超声相控阵&TOFD技术无损检测领域的应用

u
相控阵扫查类型
•线形扫查：阵列中每组晶片都使用相同的聚焦法则。 •扇形扫查：使用同一组晶片，但聚焦法则不同。 不同 •动态深度聚焦：通过硬件随时改变接收晶片的聚焦法则实现的。
波束形成
• 每一个晶片的激发时间可以 单独控制，产生的球面波在传 播过程中波前相互叠加。如果 所有晶片的激发时间都相同， 形成的波阵面为纵波。
衍射波
TOFD典型配置
发射探头 直通波 上端点 下端点 接收探头
内壁反射信号
TOFD 灰度图显示
为了便于缺陷判读，通常TOFD采用灰度图显示
TOFD深度计算公式
2• (S2 + d2 ) t= + 2•t0 c
c 2 d = • (t − 2t0 )ຫໍສະໝຸດ Baidu− S 2 2
2
h = d 2 − d1
TOFD定义
u
TOFD-超声波衍射时差法：TOFD采用一发一 收两个探头产生非聚焦的纵波，从待检工件 内部结构（主要是指缺陷）的“端角” 和“端点” 处得到的衍射能量，用于缺陷的检测、定量 和定位。
衍射现象
入射波 衍射波
反射波
缺陷
•基于惠更斯原理 •衍射波向各个方向传播 •衍射能量低 •衍射方向不取决于入射角
TOFD+PE检测成像
探头移动方向
45-SW(左)
60 SW (左）
TOFD
60-SW(右)
45-SW(右)
厚壁焊缝TOFD检测
TOFD分区扫查法，最大检测焊缝厚度可达400mm。
TOFD技术优越性 • 缺陷定量定位精度高，可检出焊缝中任意走向的缺陷； • 可以识别向表面延伸的缺陷； • 检测速度快，缺陷定量、定位精度高。 • 根据TOFD可进行ECA分析（寿命评估）； • 采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现100%焊缝覆盖。
波束聚焦
Focussed to cross at this point
• 波束聚焦是通过软件控制 每一个晶片的触发时间使波 前在指定的位置进行叠加实 现的。焦点尺寸取决于所用 晶片的大小和数量。
相控阵脉冲发射/接收
相控阵三维视图
VC-TOP(C) VIEW Scan axis Scan axis Index axis Index axis
传统无损检测技术的局限性
u射线检测（RT）的局限性（1）：
– 安全性低：射线对人体有伤害，化学药剂对环境有污染； – 检测速度慢：射线检测需要经过拍片、洗片和评片等多道程序，检测 效率低。另外，射线检测时需要清场，影响其他部门的作业； – 缺陷检出率弱：射线只对体积型缺陷（如气孔）敏感，而对于对黑度 影响不大但危害性严重的面状缺陷（如未熔合、裂纹等）的检出率很 低； – 缺陷定量能力差：射线仅能确定缺陷的长度，而不能确定缺陷的埋藏 深度和自身高度； – 无法实现过程控制：由于射线不能实时成像和获得检测结果，因此不 能实现过程控制；
u常规超声（UT）的局限性（1）：
– 检测速度慢：以焊缝检测为例，常规超声需采用多种角度探头进行栅 格扫查，如进行自动检测，扫查装置复杂； – 检出率低：由于焊缝中缺陷的走向和特征各异，常规超声只能发现反 射效果较好的缺陷； – 定量精度低：常规超声通常依靠波幅法进行缺陷定量，但波幅受缺陷 的走向、性质、位置等多种因素的影响，因此依靠波幅定量缺陷非常 不准确； – 检测结果受人为因素影响大：检测结果受操作人员职业素质，技术水 平和工作经验等多方面因素的影响，不同的操作人员对同一个工件进 行检测可能会得出不同的检测结果。
相控阵探头类型
Y=4.4
Y=6.5 47
16 15 14 13 12 11 10 9
46 45 29 28 44 27 43 16 7 2 1 15
• 圆形阵
– 1维 环形阵 – 2维 扇形阵
50 51
48 30 49 32 31 17 18 8 3
2 1
3
4
5
6
7
8
33
19
9
6
14
26
42
52
34
相控阵&TOFD技术应用领域
–化工：新疆独山子石化、云南大为 –制造业：一重、二重、上海锅炉厂、上海森松等 –冶金：宝钢、兴澄特钢、石钢、沙钢、南钢、北钢等 –特种设备：中国特检中心、合肥通用所、江苏特检、浙江特检、 天津特检、杭州特检、武汉锅检、广州锅检、山东锅检等 –院校：北京航空航天大学、南京航空航天大学、北京理工大学、 南京 工业大学、华中科技大学、西安交通大学、天津大学等
