衍射時(shí)差法超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范

1本規(guī)范適用于采用超聲波衍射時(shí)差法(time-of-flightdiffraction,TOFD)原理的超聲探傷儀(以下簡(jiǎn)稱探傷儀)的校準(zhǔn)。JJF1001—2011通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義JJF1034—2005聲學(xué)計(jì)量名詞術(shù)語(yǔ)及定義GB3102.7—1993聲學(xué)的量和單位GB/T12604.1無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)超聲檢測(cè)GB/T23902—2009無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)超聲衍射聲時(shí)技術(shù)檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法GB/T27664.1—2011無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)設(shè)備的性能與檢驗(yàn)第1部分：儀器NB/T47013.10承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。JJF1001—2011和JJF1034—2005、GB/T12604.1和JB/T4730.1～4730.6界定3.1衍射時(shí)差法(TOFD)timeofflightdiffraction,TOFD利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)發(fā)現(xiàn)缺陷和測(cè)定缺陷尺寸的一種超聲檢測(cè)方法。3.2TOFD圖像TOFDTOFD掃查數(shù)據(jù)的二維顯示，由掃查過(guò)程中采集的A掃描信號(hào)連續(xù)拼接而成。同組兩個(gè)TOFD探頭之間在平面或曲面上以最短路徑傳播的聲波。從發(fā)射探頭經(jīng)底面反射到接收探頭的超聲波。3.5探頭中心間距(PCS)probecenterseparation,PCS[NB/T一組探頭對(duì)的兩只探頭入射點(diǎn)之間的距離。2缺陷上、下端點(diǎn)間的距離。3.9缺陷長(zhǎng)度缺陷沿焊縫長(zhǎng)度的距離。3.10盲區(qū)deadzone[GB/T23902—2009,3.1]由于聲源信號(hào)干涉，指示可能模糊的區(qū)域。4概述TOFD技術(shù)是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)(主要是指缺陷)的“端角”和“端點(diǎn)”處得到的衍射波來(lái)檢測(cè)缺陷的方法，也叫“裂紋端點(diǎn)衍射法”或“尖端反射法”。一般由主機(jī)、一對(duì)帶有楔塊的探頭、編碼器及掃查裝置組成。發(fā)射探頭和接收探頭按一定間距相向放置，盡可能使被校缺陷處于兩探頭間距中點(diǎn)正下方，然后使發(fā)射探頭向被校焊縫發(fā)出一束指向角足夠大的斜射縱波聲束，折射角(即楔角)宜在40°~75°之間。此聲束可充分覆蓋整個(gè)板厚范圍內(nèi)的焊縫體積。若在缺陷上、下端點(diǎn)能產(chǎn)生衍射波并被同尺寸、同頻率的接收探頭接收到，則根據(jù)沿探測(cè)面?zhèn)鞑サ闹蓖úㄅc由缺陷上下端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射波以及底面回波(簡(jiǎn)稱底波)到達(dá)接收探頭的傳播時(shí)間差與聲速的關(guān)系，即可準(zhǔn)確地測(cè)出缺陷(如裂紋)的埋藏深度和自身高度。探傷原理示意圖見圖1。缺陷深度計(jì)算見公式(1)。t——從發(fā)射到接收的傳播時(shí)間，其中應(yīng)去除超聲信號(hào)在探頭內(nèi)部的傳播時(shí)間(即探頭的延遲時(shí)間),s3s——兩探頭人射點(diǎn)間距的一半，mm。5.1接收器帶寬接收器帶寬一般在探頭-6dB帶寬的(0.5～2)倍的范圍內(nèi)。