第五章TOFD检测工艺参数的选择(2016年第一期)课件

晶粒噪声增大
穿透力降低（衰减大） 近场长度增加
晶粒噪声降低
穿透力增大（衰减小） 近场长度减小
5.1探头的选择
表6 频率5MHz，不同晶片尺寸探头的扩散角（-12dB） 角度 （°） 45 60 70 在钢中波束的扩散角 D=3mm 25.5~75.5 35.6~90 42.0~90 D=6mm 35.0~57 47.3~84 55.0~90 D=10mm 38.8~51.8 51.9~70.6 59.6~90.0 D=15mm 40.8~49.9 55.5~66.5 62.6~82.1
25.6 28.1 3.4
始脉冲
LW
BW
d=ct，钢纵波：c=6mm/μ s
5.1探头的选择
• 当工件厚度T固定时， 随着探头角度增加，探头中心距 PCS也增加 • 直通波的声程2S、底面波的声程2L也分别增加 • 但直通波与底面波的时间间隔是减小的 • 随着时间间隔的减小，分辨力是降低的
• 在下面的公式中，D、c是固定的， Δt 随s的增加而减少
5Mφ3-60 ° 与5Mφ6-70 °相比比，不仅覆盖范围大，
还可以减小PCS，提供分辨力。
5.1探头的选择
3、Leabharlann Baidu片尺寸的选择
• 晶片尺寸小的探头可增大波束扩散角 • 减小晶片尺寸可获得大的覆盖区域
• 晶片尺寸小有利于与工件接触。在大曲率薄工件 中，小晶片探头的使用效果更好一些，如管道焊 缝的检测
• 选择探头频率的准则是直通波和底面波信号的时间 窗口应达到20个信号周期 • 薄工件检测时，分辨力要求高而穿透力要求低，选 用大角度、高频率、小尺寸晶片；厚工件与之相反
• 对粗晶材料选用低频探头 • 对大曲率工件，应选择小晶片尺寸
• 如欲提高检测效率，获得更大的波束覆盖范围，应 选择低频、小晶片尺寸探头
5.1探头的选择
2、探头频率的选择 • 探头脉冲信号持续时间越短，分辨力越高 • 持续时间=周期数×周期 • 信号震动周期数相同的情况下，信号频率高，持续 时间越短。 • TOFD技术要求采用短脉冲探头，使信号振动周期 一般不超过两个，常见1.5个，注意不要拖尾 • 缩短信号持续时间的有效措施就是提高频率
5.1探头的选择
1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围 选择大角度探头必须注意的几个问题：
• 最优的折射角度就在60 °到70 °之间。 折射角为65 °时，上尖端信号与下尖端 信号波幅均为最大 • 折射角在60 °到70 °之间时，分辨力也较好，所以一般不采 用折射角大于70 ° 的探头 • 探头角度大PCS也大，对于厚工件声程变长导致信号幅度的衰 减很大，使检测变得困难
5.1探头的选择
表3 聚焦不同深度的直通波与底面波之间的周期数 （50度的探头）
深度 mm 10 25 50 100 直通波和底面波 时间间隔， μ s 1.25 3.13 6.265 12.53 1MHz 1.3 3.1 6.3 12.5 3MHz 3.8 9.4 18.8 37.6 5MHz 10MHz 20MHz 6.3 15.7 31.3 62.7 12.5 31.3 62.7 125.3 25.1 62.7 125.3 250.7
+
LW + BW
5.1探头的选择
2、探头频率的选择 • 在TOFD检测中，要求直通波与底面波的时间间隔
远远大于信号周期 • 在表1中，使用60 ° 探头检测40mm工件，直通 波与底面波之间的时间间隔是5 μ s • 对于1MHz探头，一个振动周期的时间是1μ s，直 通波与底面波的时间间隔只有5个振动周期 • 对于5MHz探头，一个振动周期的时间是0.2μ s， 直通波与底面波之间的时间间隔有25个振动周期， 能够达到满意的效果
第五章 TOFD工艺参数的选择
张志超
福建省特检院
工艺的概念
工艺是指将原材料或半成品加工成产品 的过程中采用的方法和技术。 无损检测工艺则是指完成对被检测对象 的检测过程中采用的方法和技术。 怎样干？ 按标准！ 工艺参数的优化。 采得合格的图像。
主要内容
1.探头的选择 2.扫查次数的选择 3.PCS的选择 4.增益设置与校准方法的选择 5.TOFD扫查 6.TOFD检测的主要步骤 7.其它工艺参数的影响 8.减少盲区影响的工艺措施 9.特殊工艺和方法
5.1探头的选择
1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系
