无损检测技术,衍射时差法超声TOFD检测基本原理

目录1.TOFD检测技术定义及原理2.TOFD检测技术基本知识3.TOFD检测技术的盲区4.TOFD检测技术的特点5.几种典型缺陷TOFD图谱1TOFD检测定义及基本原理1.1TOFD检测的定义衍射时差法超声检测（Time of Flight Diffraction ，英文缩写 TOFD）是依靠超声波与被检对象中的缺陷尖端或端部相互作用后发出的衍射信号来检测缺陷并对缺陷进行定位、定量的一种无损检测技术。

概况起来说 TOFD技术就是一种基于衍射信号实施检测的技术。

1.2 TOFD检测原理1.2.1 衍射现象衍射现象：是指波在传播过程中，遇到障碍物，能够绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象。

缺陷端点衍射现象可以用惠更斯－菲涅尔原理解释：惠更斯提出，介质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。

菲涅尔充实了惠更斯原理，他提出波前上每个面元都可视为子波的波源，在空间某点的振动是所有这些子波在该点产生的相干振动的叠加。

图1.1缺陷端部衍射信号的解释由图示可见:当一束超声波入射到裂纹缺陷时：（1）在裂纹中部会形成有一定方向的反射波，其方向满足反射定律。

反射波接近平面波，其波阵面是由众多子波源反射波叠加构成;（2）在裂纹尖端则没有叠加现象发生。

这种裂纹尖端以独立的子波源发射的超声波即为衍射波。

衍射波的重要特点：1.没有明显的方向性；2.衍射波强度很弱。

衍射波的这两个特点都是由于裂纹尖端独立发射超声波没有波的叠加所造成的图1.2裂纹端点衍射波特点裂纹的上下端点都可以产生衍射波。

衍射波信号比反射波信号弱得多，且向空间的各个方向传播，即没有明显的指向性。

图1.3 端角反射与裂纹端点衍射信号波幅比较根据惠更斯-菲涅尔定理可知，缺陷端点形状改变会对衍射信号产生影响：（1）端点越尖锐，衍射特性越明显，（2）端点越圆滑，衍射特性越不明显，（3）当端点曲率半径大于波长（d>λ）时，主要体现的是反射特性。

1.2.2 TOFD技术的基本原理图1.4 TOFD检测示意图图1.4为TOFD检测的标准配置，采用一发一收双探头实施检测。

发射探头发射的超声波通过不同路径被接收头探头接收到后会形成直通波、底面反射波，当被检工件中有缺陷时，还会形成缺陷上下端点的衍射信号。

通过测量缺陷上下端点的衍射信号到达时间以及时间差，就可以确定缺陷上下端点的位置以及缺陷自身高度。

这就TOFD技术的基本原理。

直通波和底面反射波作为重要的参考信号有助于对缺陷信号的识别判断。

采用双探头（探头对）的优点：（1）可避免镜面反射信号掩盖衍射波信号，从而在任何情况下都能很好地接收端点衍射波信号，（2）方便测定反射体的准确位置和深度，（3）易于实现大范围扫查，快速接收大量信号。

双探头系统是TOFD技术的基本配置和特征。

TOFD检测对缺陷位置的测定：通常，焊接接头中的缺陷（测量信号）位置包括三个参数：（1）平行焊缝方向上距扫查起始点的距离（X），参数X用于确定信号位置和缺陷长度。

（2）垂直焊缝方向的横向距离（Y），用于平行扫查，确定缺陷的横向位置。

（3）距离检测面的深度（Z），参数Z用于确定缺陷深度和缺陷高度。

下面我就就分别介绍对这三个位置参数的测量1.1缺陷深度参数测量：在TOFD检测时，最常规的配置是探头对对称布置在焊缝两侧，两探头入射点之间的距离又称为探头中心间距，用符号PCS表示。

如图1.6所示，PCS＝2S。

假定缺陷（端点衍射信号）位于两探头连线中心，则衍射信号传播距离L为：在式1-3中，t是超声信号到达时间；s是探头中心间距PCS的一半，为设置参数，对某次检测来说是固定值；c是被检工件材料声速，对确定的检测对象也是固定值。

这样，通过式1-3，我们就能够建立起缺陷位置与其衍射信号到达时间之间的一一对应关系。

我们的检测设备可以精确的测量所有超声信号的到达时间，通过简单的公式即可求出缺陷的深度位置。

以上公式的成立，需要缺陷位于探头对连线中心。

对于更一般的缺陷偏离探头对连线中心位置的情况，采用上述公式得到的缺陷深度值会出现偏差，这在后面章节再进行分析。

考虑到一般焊接接头宽度方向尺寸较小，在实际检测时即使不修正，这个误差也在可接受的范围之内，除非要求很高的深度测量精度。

2.缺陷平行焊缝方向位置（X）信息由探头对移动过程中所处位置确定。

（对于非平行扫查）3.缺陷垂直焊缝方向的横向位置（Y）信息，通过探头沿垂直焊缝方向移动（平行扫查）来确定。

1.3TOFD检测中衍射信号的影响因素由于TOFD技术是依据衍射信号进行缺陷检测和定量，因此，对于衍射信号的影响因素有必要进行进一步分析。

1.3.1 不同角度下衍射信号波幅的变化裂纹下尖端信号在折射角20°和65°时,波幅曲线出现两个峰值；在38°时,波幅下降很大几乎为零。

裂纹上尖端信号在0 ~ 65°区域单调增大，在65°时波幅达到最大值，从65°~ 85°单调降低。

折射角为65°时，裂纹上、下尖端信号波幅均达到最大值，在45°~ 80°区间，裂纹下尖端的信号波幅大于上尖端的信号波幅。

综合以上可知（1）衍射信号幅度随折射角的变化而变化。

（2）TOFD技术一般使用45°~70°的探头，避开了38°角度，这就保证衍射信号的强度；因探头角度大于70°时，衍射信号幅度迅速下降且测量误差急剧增加，所以，在实际TOFD检测中一般也不使用75°以上的探头。