5.2發(fā)射脈沖上升時(shí)間發(fā)射脈沖上升時(shí)間一般小于可能使用的最高探頭標(biāo)稱頻率所對(duì)應(yīng)周期的0.25倍。5.3上表面盲區(qū)上表面盲區(qū)應(yīng)滿足廠家提出的技術(shù)要求。5.4缺陷深度、高度及長(zhǎng)度測(cè)量誤差缺陷深度、高度及長(zhǎng)度測(cè)量誤差應(yīng)滿足廠家提出的技術(shù)要求。環(huán)境溫度：0℃~50℃;6.2測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備正弦信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍100kHz~30MHz,幅值測(cè)量誤差不超過(guò)±1%。帶寬DC～100MHz,上升時(shí)間不小于3.5ns,時(shí)間準(zhǔn)確度不超過(guò)±0.5%,幅值測(cè)量誤差不超過(guò)士1.5%。最大允許誤差不超過(guò)±0.5Ω。6.2.4標(biāo)準(zhǔn)衰減器最小步進(jìn)不大于1dB、總衰減量不小于100dB、輸出阻抗為50Ω,且任一10dB6.2.5窄脈沖探頭1)中心頻率范圍：(1～15)MHz;2)-6dB頻帶相對(duì)寬度大于或等于60%;3)兩個(gè)探頭應(yīng)具有相同的標(biāo)稱中心頻率，其中心頻率偏差不超過(guò)20%。探頭夾持部分應(yīng)能調(diào)整和設(shè)置探頭中心間距，在掃查過(guò)程中中心間距和相對(duì)角度不變；為超聲設(shè)備提供探頭位置信息，以生成與位置相關(guān)的B掃描顯示；其驅(qū)動(dòng)部分可以采用馬達(dá)或人工驅(qū)動(dòng)；參考線(如焊縫的中心線)中心的導(dǎo)向精度宜保持在探頭中心間距±10%內(nèi)。4對(duì)比試塊應(yīng)采用與工件聲學(xué)性能相同或相似的材料制成，其材料中不得有大于或等于φ2mm平底孔當(dāng)量直徑的缺陷；對(duì)比試塊的外形尺寸應(yīng)能代表工件的特征和滿足掃查裝置掃查要求，其厚度應(yīng)為工件厚度的(0.9～1.3)倍且兩者間最大差值不超過(guò)25mm;對(duì)比試塊中的缺陷位置應(yīng)具有代表性，至少應(yīng)包含上表面、下表面和內(nèi)部。本規(guī)范采用的對(duì)比試塊中反射體的形狀、尺寸和數(shù)量見附錄C。6.2.8直尺測(cè)量范圍(0～500)mm,最大允許誤差±0.5mm。6.2.9耦合劑應(yīng)用有效且適用于對(duì)比試塊的介質(zhì)作為超聲耦合劑。一般可選水、含添加劑的水(潤(rùn)濕劑、防凍液或防腐劑)、連結(jié)劑、油、脂、含水的纖維素糊等。7校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法7.1校準(zhǔn)項(xiàng)目探傷儀校準(zhǔn)項(xiàng)目見表1。項(xiàng)目名稱1接收器帶寬2發(fā)射脈沖上升時(shí)間3上表面盲區(qū)47.2校準(zhǔn)方法7.2.1校準(zhǔn)前的檢查探傷儀的外觀應(yīng)完好，無(wú)影響正常工作的機(jī)械損傷。7.2.2接收器帶寬被校被校TOFD超聲探傷儀標(biāo)準(zhǔn)衰減器θ輸入任意波形O輸出1)所用校準(zhǔn)設(shè)備與被校探傷儀的連接方式如圖2所示。將探傷儀置“雙”探頭工作方式，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使探傷儀的輸入正弦信號(hào)的峰-峰值電壓為1V。52)依次選取不同頻帶，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器改變輸入信號(hào)的頻率，記錄探傷儀顯示的最大信號(hào)幅度所對(duì)應(yīng)的頻率fm。3)利用標(biāo)準(zhǔn)衰減器調(diào)節(jié)上述最大信號(hào)幅度，使其在探傷儀上顯示為一個(gè)全屏幅值100%信號(hào)回波。70.7%所對(duì)應(yīng)的頻率，該頻率即為上限頻率fu。70.7%所對(duì)應(yīng)的頻率，該頻率即為下限頻率ft。6)接收器帶寬即為上限頻率fu和下限頻率ft差的絕對(duì)值△f。