注意直通波和缺陷信号之间的波形相位转换
根部裂纹在TOFD中的显示
1 2 3
缺陷造成底面回波信号减弱
侧壁未熔合在TOFD中的显示
1 2 3 4
注意缺陷上下尖端的两个信号
密集气孔在TOFD中的显示
2
1
3
密集型气孔
横向裂纹在TOFD中的显示
1 2 3
在直通波上我们可以看到宽波束在缺陷上的反映
根部内凹在TOFD中的显示
传统无损检测技术的局限性
u磁粉（MT）的局限性：
– – – – –
只能检测表面或近表面缺陷； 只能探伤铁磁性材料，如铁、钴、镍及其合金； 不适用于奥氏体不锈钢的检测； 不能确定缺陷的自身高度； 无法存储检测数据；
传统无损检测技术的局限性
u渗透（PT）的局限性：
– – – – –
只适用于检测材料表面开口缺陷； 所用试剂有一定的毒性； 要求工件表面光洁度高； 不能检测多孔性材料； 检测数据不能保存；
电子扫查
u u u
探头不作任何机械移动，而波束沿晶片阵列方向作电子扫查。 通过对激活晶片组进行多路延时，使波束产生移动。 扫查宽度局限于: – 阵列中晶片的数量 – 采集系统支持的通道数量
波束偏转
Direction of energy
• 波束偏转是通过软件 控制每一个晶片激发的 延时使波阵面沿特定角 度传播来实现的。
传统无损检测技术的局限性
u射线检测（RT）的局限性（2）：
– 检测成本高：射线检测需要消耗底片、药液，现场需要进行防辐射保 护，检测周期长，都会增加检测成本； – 数据存储要求高：与超声检测相比，射线底片的存储则需要更多的空 间和保护措施 。 – 现场检测操作不方便：射线设备笨重，不适于空间有限的部位检测
传统无损检测技术的局限性
u常规超声（UT）的局限性（2）：
– 成像单一：常规超声只有简单的A扫描，不能可靠反映出缺陷的整体 特征，缺陷定性能力差； – 无法存储检测数据：常规超声不能完全存储检测数据，不能进行离线 分析和数据回读； – 应用范围小：常规超声只能对几何形状简单的工件进行检测，对诸如 角焊缝、搭接焊缝等复杂的结构检测时，几何反射信号会干扰操作人 员对检测结果判断的准确性。
Usound axis
Index axis
Scan axis
VC-END(D) VIEW
Usound axis VC-SIDE(B) VIEW
超声相控阵技术典型应用
焊缝检测-线性扫查
焊缝检测-扇形扫查
全自动超声相控阵焊缝检测
T型焊缝扫查
厚壁压力容器焊缝检测
法兰盘腐蚀检测
插管焊缝检测
螺栓检测
20
10
4 11 22
5 12 23
13
25
41
61
53
35 54
21 36
24 39
40 59
60
37 55
X=-4.4, Y=-4.4 --> X=4.4
38 58 57
56 X=-6.5, Y=-6.5 --> X=6.5
相控阵探头设计参数
u
相控阵探头晶片由复合 材料制成，比常规压电 陶瓷材料探头的信噪比 高10-30dB。 将复合材料用机械方 法切割成若干个小晶 片，每个晶片都可以 单独激发。
1
2 3
底面回波产生变形
层间未熔合在TOFD中的显示
1 2 3
层间未熔信号包含反射信号和衍射信号
TOFD应用实例
TOFD常规焊缝检测
平板分层检测
堆焊层容器检测
容器内壁腐蚀
氢致裂纹
焊缝根部冲蚀
管道内壁腐蚀
锻钢中的长裂纹
TOFD+PE检测配置
TOFD PE 45° SW PE 60° SW TOFD+PE可以实现100%焊缝覆盖
相控阵探头类型
Y=8.0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
线形阵 1维 线形阵 2维 矩形阵
Y=1.9 4 8 12 16 20 24 28 32
3
7
11
15
19
23
27
31
2
6
10
14
18
22
26
30
1
X=-7.9, Y=-8.0 --> X=7.9
5
9
13
17
21
25
29
X=-3.9, Y=-1.9 --> X=3.9
谢谢您的关注！
涡轮燕尾槽/转子检测
螺纹检测
Top notch Middle notch
完好工件
有缺陷工件
异种金属粗晶材料焊缝检测
TRL PA探头
腐蚀检测
动态深度聚焦厚壁工件检测
Mechanical Displacement