• 对TOFD技术的非平行扫查，要求执行2/3T法则 • PCS=2S=（4/3）Dtanθ •探头角度越小，PCS也越小 • PCS越小，直通波与底面反射波的时间间隔越大 • 对同一深度、同一自身高度的缺陷： PCS越小， 上、下端点的时间间隔也越大 • PCS越小，沿时间轴的信号分辨力就越高，深度 测量的精度也就越高
5.1探头的选择
表1壁厚40mm探头聚焦深度在2/3T 时直通波与底面波的时间范围
波束在工件中的角度 45 ° 60 ° 70 °
探头中心距（PCS）,mm
直通波达到时间，μ s 底面反射波到达时间， μ s 时间间隔， μ s
53.3
9.0 16.2 7.2
92.4
15.5 20.5 5.0
146.5
5.1探头的选择
1.1 TOFD探头角度与工件厚度的关系 • 按照2/3T法则，检测同样厚度的工件时，探头角 度大，PCS也大→声程也长 • 检测深度增加时，声程随探头角度的增加而快速增 加，衰减变大 •规律与常规脉冲回波法一致
s q 2s=PCS d=2/3D D
D L S
5.1探头的选择
1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系：
5.1探头的选择
直通波
底面波 +
LW 上端点
+ 下端点
BW
5.1探头的选择
1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系
直通波与底面波之间的时间间隔Δt计算公式 ：
t
2
s
2
D2
c
- 2s / c
例如：检测厚度40mm工件 ，探头聚焦深度在2/3T时，直 通波与底面波的时间范围如表1所示，从表中可以看出在 c 45°、60 ° 、70 °三种折射角度，以45 °探头的时间 差最大，分辨力最好。
5.1探头的选择
s
发射探头
s
接收探头
t0
D
t0
始脉冲
LW BW
t
5.1探头的选择
2、探头频率的选择 • 直通波与底面反射波之间的时间间隔包含 的信号周期数越多，深度分辨力就越高 • 要获得高分辨力最好要达到30周期 • 实际应用中，一般希望达到20周期 • 通过增加频率可以很容易增加周期数 • 频率增加时，衰减和噪声随之增加，波束 扩散也将减小
工件壁厚 （mm） 标称频率 （MHz） 声束角度 （°） 晶片直径 （mm）
12~15 15~35 35~50
15~7 10~5 5~3
70~60 70~60 70~60
2~4 2~6 3~6
5.1探头的选择
表5 频率变化导致的结果
提高频率导致的后果 波长变短 分辨力提高 波束扩散减小 降低频率导致的后果 波长变长 分辨力降低 波束扩散增大
5.1探头的选择
1、探头角度的选择 • 脉冲反射法对探头角度的选择原则： ——脉冲回波法常用横波探头，波长较短 ——探头角度越大，探测声程越长，衰减也越大，厚 工件不能使用大角度探头 ——保证能量和穿透力的情况下，尽量选择角度大一 些的探头 ，利于裂纹缺陷的检出 • TOFD检测技术 ——裂纹检出与探头角度无关 ——探头角度的选择应考虑：工件厚度、分辨力、深 度测量精度、扫查覆盖范围
5.2扫查次数的选择
2.4 增加偏置非平行扫查的目的
• 焊缝宽度方向上满足标准规定的检测范围
• 使底面轴偏离盲区满足要求 • 使焊缝根部、宽度方向上的边缘处，声束入射角 大于38° • 对于特定的几何形状所造成的底面轴偏离盲区增 大 ，如从外表面检测焊缝纵缝，减小盲区
5.2扫查次数的选择
3、高度区域
• TOFD信号测量精度是指测量信号达到时间的准确 性，其同时影响缺陷自身高度和缺陷深度。 • （纵向）分辨力是指能够识别的两个信号到达的时 间间隔或其所代表的最小距离
• 分辨力取决于脉冲信号的持续时间，一个脉冲信号 包含几个周期，时间分辨力就是这几个周期的时间， 距离分辨力就是这段时间超声波传播的距离
5.2 扫查次数的选择
2.1 NB/T47013.10-2015的规定： • 检测区域宽度为焊缝本身及焊缝熔合线两侧 各10mm。 • 若对于已发现缺陷部位进行复检或已确定的 重点部位，检测区域可缩减至相应部位。
2.2 验证：在试块上采用将扫查器偏置的方法， 确定在焊缝宽度方向上的有效检测范围。 2.3 补偿方法：如果验证表明一次扫查无法覆盖 宽度区域，可根据验证结果增加偏置扫查次数。
• 小晶片发出的超声脉冲能量小，仅适用于薄工件 或厚壁焊缝最上一层扫查区的检测
5.1探头的选择
表7 探头晶片尺寸变化导致的结果
减小探头晶片尺寸导致的后果 输出能量降低 波束扩散角增加 近场长度减小 与工件接触面减小 增加探头晶片尺寸导致的后果 输出能量增加 波束扩散角减小 近场长度增加 与工件接触面增大
