第一張TOFD技術(shù)的基本知識(shí)

1、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)(TOFD技術(shù)）技術(shù)）張平張平2012年年11月月28日日 北京北京第一章第一章 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史和衍射基本原理技術(shù)的發(fā)展歷史和衍射基本原理1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)（衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)（Time of Flight Diffraction Technique，英文，英文 TOFD技術(shù)）依靠超技術(shù)）依靠超聲波與缺陷尖端或端部相互作用后，而發(fā)出的衍射聲波與缺陷尖端或端部相互作用后，而發(fā)出的衍射波來(lái)檢測(cè)缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量的一種無(wú)損波來(lái)檢測(cè)缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定

2、量的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。檢測(cè)技術(shù)。 定義：定義： TOFD技術(shù)是一種基于衍射信號(hào)實(shí)施檢測(cè)的技術(shù)是一種基于衍射信號(hào)實(shí)施檢測(cè)的技術(shù)。技術(shù)。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史關(guān)于關(guān)于TOFD 的不同翻譯：的不同翻譯： 中文翻譯為衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)； GB/T 12604.1:2005（等同ISO 5577:2000）翻譯為衍射聲時(shí)；衍射聲時(shí)； 物理學(xué)術(shù)語(yǔ)翻譯為衍射渡越時(shí)間；衍射渡越時(shí)間；1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 缺陷的衍射信號(hào)與什么無(wú)關(guān)？缺陷的衍射信號(hào)與什么無(wú)關(guān)？ 1、與衍射信號(hào)的角度無(wú)關(guān)、與衍射信號(hào)的角度無(wú)關(guān) 2、與衍射信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)、與衍射信號(hào)的幅度無(wú)關(guān) 因?yàn)檠?/p>

3、射信號(hào)與角度和振幅無(wú)關(guān)，所以，因?yàn)檠苌湫盘?hào)與角度和振幅無(wú)關(guān)，所以，TOFD技術(shù)在原理和方法上與傳統(tǒng)脈沖反射超技術(shù)在原理和方法上與傳統(tǒng)脈沖反射超聲波檢測(cè)技術(shù)有根本性的區(qū)別。聲波檢測(cè)技術(shù)有根本性的區(qū)別。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)是：傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)是： 1、根據(jù)缺陷反射信號(hào)檢出缺陷、根據(jù)缺陷反射信號(hào)檢出缺陷 2、根據(jù)缺陷幅度評(píng)定缺陷尺寸、根據(jù)缺陷幅度評(píng)定缺陷尺寸 影響缺陷的定量因素：影響缺陷的定量因素： 1、入射聲束角度、入射聲束角度 2、檢測(cè)方向、檢測(cè)方向 3、缺陷表面粗超度、缺陷表面粗超度 4、工件表面狀態(tài)、工件表面狀態(tài) 5、探頭的壓力、探頭的壓力1.1.1 TOFD

4、技術(shù)的發(fā)展歷史 TOFD技術(shù)發(fā)展歷程技術(shù)發(fā)展歷程 A、20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代摸索、完善、裝備研發(fā)階段，摸索、完善、裝備研發(fā)階段，經(jīng)歷了約經(jīng)歷了約10年的時(shí)間。年的時(shí)間。 B、 20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代開(kāi)始應(yīng)用階段；開(kāi)始應(yīng)用階段； C、 20世紀(jì)世紀(jì)90年代到年代到21世紀(jì)初世紀(jì)初大規(guī)模應(yīng)用推廣大規(guī)模應(yīng)用推廣階段；大約又經(jīng)過(guò)階段；大約又經(jīng)過(guò)10年的時(shí)間，功能強(qiáng)大的便攜年的時(shí)間，功能強(qiáng)大的便攜式式TOFD儀器問(wèn)世。儀器問(wèn)世。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 在模擬儀器上應(yīng)用在模擬儀器上應(yīng)用TOFD儀器的困難是：儀器的困難是： 超聲波信號(hào)不能記錄，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法顯示超聲波信號(hào)不能記錄，無(wú)法進(jìn)

5、行計(jì)算，無(wú)法顯示圖像，只能顯示一條圖像，只能顯示一條A掃信號(hào)。掃信號(hào)。 在簡(jiǎn)單數(shù)字儀器上應(yīng)用在簡(jiǎn)單數(shù)字儀器上應(yīng)用TOFD儀器的困難是：超儀器的困難是：超聲波信號(hào)不能記錄，無(wú)法顯示圖像。聲波信號(hào)不能記錄，無(wú)法顯示圖像。 TOFD儀器性能：儀器性能： 1、更寬的接收放大系統(tǒng)頻帶、更寬的接收放大系統(tǒng)頻帶 2、更快的數(shù)字化采樣頻率、更快的數(shù)字化采樣頻率 3、更高的信號(hào)處理速度、更高的信號(hào)處理速度 4、更大的存儲(chǔ)量、更大的存儲(chǔ)量1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 TOFD技術(shù)得以推廣應(yīng)用的先決條件：技術(shù)得以推廣應(yīng)用的先決條件： 數(shù)字技術(shù)：是計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)字技術(shù)：是計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、智能