Bea m d is place m ent
FOCUS DEPTH (PULSER)
TOFD技术应用
uTOFD技术背景 uTOFD工作原理 uTOFD在焊缝检测中的应用 uTOFD技术优缺点
TOFD技术背景
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u
衍射时差技术首先应用上世纪60年代的英国核工 业领域，作为一种精确的缺陷定量定位技术很快广 泛应用于其它无损检测领域，如石化、锅炉压力容 器、电力、长输管线等。 目前，TOFD技术已经得到ASTM E2373-04， ASME VIII Code 2235， CEN ENV 583-6 (2000)， BS 7706 (1993)等标准的认可。 国内于2001年首先成功引入TOFD技术，用于国家 重点工程-西气东输项目。
相控阵&TOFD技术的应用领域
相控阵&TOFD技术应用领域
相控阵&TOFD技术几乎涉及到国内所有无损检测领域，包括： –航空：黎明、航空动力机械、成飞、西飞、哈飞、昌河飞机等 –航天：航天四院、航天二院、航空材料研究所、东安发动机厂 –核工业：武汉核动力运行研究所、核动力设计研究院、上海锅炉 厂、哈动力 –船泊：江南造船厂、渤海船舶重工、中国船舶工艺研究所 –兵工：江麓机械厂、重庆铁马、山西柴油机厂 –电力：华北电科院、河北电科院、江苏电科院、浙江电科院、东 北电科院、辽宁电科院、天津电科院 –石油：中海油、中国石油天然气管道公司、四川石油管理局、大 庆石油管理局等
DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)
c = velocity in material
非DDF
DDF
超声相控阵技术优势
u u
u
u
u u
实时彩色成像，包括A/B/C/D和S-扫描，便于缺陷判读； 相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同时具 备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快； 相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不能实现 的功能，如对复杂工件的检测； 容易检出各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，定量、定位精度 高； 扫查装置简单，便于操作和维护； 检测结果受人为因素影响小，数据便于存储，管理和调用 。
TOFD数据显示
A扫
缺陷
表面波
反射波
TOFD典型成像
直通波
底面回波
波形转换信号
不同类型缺陷在TOFD中的显示
焊趾裂纹在TOFD中的显示
1 2
裂纹阻挡了直通波，下尖端衍射信号显示在A-扫描中。
根部未焊透在TOFD中的显示
2 3 4
1
注意缺陷上下尖端的两个信号
根部未焊透在TOFD中的显示
1 2 3
TOFD技术局限性
• • • • •
在被检工件上、下表面存在盲区 对“噪声”敏感 夸大了一些良性的缺陷, 如气孔, 冷夹层, 内部未熔合。 TOFD一维扫查不能确定缺陷在焊缝Index方向的位置。 注意标准问题 (有待解决) 。
相控阵&TOFD技术与常规NDT技术的对比
传统无损检测技术的局限性
Tech）最早将
相控阵技术引入到工业无损检测领域。 u目前在世界范围内有超过1000台超声相控阵系统正应用于 不同无损检测领域，包括电厂、石化、船舶、航空航天、工 业在线、锅炉压力容器、长输管线等。
超声相控阵定义
u通过软件可以单独控制相控阵探头中每个晶片
的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚焦位 置和焦点尺寸。
超声相控阵&TOFD技术 在无损检测领域的应用
概要
u相控阵技术 uTOFD技术 u相控阵&TOFD技术与传统NDT技术对比 u相控阵&TOFD技术的应用现状
超声相控阵技术应用
u超声相控阵技术背景 u超声相控阵工作原理 u超声相控阵在无损检测中的应用 u超声相控阵技术的优点
超声相控阵技术背景
u超声相控阵技术最早应用于军用雷达。 u现在医院里采用的B超也是基于相控阵技术。 u加拿大OlympusNDT公司（即以前的R/D