TOFD技術(shù)原理及應(yīng)用介紹匯編

1、1會(huì)計(jì)學(xué)TOFD技術(shù)原理及應(yīng)用介紹匯編技術(shù)原理及應(yīng)用介紹匯編當(dāng)超聲波作用于一條長(zhǎng)裂紋缺陷時(shí)，在裂紋縫隙產(chǎn)生衍射，當(dāng)超聲波作用于一條長(zhǎng)裂紋缺陷時(shí)，在裂紋縫隙產(chǎn)生衍射，另外在裂紋表面還會(huì)產(chǎn)生反射。另外在裂紋表面還會(huì)產(chǎn)生反射。TOFD就是利用聲束在裂紋兩個(gè)端點(diǎn)或端角產(chǎn)生的衍射波來(lái)就是利用聲束在裂紋兩個(gè)端點(diǎn)或端角產(chǎn)生的衍射波來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量。對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量。探頭入射波反射波衍射波被測(cè)工件探頭入射波反射波反射波衍射波被測(cè)工件t 由于衍射波能由于衍射波能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反射量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反射波能量波能量,因此采用因此采用單探頭作單探頭作TOFD檢檢測(cè)時(shí)衍射信號(hào)被測(cè)時(shí)衍射信號(hào)被反射波掩蓋難以反射波掩蓋難以觀察

2、觀察,因此單探頭因此單探頭掃查方式掃查方式,不適合不適合高效的高效的TOFD檢測(cè)檢測(cè)反射波衍射波探頭入射波反射波衍射波被測(cè)工件探頭 雙探頭陣列雙探頭陣列,將接收探頭置于焊縫另一側(cè)將接收探頭置于焊縫另一側(cè),有效有效的保證了衍射波的接收的保證了衍射波的接收,而反射信號(hào)而反射信號(hào),基本上是不被基本上是不被接收的接收的,而衍射波沒(méi)有明顯的指向性，可以輕易的而衍射波沒(méi)有明顯的指向性，可以輕易的被接收探頭接收，從而在屏幕上顯示出比較純粹的被接收探頭接收，從而在屏幕上顯示出比較純粹的衍射信號(hào)衍射信號(hào). 為了使衍射信號(hào)更好的被接收到為了使衍射信號(hào)更好的被接收到,兩只探頭的兩只探頭的技術(shù)參數(shù)應(yīng)盡量一致技術(shù)參數(shù)應(yīng)

3、盡量一致,如探頭頻率和角度等如探頭頻率和角度等.有效覆蓋區(qū) 檢測(cè)通常采用小檢測(cè)通常采用小晶片，大擴(kuò)散角，寬頻帶的晶片，大擴(kuò)散角，寬頻帶的縱波探頭?？v波探頭。 晶片一般采用復(fù)合壓電晶晶片一般采用復(fù)合壓電晶片，有效提高發(fā)射和接收靈片，有效提高發(fā)射和接收靈敏度敏度,且直徑一般不超且直徑一般不超25mm。 不同工件厚度需要不同的不同工件厚度需要不同的探頭角度，因此探頭與楔塊探頭角度，因此探頭與楔塊采用分離方法，可根據(jù)不同采用分離方法，可根據(jù)不同的需要，更換不同的楔塊。的需要，更換不同的楔塊。復(fù)合壓電晶片復(fù)合壓電晶片優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1.橫向振動(dòng)很弱橫向振動(dòng)很弱,串?dāng)_聲壓小串?dāng)_聲壓小2.機(jī)械品質(zhì)因子機(jī)械品質(zhì)因子

4、Q值低值低3.帶寬大帶寬大(80100%)4.機(jī)電耦合系數(shù)值大機(jī)電耦合系數(shù)值大5.靈敏度高靈敏度高,信噪比優(yōu)于普通信噪比優(yōu)于普通PZT探頭探頭6.在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定7.可加工形狀復(fù)雜的探頭可加工形狀復(fù)雜的探頭8.易與聲阻抗不同的材料匹配易與聲阻抗不同的材料匹配9.可通過(guò)陶瓷體積率的變化可通過(guò)陶瓷體積率的變化,調(diào)節(jié)超聲波靈敏度調(diào)節(jié)超聲波靈敏度2/3T探頭間距的設(shè)定探頭間距的設(shè)定,基本遵循兩探頭主聲軸交叉于被測(cè)區(qū)域基本遵循兩探頭主聲軸交叉于被測(cè)區(qū)域厚度的厚度的2/3處處,計(jì)算公式如下計(jì)算公式如下:PCS=(4/3)T tanPCS-探頭中心間距探頭中心間距 T被檢區(qū)域