6、技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)。智能技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)。 計(jì)算機(jī)技術(shù)：快速處理大量數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)：快速處理大量數(shù)據(jù) 壓電復(fù)合材料：可用于相控陣探頭、壓電復(fù)合材料：可用于相控陣探頭、 TOFD探頭和高性能常規(guī)脈沖超聲探頭探頭和高性能常規(guī)脈沖超聲探頭 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史一、一、TOFD技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用情況技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用情況 TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程監(jiān)察規(guī)程于于2009年年12月月1日起施行，做出如日起施行，做出如下規(guī)定：下規(guī)定： 4.5 無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè) 4.5.1 無(wú)損檢測(cè)人員無(wú)損檢測(cè)人員 無(wú)損檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行考

7、核無(wú)損檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行考核取得相應(yīng)資格證書(shū)后，方能承擔(dān)與資格證書(shū)的取得相應(yīng)資格證書(shū)后，方能承擔(dān)與資格證書(shū)的種類和技術(shù)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)工作。種類和技術(shù)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)工作。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 4.5.3 壓力容器焊接接頭無(wú)損檢測(cè)壓力容器焊接接頭無(wú)損檢測(cè) 4.5.3.1 無(wú)損檢測(cè)方法的選擇無(wú)損檢測(cè)方法的選擇 (1)壓力容器的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)壓力容器的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或者超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)包括衍射時(shí)差法或者超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)包括衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（超聲檢測(cè)（TOFD）、可記錄的脈沖反射法）、可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)和不可記錄的脈沖反射法超聲檢

8、超聲檢測(cè)和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)；當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)；當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或者衍射時(shí)差法測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或者衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)做為附加局部檢測(cè)；超聲檢測(cè)做為附加局部檢測(cè)；1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史二、二、TOFD檢測(cè)人員的培訓(xùn)和資格鑒定情況檢測(cè)人員的培訓(xùn)和資格鑒定情況 2007年國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局發(fā)布國(guó)質(zhì)檢特函年國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局發(fā)布國(guó)質(zhì)檢特函402號(hào)號(hào)“關(guān)關(guān)于進(jìn)一步完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監(jiān)察工于進(jìn)一步完善鍋爐壓力容器壓力管道安全監(jiān)察工作的通知作的通知” 中，第六條中，第六條關(guān)于關(guān)于TOFD方法的應(yīng)方法的應(yīng)用用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制造壁厚度，

9、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制造壁厚度60mm以上的壓力容器，以上的壓力容器，可以采用可以采用TOFD檢測(cè)方法替代射線法進(jìn)行無(wú)損檢檢測(cè)方法替代射線法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。從事測(cè)。從事TOFD檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)必須符合以檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)必須符合以下條件：下條件：1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 1、在我國(guó)、在我國(guó)TOFD無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)未公布前，應(yīng)當(dāng)參無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)未公布前，應(yīng)當(dāng)參照國(guó)外成熟標(biāo)準(zhǔn)制訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)全國(guó)鍋壓標(biāo)委照國(guó)外成熟標(biāo)準(zhǔn)制訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)全國(guó)鍋壓標(biāo)委會(huì)審核通過(guò)后，進(jìn)行備案。會(huì)審核通過(guò)后，進(jìn)行備案。 2、從事、從事TOFD檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)至少應(yīng)具有檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)至少應(yīng)具有UT-級(jí)人員級(jí)人員1名，名，UT-級(jí)資

10、格級(jí)資格4年以上（含年以上（含4年）年）人員人員2名，作為名，作為TOFD檢測(cè)責(zé)任人和操作復(fù)核人員。檢測(cè)責(zé)任人和操作復(fù)核人員。 3、從事、從事TOFD檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)具有檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)具有UT級(jí)資格級(jí)資格4年年以上（含以上（含4年），其年），其TOFD操作技能經(jīng)全國(guó)無(wú)損檢操作技能經(jīng)全國(guó)無(wú)損檢測(cè)考核委員會(huì)考核合格。測(cè)考核委員會(huì)考核合格。 從從2003年初全國(guó)考委會(huì)舉辦年初全國(guó)考委會(huì)舉辦TOFD-II級(jí)人員培訓(xùn)級(jí)人員培訓(xùn)考核到現(xiàn)在，全國(guó)已有近考核到現(xiàn)在，全國(guó)已有近550人持有人持有TOFD-II級(jí)資級(jí)資格證書(shū)。格證書(shū)。 1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 TSG特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范T

11、SG Z8001-2011特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)人員考核規(guī)則特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)人員考核規(guī)則(征求意見(jiàn)稿征求意見(jiàn)稿)中將超聲檢測(cè)分為：中將超聲檢測(cè)分為： A、脈沖反射法超聲檢測(cè)、脈沖反射法超聲檢測(cè)、 B、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)、相控陣超聲檢測(cè)、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)、相控陣超聲檢測(cè)和奧氏體焊縫超聲檢測(cè)，和奧氏體焊縫超聲檢測(cè)， C、超聲檢測(cè)專項(xiàng)檢測(cè)，包括板材類、無(wú)縫、超聲檢測(cè)專項(xiàng)檢測(cè)，包括板材類、無(wú)縫管材類、焊接管材類、鍛件類、板材類管材類、焊接管材類、鍛件類、板材類1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史三、三、TOFD檢測(cè)儀器情況檢測(cè)儀器情況 國(guó)外產(chǎn)品1、以色列、以色列Sonotron NDT公司產(chǎn)品公司產(chǎn)品Iso

