TOFD基础

超声波衍射时差(TOFD)技术•TOFD发展及应用背景1.TOFD(TimeofFlightDiffraction)即衍射时差法是由上个世纪七十年代由国际原子能中心的（英国哈韦尔原子能权威人士－Dr.silk）提议下发展而来。2.TOFD最初的发展仅仅是作为定量工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行精确的定量和监测在线设备裂纹的扩展（例如检测压力容器）。3.很多年以来TOFD一直在实验室里，各国做过大量实验直到八十年代才为业界所认同；在这些实验中，用事实证明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技术。4.利用TOFD技术探伤沿焊缝进行扫查基本能发现焊缝所有缺陷，收集扫查数据实时形成B扫或D扫图像比单纯看A扫更容易判断缺陷的尺寸和性质。TOFD–认可•TOFD已经得到ASTME2373-04，ASMEVIIICode2235，CENENV583-6(2000)，BS7706(1993)等标准的认可。NB/T47013.10(等效JB/T4730.10)•TOFD对于判定缺陷的真实性和精确定量上十分有效。•TOFD可以和脉冲反射法相互取长补短。例如，检出焊缝中部的缺陷，判断缺陷是否向表面延伸等就是它的强项。TOFD技术的国内发展情况•1．2004年一重与中国特检院合作编订国内第一个TOFD企业标准，并对神华煤液化工程中世界上最大的加氢反应器（壁厚340mm）进行TOFD检测．•2．2005年，武汉中科创新技术股份有限公司研发出国产第一台TOFD专用检测设备．•3.2008年JB/T4730.10标准小组中Ｔ武汉中科创新技术股份有限公司是国内唯一一家参与标准制订的超声仪器生产单位.•4.武汉中科作为TOFD实际操作考前培训机构和TOFD设备提供商,关组织参与了五年来历次TOFD二级人员实际操作培训.•5.2010年JB/T4730.10标准正式颁布实施•TOFD技术,即Timeofflightdiffractiontechnique,超声波衍射时差检测技术．•概念：超声波衍射时差法,是采用一发一收两只探头,利用缺陷端点处的衍射信号探测和测定缺陷尺寸的一种自动超声检测方法．•发展条件：因其原理与传统检测方式有很多不同，弥补了传统方法的不足之处．焊缝检测中TOFD技术与常规超声检测比较常规超声检测tofd检测技术原理脉冲反射超声衍射波形横波纵波扫查方式锯齿形扫查平行/非平行扫查探头单个探头探头对定量方式波幅高度传播时间差数据记录分析A扫波形TOFD图像①缺陷衍射信号与缺陷角度无关；②缺陷定量与缺陷回波幅度无关。探头入射波反射波衍射波被测工件t由于衍射波能量远远低于反射波能量,因此采用单探头作TOFD检测时衍射信号难以观察,因此单探头扫查方式,不适合高效的TOFD检测反射波衍射波国内早期TOFD的应用详见JB/T4730.3附录I探头入射波反射波衍射波被测工件探头双探头阵列,将接收探头置于焊缝另一侧,有效的保证了衍射波的接收,而反射信号,基本上是不被接收的,从而在屏幕上显示出比较纯粹的衍射信号.为了使衍射信号更好的被接收到,两只探头的技术参数应尽量一致,如探头频率和角度等.现在TOFD的应用•TOFD扫查系统主要包括检测仪主机、扫查器、探头及各类接接线组成，其主要功能是完成对检测对像的内部缺陷的扫查、记录及分析功能，TOFD扫查结果均以数据文件格式存储，可支持计算机软件进行分析处理。TOFD检测设备的基本配置1.主机TOFD检测仪主机是完成TOFD检测的主体设备，主要完成激发脉冲使探头进行工作，并依靠编码器顺序记录探头上返回的超声波信号，并对其进行放大、滤波后转换为D扫描图像，并且可完成存储、分析、打印、输出等功能。①USB接口②网络接口③VGA接口④内置B编码器接口⑤发射接口⑥接收接口TOFD检测设备的外部接口1234561、编码器A2、探头信号接口3、充电接口4、电池锁12344TOFD检测设备的外部接口TOFD扫查器扫查器作为TOFD主机的延伸部分主要负责夹持探头传输信号，一般还配有前置放大器，以对信号进行放大、滤波处理。