OFD中文教材校对完翻译五

第五章TOFD 检测工艺设计

5.1 精度和分辨率

精度

精度是指信号（尖峰或交界点）到达时间的精确度。最理想的情况是达到波长的0.1 倍，即对于5M的探头来说，在钢中精度达到0.1mm。这是TOFD测

量

尺

寸

所

能

达

到

的

最

高

精度。实际中，由于各种误差的存在而达不到，例如采样频率的影响。

图5.1 分辨力和精度的图解

分辨率

分辨率是指2个信号在能够识别的基础上所能达到的最小距离，例如：一个小裂纹的顶部和底部的衍射信号的距离。因此，分辨力决定了仪器所能分辨的缺陷的顶部和底部信号的低限。一般的，由于一个信号波形通常包含几个周期相当于2-3波长，这也就是分辨力。对于5M的探头来说，相当于2-3mm。因此，夹渣和气孔通常不能分辨上下尖端信号。通过采用高频探头可以提高分辨力，但这要取决于工件厚度和衰减的大小。然而，正如我们后面要提到的，我们之所以采用低频是因为声束扩散的原因。

通常，无论怎样选择探头，以10%尖端波幅来测量，直通波和地面波的长度不应超过2个周期。

5.2波束扩散

5.2.1波束扩散计算的基础

在最初的TOFD 的扫查中，最重要的因素是波束扩散，因为一般的目的是尽可能得用少的扫查来检测大范围的金属材料。因此计算覆盖范围是非常重要的。一些软件以后能够作这项工作。下面是数学公式。

晶片发出的半扩散角是：sin γ = Fλ/D

式中：λ = 介质中的波长

D = 晶片直径

F = 因子，截取波束边缘的方式不同而不同（6 dB F = 0.51 20 dB F =

1.08）

波束图见图5.2。探头的近场很复杂，现在的计算均假定是在远场中。

Figure 5.2 声束扩散的说明

下表中给出了几个典型探头的楔块中的波长和波束扩散角，这儿，已知超声在塑料中的声束为2.4mm//μs。F取0.7。

Table 5.1楔块中的声束扩散

大家知道，获得最大声束扩散角的两个途径是：

1最低的频率

2最小的晶片

这在表中已经得到证明。

为了得到45度、60度、70度的纵波探头，通常需要在探头即前端附加有机玻璃和聚苯乙烯楔块。在两种不同材质的界面上，折射角按以下公式计算

c1/c2= sin θ1 / sin θ2

如果钢中声速是5.95 mm/μs，楔块中的声速是2.4 mm/μs,则可得到下表。

表5.2 楔块中的扩散角引起的钢中的声束扩散

要计算在钢中的声速扩散，应按以下步骤：

一由选定的钢中声束中心的角度计算楔块中的入射角

二计算楔块中的扩散角

三计算上扩散角和下扩散角

四由楔块的上下扩散角运用SNELL法则计算钢种的扩散声束

下表给出钢中声束中心角度为60度的探头的扩散

表5.3 中心声束角度为60度的不同探头的声束扩散在表中最大的声束扩散是由3MHZ,6mm直径晶片得到，它向右扩散到上表面，90度。由SNELL法则可知，声束扩散不是以声速中心对称的。频率和晶片

直径的增加能剧烈的减小声束扩散。这种现象可以从图5.3看出，图中是以一对60度的探头，聚焦深度为2/3工件壁厚。虽然考虑到分辨力和声束强度的因素，高频率和大直径是第一选择，但是，很显然在检测中，在发现缺陷阶段，声束的覆盖范围成为考虑的第二因素，这促使我们选择低频率和小直径的探头。当已经发现缺陷并确定了缺陷位置，就需要优化设置进行进一步扫查以确定缺陷的精确尺寸。

图5.3 60度探头的覆盖范围

很显然，用一次扫查不能对整个焊缝进行检测，这在下节进行讨论。 5.2.2扫查次数的选择

对于TOFD 检验来说，探头配置的个数取决于要检测工件的厚度和需要覆盖的范围。显然，用一组探头进行一次扫查效率最高。

主要的问题是是否能够对

近表面区域能够有效的覆盖。这也就是为什么当TOFD进行焊缝下半部及根部区域检测是非常有效的原因。

以检测40mm厚工件，检测范围为焊缝中心左右40mm为例进行说明。假定探头频率为5MHZ,F为0.7。最好的分辨力就是由直通波与底面波之间的时间差决定的，这在后面可以看到。这可以有45度探头获得。下表列出5MHZ探头的不同扩散角。图5.4为45度，直径6mm，聚焦深度为2/3T的示例。

图5.4 45度探头和60度探头的覆盖范围