12、nic2005型、型、2008型檢型檢測(cè)儀測(cè)儀2、加拿大R/D Tech公司產(chǎn)品公司產(chǎn)品Omnisacn MX TOFD檢測(cè)儀檢測(cè)儀3、美國(guó)物理聲學(xué)公司（、美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）公司）公司4、美國(guó)、美國(guó)AIS公司公司NB2000-MC八通道超聲波檢測(cè)設(shè)備引進(jìn)國(guó)內(nèi)八通道超聲波檢測(cè)設(shè)備引進(jìn)國(guó)內(nèi) 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)產(chǎn)品1、武漢中科創(chuàng)新公司于、武漢中科創(chuàng)新公司于2005年研制了年研制了HS800便攜式便攜式TOFD超超聲波檢測(cè)儀，聲波檢測(cè)儀，2008年年7通道的儀器已經(jīng)投入了檢測(cè)市場(chǎng)通道的儀器已經(jīng)投入了檢測(cè)市場(chǎng)2、南通友聯(lián)公司開(kāi)發(fā)了、南通友聯(lián)公司開(kāi)發(fā)了PXUT-900便攜式便攜式TOFD檢測(cè)儀，該儀檢測(cè)

13、儀，該儀器具有三種操作模式、器具有三種操作模式、U盤恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。盤恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史四、四、TOFD標(biāo)準(zhǔn)的制定情況標(biāo)準(zhǔn)的制定情況 1、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 1993年，英國(guó)BS7706標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了用TOFD法進(jìn)行缺陷定量評(píng)價(jià)的具體程序和要求。 1996年，美國(guó)ASME規(guī)范在案例2235案例中，明確提出允許使用TOFD取代RT。2000年ASME規(guī)范第I卷（動(dòng)力鍋爐）也允許用AUT取代RT，用TOFD法記錄焊縫檢測(cè)結(jié)果。 2000年歐共體也在原英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7706：1993基礎(chǔ)上，制訂了有關(guān)焊縫TOFD法檢測(cè)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ENV583-6-2000超聲衍射波時(shí)差法用于缺陷檢

14、出和定量。 2001年，日本制定了NDIS2423：2001超聲波衍射時(shí)差技術(shù)(TOFD)用于缺陷高度測(cè)量的方法。1.1.1 TOFD技術(shù)的發(fā)展歷史 2、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) 目前，我國(guó)正在修訂蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程和已頒布的固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程已經(jīng)將TOFD技術(shù)方法納入正式條文。 2004年中國(guó)一重與中國(guó)特檢院合作編制的第一份年中國(guó)一重與中國(guó)特檢院合作編制的第一份企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)全國(guó)鍋容標(biāo)委的審查和備案。目前，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)全國(guó)鍋容標(biāo)委的審查和備案。目前，國(guó)內(nèi)有國(guó)內(nèi)有8個(gè)單位擁有個(gè)單位擁有TOFD企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 國(guó)家能源局于國(guó)家能源局于2010年年8月月27日發(fā)布了日發(fā)布了NB/T

15、47013.10-2010（JB/T4730.10）第）第10部分：部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)，該標(biāo)準(zhǔn)于衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)，該標(biāo)準(zhǔn)于 2010年年12月月15日實(shí)施。日實(shí)施。1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象一、衍射定義一、衍射定義 波在傳播路徑中遇到障礙物，發(fā)生繞過(guò)障波在傳播路徑中遇到障礙物，發(fā)生繞過(guò)障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍射。衍射也是波在傳輸過(guò)程中與界面作用而發(fā)射。衍射也是波在傳輸過(guò)程中與界面作用而發(fā)生的不同于反射的另一種物理現(xiàn)象。生的不同于反射的另一種物理現(xiàn)象。干涉和衍射的本質(zhì)：干涉和衍射的本質(zhì)： 干涉是分離的有限多束波的相干疊加；衍射干

16、涉是分離的有限多束波的相干疊加；衍射是波陣面上無(wú)限多子波連續(xù)的相干疊加，也可是波陣面上無(wú)限多子波連續(xù)的相干疊加，也可以說(shuō)衍射是無(wú)數(shù)個(gè)干涉的綜合效果。以說(shuō)衍射是無(wú)數(shù)個(gè)干涉的綜合效果。1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象二、惠更斯菲涅爾原理：二、惠更斯菲涅爾原理： 惠更斯惠更斯提出，介質(zhì)上波陣面上的各點(diǎn)，都可提出，介質(zhì)上波陣面上的各點(diǎn)，都可以看成是發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)刻這以看成是發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)刻這些子波的包跡，就是該時(shí)刻新的波陣面。些子波的包跡，就是該時(shí)刻新的波陣面。 菲涅爾菲涅爾充實(shí)了惠更斯原理，他提出波前上每充實(shí)了惠更斯原理，他提出波前上每個(gè)面元都可視為子波的波源，在空間某點(diǎn)的個(gè)面元

