TOFD技术介绍

3、TOFD技术使用的探头
晶片尺寸与频率对探头性能的影响
u
u
u
u u u
小晶片，扩散角大，覆盖范围大。 频率高，扩散角小，覆盖范围小。 另一方面，频率高，周期短，容易满足直通波 与底波信号时间差至少20个周期的要求，这可 使直通波与底波回波在10％以上的波幅不超过 两个周期，减小盲区，提高时间分辨率。 综合考虑晶片尺寸与探头频率，根据标准规定 选择。 一般使用的TOFD探头中心频率为1～15MHz，晶 片尺寸为 3～20mm。 常用的探头角度为：45 ° 、60 ° 、70 °
8、TOFD检测的盲区
底面盲区
u u
偏离焊缝中心的缺陷很难在D扫描的底面反射 信号中看到，可能被底面回波信号掩盖。 在传播时间相同轨迹上任意一点的信号都具有 相同的时间
在传播时间相同轨迹上任意一点的信号 都具有相同的时间
检测不到 的缺陷
TOFD检测的精度
u u
时间误差： 探头频率5MHz，假定采样频率25MHz， 则采用间隔0.04 μs，时间误差0.02 μs， 深度误差0.02 μs ×5.95mm/ μs＝ 0.1mm
•底面反射波(BW)：纵波在底面的反射波。因其传播距离比直 通波大，总是在直通波之后。 •波型转换信号：在底面纵波和底面反射波型转换信号还会产生 各种波型转换信号。由于横波速度较慢，在底面反射波之后出 现，但波幅相当大。 •由于直通波(LW)和底面反射波(BW)的存在，检测时如果只使 用TOFD检测，在上表面和下表面存在盲区，一般为几毫米左右， 近表面的盲区大于底面的盲区。
TOFD标准
u u
u
u u
1993年，英国BS7706标准中规定了用TOFD法进行缺陷 定量评价的具体程序和要求。 1996年，美国ASME规范在案例2235案例中，明确提出 允许使用TOFD取代RT。2000年ASME规范第I卷（动力 锅炉）也允许用AUT取代RT，用TOFD法记录焊缝检测结 果。 2000年欧共体也在原英国标准BS7706：1993基础上，制 订了有关焊缝TOFD法检测的现行标准ENV583-6-2000 《超声衍射波时差法用于缺陷检出和定量》。 2001年，日本制定了NDIS2423：2001超声波衍射时差技 术(TOFD)用于缺陷高度测量的方法。 目前，我国正在修订《蒸汽锅炉安全技术监察规程》和已 颁布的《固定式压力容器安全技术监察规程》已经将 TOFD技术方法纳入正式条文。
底面反射波
LW BW
反射回波
与 检 测 面 平 行 的 面 状 缺 陷
内 部 埋 藏 缺 陷
在线分析与离线分析
在线分析的优点和局限性 1、不需要使用额外的设备和软件就能够直接对缺陷进 行分析。 2、在现场就能够对缺陷进行最快的诊断。 3、对缺陷进行测量分析时，采用仪器的键盘操控比较 费力。 4、仪器屏幕较小，分辨率较低，操作人员容易疲劳，同 时会影响测量精度和判读结果。 5、在线分析软件的可扩展性差，很难及时更新换代。
TOFD检测的精度
u
轴偏移误差：8％
S S
接收探头
发射探头
t1 相等时间的轨迹 (t1+t2=2t)
dmin dmax
t2
TOFD检测的分辨率
u u
u
u
能够识别两个信号的最小距离。 TOFD可以识别2～3个波长。 5MHz探头，波长1.1mm，分辨率2～3mm 2mm的气孔和夹渣无法分辨出上下尖端。
反射波
缺陷
衍射波
2018/7/25 6
特点： 1、全方位 2、低能量
2、 TOFD技术的基本配置
发射探头 直通波 上端点 接收探头
下端点
底面反射信号
2、 TOFD技术的基本配置
1 2 3 4
两个探头配对组成 TOFD检测系统
单探头接收衍射信号的情况
3、TOFD技术使用的探头
典型探头的结构示意图
4、不同角度下衍射信号波幅的变化
4、不同角度下衍射信号波幅的变化
u u
u
u
裂纹上尖端信号从0～65°单调增大，从65 ° ～ 85°单调降低。波幅最大时的折射角为65 ° 。 裂纹下尖端的信号波幅曲线在20 °和65 °时出现 两个峰值，在38 °时，裂纹下尖端的信号波幅下降 到最低。 在45 °～80 °区间，裂纹下尖端的信号波幅略大 于上尖端的信号波幅。 在45 ° ～80 °之间波幅的变化小于6dB。
5、TOFD声场中的A扫信号
TOFD技术的A扫信号
2018/7/25 14
5、TOFD声场中的A扫信号