（3）在45 °至80 °范围内由角度变化引起的信号波幅变化不大于6dB。

1.3.2裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响图1.8衍射波波幅随偏斜角度变化的曲线图1.8裂纹相对于两探头中心线偏斜对衍射信号波幅的影响试验结果表明，两探头中心线偏斜对衍射信号波幅不会产生严重影响。

当夹角α由90°→ 45 °时，TOFD衍射信号波幅降低不超过6dB。

1.3.3裂纹相对于探测面倾斜时衍射信号幅度的变化●右图上半部分所示为裂纹衍射的几何布置。

下半部为平底孔反射的几何布置，参考反射体是一个直径为3mm平底孔。

●在该模型中，衍射信号的振幅是裂纹倾斜角度的函数。

倾斜系数E以垂直检测表面为基准，E＝0对应于缺陷垂直于检测平面。

模型中的缺陷是光滑的平面椭圆型裂纹。

右图显示了当-30°≤E≤+30°时衍射波幅度的变化。

该图中有很重要的两点：第一点，在相同深度范围内衍射波的波幅与直径为3㎜的平底孔相当；其次，信号随着缺陷倾角增加而加强。

第二点，垂直裂纹缺陷的衍射信号幅度最小，当倾角E=90°时会产生一个信号幅度为32dB的最大值。

衍射信号幅度随着倾角的增加也随之增加。

当E趋近90°时，裂纹如同平底孔那样会形成反射波，两信号比近似等于它们的面积比。

试验表明：裂纹垂直于探测面时衍射信号幅值最小。

当裂纹倾角不大于30°时，衍射信号幅度增加不超过3dB，这表明裂纹方向对衍射时差法检测相对不敏感。

图2.3衍射信号幅度随倾斜角度的变化关系1.3.4裂纹偏离两探头中心时衍射信号幅度的变化在1983年Temple研究了，当裂纹的位置相对于两个探头的位置变化时，衍射信号波幅的变化情况：即使缺陷偏离两个探头之间的对称中心达到30mm，衍射信号仅比来自对称放置的信号降低10dB。

这说明裂纹偏离两探头中心对衍射信号幅度没有太大的影响。

总结以上试验结果可知，当超声波角度变化、裂纹相对于两探头中心线偏斜、裂纹相对于探测面倾斜、裂纹偏离两探头中心时衍射波波幅会发生改变，但上述变化在检测可接受的范围之内，对检测实施效果不会产生较大影响。

2 TOFD技术的基本知识2.1TOFD技术的典型设置前面已经介绍了TOFD技术中采用的基本配置是双探头配置（如图2.1）。

实际上，采用一个探头也能发射超声波和接收衍射波，通常情况下，反射信号比衍射信号波幅高6~24dB，若采用单探头接收到的端点衍射波信号可能被反射信号掩盖。

另外，单探头受制于探头声场范围，实现大范围检测困难，也难以快速测定反射体的准确位置和深度。

由于采用单探头有上述不足，所以TOFD技术不采用这种方法。

2.2TOFD技术使用的探头TOFD探头一般使用的频率范围是1MHz~15MHz，晶片尺寸范围是3mm ~ 20mm，通过楔块在钢工件中形成折射角45°~70°度的纵波斜探头。

TOFD探头的特点：（1）采用小尺寸晶片的大扩散角探头；（2）要有良好的发射和接收性能；（3）应具有宽频带和窄脉冲特性。

TOFD用纵波探头声场特点：（1）纵波与横波同时存在。

（2）大扩散角和宽波束。

（3）横波声场的强度比纵波大的多。

2.3 频率5MHz，晶片直径6mm，折射角60°的探头在钢中的声场分布TOFD探头的材料TOFD探头采用新型压电复合材料制作，和普通压电陶瓷探头相比具有有以下优点：（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。

2.3TOFD技术采用的超声波波型在常规脉冲反射法超声检测焊接接头时，是采用纯横波探伤，这样可以避免工件中存在纵波产生干扰，同时采用横波检测，其探头指向性好、检测灵敏度高。

但是，在TOFD技术中，横波确没有被使用，主要原因为，TOFD检测以超声信号到达时间作为检测和缺陷定量的基准。

如果采用横波检测，由于超声波在与缺陷作用时不可避免的会产生波形转换，这样横波信号会在波形转换信号之后出现，导致信号难以分辨。

基于这种情况，TOFD检测中，选择纵波进行检测，原因是在各种波中，纵波的传播速度最快，几乎是横波的两倍，从而能够领先于其它种类的波，在最短时间内到达接收探头。

从而使得使用纵波并利用纵波波速计算缺陷的深度得到的结果是唯一的。

2.4TOFD声场中的A扫信号图3.4所示为TOFD技术应用时，波型种类和传播路径的示意图图2.4TOFD技术的波传播路径图2.5所示为TOFD技术应用时，A扫信号的示意图图2.5TOFD技术的A扫信号1.直通波：两个探头之间沿工件表面直线传播的纵波。

其传播路程最短，最先到达接收探头。

当探头间距较大时，直通波可能非常微弱，甚至不能识别。