5、厚度被檢區(qū)域厚度 -探頭折射角探頭折射角探頭角度與頻率的選擇探頭角度與頻率的選擇工件厚度工件厚度mm中心頻率中心頻率MHzzz探頭角度探頭角度晶片尺寸晶片尺寸mm1010-1550-702-610-305-1050-602-630-702-545-606-12 由上表可知再進(jìn)行由上表可知再進(jìn)行TOFD檢測(cè)時(shí)，薄壁工件檢測(cè)時(shí)，薄壁工件應(yīng)選擇高頻小晶片大角度探頭，而厚壁工件應(yīng)選應(yīng)選擇高頻小晶片大角度探頭，而厚壁工件應(yīng)選用低頻大晶片小角度探頭用低頻大晶片小角度探頭發(fā)射探頭發(fā)射探頭接收探頭接收探頭被測(cè)工件TOFD掃查焊縫掃查焊縫形成的A掃脈沖圖像直通波直通波上端點(diǎn)上端點(diǎn)下端點(diǎn)下端點(diǎn)底波3. 波形的相位

6、關(guān)系波形的相位關(guān)系當(dāng)超聲波束由一個(gè)高阻抗的介質(zhì)傳播到一個(gè)低阻抗介質(zhì)中時(shí)，當(dāng)超聲波束由一個(gè)高阻抗的介質(zhì)傳播到一個(gè)低阻抗介質(zhì)中時(shí)，在界面經(jīng)過(guò)反射后波束相位發(fā)生改變，如果波束在遇到界面前在界面經(jīng)過(guò)反射后波束相位發(fā)生改變，如果波束在遇到界面前是負(fù)向周期則在界面反射后轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛑芷?。是?fù)向周期則在界面反射后轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛑芷?。發(fā)射探頭發(fā)射探頭接收探頭接收探頭如下圖，波束經(jīng)過(guò)上端點(diǎn)和底面時(shí)，在異質(zhì)界面反射和相位發(fā)如下圖，波束經(jīng)過(guò)上端點(diǎn)和底面時(shí)，在異質(zhì)界面反射和相位發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此波形相位相似。而波束經(jīng)過(guò)下端點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于波束生轉(zhuǎn)變，因此波形相位相似。而波束經(jīng)過(guò)下端點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于波束在底缺陷底部環(huán)繞，相位不發(fā)生轉(zhuǎn)變與直通

7、波相位相似。在底缺陷底部環(huán)繞，相位不發(fā)生轉(zhuǎn)變與直通波相位相似。根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)證明，如果兩個(gè)衍射信號(hào)的相位相反，則在兩個(gè)信號(hào)間一定存在一根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)證明，如果兩個(gè)衍射信號(hào)的相位相反，則在兩個(gè)信號(hào)間一定存在一個(gè)連續(xù)不間斷的缺陷。因此識(shí)別相位變化對(duì)于評(píng)定缺陷尺寸非常重要。利用上、下個(gè)連續(xù)不間斷的缺陷。因此識(shí)別相位變化對(duì)于評(píng)定缺陷尺寸非常重要。利用上、下端點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算缺陷深度和自身高度是端點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算缺陷深度和自身高度是TOFD探傷最重要的部分探傷最重要的部分*注在一些特殊情況下，例如氣孔，小夾渣之類(lèi)的缺陷由于幾何尺寸太小不會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)分離的端點(diǎn)信號(hào)+_+_ss4. 深度計(jì)算公式深度計(jì)算公式h

8、t如上圖所示，兩探頭的信號(hào)是對(duì)稱(chēng)的，則如上圖所示，兩探頭的信號(hào)是對(duì)稱(chēng)的，則在兩探頭之間的信號(hào)時(shí)間在兩探頭之間的信號(hào)時(shí)間 t 可以用下式計(jì)算可以用下式計(jì)算chSt222s兩探頭中心距的一半h=反射信號(hào)的深度c=聲速由于時(shí)間可以由儀器自行測(cè)出，由于時(shí)間可以由儀器自行測(cè)出，因此由左式可計(jì)算出缺陷深度因此由左式可計(jì)算出缺陷深度22)2(stchSSh1h2h5.缺陷自身高度計(jì)算缺陷自身高度計(jì)算根據(jù)剛才的公式，計(jì)算出缺陷的上端點(diǎn)深度和下端點(diǎn)深度根據(jù)剛才的公式，計(jì)算出缺陷的上端點(diǎn)深度和下端點(diǎn)深度兩者之差即為缺陷自身高度，如下式兩者之差即為缺陷自身高度，如下式h=h1-h2h1=上端點(diǎn)深度上端點(diǎn)深度 h2=

