TOFD检测技术基本原理及其应用探讨

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【摘要】tofd技术作为一种较新的超声检测技术, 不同于以往的常规超声技术, 它利用的是在固体中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射能量来进行检测。本文具体分析了TOFD检测技术基本原理及其应用。

【关键词】TOFD检测技术基本原理应用

【 abstract 】 TOFD technology as a relatively new ultrasonic testing technology, different from past conventional ultrasonic technology, it is in the use of solid sound velocity the fastest longitudinal wave in at the end of the defects of the diffraction energy to produce testing. This paper analyses the TOFD detection technology basic theory and application.

【 key words 】 TOFD detection technology basic principle is applied

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

TOFD技术作为一种较新的超声检测技术, 不同于以往的常规超声技术, 它利用的是在固体中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射能量来进行检测。在焊缝两侧, 将一对频率、尺寸和角度相同的纵波斜探头相向对称放置, 一个作为发射探头,另一个作为接受探头。发射探头发射的纵波从侧面入射被检焊缝断面。在无缺陷部位,接收探头会接收到沿试件表面传播的直通波和底面反射波。当有缺陷存在时,在上述两波之间, 接收探头会接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信号(如图1)。A扫射频信号用在TOFD上面可以观察各个波形的相位关系,假设直通波相位为正-负-正, 那么底面反射波的相位则正好相反为负-正-负, 在缺陷上端点处形成的相位与直通波相位相反, 为负-正-负, 下端点处的相位与直通波相位相同, 为正-负-正。进行数据记录时使用灰度图成像,因为TOFD衍射信号非常弱, 可能在一个独立的A扫中不容易观察, 但是在灰度图B扫描显示中,这些信号通常很容易识别, 这样可以提高工作效率。

一、TOFD检测设备的基本组成

TOFD检测设备包括电子仪器、扫查器、超声波探头和校准试块。其中扫查器、探头和试块都是TOFD检测仪器的功能延伸。试块用来校准检测对象用的仪器、探头和扫查器的设置; 扫查器的功能是夹持探头使之保持一定的相对位置, 沿预定的(符合仪器参数模型的) 轨迹进行扫查, 传感探头扫查的位置信息; 探头负责将仪器的发射电脉冲转换成超声波脉冲信号进入检测工件, 并将缺陷衍射的超声波转换为电信号传给检测仪器。

二、TOFD技术的应用

TOFD主要用于缺陷检测, 缺陷定量十分精确,远远高于常规手工超声波检测。一般其对线性缺陷或面积型缺陷的测量误差小于1mm, 对裂纹、未熔合缺陷高度测量误差只有零点几毫米。另外,TOFD技术还用于缺陷扩展的监控, 是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一。TOFD检测的一般工艺如下。

1、了解被检工件

如母材厚度、焊缝结构、材料晶粒度、历史缺陷等。

2、探头选择

根据母材厚度选择探头角度、频率、晶片尺寸、通道数。

探头角度小, 直通波与底面波的时间间隔大, 分辨率高, 深度测量精度高; 而探头角度大, 扫查覆盖范围大。故对薄板工件宜选择大角度探头, 而对厚板工件宜选择小角度探头, 壁厚超过50mm的宜选择多通道同时扫查。

频率越高, 直通波和底面波的时间间隔内包含的信号周期越多, 深度分辨率就越高, 至少要达到20个周期才可获得满意的分辨率, 但波的衰减和散射也随之增大, 故不能一味增加频率。

晶片尺寸和频率决定声束的扩散角大小, 从分辨率和声束强度考虑, 应选择高频率和大直径探头,而在扫查缺陷时考虑声束覆盖范围就应选择低频率、小直径探头, 当对缺陷尺寸测量时要更多地考虑分辨率。一般选择探头时宜采用的参数见表1。