7.2.3脈沖上升時(shí)間t,1)所用校準(zhǔn)設(shè)備與被校探傷儀的連接方式如圖3所示。將探傷儀置“雙”探頭工作方式，發(fā)射輸出插座連接一個(gè)50Ω無(wú)感電阻，連接示波器至探傷儀的發(fā)射端。2)將探傷儀脈沖重復(fù)頻率調(diào)至最大，調(diào)整示波器為下降沿觸發(fā)狀態(tài)。3)用示波器測(cè)量發(fā)射脈沖幅度的10%與90%間對(duì)應(yīng)的時(shí)間，圖4中的t,為發(fā)射脈沖上升時(shí)間。4)設(shè)置不同發(fā)射強(qiáng)度、脈沖重復(fù)頻率、最大及最小阻尼擋位，按1)、2)、3)步驟重復(fù)校準(zhǔn)。7.2.4掃查成像前準(zhǔn)備7.2.4.1校正編碼器1)按儀器說(shuō)明書要求連接編碼器與主機(jī)。在開機(jī)界面點(diǎn)擊編碼器進(jìn)入編碼器校正界面。在對(duì)比試塊上用直尺量好300mm,起始點(diǎn)標(biāo)記為0mm,結(jié)束點(diǎn)標(biāo)記為300mm,在掃查器上找好一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)0mm,按照相關(guān)被校儀器的操作說(shuō)明進(jìn)行62)向前推動(dòng)掃查器，當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)300mm時(shí)，停止推動(dòng)掃查器，按被校儀器的3)確認(rèn)后，將自動(dòng)進(jìn)入編碼器測(cè)試界面，推動(dòng)編碼器行走一段距離，若屏幕中顯示的數(shù)值與實(shí)際行走距離誤差不超過(guò)±3%,表明編碼器校正成功，并保存編碼器名稱，7.2.4.2TOFD參數(shù)設(shè)置按照被校儀器操作說(shuō)明，進(jìn)入TOFD成像參數(shù)設(shè)置界面。1)基礎(chǔ)參數(shù)：聲速：5930m/s,顯示延遲：0mm,抑制：0%。2)激發(fā)參數(shù)：對(duì)帶有感抗開關(guān)的探傷儀應(yīng)關(guān)閉感抗，激發(fā)模式設(shè)置為雙品。波調(diào)節(jié)，使用矩形脈沖，其寬度宜在(25～500)ns范圍內(nèi)。一般設(shè)置為探頭頻率周期的一半，對(duì)5MHz探頭，脈沖寬度設(shè)置為100ns,也可根據(jù)探頭實(shí)際情況調(diào)節(jié)，以獲得較小的直通波的周期，并減少脈沖上升時(shí)間，提高信噪比。重復(fù)頻率的設(shè)置應(yīng)與探頭移動(dòng)速度相匹配，若掃描間隔為1mm,每個(gè)掃描間隔記錄2個(gè)A掃數(shù)據(jù)，掃查速度最快按100mm/s設(shè)置，則重復(fù)頻率至少設(shè)置為200Hz,3)接收參數(shù)：濾波器帶寬一般為最小范圍是(0.5～2)倍的探頭中心頻率。對(duì)5MHz的探頭，如果其-6dB帶寬為3MHz,中心頻率為5MHz,則可將低通濾波器設(shè)為8MHz,高通濾波器設(shè)為2MHz,也可將低通濾波器設(shè)為5.75MHz,高通濾波器設(shè)為4.25MHz;探頭頻率范圍視探頭頻率進(jìn)行選擇，對(duì)5MHz探頭，頻率范圍宜選擇為(0.35~4)測(cè)量參數(shù)：測(cè)量參數(shù)以產(chǎn)品說(shuō)明書方法設(shè)定，測(cè)量方式為前沿點(diǎn)、探頭延遲設(shè)定為零點(diǎn)校準(zhǔn)7.2.4.3測(cè)定探頭延遲及楔塊前沿距離將兩探頭相對(duì)，找到最大回波，讀取聲波在楔塊中的傳播時(shí)間，遲，然后按圖5所示，用尺子測(cè)量?jī)尚▔K重合距離1,l/2就是楔塊的前沿距離。77.2.4.4兩探頭楔塊前端間距1)兩探頭楔塊前端間距設(shè)置如圖6所示，并按公式(2)計(jì)算探頭中心間距dg——兩探頭中心間距，mm;D——工件厚度，mm;θ——楔角，()。按公式(3)計(jì)算兩探頭楔塊前沿點(diǎn)間距離L——兩探頭楔塊前沿點(diǎn)間距，mm;dgo——兩探頭中心間距，mm;l——兩探頭楔塊前沿距離，mm。2)固定兩探頭，按公式(3)中計(jì)算出的距離調(diào)整兩探頭楔塊前沿點(diǎn)間距L。