丰富的经验4、对粗晶材料，例如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 分析与离线分析分析与离线分析分析的优点和局限性1、不需要使用额外的设备和软件就能够直接对缺陷进行分析2、在现场就能够对缺陷进行最快的诊断。
3、对缺陷进行测量分析时，采用仪器的键盘操控比较费力4、仪器屏幕较小，分辨率较低，操作人员容易疲劳，同时会影响测量精度和判读结果5、分析软件的可扩展性差，很难及时更新换代 分析与离线分析分析与离线分析离线分析的优点和局限性1、计算机屏幕大，分辨率高，数据测量精度高2、计算机键盘大，结构为人所熟悉，操作轻松方便3、计算机存储空间大，数据调用、存放、打包处理方便4、计算机速度快，工作效率高5、专可利用的软件较多，分析处理功能强大，容易及时更新6、需要使用额外的设备.7、现场使用不够方便 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•2019年，美国ASME规范在案例2235案例中，明确提出允许使用TOFD取代RT2000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》•2019年，日本制定了NDIS2423：2019超声波衍射时差技术(TOFD)用于缺陷高度测量的方法。
•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 谢谢大家！ 。