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TOFD(衍射时差)超声波检测技术

发(fa)表时间(jian):2015/7/30 14:44:42  阅读次数:

TOFD技术的发展历史 
TOFD(Time of Flight Diffraction)是一种基于衍射信号实施检测的技术,中文名称为衍射时差法超声检测技术。
TOFD技术是20世纪70年代由英国Harwell的英国国家无损检测中心的Mauric Silk 博士首先提出的。
Miller在1970年发表在裂纹尖端检测到衍射信号的论文,但没有识别出信号来源。
Doyle、Scala、Cook、Lidington等人
TOFD从发现到创造出能够检测和确定缺陷尺寸的一整套检测方法,经过了约10年时间。
TOFD检测仪器系统研制比技术开发稍晚一段时间,主要是计算机和数字技术的应用对TOFD仪器系统的发展起到决定性的作用。
模拟探伤仪—数字探伤仪
单探头—多探头
扫查速度的要求
TOFD超声波检测是一种基于超声衍射信号实施检测的技术,自上世纪九十年代起,TOFD技术在国外广泛应用于承压设备焊缝以及铁路、桥梁等工程检测。国内大约从2000年起,开始对TOFD检测技术的研究和应用尝试。
从2009年12月1日《固定式压力容器安全技术监察规程》正式开始实施,其中明确规定了焊缝的检测方法可以选用衍射时差超声检测法进行检测,同时开始实施的还有GB/T23902-2009《无损检测 超声检测 超声衍射声时技术检测和评价方法》
TOFD检测需要记录每个检测位置完整的A扫信号,因此TOFD检测的数据采集系统是一个更先进的复杂的数字化系统,在接收放大系统频带宽度、数字化采样频率、信号处理速度、信息存储量等许多方面都需要达到更高的水平。
计算机技术及集成电路的发展为TOFD技术和设备的发展提供了更好的帮助。
衍射现象

衍(yan)射(she)(she)是波的(de)固有(you)的(de)现象(xiang)(xiang),与波的(de)反射(she)(she)、折射(she)(she)、干涉、叠加(jia)等都属于波的(de)物理现象(xiang)(xiang)。

惠更斯-菲涅耳 原理
1) 波传到的任意点都是次波的中心
2) 包围光源的任一波前上各次波在空间各点 进行相干叠加

衍射波主要表现在一些不连续的边缘部位,衍射使得原来沿单一方向传播的能量在大角度范围内发生散射,与反射波相比,衍射波的一个重要特点是没有明显的方向性。反射是波的能量传播方向的改变,衍射则是波的能量重新分配,因此沿反射方向传播的波的能量会降低,与反射波的能量强度相比,衍射波能量强度要弱得多。
缺陷端点的形状对衍射有影响,端点越尖锐,衍射特性越明显;端点越圆滑,衍射特性越不明显,当端点圆半径大于波长λ时,主要体现的是反射特性。 
TOFD技术基本知识
TOFD一般采用两个探头的配置,一个发射,另一个接收。采用双探头系统的优点是可以避免一些反射信号对端点稍微信号的干扰,还可以实现大范围扫查,快速接收大量信号,因此双探头系统是TOFD技术的基本配置和特征。

TOFD探头要求
纵波、可拆卸式
大扩散角
更好的发射和接收特性(复合晶片)
更宽的频带和窄脉冲
更高的频率(1~15MHz)
典型的TOFD探头规格有2.5MΦ10、 5MΦ6、7. 5MΦ3、 10MΦ3、
纵波、可拆卸式,主要由于TOFD探头比较昂贵,采用固定楔块式的探头检测成本太高,因此一般采用可拆卸式的楔块与探头组装使用,只需要更换探头楔块就可以完成不同角度检测需要及楔块的损耗。
大扩散角。为了加大声束对焊缝厚度方向的覆盖区域,TOFD探头理论上扩散角越大越好。
更好的发射和接收特性。近年来采用复合材料晶片的探头应用越来越多,复合材料晶片比较普通PZT材料晶片探头具有更好的发射和接收性能。 
更宽的频带和窄脉冲。探头频率越宽,其对缺陷的频率响应效果越好,更容易检出不同类型的缺陷,探头发射及接收时,晶片振动持续的周期越短,其检测分辨率会越高,检测盲区会越小。
更高的频率。探头频率越高,其振动持续时间会越短,其检测分辨率会越高,检测盲区会越小,一般应用时TOFD频率范围在1~15MHz。
制作探头时主要考虑的是探头频率、晶片大小、晶片材料等因素,根据半扩散角公式,频率和晶片大小都会影响扩散角大小,典型的TOFD探头规格有2.5MΦ10、 5MΦ6、7. 5MΦ3、 10MΦ3等。 
声波传输路径:

TOFD探头声场中的波型:
纵波+横波
声场的各种波会发生波型转换
因此接收探头收到的信号:纵波、横波、各种变型波
声速最快的是纵波。

A扫信号:
TOFD技术用时,A扫信号一般采用射频波显示,如图,与普通超声波显示方式不同的是,普通超声波显示一般采用检波后显示,如正向波、负向波、全波等方式。射频波一般为波的原始形态。

1、直通波
2、缺陷信号
3、底面纵波信号
4、波型转换信号
5、底面横波信号
6、底面横波以后的信号
一般情况下,TOFD检测时通常最先到达接收探头的是直通波。直通波在平直工件表面以下,沿两个探头之间最短路径以纵波速度进行传播。 
直通波不是沿金属表面传播的表面波,而是声束边缘的体积波,直通波的频率比较声束中心的频率低。当探头间距较大时,直通波可能非常微弱,甚至不能识别。 
相位关系
TOFD检测技术中相位识别是判别缺陷特征的一个重要依据。
直通波与底波、缺陷上端点与缺陷下端点的相位关系
直通波与缺陷下端点相位相同,底波与缺陷上端点相位相同
缺陷上下端点相位相反
缺陷信号
如果在工件中存在一个有一定高度的缺陷,则超声波在缺陷的上下端点将产生衍射信号,由于探头至缺陷上下端点的声程大于探头的直通波声程,因此缺陷上下端点的衍射信号会在直通波之后到达,同样由于探头到缺陷上下端点的声程比较至底面的声程小,所以缺陷衍射信号会先于底面反射波到达。当探头至缺陷上下端点的时间差小于脉冲的振荡持续时间时,则缺陷上下端点的的衍射信号可能会互相重叠,因此减小信号脉冲的振荡持续时间(振荡周期T、频率f)可以提高检测分辨力。
3、底面纵波信号
底面反射波的传播距离较大,所以在直通波后面出现,如果探头的波束只发射到金属材料的上部或者工件没有合适底部进行反射,则底面纵波可能不存在。
4、波型转换信号
在底面纵波和底面横波反射信号之间还会产生各种波型转换信号,如纵波在底面转换成横波、横波在底面转换成纵波等,波形转换信号到过接收探头时间比较底面纵波反射信号长,但比较底面横波信号短。 
底面纵波反射信号与底面的反射波波型转换信号之间区域,对检测结果的分析也具有一定的意义,如远离焊缝中心线位置的缺陷(焊趾裂纹等),由于纵波声束扩散角覆盖不到该位置,往往在底面纵波前无信号显示或信号很微弱而造成漏评,但这种情况会在底面反射波波型转换信号前会有明显的显示。 
5、底面横波信号
在底面反射波变型波信号之后还会出现一个较强的信号,一般通过计算可以确实其为底面横波的反射信号,分析时应与其它的反射信号进行区分。
6、底面反射波型转换信号以后的信号
底面横波以后还会出现许多纵波和横波多次反射和转换的信号,由于经过多次反射及波型转换,这些信号的产生及数量会因探头间距及入射角的大小而不同,因此识别起来比较困难,一般不再进行观察和分析。

深度计算
1.1假定探头中心间距为2S,缺陷深度为d1,缺陷距焊缝中心线的偏移量为X,见图

若以直(zhi)通(tong)波(bo)为(wei)参考起点,假定X=0,则缺陷深度为(wei):


其中:t:缺陷上端点的衍射波与直通波间的传播时间差
c:声速
2S:探头中心间距
TOFD技术的图像显示
TOFD技术把一系列A扫数据组合,通过信号处理转换为TOFD图像,在图像中每个独立的A扫信号成为图像中的一行,每一行表示实际位置中的一定的扫查长度(0.2~2mm).
TOFD图像的一维坐标代表探头位移,另一维坐标代表信号传输时间。

典型TOFD图像

TOFD扫查类型
扫查方式一般分为非平行扫查、平行扫查2种。扫查方式示意图和相应的TOFD图像分别见下图。
平行扫查(parallel scan):探头运动方向与声束方向平行的扫查方式。
非平行扫查(non-parallel Scan):探头运动方向与声束方向垂直的扫查方式,一般指探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向(X轴)的扫查方式。 

一般情况下,仅采用非平行扫查方法。
平行扫查是在针对缺陷进行深度、位置定位时进行。
TOFD技术根据以下信息估计缺陷性质:
信号图像和A扫描波形;          
缺陷在焊缝中的位置;
对材料和焊接技术特性的认识。
数据显示