探头支架磁性轮编码器复合电缆线探头连接线ＴＯＦＤ检测通常采用小晶片，短脉冲，宽频带的纵波探头。晶片一般采用复合压电晶片，有效提高发射和接收灵敏度,且直径一般不超25mm。不同工件厚度需要不同的探头角度，因此探头与楔块采用分离方法，可根据不同的需要，更换不同的楔块。TOFD探头TOFD楔块复合压电晶片优点:1.横向振动很弱,串扰声压小2.机械品质因子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8.易与声阻抗不同的材料匹配9.可通过陶瓷体积率的变化,调节超声波灵敏度多点声源同时激发，产生大扩散声束，由于声束是由多个声源在不同位置相互干涉和叠加形成，因此主声束与扩散声束之间的能量差异不像单晶片探头那么明显，从而达到大范围的扫查。2/3T探头间距的设定,基本遵循两探头主声轴交叉于被测区域厚度的2/3处,计算公式如下:PCS=(4/3)TtanθPCS--探头中心间距T—被检区域厚度θ--探头折射角PCS探头中心间距(probecentreseparation)发射和接收探头入射点之间的直线距离ssTOFD深度计算公式ht如上图所示，两探头的信号是对称的，则在两探头之间的信号时间t可以用下式计算chSt222s＝两探头中心距的一半h=反射信号的深度c=声速由于时间可以由仪器自行测出，因此由左式可计算出缺陷深度22)2(stchSSh1h2h5.缺陷自身高度计算根据刚才的公式，计算出缺陷的上端点深度和下端点深度两者之差即为缺陷自身高度，如下式h=h2-h1h1=上端点深度h2=下端点深度.直通波(lateralwave)直通波是从发射探头发出沿工件以最短路径到达接收探头的波束.底面反射波(backwallecho)经底面反射到接收探头的超声波.变型波纵波入射在底面或缺陷构成的反射面上形成的横波反射。波形的相位关系当超声波束由一个高阻抗的介质传播到一个低阻抗介质中时，在界面经过反射后波束相位发生改变，如果波束在遇到界面前是负向周期则在界面反射后转变为正向周期。发射探头接收探头如下图，波束经过上端点和底面时，在异质界面反射和相位发生转变，因此波形相位相似。而波束经过下端点时相当于波束在底缺陷底部环绕，相位不发生转变与直通波相位相似。根据理论和实验证明，如果两个衍射信号的相位相反，则在两个信号间一定存在一个连续不间断的缺陷。因此识别相位变化对于评定缺陷尺寸非常重要。利用上、下端点的时间差来计算缺陷深度和自身高度是TOFD探伤最重要的部分*注在一些特殊情况下，例如气孔，小夹渣之类的缺陷由于几何尺寸太小不会产生两个分离的端点信号+_+_TOFD扫描成像发射探头接收探头TOFD的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时探头所接收到的A扫图形转换为黑白两色的灰度图，为了能有更清晰的图像因些要求至少256级的灰度分辨率＋100%0%－100%利用灰阶度来表示振幅，当回波处于0位时用中间灰色表示，当波形向正半周变化时向100%灰度（白色）渐变，当波形向负正半周变化时向-100%灰度（黑色）渐变A扫图像D扫图像直通波上端点下端点底波+_+_返回TOFD扫查模式•平行扫查:又称横向扫查,是指扫查方向与超声波束方向是平行的,扫查结果称为B-scan,所得结果主要是Ｙ轴和Ｚ轴方向值．该扫查方法能为我们提供很准确的深度结果，但因扫查时探头须越过焊缝，操作起来相对烦琐．•非平行扫查:又称纵向扫查，是指扫查方向与超声波束方向不平行，扫查结果称为Ｄ－scan，所得结果主要是Ｘ轴和Ｚ轴方向值，扫查方便，适用大范围的焊逢检测，一般采用探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向扫查．为了减少底部盲区和判断缺陷大致水平位置可采用偏置非平行扫查1.对称非平行扫查2.左偏置非平行扫查3.