17、都可視為子波的波源，在空間某點(diǎn)的振動(dòng)是所有這些子波在該點(diǎn)產(chǎn)生的相干振動(dòng)振動(dòng)是所有這些子波在該點(diǎn)產(chǎn)生的相干振動(dòng)的疊加。的疊加。1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象裂紋衍射波衍射波入射波反射波裂紋的上下端點(diǎn)都裂紋的上下端點(diǎn)都可以產(chǎn)生衍射波?？梢援a(chǎn)生衍射波。 衍射波信號(hào)比反射衍射波信號(hào)比反射波信號(hào)弱得多，且波信號(hào)弱得多，且向空間的各個(gè)方向向空間的各個(gè)方向傳播，即沒(méi)有明顯傳播，即沒(méi)有明顯的指向性的指向性。圖圖1.1 裂紋端點(diǎn)衍射波示意圖裂紋端點(diǎn)衍射波示意圖1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象 惠更斯原理:缺陷上的每一個(gè)點(diǎn)都產(chǎn)生出一個(gè)球面子波入射波使缺陷產(chǎn)生振動(dòng)。1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象圖1.2 惠更斯原理的解釋

18、由圖示可見(jiàn)由圖示可見(jiàn):(1) 裂紋中部的反射波接近裂紋中部的反射波接近平面波，其波陣面由眾平面波，其波陣面由眾多子波源反射波疊加構(gòu)多子波源反射波疊加構(gòu)成成;(2) 裂紋尖端則沒(méi)有疊加現(xiàn)裂紋尖端則沒(méi)有疊加現(xiàn)象發(fā)生。象發(fā)生。 定義：尖端獨(dú)立的子波定義：尖端獨(dú)立的子波源發(fā)出的超聲波即為衍源發(fā)出的超聲波即為衍射波。射波。 衍射波的重要特點(diǎn)：衍射波的重要特點(diǎn)： 1、沒(méi)有明顯的方向性；、沒(méi)有明顯的方向性； 2、衍射波強(qiáng)度很弱。、衍射波強(qiáng)度很弱。 1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象1.1.2 衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象 缺陷端點(diǎn)形狀對(duì)衍射的影響：缺陷端點(diǎn)形狀對(duì)衍射的影響：（1）端點(diǎn)越尖銳，衍射特性越明顯，）端點(diǎn)越尖銳，衍射

19、特性越明顯，（2）端點(diǎn)越圓滑，衍射特性越不明顯，）端點(diǎn)越圓滑，衍射特性越不明顯，（3）當(dāng)端點(diǎn)圓半徑大于波長(zhǎng)（）當(dāng)端點(diǎn)圓半徑大于波長(zhǎng)（d)時(shí)，主要體現(xiàn)時(shí)，主要體現(xiàn)的是反射特性。的是反射特性。1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化 裂紋下尖端信號(hào)在折射角裂紋下尖端信號(hào)在折射角20和和65時(shí)時(shí),波幅曲線出現(xiàn)波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰；在兩個(gè)峰；在38時(shí)時(shí),波幅下降波幅下降很大幾乎為零。很大幾乎為零。 裂紋上尖端信號(hào)在裂紋上尖端信號(hào)在0 65區(qū)區(qū)域單調(diào)增大，在域單調(diào)增大，在65時(shí)波幅時(shí)波幅達(dá)到最大值，從達(dá)到最大值，從65 85單調(diào)降低。單調(diào)降低。 折射角為折射角為65時(shí)，裂紋上、

20、時(shí)，裂紋上、下尖端信號(hào)波幅均達(dá)到最大下尖端信號(hào)波幅均達(dá)到最大值，在值，在45 80區(qū)間，裂區(qū)間，裂紋下尖端的信號(hào)波幅大于上紋下尖端的信號(hào)波幅大于上尖端的信號(hào)波幅。尖端的信號(hào)波幅。 圖1.3 衍射波波幅隨著角度變化的曲線1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化 綜上所述綜上所述(1) 衍射信號(hào)幅度隨折射角的變化而變化。衍射信號(hào)幅度隨折射角的變化而變化。(2)TOFD技術(shù)一般使用技術(shù)一般使用4570的探頭，避開(kāi)了的探頭，避開(kāi)了38角度角度，這就保證衍射信號(hào)的強(qiáng)度；因探頭角度這就保證衍射信號(hào)的強(qiáng)度；因探頭角度70以上時(shí)，會(huì)增大測(cè)量誤差，所以，在實(shí)際以上時(shí)，會(huì)增大測(cè)量誤差，