数据显示

校准工具

测量工具

缺陷位置的影响(xiang)

缺陷位置的不(bu)确(que)切性

平行扫查(cha)

TOFD 扫查图

表面裂纹

未(wei)焊透

坡口未(wei)熔合(he)

密集气(qi)孔(kong)

裂纹

密集(ji)的(de)横向裂纹

三、TOFD技术应用难点案例
1.钝角焊接接头的检测 

管座角焊缝的TOFD检测(管子厚度<筒体厚度)
与对接焊缝检测设置一致,需要注意的是危害性缺陷容易产生在管壁位置,因此注意偏置扫查的的位置。

由于管子厚度较(jiao)小,TOFD探头设(she)置(zhi)时(shi)需(xu)要设(she)置(zhi)成(cheng)不同的楔块(kuai)角度(如筒体侧为60°,管子侧为30°),保证声(sheng)束中心点的位置(zhi)位于焊(han)缝中心线或管壁)

复合板焊缝的检测
对于复合钢板焊缝的TOFD检测,由于复合层堆层界面的存在,会有一个界面反射信号(比底波信号约低20dB,与衍射信号相当),会带来一些干扰信号,影响信号的识别。

复合(he)板的(de)检测图像(24+4mm)

加氢反应器堆焊层的检测 
在2008年4月份我们对扬子石化一台235mm厚加氢反应器进行TOFD抽检,该设备内壁堆焊层长期使用后出现大面积的剥离,甚至一些剥离处已经开裂。用户比较关心这些剥离部位基材中是否会出现裂纹,以前采用手工超声波方法并不能有效地检出堆焊层剥离处基材中的细小的裂纹,因此本次检测采用了TOFD检测方法。

壁厚>50mm的分区检测
当工件厚度太大时,一组探头的超声波声束已经不能完成覆盖整个焊缝区域时,可通过增加探头组的方法来解决 。
对于多组探头来检测工件时,需要将工件进行合理的分区,分区时需要考虑声束的覆盖、信噪比、检测分辨率、盲区大小等因素。为减小直通波盲区,一般第一分区(靠近检测面)应比其下面的分区范围小,最大不宜超过40mm,一般设为20~30mm比较适宜,其它分区则根据壁厚情况进行分配。 

作为一种日臻成熟的现代技术,TOFD技术具有很多优点:
TOFD技术的可靠性好、灵敏度高。由于衍射信号不受声束角影响,工件厚度的影响也不大,任何方向的缺陷都能有效的发现,使该项技术具有很高的缺陷检出率。一般认为TOFD技术的缺陷检出率高达70-90%,远高于常规手工超声波检测技术,大多数情况下也高于射线照相技术。
TOFD技术的定量精度高。采用衍射时差技术对缺陷定量,精度远远高于常规手工超声波检测。一般认为,对线性缺陷或面积型缺陷,TOFD定量误差小于1mm。对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米。 
TOFD检测技术对焊缝内一些危害性缺陷(如裂纹、未熔合等)在定量分析方面精度比较高,可以精确测量出这类缺陷的深度、自身高度、长度等。
TOFD检测技术是一种超声波自动成像技术,系统配有自动或半自动扫查装置,能够确定缺陷与探头的相对位置,信号通过处理可转换为TOFD图像。与A型信号的波形显示相比,包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。
TOFD检测系统是高性能数字化仪器,完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声探伤仪记录信号能力差的缺点,不仅能全过程记录信号,长久保存数据,而且能高速进行大批量信号处理。
与射线照相比较,TOFD检测无辐射污染,不影响其它工序的工作,检测效率高,检测结果实时处理。
TOFD的局限性
表面盲区
横向缺陷
缺陷定性困难
粗晶材料检测困难
复杂几何形状
TOFD技术的应用中,检测面盲区是一个比较重要影响因素,对一组探头的检测工艺中,检测面盲区在3~8mm的范围,占焊缝体积的5%~15%左右。
与射线检测相比,TOFD目前在缺陷定性方面也存在着不足,只能对一些特征比较典型的缺陷进行定性。
由于国内TOFD应用还不广泛,目前检测人员培训、检测工艺参数制定等方面也存在经验不足、检测工艺不成熟等现象,另外国内目前还没有一个针对TOFD检测的国家或行业标准,也是制约TOFD技术应用的因素。 
表面盲区
盲区是被检区域中不能发现缺陷的部位。
TOFD检测与射线检测、手工超声波检测相比,盲区是TOFD技术应用的局限性之一,这种根据不同信号时间差的测量技术,其优点与缺点同样鲜明,由于直通波自身脉冲宽度的影响,会掩盖部分近表面缺陷的信号,形成一定范围的盲区。
盲区不仅在检测面存在,在检测底面也会有一定大小的盲区。
检测面盲区
近表面内部缺陷的信号可能隐藏在直通波信号之下。因此盲区是在直通波信号所覆盖的一定范围的深度。 
盲区的大小与三个量有关:c、Tp和s,其中c一般为材料中纵波的声速,基本上为一定值。对一特定的工件而言,可以通过改变直通波宽度Tp和探头间距s来减小盲区的深度。

