超声波衍射时差法(TOFD)检测过程控制要点
超声波衍射时差法(TOFD)是采用一发一收探头，利用缺陷端点的衍射波信号探测缺陷和测定缺陷尺寸的一种超声检测技术，其对垂直于探测面缺陷的尺寸测量具有独特的优势，在结构焊缝检测上的应用已经较为成熟。随着国内标准NB/T
47013.10-2010《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》的颁布，TOFD检测技术在国内得到迅速推广。
TOFD检测不是一个基于幅度响应的超声检测技术，但需要足够的灵敏度以使待检测的缺陷能够被识别。TOFD检测的一个弱点是检测面和底面附近存在盲区，为了确保声束覆盖检测区域，必须在确定检测工艺时考虑这一因素。探头选择和探头配置很大程度上决定着TOFD检测技术的整体精度、信噪比和覆盖区域。进行仪器设置是为了确保足够的系统增益和信噪比，以便发现所关注的衍射信号，确保分辨力可接受、声束能够覆盖所关注的区域以及系统动态范围的有效使用。TOFD检测过程和现场评审中有以下几点需要重点关注：
一、检测区域覆盖
根据任务要求的检测区域和检测级别，首先通过选择探头角度、测定探头前沿及声束扩散角来确定探头组合和间距，并根据厚度决定是否需要分区检测。然后进行上下面盲区的确认，以决定是否需要补充超声横波检测，或偏置非平行扫查。
二、数据采样间距
进行TOFD扫查时，沿扫查方向的数据采样间距在各标准中有明确规定。 三、仪器设置和验证
1．灵敏度:
TOFD检测不是基于幅度对缺陷进行当量评定的检测技术，TOFD检测灵敏度的设置方式也与常规超声不同，不是以人工缺陷的幅度作为基准。灵敏度的设置只是为了保证信号幅度在一定范围内，并具有较高的信噪比。通常要求直通波高度为满刻度的40%~90%，或在底波80%的基础上再增益20~32dB，或噪声在满刻度的5%~10%。有时标准会要求在试块上验证探头指定区域缺陷的检出性。
2．深度校准:
TOFD检测中，探头接收的信号到达时间与反射体的深度并不是线性关系，反射体的深度是在假定信号位于两探头中心的正下方的情况下，依据已知的声速和信号与直通波的时间差由软件自动计算得到的。因此，如同常规超声进行声速校正，TOFD检测也需利用试块中的人工孔校正仪器给出的深度值。
TOFD检测的主要步骤
步骤1：资料审查准备
在实施检测之前，应更多地了解工件情况、焊缝情况、以及欲检出缺陷情况等信息，这将有利于设计更好的检测方案。这些信息包括：
1、对在制工件，应了解设计制造规范，检验检测项目方法、制造工艺、装备、环境条件；对在用设备，还应了解运行条件、故障情况和上次检验发现的问题等。
2、应了解材料的焊接性、焊缝结构形式、焊接方法、焊接时的现场条件以及需要检出的缺陷类型等。
步骤2：被检测工件准备
1、检查焊缝外观，余高宽度与高度，两边的母材的厚度是否一致等。扫查面一侧余高过宽可能影响PCS设置；底部焊缝过宽导致下表面检测盲区增大；不等厚连接焊缝可能引起多个底面波。
2、检查扫查面情况是否平整，宽度是否满足扫查器放置。清除表面的焊接飞溅、铁屑、油垢及其他杂质。检查粗糙度是否影响耦合，一般要求机加工表面Ra不超过6.3μm，喷丸表面Ra不超过12.5μm。
3、确定和标记检测区域，画出焊缝中心线和检测区域宽度。
4、要求去除余高的焊缝，应将余高打磨到与邻近母材平齐；保留余高的焊缝，如果焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等也应进行适当的修磨，并作圆滑过渡以免影响检测结果的评定。
5、如有必要，可以对焊缝两边的母材进行是否有分层和撕裂的检查，这有助于解释D/B扫描中带状信号（也有人认为，应用TOFD技术检测焊缝前可不进行超声波直探头对母材的分层检测，因为如果母材有分层缺陷，在焊缝TOFD检测记录中能够察觉和发现）。
步骤 3：选择超声探头