3)通過(guò)調(diào)整探傷儀的聲程范圍和顯示延遲，使屏幕上按標(biāo)準(zhǔn)要求顯示直通波(直通波起點(diǎn)位于屏幕最左端)、底波和變形波。7.2.4.5靈敏度設(shè)置探頭置于對(duì)比試塊同一側(cè)，使直通波中最高波的波幅達(dá)到滿屏的40%～80%之間。7.2.5上表面盲區(qū)成像掃查校準(zhǔn)用盲區(qū)試塊結(jié)構(gòu)、尺寸等見附錄C。1)依據(jù)對(duì)比試塊的厚度確定探頭頻率、晶片尺寸、楔塊角度。2)按7.2.4步驟進(jìn)行測(cè)試前準(zhǔn)備。3)將探頭放置于試塊上無(wú)缺陷位置，兩探頭中心對(duì)準(zhǔn)所測(cè)量埋藏深度的橫通孔，按圖7所示移動(dòng)探頭并記錄圖像，當(dāng)圖像結(jié)果如圖8所示可清晰分辨直通波和橫通孔信號(hào)時(shí)，即可得到上表面盲區(qū)小于該盲區(qū)距離。8v圖8盲區(qū)B掃圖像4)若圖像結(jié)果不能清晰分辨直通波和橫通孔信號(hào)，那么應(yīng)測(cè)試下一個(gè)埋藏深度的橫通孔，若圖像結(jié)果仍然不能清晰分辨直通波和橫通孔信號(hào)，則遵循由淺入深，直到某一個(gè)埋藏深度的橫通孔的信號(hào)能與直通波清晰分辨，該探頭組合的近表面盲區(qū)為這一橫注意：掃查過(guò)程中若通耦合不好或圖像記錄不清晰時(shí)，可倒回編碼器，覆蓋掃查，圖像與編碼5)掃查完成后，按照被校儀器的程序停止掃查，再按保存鍵保存測(cè)試數(shù)據(jù)及圖像。7.2.6缺陷深度、缺陷高度及缺陷長(zhǎng)度測(cè)量誤差成像掃查1)按7.2.4準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行測(cè)量。所用校準(zhǔn)設(shè)備與被校探傷儀的連接方式如圖72)當(dāng)對(duì)比試塊D≤50mm時(shí)，可采用一組探頭對(duì)測(cè)試。當(dāng)對(duì)比試塊D>50mm時(shí)，應(yīng)在厚度方向分成若干區(qū)域，采用相應(yīng)的探頭對(duì)在各區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。具體厚度分區(qū)參考見附錄D。3)依據(jù)對(duì)比試塊的厚度，確定被測(cè)探頭頻率、晶片尺寸、楔塊角度。4)將探頭放置于試塊上無(wú)缺陷位置，兩探頭中心對(duì)準(zhǔn)埋藏缺陷的橫通孔，按圖7所示移動(dòng)探頭并記錄圖像。若圖像結(jié)果可清晰分辨直通波和橫通孔信號(hào)，則可以保存95)依據(jù)被校衍射時(shí)差法超聲探傷儀操作說(shuō)明選擇測(cè)量功能，分別測(cè)量所測(cè)缺陷的6)按公式(4)計(jì)算被校衍射時(shí)差法超聲探傷儀缺陷的深度測(cè)量誤差：a被檢衍射時(shí)差法超聲探傷儀缺陷深度測(cè)量平均值；d——標(biāo)準(zhǔn)試塊中缺陷深度標(biāo)稱值。按上述6)分別計(jì)算被校衍射時(shí)差法超聲探傷儀缺陷的高度和長(zhǎng)度測(cè)量誤差。所有的數(shù)據(jù)應(yīng)先多位計(jì)算后修約，出具的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)均保留一位小數(shù)。8.2校準(zhǔn)證書經(jīng)校準(zhǔn)的探傷儀應(yīng)出具校準(zhǔn)證書，校準(zhǔn)證書至少應(yīng)包括以下信息：b)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)(如果與實(shí)驗(yàn)室的地址不同);e)證書的唯一性標(biāo)識(shí)(如編號(hào)),每頁(yè)及總頁(yè)數(shù)的標(biāo)識(shí)；f)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)說(shuō)明被校探傷儀g)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)對(duì)被校探傷儀樣品的抽樣程序進(jìn)行說(shuō)明；h)