3、 PCS的选择

PCS即每对探头的中心间距,使用2t/ 3法则, 使探头声束中心聚焦在2t/ 3处, 确定探头间距。在特定区域扫查时也可以把PCS设置为某一数值, 使焦点位于指定深度。完成以上步骤后将探头固定在扫查架上, 在测量PCS时应从2个探头的入射点算起（见图2）。PCS值=2S=2d x tanα=4D/ 3 x tanα。

图2计算示意图

4、设置TOFD参数

按照设备操作说明逐步将所选通道、探头角度、数字化频率、探头间距、检测厚度、增益设置、时间闸门等参数输入软件系统, 并仔细核对是否有误, 以免系统计算结果错误。

5、校准

这是非常重要的一步, 决定着缺陷尺寸测量的精度。可以用试块或工件无缺陷处进行校准, 检查被检工件厚度的TOFD测量值与实际值是否相符, 也直接校准了测量工具的零点。

6、扫查

可以手动扫查或使用自动扫查器, 扫查时探头与工件表面要耦合良好, 扫查架应有足够弹性保证探头间距不变, 要保证直的扫查线, 速度要均匀。扫查分为与声束垂直方向的非平行扫查( D扫描) 和与声束同一方向的平行扫查( B扫描) 。

扫查完毕数据采集过程即结束, 为保证采集到清晰的图像可做多次扫查, 取效果好的图像进行数据分析。以下是对某电厂在用汽包缺陷进行TOFD检测的过程及结果。

某电厂66万kW电站锅炉已运行13年, 汽包环焊缝存在制造遗留缺陷。在早期的定期检验中用常规超声波模拟机进行过检测, 缺陷大约长370mm, 中间有30mm间断, 埋藏深度大约为80mm,每次定期检验都要对缺陷重新检测以确认是否扩展。本次检验除用常规数字超声仪检测外, 还采用TOFD检测技术, 对缺陷精确测长和测高, 以方便以后检测时进行缺陷尺寸对比。

检测时采用的是美国产TOFD设备, 探头为5MHz, 针对该缺陷直接采用单通道, 角度为550, 探头间距PCS值= 2 x 80 x tan55= 228. 5mm, 晶片直径为6mm, 数字化采样率为125MHz, 手动非平行扫查。汽包环焊缝扫查过程图片见图3, TOFD检测的缺陷图像见图4。

图3汽包环焊缝扫描过程图片

图4TOFD检测的缺陷图像

三、图像数据分析

在TOFD检测中, 可以说数据采集是一个相对简单的工作, 最重要和最困难的是对数据进行正确分析。对TOFD检出的任何缺陷信号, 都应有缺陷位置、长度、深度、高度、缺陷类型等参数的描述。

1、缺陷定量

（1）测长

与常规超声波缺陷的测长不同, TOFD图像中缺陷的两端由于波束扩散信号形成弧形, 因此在测量缺陷长度时采用特殊的抛物线指针, 让抛物线与图像的弧形相吻合, 此时指针的中心线对应缺陷的端点。当然这种测量方法对平行于工件表面的缺陷长度测量比较精确, 而对于有曲线外形的缺陷长度测量误差较大。

（2）测高

根据图像的灰白颜色代表的正负相, 对照A扫描波形显示, 使一个指针放在图像上端点的负相, 另一指针放在下端点的正相, 此时显示的差值就是缺陷高度, 深度自然也就知道了。

2、缺陷定位

在常规超声波检测中, 缺陷的定位是通过测量缺陷距离探头前沿的位置确定的, 而TOFD检测中, 在进行D扫描时得到的图像是最短时间的声程, 是在2个探头的中心线上。为确定缺陷相对焊缝中心线的距离, 还需进行B扫描得到缺陷的精确数据, 从而测量缺陷在焊缝的位置。

3、缺陷定性

跟常规超声波检测一样, TOFD技术对于缺陷的定性比较困难, 这需要检测人员除了信号特征外还要了解尽可能多的工件及焊缝背景知识。对于有自身高度的内部缺陷, 观察其上下尖端的衍射信号的相位很重要, 上下尖端的相位是相反的。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。