21、所以，在實(shí)際TOFD檢測(cè)檢測(cè)中一般也不使用中一般也不使用75以上的探頭。以上的探頭。(3) 由角度變化引起的信號(hào)波幅變化不大于由角度變化引起的信號(hào)波幅變化不大于6dB。1.1.3 不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化不同角度下衍射信號(hào)波幅的變化 折射角度與衍射波幅度的關(guān)系的總結(jié)折射角度與衍射波幅度的關(guān)系的總結(jié):(1) 上尖端信號(hào)從上尖端信號(hào)從0 65單調(diào)增大，從單調(diào)增大，從65 85單單調(diào)降低。調(diào)降低。(2) 上尖端信號(hào)波幅最大處于折射角上尖端信號(hào)波幅最大處于折射角65。(3) 下尖端的信號(hào)波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰。在下尖端的信號(hào)波幅曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰。在20和和65時(shí)波幅達(dá)到峰值。時(shí)波幅達(dá)到峰值。(4) 下尖

22、端的信號(hào)波幅在下尖端的信號(hào)波幅在38時(shí)時(shí) ，波幅下降到最低。波幅下降到最低。(5) 在在45 80區(qū)間，裂紋下尖端的信號(hào)波幅略大于區(qū)間，裂紋下尖端的信號(hào)波幅略大于上尖端的信號(hào)波幅。上尖端的信號(hào)波幅。(6) 在此區(qū)間內(nèi)，由角度變化而引起的信號(hào)波幅變化不在此區(qū)間內(nèi)，由角度變化而引起的信號(hào)波幅變化不大于大于6dB。1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響圖1.4 裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的、

23、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響影響研究結(jié)果：試驗(yàn)中不斷改變兩探頭中心線與裂紋的夾研究結(jié)果：試驗(yàn)中不斷改變兩探頭中心線與裂紋的夾角，即使裂紋走向與兩探頭中心線不垂直，對(duì)衍射角，即使裂紋走向與兩探頭中心線不垂直，對(duì)衍射信號(hào)波幅不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。信號(hào)波幅不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。(1)夾角夾角由由9060時(shí)，時(shí)， TOFD衍射信號(hào)振幅降低衍射信號(hào)振幅降低1dB。(2)夾角夾角由由45 60 時(shí)，時(shí)，TOFD衍射信號(hào)振幅降衍射信號(hào)振幅降低低6分貝分貝。 1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí) 1、裂紋相對(duì)于兩探頭中心線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響、裂紋相對(duì)于兩探頭中心

24、線偏斜對(duì)衍射信號(hào)波幅的影響裂紋相對(duì)于探頭中心線裂紋相對(duì)于探頭中心線90 裂紋相對(duì)于探頭中心線裂紋相對(duì)于探頭中心線1351.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)2、裂紋相對(duì)于探測(cè)面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化、裂紋相對(duì)于探測(cè)面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化 圖圖1.5上半部分所示為裂紋上半部分所示為裂紋衍射的幾何布置。下半部為衍射的幾何布置。下半部為平底孔反射的幾何布置，參平底孔反射的幾何布置，參考反射體是一個(gè)直徑為考反射體是一個(gè)直徑為3mm平底孔。平底孔。 在該模型中，衍射信號(hào)的振在該模型中，衍射信號(hào)的振幅是裂紋傾斜角度的函數(shù)。幅是裂紋傾斜角度的函數(shù)。傾斜系數(shù)傾斜系數(shù)Ve以垂

25、直檢測(cè)表以垂直檢測(cè)表面為基準(zhǔn)，面為基準(zhǔn)，Ve0對(duì)應(yīng)于缺對(duì)應(yīng)于缺陷垂直于檢測(cè)平面。模型中陷垂直于檢測(cè)平面。模型中的缺陷是光滑的平面橢圓型的缺陷是光滑的平面橢圓型裂紋。裂紋。1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)2、裂紋相對(duì)于探測(cè)面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化、裂紋相對(duì)于探測(cè)面傾斜時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化圖圖1.6顯示了當(dāng)顯示了當(dāng)-30VeVe+30時(shí)衍射波時(shí)衍射波幅度的變化。該圖中有很重要的兩點(diǎn)：幅度的變化。該圖中有很重要的兩點(diǎn)：第一點(diǎn)，在相同深度范圍內(nèi)衍射波的波幅第一點(diǎn)，在相同深度范圍內(nèi)衍射波的波幅與直徑為與直徑為3的平底孔相當(dāng)；其次，信號(hào)的平底孔相當(dāng)；其次，信號(hào)隨著缺陷

26、傾角增加而加強(qiáng)。隨著缺陷傾角增加而加強(qiáng)。第二點(diǎn)，垂直裂紋缺陷的衍射信號(hào)幅度最第二點(diǎn)，垂直裂紋缺陷的衍射信號(hào)幅度最小，當(dāng)傾角小，當(dāng)傾角V=90時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)幅時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)幅度為度為32dB的最大值。的最大值。衍射信號(hào)幅度隨著傾角的增加也隨之增加衍射信號(hào)幅度隨著傾角的增加也隨之增加。當(dāng)當(dāng)V趨近趨近90時(shí)，裂紋如同平底孔那樣會(huì)時(shí)，裂紋如同平底孔那樣會(huì)形成反射波，兩信號(hào)比近似等于它們的面形成反射波，兩信號(hào)比近似等于它們的面積比。積比。 計(jì)算表明當(dāng)裂紋傾角為計(jì)算表明當(dāng)裂紋傾角為30時(shí)，衍射信時(shí)，衍射信號(hào)幅度增加不超過(guò)號(hào)幅度增加不超過(guò)3dB，這表明裂紋方向，這表明裂紋方向?qū)ρ苌鋾r(shí)差法檢測(cè)相對(duì)不敏感。