直通波
底面反射波
+
LW -
+ -
BW
上端点 下端点 需要不检波的A扫来显示相位的变化
5、TOFD声场中的A扫信号
•直通波(LW)：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。路 程最逗，最先到达。
•缺陷信号：缺陷上、下端点产生的衍射信号，在直通波和底面 反射波之间，比底面反射波信号弱很多。
5
u
相位变化
直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的 。 每一个显示的上、下端点衍射波相位是相反的。 缺陷的下端点与直通波的相位是相同的。 缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的。
u u u
5
S
发射探头
传播时间
S
接收探头
t0
d
t0
始脉冲
LW BW
t
5S发射探头来自传播时间S接收探头
t0
d
t0
2018/7/25 23
合格的TOFD成像
7、基本扫查方式与成像特点
（1）非平行扫查 （2）偏置非平行扫查
（3）平行扫查
2018/7/25
25
7、基本扫查方式与成像特点
非平行扫查或D扫：扫查方向与声束 方向垂直。 u 平行扫查或B扫：扫查方向与声束方 向平行。
u
7、基本扫查方式与成像特点
u
非平行扫查主要 用于缺陷定位和 长度方向的定量， 但是在高度方向 上的定量不精确。
2018/7/25 42
10、TOFD的局限性
1、TOFD技术对近表面缺陷的检测可靠性不够。 （1）扫查面盲区 （2）底面盲区 2、对缺陷定性比较困难
2018/7/25
43
10、TOFD的局限性
3、横向缺陷检出率较低；
横向裂纹信号一般是可以采集到的，但是信号没有长度，因为看起来象 是来自于一个微小的点状反射体（例如气孔）的信号，容易被忽略。
5
确定探头间距
• 聚焦深度： d = 2/3 D • 探头间距： PCS =2S=2d tanq = (4/3)D tanq
2s=PCS d=2/3D D
s q
6、TOFD检测图像的形成（灰度图）
将每一个A扫描信号转 化为灰度线， 沿探头的运动方向拼 接成二维灰度图
TOFD图像的一维坐标分 别代表探头位移 另一维坐标代表信号传输时 间。
频率5MHz，晶片直径6mm，折射角60°的探头在钢中的声场分布
3、TOFD技术使用的探头
优点
（1）横向振动很弱，串扰声压小； （2）机械品质因数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，仅需简易的切块和充填技术； （8）声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数易于改变（因 这些参数相关于陶瓷材料的体积率）； （9）易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）； （10）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。
扫查方向
Tx
焊缝
Rx
波束方向
7、基本扫查方式与成像特点
平行扫查
u
当探头相对于缺陷对称时时间最短 。
S S
接收探头
发射探头
t0 d
t0
x
平行扫查
当探头相对于 缺陷对称时时 间最短 。
直通波
上表面
下表面
B扫 这种扫查会产生典型的 反向抛物线
图形显示
LW A扫
B扫
BW
上表面
内壁
典型的B扫视图
8、TOFD检测的盲区
谢 谢！
上表面盲区
底面盲区示意图
8、TOFD检测的盲区 近表面盲区
u
u
u
由于近表面缺陷的信号可能隐藏在直通波 信号之下，因此相当于直通波信号的深度 是盲区。 5MHz探头，周期0.2μ s，PCS=100mm，工件 厚度40mm，直通波为两倍周期0.4μ s，则 盲区为11mm。 减小近表面盲区的措施：减小PCS，窄脉冲 探头，直通波去除。
2018/7/25
44
4、TOFD图像识别和判读比较难，数据分析需要丰富的理论知 识和检测经验 5、粗晶材料检测比较困难 6、 复杂几何形状的 工件检测比较困难 7、点状和线状缺陷的尺寸 测量不够准确
2018/7/25 45
几种典型的TOFD波形