9、下端點(diǎn)深度下端點(diǎn)深度TOFD掃描成像掃描成像發(fā)射探頭發(fā)射探頭接收探頭接收探頭TOFD的成像并非是缺陷的實(shí)際圖像顯示，而是通過(guò)掃查時(shí)探頭所接收的成像并非是缺陷的實(shí)際圖像顯示，而是通過(guò)掃查時(shí)探頭所接收到的到的A掃圖形轉(zhuǎn)換為黑白兩色的灰度圖，為了能有更清晰的圖像因些要掃圖形轉(zhuǎn)換為黑白兩色的灰度圖，為了能有更清晰的圖像因些要求至少求至少256級(jí)的灰度分辨率級(jí)的灰度分辨率100%0%100%利用灰階度來(lái)表示振幅，當(dāng)回波處于0位時(shí)用中間灰色表示，當(dāng)波形向正半周變化時(shí)向100%灰度（白色）漸變，當(dāng)波形向負(fù)正半周變化時(shí)向-100%灰度（黑色）漸變A掃圖像掃圖像D掃圖像掃圖像直通波直通波上端點(diǎn)上端點(diǎn)下端點(diǎn)下端點(diǎn)

10、底波底波+_+_非平行掃查時(shí)得到的掃描圖像非平行掃查時(shí)得到的掃描圖像A掃波形掃波形D掃圖像掃圖像直通波直通波底波底波有缺陷時(shí)掃描圖像有缺陷時(shí)掃描圖像A掃圖像掃圖像D掃圖像掃圖像上端點(diǎn)上端點(diǎn)下端點(diǎn)下端點(diǎn)特殊缺陷的特征特殊缺陷的特征直通波被阻斷直通波被阻斷下端點(diǎn)下端點(diǎn)底波底波特征：特征：沒(méi)有直通波沒(méi)有直通波和上端點(diǎn)的和上端點(diǎn)的信號(hào)信號(hào)1.上表面開(kāi)口裂紋上表面開(kāi)口裂紋當(dāng)缺陷沿掃查方向有一定長(zhǎng)度時(shí)，連續(xù)掃查得下如下當(dāng)缺陷沿掃查方向有一定長(zhǎng)度時(shí)，連續(xù)掃查得下如下D掃圖像掃圖像直通波被阻斷直通波被阻斷下端點(diǎn)下端點(diǎn)底波底波直通波斷開(kāi)直通波斷開(kāi)只有下端點(diǎn)信號(hào)只有下端點(diǎn)信號(hào)當(dāng)表面開(kāi)口深度非常小時(shí)，直通波并沒(méi)有斷

11、開(kāi)，但明顯滯后當(dāng)表面開(kāi)口深度非常小時(shí)，直通波并沒(méi)有斷開(kāi)，但明顯滯后直通波被阻斷直通波被阻斷底波底波直通波滯后直通波滯后底波被阻斷底波被阻斷上端點(diǎn)上端點(diǎn)底波底波2.下表面開(kāi)口裂紋下表面開(kāi)口裂紋特征：特征： 沒(méi)有下端點(diǎn)和底波沒(méi)有下端點(diǎn)和底波底波斷開(kāi)底波斷開(kāi)上端點(diǎn)上端點(diǎn)底波被阻斷底波被阻斷上端點(diǎn)上端點(diǎn)底波底波2.下表面開(kāi)口裂紋下表面開(kāi)口裂紋由于開(kāi)口深度較小，無(wú)法完全阻當(dāng)直通波，由于開(kāi)口深度較小，無(wú)法完全阻當(dāng)直通波，因此底波并未消失，但明顯滯后因此底波并未消失，但明顯滯后沒(méi)有下端點(diǎn)和底波沒(méi)有下端點(diǎn)和底波上端點(diǎn)上端點(diǎn)底波滯后底波滯后底波底波3.短小缺陷短小缺陷在焊縫中出現(xiàn)短小缺陷，上下端點(diǎn)距離很小，在焊

