TOFD场与缺陷信号特征

1TOFD超声波声场和缺陷信号特征[e-mail]13770785878肖雄2一、超声波声场特征了解TOFD检测时声场分布情况(接收探头接收的纵波信号)，如下图。3声场的仿真4了解衍射信号与反射信号产生的条件。1.衍射和反射都是波的固有现象2.衍射(Diffraction)又称为绕射，光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射的现象。如果采用单色平行光，则衍射后将产生干涉结果。相干波在空间某处相遇后，因位相不同，相互之间产生干涉作用，引起相互加强或减弱的物理现象。3.在波的行进路线上障碍物大小大于波长则表现为反射,小于波长则表现为衍射。4.衍射信号主要产生在缺陷的边缘部位(宏观现象)。5.衍射信号强度与反射体大小无关，主要与入射角度有关。6.反射信号与反射体大小和晶片大小有关。利用软件仿真TOFD纵波声场510Mφ3探头不同角度对比10Mφ3-T40-7010Mφ3-T40-6010Mφ3-T40-5510Mφ3-T40-4567.5Mφ6探头不同角度对比7.5Mφ6-T80-707.5Mφ6-T80-607.5Mφ6-T80-557.5Mφ6-T80-4575Mφ10探头不同角度对比5Mφ10-T80-705Mφ10-T80-605Mφ10-T80-455Mφ10-T80-5585Mφ6探头不同角度对比5Mφ6-T80-705Mφ6-T80-605Mφ6-T80-555Mφ6-T80-4595Mφ3探头不同角度对比5Mφ3-T40-705Mφ3-T40-605Mφ3-T40-555Mφ3-T40-45102.5Mφ10探头不同角度对比2.5Mφ10-T80-702.5Mφ10-T80-602.5Mφ10-T80-452.5Mφ10-T80-55112.5Mφ6探头不同角度对比2.5Mφ6-T80-702.5Mφ6-T80-602.5Mφ6-T80-552.5Mφ6-T80-4512200mm壁厚不同探头比较5Mφ10-T200-605Mφ10-T200-452.5Mφ10-T200-455Mφ8-T200-4513不同频率探头比较7.5Mφ6-T80-605Mφ6-T80-602.5Mφ6-T80-601415不同频率检测效果对比2.25Mφ1245°探头5Mφ1045°探头16同频率不同尺寸探头比较5Mφ10-T80-605Mφ6-T80-605Mφ3-T40-6017楔块声速比较上面为有机玻璃楔块（2730mm/s)底面为聚苯乙烯楔块（2330mm/s)5Mφ6-T80-605Mφ6-T80-555Mφ6-T80-4518双探头声场19声场分布不均的结果20探头的选择依据探头频率高→扩散角小(指向性好)→缺陷分辨率高→表面盲区小→检测深度范围小→检测速度慢探头晶片大→扩散角小(指向性好)→缺陷分辨率无影响→检测深度范围小→检测灵敏度高常用的探头7.5Mφ3、5Mφ6、2.5Mφ105Mφ6可检测的范围20~150mm21对于面状缺陷尖端的衍射信号，根据TOFD声场分布情况，一般中中心声束交叉点以上的缺陷，缺陷下尖端信号会大于上尖端信号。对于体积缺陷的端点信号，由于反射信号的存在，通常上端点信号会大于下端点信号。但一些体积较小的缺陷图像看上去可能相反，如气孔。裂纹2223一些气孔信号与直通波信号更相似，主要由于气孔上下端点信号的叠加，如下图。2425探头的频谱26中27左28右29主声束角度以上，衍射信号大于反射信号，主声束以下，衍射信号小于反射信号(见右侧A扫信号)。试块横孔Φ3.2，深度分别为11、33、44、66mm。30零点校准方法上下端点相位相反的规律需要在信号波幅相差不大的情况下观察。上下表面信号相位相反，有时比较难区分，是因为下表面反射信号比直通波信号高20多dB，造成下表面信号周期数的增加。对于0点的校准，下面两种校准方法比较常用。1.起始0相位位置312.