1、上表面存在裂纹时，声束无法从上表面通过，无侧向波 （LW）和上端点衍射波。 2、下表面存在裂纹时，声束无法从下表面通过，无内壁反 射波（BW）和下端点衍射波。 3、水平方向的平面形缺陷 (层间未熔, 冷夹层) 上下端点衍 射波合在一起。
扫查方向
Tx 波束方向 Rx
焊缝
7、基本扫查方式与成像特点
典型的D扫视图
7、基本扫查方式与成像特点
D 扫所看到的视图
u u
D扫描用于采集焊缝及两侧母材中的缺陷 D扫描视图不能判断出缺陷在焊缝中的横向位置
Tx Rx
7、基本扫查方式与成像特点
平行扫查-B扫
u
采用平行扫查可 以对缺陷深度进 行更精确的定量， 而且有助于对缺 陷宽度和倾斜角 度的判断。
TOFD中文名称
u
u
u
Time of Flight Diffraction Technique 的中文翻译为——衍射时差法超声检测技 术 GB/T 12604.1—2005（等同ISO 5577:2000 ）翻译为——衍射声时 物理学术语翻译为——衍射渡越时间
TOFD发展历程
u
u u
TOFD技术发现(20世纪70年代）——摸索、完 善、装备研发 开始应用（20世纪90年代） 大规模应用（21世纪初）
TOFD技术得以推广应用的先决条件
u u
TOFD技术得以推广应用的关键主要是： 数字技术：是计算机技术、多媒体技术 、智能技术和信息技术的基础。 计算机技术：快速处理大量数据 压电复合材料：可用于相控阵探头、 TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头
u u
1、物理基础－衍射
入射波 衍射波
缺陷上的每一点形成新的子波 源称为衍射——惠更斯原理
在线分析与离线分析
离线分析的优点和局限性 1、计算机屏幕大，分辨率高，数据测量精度高。 2、计算机键盘大，结构为人所熟悉，操作轻松方便。 3、计算机存储空间大，数据调用、存放、打包处理 方便。 4、计算机速度快，工作效率高。 5、专可利用的软件较多，分析处理功能强大，容易 及时更新。 6、需要使用额外的设备. 7、现场使用不够方便。
上表面开口裂纹
发射探头
直通波被隔开了
接收探头
底面反射波
BW 没有侧向波
裂纹尖端
外 表 面 开 口 缺 陷
下表面开口裂纹
发射探头 接收探头
直通波
底面反射信号被隔开了 LW
没有底面 反射波
尖端信号
内 部 面 开 口 缺 陷
与检测面平行的平面形缺陷
(层间未熔, 冷夹层)
发射探头 接收探头
直通波 反射信号
TOFD基础知识
朝阳特检所
什么是 TOFD?
• TOFD是Time of Flight Diffraction 的第一个英 文字母的缩写，中文简称衍射时差法 。是上世 纪七十年代由英国哈威尔无损检测中心根据超声 波衍射现象首先提出来的，检测时使用一对或多 对宽声束探头，每对探头相对焊缝对称布置（一 发一收），声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生 反射波和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波， 通过测量衍射波传播时间，利用三角方程来确定 出缺陷的尺寸和位置。
9、TOFD优点
（1）缺陷检出率高
POD 缺陷检出率 FCR 误报率 R可靠性
2018/7/25
41
TOFD优点
（2）缺陷高度测量精确；误差范围1mm （3）实时成像，检测数据全记录； ——法规认可 按新容规，对于对接接头，与射线检测同等地位 （4）快速、环保。 ——无辐射，尤其适合现场组焊（球罐、超大 容器等 （5）能全过程记录信号，长久保存数据，而且能高速进行大 批量信号处理。 （6）TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控， 且对裂纹高度扩展的测量精度极高，可达0.1mm。
t
2
S
2
d
2
c
2t
0
5
S
发射探头
缺陷深度
S
接收探头
t0
d
t0
t 2t0 2 d c S 2
2
5
发射探头
缺陷自身高度
2S
接收探头
d1 d2
h d 2 d1
由于计算自身高度只需要测量时间, 所以高度估计会很准确。 实际操作中，检测 裂纹 ±1-mm 的精度是完全可以达到的 (检测人工缺陷时可以达到± 0.1 mm )。