27、對(duì)衍射時(shí)差法檢測(cè)相對(duì)不敏感。圖1.6衍射信號(hào)幅度隨傾斜角度的變化關(guān)系1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)3、裂紋偏離兩探頭中心時(shí)衍射信號(hào)幅度的變化 在1983年Temple研究了，當(dāng)裂紋的位置相對(duì)于兩個(gè)探頭的位置變化時(shí)，衍射信號(hào)波幅的變化情況： 即使缺陷偏離兩個(gè)探頭之間的對(duì)稱中心達(dá)到即使缺陷偏離兩個(gè)探頭之間的對(duì)稱中心達(dá)到30mm，衍射信號(hào)僅比來(lái)自對(duì)稱放置的直徑為，衍射信號(hào)僅比來(lái)自對(duì)稱放置的直徑為3mm平底孔的信號(hào)降低平底孔的信號(hào)降低10dB。 這說(shuō)明裂紋偏離兩探頭中心對(duì)衍射信號(hào)幅度沒(méi)有太大的影響。1.1.4 關(guān)于關(guān)于TOFD衍射信號(hào)的進(jìn)一步知識(shí)衍射信號(hào)的進(jìn)一步知

28、識(shí)4、橫波檢測(cè)裂紋端點(diǎn)衍射的最優(yōu)入射角度、橫波檢測(cè)裂紋端點(diǎn)衍射的最優(yōu)入射角度 1983年研究結(jié)果：用橫波在鋼中檢測(cè)垂直平年研究結(jié)果：用橫波在鋼中檢測(cè)垂直平面裂紋，最優(yōu)入射角度為：面裂紋，最優(yōu)入射角度為： 第一組：上端點(diǎn)為第一組：上端點(diǎn)為50 ，下端點(diǎn)為，下端點(diǎn)為55 。 第二組：上端點(diǎn)為第二組：上端點(diǎn)為45 ，下端點(diǎn)為，下端點(diǎn)為57 。1.1.5 TOFD檢測(cè)的聲場(chǎng)分布 不同位置的信號(hào)強(qiáng)度分布：不同位置的信號(hào)強(qiáng)度分布：(1)在在60的聲束聚焦中心區(qū)域有最高的信號(hào)波幅；的聲束聚焦中心區(qū)域有最高的信號(hào)波幅；(2)在在4574范圍可以得到適中的信號(hào)幅度；范圍可以得到適中的信號(hào)幅度；(3)虛線內(nèi)其余區(qū)

29、域雖然可以得到信號(hào)，虛線內(nèi)其余區(qū)域雖然可以得到信號(hào)，但波幅減小到但波幅減小到-24dB，特別是在靠近特別是在靠近表面的區(qū)域減小的更多。表面的區(qū)域減小的更多。 波束覆蓋范圍主要是受探頭波束 寬度的限制，可以通過(guò)使用小直 徑的探頭，或是使用更大折射角 探頭（例如使用70折射角探頭） 來(lái)增大波束覆蓋的有效區(qū)域。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.1 TOFD技術(shù)的基本配置 雙探頭的優(yōu)點(diǎn)：雙探頭的優(yōu)點(diǎn)：(1) 可避免鏡面反射信號(hào)掩蓋衍可避免鏡面反射信號(hào)掩蓋衍射波信號(hào)，從而在任何情況射波信號(hào)，從而在任何情況下都能很好地接收端點(diǎn)衍射下都能很好地接收端點(diǎn)衍射波信號(hào)，波信號(hào)，(2) 測(cè)定反射體

30、的準(zhǔn)確位置和深測(cè)定反射體的準(zhǔn)確位置和深度，度，(3) 易于實(shí)現(xiàn)大范圍掃查，快速易于實(shí)現(xiàn)大范圍掃查，快速接收大量信號(hào)。接收大量信號(hào)。 雙探頭系統(tǒng)是雙探頭系統(tǒng)是TOFD技術(shù)的基技術(shù)的基本配置和特征。本配置和特征。 12341.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)TOFD技術(shù)的典型設(shè)置技術(shù)的典型設(shè)置發(fā)射探頭接收探頭直通波上端點(diǎn)下端點(diǎn)底面反射信號(hào)1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.1 TOFD技術(shù)的基本配置 實(shí)踐證明：在常規(guī)技術(shù)中實(shí)踐證明：在常規(guī)技術(shù)中 采用一個(gè)探頭也能發(fā)射超采用一個(gè)探頭也能發(fā)射超 聲波和接收衍射波，通常聲波和接收衍射波，通常 情況下，反射信號(hào)，比衍情況下，反射信號(hào)