第一个波峰（或波谷）位置32底波形状的识别X型坡口手工焊V型坡口手工焊33X坡口自动焊余高磨平X坡口自动焊余高未磨平34复合板X型坡口焊缝X型坡口自动焊余高过大35二、缺陷信号分类按信号特征分类：表面开口缺陷和埋藏缺陷表面开口缺陷：上表面开口、下表面开口和贯穿型缺陷埋藏缺陷：点状、没有自身高度的缺陷、有自身高度的缺陷。检测结果评级依据：缺陷类型和位置、长度、高度。TOFD并没有要求确定缺陷性质。根据缺陷上下端点的相位关系是缺陷定量定性的重要方法。361上表面开口缺陷信号特征直通波消失或下沉仅有下尖端衍射信号372112383940412下表面开口缺陷的特征底面反射波消失或下沉仅有上尖端衍射信号4243下表面矩形槽(6mm)板厚32mm44下表面弧形开口缺陷(2mm)板厚40mm45下表面弧形开口缺陷(4mm)板厚40mm46下表面弧形开口缺陷(10mm)板厚40mm47下表面弧形开口缺陷(8mm)板厚18mm48上表面弧形开口缺陷(8mm)板厚18mm49磨坑图砂轮片磨槽扫查图像，缺陷部位波幅比较接近底波波幅50线切割槽图线切槽扫查图像，缺陷部位波幅较低，与底波相差20dB以上51下表面3mm深气孔523贯穿型缺陷的特征贯穿型缺陷会导致所有信号缺失或减小，可能会出现整个图像从上到下的不连续，直通波和底面反射波都会有断开的迹象。耦合不良也会导致信号的丢失，因此检测时应避免由于耦合原因导致的信号不连续。53贯穿性缺陷54由于缺少耦合剂，信号丢失554埋藏的点状缺陷的特征点状缺陷的典型实例为气孔和小夹渣。信号特征为弧形，长度很短或不可测量，高度也很小或不可测量。565758595埋藏的没有自身高度的缺陷的信号特征埋藏的没有自身高度的条状缺陷主要指条状夹渣和条形气孔，还有一些自身高度很小的未焊透、未熔合和裂纹等。这类缺陷无法区分其上下端点信号，其上下端点信号重叠。606162636埋藏的有自身高度的缺陷的信号特征埋藏的有自身高度的缺陷有要包括裂纹和未熔合，以及一些自身高度较大的未焊透、条渣和条形气孔。可以通过相位关系明显区分出缺陷的上下端点。6412341234未焊透65埋藏裂纹，16MnRT=62mm缺陷深度35~42mm裂纹下端点衍射信号大于上端点，声束焦点42mm。66埋藏裂纹，16MnRT=62mm缺陷深度32~35mm裂纹下端点衍射信号大于上端点，声束焦点42mm。6716MnR50mm裂纹深度为22~35mm裂纹下端点衍射信号大于上端点，声束焦点31mm。68埋藏未熔合，16MnRT=62mm缺陷深度21~26mm缺陷下端点衍射信号大于上端点，声束焦点42mm。6916MnR50mm裂纹深度24~29mm裂纹下端点衍射信号大于上端点，声束焦点34mm。70C15171-9B216MnR54mm未熔合深度28~34mm裂纹下端点衍射信号大于上端点，声束焦点36mm。7172737475767778个人总结裂纹与未熔合的区别1.焊接产生的裂纹上下端点一般都不太规则，在深度平面上很少是一条直线，但也有一些焊接过程中产生的裂纹，上端点被后面的焊接所熔化，因此看上去上端点可能比较平直。一些裂纹除上下端点，上下端点之间也可能会有很多信号波，使得较难区分下端点。2.未熔合与裂纹相比，其上下端点信号比较规则，在深度平面上基本上为直线为曲线，除上下端点外，缺陷其它位置的信号较少。79不同深度位置缺陷上下端点信号强弱(波幅大小)：1.缺陷主声束角度以上，衍射信号大于反射信号，主声束以下，衍射信号小于反射信号2.影响衍射信号强弱的主要因素是产生信号部位的位置。偏置扫查可以减小上/下表面盲区以及估计缺陷的水平位置。80盲区的测量试验8182838485868788899091下表面盲区TxRx下表面盲区的形成主要是声轴偏离所造成盲区(轴偏离盲区)和声束扩散角覆盖不足所造成的盲区。缺陷位置偏离探头PCS中心线会造成：1、缺陷深度的测量值减小；2、灵敏度不足。92下表面盲区PCS60PCS8093PCS100PCS12094PCS140PCS180955mm侧孔(槽)不同PCS下的图像比较96上表面盲区测量结果与计算值比较97不同角度楔块的盲区比较9899可识别的人工缺陷最小深度2012-12-6100END