正确选择探头种类和频率。所选择的探头应是短脉冲的，直通波与底面反射波的脉冲长度不超过两个周期。保证时间分辨力的频率选择要求是：直通波和底波信号的时间窗口至少达到20个信号周期；为保证信噪比，对衰减大的粗晶材料可适当降低频率；频率的选择还应与晶片直径和波束扩散综合考虑。
TOFD方法专题论坛无损检测 2007年第29卷第2期超声TOFD原理和方法要领李 衍(江苏太湖锅炉股份有限公司,无锡 214187)摘 要:概述超声衍射时差(TOFD)法基本原理、探头典型布置和检测系统关键性要求,以及检测工艺的实施要领,旨在推进该新技术在国内的推广应用。关键词:超声衍射时差法;原理;探头布置;检测系统;工艺要领 中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:1000-6656(2007)02-0088-06PrincipleandTechniqueEssentialsofUltrasonicTOFDLIYan(WuxiTaihuBoilerCo.Ltd.,Wuxi214187,China)Abstract:Abriefaccountofthebasicprincipleoftimeofflightdiffraction(TOFD)technique,thetypicalarrangementoftheprobepair,thekeyrequirementsofthetestsystem,andtheperformanceessentialsofinspectprocedurewerepresented.Theintentionwastoprovide“ahelpinghand”forspreadingandapplyingthenewtechnologyinChina.Keywords:UltrasonicTOFDtechnique;Principle;Probearrangement;Testsystem;Procedureessentials 自20世纪90年代起,超声衍射时差(TOFD)法在国外工业无损检测领域已得到广泛应用,欧、美、日均已推出相应的应用标准。近两年来,国内也在积极推广,自制便携式装置如小荷露尖。下面对该新技术的基本原理、探头典型布置和检测系统关键性要求,以及检测工艺的实施要领作一简介。TOFD技术最早是1972年由英国哈威尔无损检测中心Dr.SilkMG提出的[1]。20年后英标准BS7706问世[2],1996年起美ASME将其列入规范案例2235[3]和第Ⅴ卷《无损检测》附录[4],2000年欧、日分别推出专用标准[5]。最近,TOFD还与相控阵技术结合一起,相辅相成,用于不同壁厚的承压设备焊接接头的制造和在用检测[6-8]。1 TOFD法使用特点和注意点超声TOFD法可用于材料探伤、缺陷定位和定量。但与常规超声技术不同,TOFD法不用脉冲回收稿日期:2006-02-15作者简介:李 衍(1940-),男,高级工程师,ASME产品责任工程师,负责重大和出国产品的无损检测工作。波幅度对缺陷大小作定量测定,而是靠脉冲传播时间来定量。TOFD法使用一对同尺寸、同频率和同角度的纵波斜探头,按一定间距置于被检焊缝两侧,借助于D型扫查(图1)进行探伤和定量;也可借助于B型扫查(图2)进行定量。图1 TOFD法D扫描和D显示(探头移动方向垂直于声束方向)如果检测任务要求快速、可靠并精确定量,TOFD法自有独到长处。它可适用于一般比较规则的几何形状。可用于承压设备各种厚度的平板或各种直径的筒体或管子对接接头的探伤和定量。但对某些复杂的几何形状,如管座角焊缝和三通类分支焊缝等,还需借助于特殊的工装工艺,才能完成检88李 衍:超声TOFD原理和方法要领无损检测2007年第29卷第2期 图2 TOFD法B扫描和B显示(探头移动方向平行于声束方向)测和定量。TOFD法中使用的回波幅度只涉及三方面:①要使探测的缺陷所产生的脉冲与某种噪声(如超声晶粒散射)区别开来,要验证已知或实测的脉冲变化与超声传播距离和位置的相关性,或界定具体测量值的有效性,仍可借助于波幅法。