31、，比衍 射信號(hào)波幅高，射信號(hào)波幅高，624dB, 對(duì)單探頭而言對(duì)單探頭而言,接收到的接收到的 端點(diǎn)衍射波信號(hào)可能被反端點(diǎn)衍射波信號(hào)可能被反 射信號(hào)掩蓋，因此衍射波射信號(hào)掩蓋，因此衍射波信號(hào)是否能看到具有不確定性（如圖信號(hào)是否能看到具有不確定性（如圖1.9） 。 總之，單探頭對(duì)端點(diǎn)衍射波信號(hào)接收不利，難以實(shí)現(xiàn)大范總之，單探頭對(duì)端點(diǎn)衍射波信號(hào)接收不利，難以實(shí)現(xiàn)大范圍檢測(cè)，也難以快速測(cè)定反射體的準(zhǔn)確位置和深度。圍檢測(cè)，也難以快速測(cè)定反射體的準(zhǔn)確位置和深度。 雖然，單探頭是可以進(jìn)行缺陷檢測(cè)的，但雖然，單探頭是可以進(jìn)行缺陷檢測(cè)的，但TOFD技術(shù)不采技術(shù)不采用這種方法。用這種方法。 1.2 TOFD技術(shù)的

32、基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭 TOFD探頭的特點(diǎn)：探頭的特點(diǎn)： (1) 采用小尺寸芯片的大擴(kuò)散角探頭；采用小尺寸芯片的大擴(kuò)散角探頭； (2) 要有良好的發(fā)射和接收性能；要有良好的發(fā)射和接收性能； (3) 應(yīng)具有寬頻帶和窄脈沖特性應(yīng)具有寬頻帶和窄脈沖特性 。 TOFD探頭一般使用的頻率范圍是探頭一般使用的頻率范圍是1MHz15MHz，芯片尺寸范圍是芯片尺寸范圍是3mm 20mm，通過(guò)楔塊在鋼鐵，通過(guò)楔塊在鋼鐵中形成中形成4570的不同角度的折射縱波。的不同角度的折射縱波。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭 縱波探頭聲場(chǎng)特點(diǎn)

33、：縱波探頭聲場(chǎng)特點(diǎn)：(1) 縱波與橫波同時(shí)存在?？v波與橫波同時(shí)存在。 (2) 大擴(kuò)散角和寬波束大擴(kuò)散角和寬波束。 (3) 橫波聲場(chǎng)的強(qiáng)度比縱波大的多橫波聲場(chǎng)的強(qiáng)度比縱波大的多。圖1.11 頻率5MHz，芯片直徑6mm，折射角60的探頭在鋼中的聲場(chǎng)分布1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.2 TOFD技術(shù)使用的探頭 TOFD技術(shù)使技術(shù)使用的典型超聲用的典型超聲探頭，是將一探頭，是將一個(gè)壓電傳感器個(gè)壓電傳感器安裝在有機(jī)玻安裝在有機(jī)玻璃或其它類似璃或其它類似材料的楔塊上材料的楔塊上組成探頭。壓組成探頭。壓電傳感器大多電傳感器大多采用復(fù)合材料。采用復(fù)合材料。 壓電復(fù)合材料制作的探頭有以下

34、優(yōu)點(diǎn)壓電復(fù)合材料制作的探頭有以下優(yōu)點(diǎn)（1）橫向振動(dòng)很弱，串?dāng)_聲壓小；）橫向振動(dòng)很弱，串?dāng)_聲壓?。唬?）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q值低值低;（3）帶寬大（）帶寬大（80%100%）；）；（4）機(jī)電耦合系數(shù)值大；）機(jī)電耦合系數(shù)值大；（5）靈敏度高，信噪比優(yōu)于普通）靈敏度高，信噪比優(yōu)于普通PZT探頭；探頭； （6）在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定；）在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定； （7）可加工形狀復(fù)雜的探頭，僅需簡(jiǎn)易的切塊和充填技術(shù)；）可加工形狀復(fù)雜的探頭，僅需簡(jiǎn)易的切塊和充填技術(shù)；（8）聲速、聲阻抗、相對(duì)絕緣常數(shù)及機(jī)電系數(shù)易于改變（因）聲速、聲阻抗、相對(duì)絕緣常數(shù)及機(jī)電系數(shù)易于改變（因這些參數(shù)相關(guān)于陶瓷材料的

35、體積率）；這些參數(shù)相關(guān)于陶瓷材料的體積率）；（9）易與聲阻抗不同的材料匹配（從水到鋼）；）易與聲阻抗不同的材料匹配（從水到鋼）；（10）可通過(guò)陶瓷體積率的變化，調(diào)節(jié)超聲波靈敏度。）可通過(guò)陶瓷體積率的變化，調(diào)節(jié)超聲波靈敏度。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 在各種波中，縱波的傳播速度最快，幾乎是橫波的在各種波中，縱波的傳播速度最快，幾乎是橫波的兩倍，從而能夠領(lǐng)先于其它種類的波，在最短時(shí)間兩倍，從而能夠領(lǐng)先于其它種類的波，在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)接收探頭。內(nèi)到達(dá)接收探頭。使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺陷的深度得到的結(jié)果是唯一的。