右偏置非平行扫查TOFD扫查模式非平行扫查时得到的扫描图像A扫波形D扫图像直通波底波有缺陷时扫描图像A扫图像D扫图像上端点下端点缺陷位置的偏差发射探头接收探头SSt2t1相等时间的轨迹(t1+t2=ct)dmindmax实际上:绝对深度的最大误差低于壁厚8%.内部（小）缺陷的高度估计误差是可以忽略的。在不同深度的情况下，始终存在一条时间轨迹曲线，该曲线上任意一点距离两只探头的的传播时间相等，由于TOFD计算深度时始终认为缺陷是存在于两只探头间距的中心，因此在实际缺陷形成的位置偏离焊缝中心时，计算出的深度结果会与实际深度产生一定的误差。平行扫查上表面底波B扫这种扫查会产生典型的反向抛物线平行扫查时，扩散声束作用于缺陷时的衍射信号传播时间较长，而当缺陷位于主声束中心时即当探头相对于缺陷处于对称位置时，传播时间最短。因此会形成一个抛物线，抛物线的顶点处所计算的深度为缺陷实际深度返回1、为保证分层之间不存在漏检，因此分层之间相互覆盖。2、覆盖为被覆盖分层区域检测范围的25%。3、由于焊缝宽度原因上一层向下一层覆盖的时候不能满足检测范围需求。4、因此覆盖时只用考虑下一层向上一层的覆盖即可。多通道分层检测分层覆盖Tofd1通道Tofd2通道1、按被检测工件厚度调好探头PCS。２、将探头放在盲区试块上。3、在盲区试块上进行对称非平行扫查。4、盲区试块上有1～8mm人区开口槽。5、在扫查的图谱上能发现的最浅开口槽深度即为最大表面开口盲区87654321发射探头接收探头SSt1dmindmax•对于平板或对接焊缝中部缺陷检出率很高•容易检出方向性不好的缺陷•可以识别向表面延伸的缺陷•采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现100%焊缝覆盖。•沿焊缝作一维扫查，具有较高的检测速度。•缺陷定量、定位精度高。特殊缺陷的特征直通波被阻断下端点底波特征：没有直通波和上端点的信号1.上表面开口裂纹当缺陷沿扫查方向有一定长度时，连续扫查得下如下D扫图像直通波被阻断下端点底波直通波断开只有下端点信号当表面开口深度非常小时，直通波并没有断开，但明显滞后直通波被阻断底波直通波滞后底波被阻断上端点底波2.下表面开口裂纹特征：没有下端点和底波底波断开上端点底波被阻断上端点底波2.下表面开口裂纹由于开口深度较小，无法完全阻当直通波，因此底波并未消失，但明显滞后没有下端点和底波上端点底波滞后底波3.短小缺陷在焊缝中出现短小缺陷，上下端点距离很小，因此没有明显区分的上下端点衍射，因此会出现一个非常明显的不规则多次振荡信号底波4.近表面缺陷在近表面发现的缺陷，由于与直通波距离近，因此上端点与直通波叠加在一起难以区分。5.单个气孔由于几何尺寸小，因此没有明显分离的上下端点回波，形成一个独立的小月牙状，相位无法分辨,受扩散声束影响比较大,会有较长的弧形拖尾.扩散声束对图像的影响A扫图像D扫图像由于扩散声束作用于缺陷上时同样会产生衍射信号使得缺陷形两端成的图像上有明显的弧形拖尾因此对缺陷长度的判定造成困难，因此为了对缺陷长度精确定位需要对图像重新聚焦。SAFT处理前后的对比经过SAFT处理后能够有效的消除图像上扩散声束所形成的影像从而使得成像后的图形更清晰，还原缺陷真实反映SAFT处理前后的对比采样频率（数字化频率）：每秒钟内将模似信号转换为数值序列的数目。采样频率越高，采集的波形点数越多，重建的波形就越接近真实波形信号，时间轴上定位越精确。二、TOFD硬件电路的设置1．仪器的主要性能指标采样定理指出：要使信号采样后能够保证不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。只有以信号频率最大值两倍的数字化频率。数字化频率是15MHz，取样点不足以使每个半周期平均一个样本(看图2．4上部)。图2．4下部图形展示该取样点重建结果的效果。很明显，该波形的频率小于10MHz，不能重建正确的频率。另外如果有更进一步地数字信号处理(例如滤波器)，则计算机将获得不正确的存储数据。通常对于数据采集系统而言，设置脉冲重复频率(prf)是很有必要的。这是触发发射探头的频率。prf和数字化频率不同。前者控制多长