②需根据面状缺陷上下端的回波幅度,为缺陷表征提供重要线索。③需根据人工缺陷产生的脉冲幅度,来验证系统校正在一次或多次测量中并未发生变化。2 重要术语(1)D扫描(D-scan) 探头对沿焊缝(或缺陷)长度方向作垂直于声束方向移动时,由采集数据显示出焊缝或缺陷纵断面图形。D扫描是TOFD法缺陷检测阶段的主要显示型式。又称纵向扫描或非平行扫描。(2)B扫描(B-scan) 探头对沿声束平行方向作横切焊缝或缺陷横断面的移动时,由采集数据显示出焊缝或缺陷横断面图形。B扫描是在缺陷检测后,对缺陷作精确定位、定量之用。又称横向扫描或平行扫描。(3)直通波(LateralWave) 探测面为平面或凸面时,两TOFD探头间直接传播的声波(纵波)。(4)爬波(CreepingWave) 探测面为平面或凹面时,两TOFD探头间直接传播的声波(纵波)。注:平面介于凸面与凹面之间,侧向波与爬波均可使用。3 方法原理3.1 缺陷端部衍射当超声波在材料中传播,遇到平面状缺陷而与之相互作用时,除了产生正常的反射波外,还会在缺陷端部产生衍射波(图3)。该衍射脉冲假定起源于缺陷尖端,它会在一个较大的角度范围内辐射。因缺陷信号可用一对探头从一系列不同方向记录下图3 玻璃试块中窄槽端部周围的超声衍射的光弹照片来,故该衍射脉冲很适合于检测缺陷。又因衍射波的空间(或时间)间隔直接正比于缺陷高度,故该衍射脉冲也可用于对缺陷进行定量。通常,TOFD法使用纵波,因纵波声速比横波快,先到达接收探头,可使信号解释简化。3.2 探头对检测布置忽略波型转换效应(为简化说明),绘出表明超声脉冲有限传播路径的声程,TOFD法用于焊缝检测的典型探头对布置大致有四种,即平面检测布置(图4)、凸面检测布置(图5)、凹面检测布置(图6)和异面检测布置(图7)。图4 TOFD法平面检测布置(DT,D为超声指示深度;T为试件厚度)图6 TOFD法凹面检测布置3.3 缺陷定位定量从面状缺陷下端点传到接收探头的脉冲,迟后89李 衍:超声TOFD原理和方法要领无损检测 2007年第29卷第2期图7 TOFD法异面检测布置(T形接头)于从面状缺陷上端点传到接收探头的能量。该时间延迟量即为缺陷高度的量值。而且,缺陷上下端点产生的两衍射脉冲,总是位于沿试件表面传播的声脉冲之后,在试件底面产生的反射脉冲之前。因此,通常可获得有关缺陷埋图8 TOFD法中面状缺陷A扫描非检波波形图例藏深度位置和缺陷自身高度的准确信息。图8为TOFD法检测内部缺陷所得简化的A扫描非检波波形图,缺陷深、高信息一目了然。若缺陷位于试件上表面,则直通波会被截断。3.4 定位定量数式假定超声脉冲从发射探头入射点进入试件,又在接收探头入射点离开试件,两探头相隔间距为2S(图4),则超声脉冲入射到面状缺陷上,在端点D处相互作用,产生衍射波后,又传到接收探头的全程时间t,可由下式求出C t=[d2+(S+X)2]1/2+[d2+(S-X)2]1/2(1)式中 C———纵波声速;d———缺陷端点D离表面距离(埋藏深度);X———缺陷(衍射体)偏离两探头间距中分平面的距离。当面状缺陷位于两探头间距中心,即X=0时,t值最小。此时,式(1)可简化为C t=2[d2+S2]1/2(2) 通常,以直通波信号为基准,缺陷埋藏深度d可由直通波与衍射脉冲的传播时差tD算出,即d=12[tD2C2+4tDCS]1/2(3) 求出面状缺陷上下两端点的深度位置d上和d下,就很容易测出缺陷自身高度h=d上-d下。4 TOFD法系统要求4.1 电子仪器和数据存储(1)数据记录系统 TOFD法大多使用自动数据记录系统。特殊情况下,可使用手工或模拟设备。如需从检后处理获益,或需强化数据,则须采用数字数据记录系统。(2)组合系统 为获得高质量的有重复性的检测结果,就要考虑脉冲发生-接收器的电子线路和使用探头及连接电缆。保证检测有重复性的重要参数有:①脉冲发生器的脉冲上升时间。