S D L
t
2
s
2
D2
c
- 2s / c
5.1探头的选择
1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围 • 波束扩散范围与探头角度、晶片尺寸、频率有关 • 检测大厚度工件时，扫查覆盖范围还与声程有关 • 在上边界角没有达到90°以前，探头的折射角越 大，波束扩散范围越大 • 大多数情况下， 70°、60 °探头比45 °探头的 声束覆盖范围要大，初次检测时多使用60 °~ 70° 探头
5.1探头的选择
4、探头选择小结
• TOFD检测用探头应该是宽频带和短脉冲
• 直通波的脉冲长度以波幅10%测量应不超过2个周期
• 探头选择的主要参数是：频率、晶片尺寸、折射角
• 首要条件是获得足够的功率和信噪比，即选择较大
的晶片尺寸和较低的频率
• 次要条件是声束覆盖和时间分辨力应满足要求
5.1探头的选择
3.1检测方法：
• 在厚度范围内可分1个或几个TOFD检测区域 • 相邻区域内－12dB声束至少有一定的重叠 • 对上、下表面盲区采取适当的补充检测 • 对声束不能覆盖的检测区域，应进行辅助检测， 并且在检测工艺中注明 • 注意：在考试或工作中，如果焊缝有余高，应注 明增加辅助检测
5.1探头的选择
• 如欲获得更高的检测精度和深度分辨力，应 选择高频率、小角度、更短的脉冲
•同一组TOFD探头，一般都选择相同的频率、 晶片尺寸、折射角
• 同一组探头，最重要的是保证两个探头的中 心频率相同，其差值应在10%以内 • 中心频率是否就是峰值频率？P80 页
5.2 扫查次数的选择
• 扫查次数的选择原则：检测区域是否全部被覆盖。 1.检测区域的大小； 2.波束覆盖范围：探头频率、晶片尺寸、折射角度。 •对于厚工件，需要多对探头分层扫查
5.1探头的选择
按照周期数要求，根据表3选择探头的频率：
• 对厚度＜10mm的工件，应选择频率＞20MHz
• 厚度在10~25mm之间时，应选择频率15~7.5MHz
• 实际检测中并不使用这么高的频率 • 下表为NB47013.10标准推荐值
5.1探头的选择
NB47013.10表平板对接焊接接头的探头选择
检测过程中和检测结束时系统复核如直接在工件上进行灵敏度设置则应在工件的同一部位复核57其它工艺参数的影响1温度使用常规探头和普通耦合剂检测时工件表面的温度应该在050之间使用适当的耦合剂可以在150高温下进行tofd检测当温度更高时探头楔块电缆必须进行冷却保护仪器还应使用适当的屏蔽或隔热物200300范围探测耦合剂非常重要灵敏度会降低如果灵敏度满足要求可以通过一些手段将特殊探头永久黏在金属上在更更高的温度下对缺陷进行长期监视57其它工艺参数的影响2耦合在楔块侧面添加金属磨损条可在楔块与工件间形成间隙典型的为02mm不仅可以避免探头的磨损还有助于保持一定的耦合由于楔块与工件金属表面技术之间存在干涉效应02mm的间隙会使025和05倍波长的超声波损失58减少盲区的工艺措施1tofd和脉冲反射法组合使用普通探头固定在扫查架上随tofd探头一起进行非平行扫查
5.1探头的选择
1.3 TOFD探头角度导致的结果
表2探头角度变化导致的后果 减少探头角度导致的后果 探头中心距（PCS）减少 分辨力提高 深度误差减小 声程短，信号衰减小 增加探头角度导致的后果 探头中心距（PCS）增大 分辨力降低 深度误差增大 声程长，信号衰减大
在一定的范围内（上边界角小于 在一定的范围内（上边界角小于 90 °）探头角度减小会引起波束 90 °）探头角度减小会引起波束 覆盖范围减小 覆盖范围增大
5.1探头的选择
1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围 如果探头的频率较低，晶片尺寸较小，使用折 射角60 °楔块的上边界角已达到90 °；如果这时 进一步增加楔块角度到70 °，波速的覆盖范围反而 减小。 例如：晶片尺寸3mm，频率5MHz的探头，折 射角60 °时的上、下边界角分别为90 °和35.6 °； 同样晶片尺寸3mm，频率5MHz的探头，折射角70 °时的上、下边界角分别为90 °和42. °。
• 对于宽焊缝，有时需要增加偏置非平行扫查
• 为减少盲区，有时需要增加扫查次数（主要是底面 轴偏离盲区，增加偏置非平行扫查或平行扫查）
覆 盖 范 围 举 例
5.2 扫查次数的选择
1、检测区域 • 检测区域由其长度、高度和宽度表征。
2、宽度区域
• 焊缝、热影响区和附加母材区域构成
• 不同标准对于应检测的宽度区域的规定 不同