12、縫中出現(xiàn)短小缺陷，上下端點(diǎn)距離很小，因此沒(méi)有明顯區(qū)分的上下端點(diǎn)衍射，因此沒(méi)有明顯區(qū)分的上下端點(diǎn)衍射，因此會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常明顯的不規(guī)則多次振蕩信號(hào)因此會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常明顯的不規(guī)則多次振蕩信號(hào)底波底波4.近表面缺陷近表面缺陷在近表面發(fā)現(xiàn)的缺陷，由于與直通波距離近，在近表面發(fā)現(xiàn)的缺陷，由于與直通波距離近，因此上端點(diǎn)與直通波疊加在一起難以區(qū)分。因此上端點(diǎn)與直通波疊加在一起難以區(qū)分。5. 單個(gè)氣孔單個(gè)氣孔由于幾何尺寸小，因此沒(méi)有明顯分離的上下端點(diǎn)回波，由于幾何尺寸小，因此沒(méi)有明顯分離的上下端點(diǎn)回波，形成一個(gè)獨(dú)立的小月牙狀，相位無(wú)法分辨形成一個(gè)獨(dú)立的小月牙狀，相位無(wú)法分辨,受擴(kuò)散聲束影響比較大受擴(kuò)散聲束影響比

13、較大,會(huì)有較長(zhǎng)的弧形拖尾會(huì)有較長(zhǎng)的弧形拖尾.擴(kuò)散聲束對(duì)圖像的影響擴(kuò)散聲束對(duì)圖像的影響A掃圖像掃圖像D掃圖像掃圖像由于擴(kuò)散聲束作用于缺陷上時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生衍射信號(hào)使得缺陷形兩端成由于擴(kuò)散聲束作用于缺陷上時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生衍射信號(hào)使得缺陷形兩端成的圖像上有明顯的弧形拖尾因此對(duì)缺陷長(zhǎng)度的判定造成困難的圖像上有明顯的弧形拖尾因此對(duì)缺陷長(zhǎng)度的判定造成困難，因此為了對(duì)缺陷長(zhǎng)度精確定位需要對(duì)圖像重新聚焦。，因此為了對(duì)缺陷長(zhǎng)度精確定位需要對(duì)圖像重新聚焦。SAFT處理前后的對(duì)比處理前后的對(duì)比經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)SAFT處理后能夠有效的消除圖像上擴(kuò)散聲束所形成的影像從而使得處理后能夠有效的消除圖像上擴(kuò)散聲束所形成的影像從而使得成像后的

14、圖形更清晰，還原缺陷真實(shí)反映成像后的圖形更清晰，還原缺陷真實(shí)反映SAFT處理前后的對(duì)比處理前后的對(duì)比發(fā)射探頭接收探頭SSt2t1相等時(shí)間的軌跡相等時(shí)間的軌跡(t1+t2=ct)dmindmax實(shí)際上實(shí)際上:絕對(duì)深度的最大誤差低于壁厚絕對(duì)深度的最大誤差低于壁厚8 %.內(nèi)部（?。┤毕莸母叨裙烙?jì)誤差是可以忽略的內(nèi)部（小）缺陷的高度估計(jì)誤差是可以忽略的 。 在不同深度的情況下，始終存在一條時(shí)間軌跡曲線，該曲線上任意一點(diǎn)距在不同深度的情況下，始終存在一條時(shí)間軌跡曲線，該曲線上任意一點(diǎn)距離兩只探頭的的傳播時(shí)間相等，由于離兩只探頭的的傳播時(shí)間相等，由于TOFD計(jì)算深度時(shí)始終認(rèn)為缺陷是存在于計(jì)算深度時(shí)始終認(rèn)為

15、缺陷是存在于兩只探頭間距的中心，因此在實(shí)際缺陷形成的位置偏離焊縫中心時(shí)，計(jì)算出的兩只探頭間距的中心，因此在實(shí)際缺陷形成的位置偏離焊縫中心時(shí)，計(jì)算出的深度結(jié)果會(huì)與實(shí)際深度產(chǎn)生一定的誤差。深度結(jié)果會(huì)與實(shí)際深度產(chǎn)生一定的誤差。上表面上表面底波底波B掃掃這種掃查會(huì)產(chǎn)生典型的這種掃查會(huì)產(chǎn)生典型的 反向拋物線反向拋物線平行掃查時(shí)，擴(kuò)散聲平行掃查時(shí)，擴(kuò)散聲束作用于缺陷時(shí)的衍束作用于缺陷時(shí)的衍射信號(hào)傳播時(shí)間較長(zhǎng)射信號(hào)傳播時(shí)間較長(zhǎng)，而當(dāng)缺陷位于主聲，而當(dāng)缺陷位于主聲束中心時(shí)即當(dāng)探頭相束中心時(shí)即當(dāng)探頭相對(duì)于缺陷處于對(duì)稱(chēng)位對(duì)于缺陷處于對(duì)稱(chēng)位置時(shí)，傳播時(shí)間最短置時(shí)，傳播時(shí)間最短 。因此會(huì)形成一個(gè)拋。因此會(huì)形成一個(gè)拋物

