内 部 埋 藏 缺 陷
TOFD检测的特点
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 波，缺陷上下端点产生衍射波，衍射波比反射波低 20～30dB。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。
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。
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。
图形显示
LW A扫
B扫
BW
上表面
内壁
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。
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。
扫查方向
Tx
波束方向
Rx
焊缝
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
TOFD检测的精度
• 轴偏移误差：8％
S
发射探头
S
接收探头
t1 相等时间的轨迹 (t1+t2=2t)
dmin dmax
t2
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。
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。
Tx Rx
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
扫查方向
Tx
Rx
波束方向
平行扫查
• 当探头相对于缺陷对称时时间最短 。
S
发射探头
S
接收探头
t0 d
t0
x
平行扫查
当探头相对于 缺陷对称时时 间最短 。
直通波
上表面
下表面
B扫 这种扫查会产生典型的 反向抛物线
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。
相位变化
直通波
底面反射波
+
LW -
+ -
BW
上端点 下端点 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
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衍射时差法
超声检测技术天津诚信达金属检测技术有 Nhomakorabea公司 张平
UT-Ⅲ 复试
2010年4月21日于济南
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。
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 °
反射波
裂纹
向各个方向传播
能量低
衍射波
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。 • 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。
TOFD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： • 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。 • 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、 TOFD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 的优点
1、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 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； 4、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 等
S
发射探头
S
接收探头
t0
d
t0
始脉冲
LW BW
t
传播时间
S
发射探头
S
接收探头
t0
d
t0
t
2
S
2
d
2
c
2t
0
缺陷深度
S
发射探头
S
接收探头
t0
d
t0
t 2t0 2 d c S 2
2
缺陷自身高度
2S
发射探头 接收探头
d1 d2
h d 2 d1
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
入射波 衍射波
反射波