②脉冲发生器的脉冲幅度。③脉冲发生器的脉冲宽度。④脉冲接收器的频率范围(低端、中心和高端)。⑤探头中心频率、发射脉冲持续时间、电缆和探头阻抗、电缆长度。(3)脉冲发生器 经验表明,虽然普通的尖脉冲发生器能获得良好结果,但方波脉冲发生器更适于TOFD法精控细调。下列参数很重要:①脉冲幅度200V,100ns～1.2ps(1ns=10-9s;1ps=10-12s)的脉冲宽度适于大多数应用。②若用单向脉冲发生器,则脉冲宽度应最小,脉冲上升时间应尽量短。正常的单向脉冲宽度≤100ns,脉冲上升时间应规定为≤50ns。③若用双向脉冲发生器,则理想的脉冲宽度应为3/4λ(一般为1～2μs)。最小脉冲宽度为1/4λ(λ为与探头中心频率相应的波长,一般为0.3～0.6μs),脉冲上升时间仍应为50ns左右。④脉冲接收器宜用带宽为0.8～30MHz的宽带接收器。这里往往还需设置一系列带通滤波器。(4)系统信噪比 用TOFD法时,一般接收到的信号很弱,必须将增益调到高于正常值,以便获得适当的信噪比。有关增益调节方法详见5.4节。仪器中宜设置前置放大器,特别是使用长电缆时。(5)数据采样 对自动系统来说,数据取样按等空间间隔进行时,可获最佳精确度。为此,扫查机构的移动与脉冲发生-接收线路及数据记录系统要同步动作。TOFD法对自动记录系统的数字化模块要求很严,因测时误差是影响该技术的总精确度的十分关键的因素。对大多数应用来说,数字器取样率为20～25MHz即可。另外,也要考虑取样率的计时起伏(≯1ns)。(6)信号显示方式和内容 为判读TOFD数据,建议观测信号用D扫描或B扫描图像,可在监视器显示屏上进行或打印到纸上。普通超声探伤仪一般不适用于TOFD法,要用专门设计的TOFD检测仪。所需显示的一般形式,包括相关于灰度或彩色级谱显示的幅度,相关于一系列数字化A显示,及其附近的D显示或B显示的一整套图像。注意,要有足够的灰度或彩色级谱,以使相关信息成像(经验表明,一般至少使用64灰度级谱)。从D扫描或90李 衍:超声TOFD原理和方法要领无损检测2007年第29卷第2期 B扫描显示要提取的数据包括:①由缺陷回波产生的传播时差。②缺陷回波的长度和形状。③直通波或爬波与底面回波信号的传播时差。此外,还要考虑数据采集后的存档方式。4.2 超声探头选择要获得最高的定位定量精确度,超声回波须有很好的时间分辨力。为此建议使用由短脉冲换能器产生的非检波脉冲。探头的选择多半取决于应用,下列因素先要明确:①所需波型。②所需时间分辨力。③采用高频或短脉冲探头,以使分辨力最佳。④试件中的衰减效应。⑤在试件中捕捉有用回波的性能。⑥有无对近场操作的要求。⑦所需声束宽度。以上各参数的选择往往要在分辨力、信噪比与增益值三者之间作折中考虑。4.2.1 波型选择TOFD法一般选用纵波,因其声速最快。普通的垂直偏振横波几乎不用。水平偏振横波可用于某些组织材料的检测,但要用特殊换能器作波源。4.2.2 探测分辨力具体应用中的探测分辨力,可根据脉冲宽度和式(1)估算。实际上,常用简化的式(2)来界定分辨力的限值就足够准确。例如,可检出的最小深度的近表面缺陷,取决于直通波的脉冲宽度;而可检出的近底面缺陷,又取决于缺陷下端点的衍射脉冲宽度。要提高分辨力,可选用高频探头或短脉冲探头,而后者受材料衰减影响又较小。4.2.3 近场问题要明确是否在近场区探测。近场长度由N=a2/4λ(a为探头直径)算出。在近场区,脉冲形状会改变,以致影响分辨力。近场影响可在适当的含缺陷试块上测试验证。4.2.4 声束宽度探头声束宽度会影响采集数据的能力。一般说来,为达到搜索和探测目的,TOFD所选用的探头声束要能扫查整个被检区域,以使所有缺陷被检测到。由于声束从材料表面入射后产生折射,通常又多用大折射角扫查,所以这不难做到。在TOFD法中,波幅并不用于定量,而仅用于表明在声束边缘有适当信噪比,有足够灵敏度探测所有缺陷。实际检验可能要使用较窄的声束,如只想寻找底面开口的面状缺陷。