16、線，拋物線的頂點(diǎn)物線，拋物線的頂點(diǎn)處所計(jì)算的深度為缺處所計(jì)算的深度為缺陷實(shí)際深度陷實(shí)際深度用普通用普通PE探頭與探頭與TOFD同時(shí)進(jìn)行掃查同時(shí)進(jìn)行掃查,有效的彌補(bǔ)有效的彌補(bǔ)TOFD探測(cè)的盲區(qū)探測(cè)的盲區(qū)K2探頭探頭K1探頭探頭TOFD探頭探頭 利用大角度探頭一次直射監(jiān)控探測(cè)底面，利利用大角度探頭一次直射監(jiān)控探測(cè)底面，利用小角度探頭一次反射法監(jiān)控探測(cè)表面，從而實(shí)現(xiàn)用小角度探頭一次反射法監(jiān)控探測(cè)表面，從而實(shí)現(xiàn)上下表面的盲區(qū)覆蓋上下表面的盲區(qū)覆蓋TOFDPE_K2PE-K1PE_K2PE-K1厚壁管環(huán)縫檢測(cè)厚壁管環(huán)縫檢測(cè)水電氣包多通道檢測(cè)水電氣包多通道檢測(cè)反應(yīng)罐縱縫現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)反應(yīng)罐縱縫現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主暖管環(huán)縫

17、檢測(cè)主暖管環(huán)縫檢測(cè)球罐現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)球罐現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)球罐檢測(cè)球罐檢測(cè)探頭入射波反射波反射波衍射波被測(cè)工件t 由于衍射波能由于衍射波能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反射量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反射波能量波能量,因此采用因此采用單探頭作單探頭作TOFD檢檢測(cè)時(shí)衍射信號(hào)被測(cè)時(shí)衍射信號(hào)被反射波掩蓋難以反射波掩蓋難以觀察觀察,因此單探頭因此單探頭掃查方式掃查方式,不適合不適合高效的高效的TOFD檢測(cè)檢測(cè)反射波衍射波有效覆蓋區(qū) 檢測(cè)通常采用小檢測(cè)通常采用小晶片，大擴(kuò)散角，寬頻帶的晶片，大擴(kuò)散角，寬頻帶的縱波探頭。縱波探頭。 晶片一般采用復(fù)合壓電晶晶片一般采用復(fù)合壓電晶片，有效提高發(fā)射和接收靈片，有效提高發(fā)射和接收靈敏度敏度,且直徑一般不超且直徑一般

18、不超25mm。 不同工件厚度需要不同的不同工件厚度需要不同的探頭角度，因此探頭與楔塊探頭角度，因此探頭與楔塊采用分離方法，可根據(jù)不同采用分離方法，可根據(jù)不同的需要，更換不同的楔塊。的需要，更換不同的楔塊。3. 波形的相位關(guān)系波形的相位關(guān)系當(dāng)超聲波束由一個(gè)高阻抗的介質(zhì)傳播到一個(gè)低阻抗介質(zhì)中時(shí)，當(dāng)超聲波束由一個(gè)高阻抗的介質(zhì)傳播到一個(gè)低阻抗介質(zhì)中時(shí)，在界面經(jīng)過(guò)反射后波束相位發(fā)生改變，如果波束在遇到界面前在界面經(jīng)過(guò)反射后波束相位發(fā)生改變，如果波束在遇到界面前是負(fù)向周期則在界面反射后轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛑芷?。是?fù)向周期則在界面反射后轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛑芷?。發(fā)射探頭發(fā)射探頭接收探頭接收探頭如下圖，波束經(jīng)過(guò)上端點(diǎn)和底面時(shí)，在異質(zhì)界面反射和相位發(fā)如下圖，波束經(jīng)過(guò)上端點(diǎn)和底面時(shí)，在異質(zhì)界面反射和相位發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此波形相位相似。而波束經(jīng)過(guò)下端點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于波束生轉(zhuǎn)變，因此波形相位相似。而波束經(jīng)過(guò)下端點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于波束在底缺陷底部環(huán)