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識(shí)，包括名稱及代號(hào)；i)本次校準(zhǔn)所用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說(shuō)明；k)校準(zhǔn)結(jié)果及其測(cè)量不確定度的說(shuō)明；1)對(duì)校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說(shuō)明；m)校準(zhǔn)證書或校準(zhǔn)報(bào)告簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識(shí)；n)校準(zhǔn)結(jié)果僅對(duì)被校對(duì)象有效的聲明；o)未經(jīng)實(shí)驗(yàn)室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書的聲明。推薦的校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁(yè)格式參見附錄B。8.3校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定探傷儀校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度按JJF1059.1—2012的要求評(píng)定，測(cè)量不確定度9復(fù)校時(shí)間間隔探傷儀的復(fù)校時(shí)間間隔建議為2年。然而，由于復(fù)校時(shí)間間隔的長(zhǎng)短是由探傷儀的使用情況、使用者、探傷儀本身質(zhì)量等諸多因素所決定的，因此，送校單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定復(fù)校時(shí)間間隔。推薦的探傷儀校準(zhǔn)記錄的內(nèi)容(°)、探頭中心間距(PCS)123校準(zhǔn)的技術(shù)依據(jù)：JJF1447—2014衍射時(shí)差法超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置的名稱、溯源性及有推薦的超聲探傷儀校準(zhǔn)證書內(nèi)頁(yè)格式發(fā)射脈沖上升時(shí)間/ns缺陷深度測(cè)量誤差/mm缺陷高度測(cè)量誤差/mm缺陷長(zhǎng)度測(cè)量誤差/mm測(cè)量不確定度典型的對(duì)比試塊C.120mm厚對(duì)比試塊舉例見圖C.1。C.28mm厚盲區(qū)試塊舉例見圖C.2。比對(duì)試塊≤400mm厚鋼的探頭推薦性選擇深度范圍晶片直徑1112345附錄E衍射時(shí)差法超聲探傷儀缺陷深度測(cè)量誤差不確定度的評(píng)定實(shí)例衍射時(shí)差法超聲探傷儀缺陷深度測(cè)量誤差受聲束傳輸時(shí)間、軸偏移、探頭間距和耦合劑厚度變化、聲速變化、聲速入射點(diǎn)偏移等因素的影響。下列就衍射時(shí)差法超聲探傷儀缺陷深度誤差測(cè)量進(jìn)行不確定度評(píng)定。E.1測(cè)量模型8=d-d式中：8——被校衍射時(shí)差法超聲探傷儀缺陷深度測(cè)量誤差；a——被校衍射時(shí)差法超聲探傷儀缺陷深度測(cè)量平均值；d——標(biāo)準(zhǔn)試塊中缺陷深度標(biāo)稱值。E.2方差及靈敏系數(shù)由于f(d,d)中的d,d互不相關(guān)，故其合成方差為：u2(δ)=c2(a2)u2(a)+c2(d2)u式中靈敏系數(shù)為：E.3單次測(cè)量結(jié)果不確定度的A類評(píng)定不確定度的A類評(píng)定由統(tǒng)計(jì)的方法獲得。用探傷儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表E.1所示。測(cè)量重復(fù)性所引入的不確定度分量，即缺陷深度實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值為vA=s?=0.18標(biāo)稱探頭角度(厚度測(cè)量設(shè)定：0～28)5(厚度測(cè)量設(shè)定：21～70)5E.4不確定度的B類評(píng)定E.4.1