聚焦探头不应用于搜索缺陷,因其材料声穿透区太小,不能保证全面检测;但可用于缺陷端点定位和缺陷测高定量。4.2.5 探头频率和尺寸TOFD检测大多使用直径为6～20mm、中心频率为2～10MHz的探头。通常推荐用 12mm,5MHz宽带探头作为探头选择起点。对给定的检验来说,应考虑检验目的和材料特性。提高探头频率,则波长缩短,分辨力提高,直通波脉冲宽度缩短,声束扩散角变小,近场长度变大,声穿透力降低,声衰减提高,声晶粒散射增强;减小探头直径,则声能输出降低,声束扩散角变大,近场长度缩短,接触面变小,前沿距离缩短。5 检测工艺的实施5.1 基本考虑5.1.1 总前提接到TOFD检测任务后,首先要考虑的是如何使探头布置最佳化。这对确保TOFD准确度和信噪比,具有举足轻重的作用。5.1.2 四种探测面的探头对布置图4所示平面检测布置不只适用于平板对接焊缝的检验,也适用于管子和筒体环向对接焊缝的检验。图5和图6所示检测布置分别适用于探头对在管子或筒体外表面和内表面,对纵向对接焊缝的检验。这里,应注意①曲面检测时,缺陷的超声指示深度dU与实际深度dA有所不同,当从凸面检测时,dUdA。②在凸面上,直通波沿两探头入射点连线(即圆弧弦长)传播,而爬波则沿弧长迟后于直通波传播,因而存在一定盲区。基于以上两点,在选定探头间距和探测频率时应予适当考虑。图7所示异面检测布置对承压设备制造和使用过程中的一些特殊接头(T形接头和各种管接头角焊缝)的超声TOFD检测具有一定实用价值,但需配制专用机械联动机构。5.1.3 表面状态试件扫查表面状态会影响所得结果的精确度。通常,机加工、轧制或轻微锈蚀表面可适用于TOFD检测;但有凹痕凹坑、锈蚀严重或焊后状态的表面,有可能至少影响扫查区的探头耦合。当需在焊缝表面扫查时(如检测横向裂纹),宜将焊缝余高磨平。5.1.4 影响定位定量精确度的重要因素定时误差、探头间距及探头对相对于被检缺陷不对称性的参数X(X的涵义见式(1)和图4),都会影响缺陷定位定量精确度。要估计到X的不确定性,缺陷回波有可能来自焊缝,也可能来自热影响91
精品文档
精品文档 TOFD检测技术和RT检测技术在焊接接头检测中的对比实验
徐生东1 张鹏林2
（1.兰州石化公司建设公司 甘肃兰州730060；2.兰州理工大学材料工程学院 甘肃兰州 730060）
摘要：本文介绍了TOFD 技术的基本概念、原理、特点，以及TOFD与RT技术对比试验结果等，并提出承压设备焊接检测工作使用TOFD 技术替代射线方法的新局面。
关键词：TOFD技术 标准 射线检测 检测能力 对比试验 应用效果
TOFD detection and RT detection technology in the
welding experiments of joint detection
Xu Shengdong 1 Zhang Penglin 2
(1 Petrochemical Industries Co of Lanzhou construction company Gansu Lanzhou
730060; 2College of materials engineering Lanzhou University of
Technology Gansu Lanzhou 730060)
Abstract: This paper introduces the basic concepts of TOFD technology, principle,
characteristics, and the TOFD and RT technology in comparison to the experimental results,
and proposes the bearing pressure equipment welding inspection work using TOFD technology