底面盲区
缺陷尖端在横向的不确定性,除了导致绝对深度估计出现误差外,也会导致在底面上产生盲区。在这种情况下,轴偏移缺陷尖端发生在传播时间相等的椭圆轨迹上时,即相当于底波信号的开始,缺陷尖端信号可能隐藏在底面回波中而不会被检出,即底面盲区。

在实际检测中,要特别注意焊缝型式和形状对轴偏离底面盲区高度的影响。缺陷相对于对焊缝中心的轴偏移位置越大,盲区高度越大。
X型坡口焊缝的熔合线处的盲区高度显然大于V型坡口根部的盲区高度。X型坡口热影响区缺陷的轴偏移位置最大,最不利于检出,因此对于底面焊缝宽度较宽的焊缝,一般需要进行多次偏置扫查,以防止盲区内缺陷的漏检。
在合适的检测工艺条件下,一般认为底面盲区<2mm。

对底(di)面有余(yu)高的X型坡口双(shuang)面焊焊缝(feng),还(hai)应注意底(di)面焊缝(feng)余(yu)高对盲区的影响。如图(tu)所示,余(yu)高使底(di)面回波(bo)信号延迟,椭圆(yuan)轨迹降低,也就减小了焊缝(feng)熔合(he)线处的盲区高度(du) 。

盲区的解决方法 
在TOFD检测中,盲区(主要指上表面盲区)是不可避免存在的,虽然采取一些工艺措施可以减小盲区,比如提高探头频率、减小PCS等方法,但是受检测设备、工件条件的影响,盲区不可能消除,因此对TOFD盲区应当采用其它一些有效的检测方法来补充检测。
目前采用比较多的补充检测方法有增加脉冲回波检测、表面爬波检测、磁粉检测等其它检测方法,也可以采用对工件双面检测,将检测面盲区减小到底面盲区的大小。
脉冲回波检测法

表面爬波检测 
表面爬波检测可以对焊缝检测面以下约10mm内的缺陷有效检测 。

磁粉检测 
磁粉检测能快速有效地将焊缝表面及近表面内的缺陷检出,但磁粉检测深度一般只能检测到表面以下约1~2mm。 
双面检测
在工件两面进行TOFD检测也是一种常用的解决盲区的方法,不但可以将表面盲区减小到1~2mm,而且在减小测量误差、提高缺陷分辨率方面都有明显的效果,但是检测工作量也增加了一倍,由于一些现场条件或工件的影响,如在役设备、管道、焊缝周围有障碍物等,此时只能采用其它检测方法补充检测。

横向裂纹问题和解决方案 
在常规非平行TOFD检测方式中,探头沿着焊缝扫查,一般可以看见横向裂纹信号,但是没有信号长度,而且信号与正常裂纹在平行扫查中的衍射信号相似。但它很可能被忽略,因为看起来像是来自于一个微细的反射体的信号,比如气孔。
由于很可能在沿着焊缝的非平行扫查中漏掉横向缺陷。因此在检测方案中明确指出横向裂纹是否需要针对性检测是非常重要的,从而知道是否需要进一步检测以发现横向裂纹。如果需要横向裂纹检测,则在非平行扫查中每个小信号都需要进一步检测,既可以沿着焊缝方向在信号位置上进行一系列的平行扫查,也可以在信号位置上进行一系列与焊缝方向正交的非平行扫查。 
但是对于尺寸较小的横向缺陷,无论如何改变TOFD扫查方式,都不容易与点状缺陷区分开来。另外由于焊缝点状缺陷的存在,要分辨非平行扫查中的每个细小信号需要较大的工作量,因此需要结合手工超声波检测,横向缺陷的反射信号比TOFD的衍射信号更有助于对点状缺陷与横向缺陷的识别。
实际应用中多采用5MHz的45°横波探头沿焊缝方向平行或斜平行扫查,相比TOFD的平行扫查检测效率会更高,识别率也会更高。 



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