36、陷的深度得到的結(jié)果是唯一的。 TOFD檢測(cè)不使用橫波而使用縱波，其目的也是為檢測(cè)不使用橫波而使用縱波，其目的也是為了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。 使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺陷的深度得到的結(jié)使用縱波并利用縱波波速計(jì)算缺陷的深度得到的結(jié)果是唯一的果是唯一的。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 設(shè)想設(shè)想:探頭發(fā)射的縱波探頭發(fā)射的縱波 進(jìn)入工件，其中一部進(jìn)入工件，其中一部 分轉(zhuǎn)換為折射縱波分轉(zhuǎn)換為折射縱波C， 另一部分轉(zhuǎn)換成折射另一部分轉(zhuǎn)換成折射 橫波橫波S。工件中傳播的。工件中傳播的 縱波縱波C遇到缺陷遇到缺陷A和和B

37、， 可能產(chǎn)生缺陷可能產(chǎn)生缺陷A的的CCA和和CSA，以及缺陷，以及缺陷B的的CCB和和CSB； 同樣同樣,工件中傳播的橫波工件中傳播的橫波S遇到缺陷遇到缺陷A和和B, 可能產(chǎn)生包括缺陷可能產(chǎn)生包括缺陷A的的SCA和和SSA，以及缺陷，以及缺陷B的的SCB和和SSB。這樣。這樣,工件中傳播的信工件中傳播的信號(hào)就包括了號(hào)就包括了CCA、CSA、CCB、CSB、SCA、SCB、SSA、SSB，這些信號(hào)都可能被探頭接收到，按信號(hào)的傳播速度，信號(hào)在時(shí)這些信號(hào)都可能被探頭接收到，按信號(hào)的傳播速度，信號(hào)在時(shí)間軸上的排列次序如圖間軸上的排列次序如圖1.12所示。所示。ABABABABCCACCBCSACSBS

38、CASCBSSASSB發(fā)射接收缺陷A缺陷Bt1.4tt1.4t1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 由于由于TOFD檢測(cè)是以波的傳輸時(shí)間來(lái)確定缺陷深度檢測(cè)是以波的傳輸時(shí)間來(lái)確定缺陷深度的，因此信號(hào)傳輸時(shí)間與缺陷深度必須有唯一性。的，因此信號(hào)傳輸時(shí)間與缺陷深度必須有唯一性。在金屬材料中，縱波最先到達(dá)接收探頭。依據(jù)縱波在金屬材料中，縱波最先到達(dá)接收探頭。依據(jù)縱波信號(hào)（信號(hào)（CCA、CCB）識(shí)別缺陷和以縱波波速計(jì)算）識(shí)別缺陷和以縱波波速計(jì)算其深度，就不會(huì)與橫波信號(hào)（其深度，就不會(huì)與橫波信號(hào)（CSA、CSB、SCA、SSA、SCB、SSB）或變形波信號(hào)混

39、淆，也不會(huì)發(fā)）或變形波信號(hào)混淆，也不會(huì)發(fā)生計(jì)算出錯(cuò)誤的缺陷深度。生計(jì)算出錯(cuò)誤的缺陷深度。 TOFD檢測(cè)不使用橫波而使用縱波，其目的也是為檢測(cè)不使用橫波而使用縱波，其目的也是為了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。了避免回波信號(hào)難以識(shí)別的困難。 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型按圖按圖1.12（b）所示模型，可大致估算縱波與橫波信號(hào)的傳輸時(shí)間差。）所示模型，可大致估算縱波與橫波信號(hào)的傳輸時(shí)間差。 設(shè)：缺陷設(shè)：缺陷A、B分別在工件上、下表面，且在兩探頭之間的中線分別在工件上、下表面，且在兩探頭之間的中線上，主聲束與底面法線夾角為上，主聲束與底面法線夾角為

40、45，近似認(rèn)為橫波聲速為縱波，近似認(rèn)為橫波聲速為縱波一半，則：假如經(jīng)缺陷一半，則：假如經(jīng)缺陷A的縱波信號(hào)的縱波信號(hào)CCA的傳輸時(shí)間近似于直的傳輸時(shí)間近似于直通波的傳輸時(shí)間通波的傳輸時(shí)間2t，那么經(jīng)過(guò)缺陷，那么經(jīng)過(guò)缺陷B的縱波信號(hào)的縱波信號(hào)CCB的傳輸時(shí)的傳輸時(shí)間近似于底波的傳輸時(shí)間就為間近似于底波的傳輸時(shí)間就為2.8t；經(jīng)過(guò)缺陷；經(jīng)過(guò)缺陷A的變形波的變形波CSA或或SCA的信號(hào)傳輸時(shí)間為的信號(hào)傳輸時(shí)間為3t；經(jīng)過(guò)缺陷；經(jīng)過(guò)缺陷B的變形波信號(hào)（的變形波信號(hào)（CSB或或SCB）傳輸時(shí)間為）傳輸時(shí)間為4.2t；而橫波信號(hào)；而橫波信號(hào)SSA、SSB分別為分別為4t和和5.6t。 可見(jiàn)，位于兩探頭中間的

41、缺陷，其產(chǎn)生的橫波信號(hào)始終在底波可見(jiàn)，位于兩探頭中間的缺陷，其產(chǎn)生的橫波信號(hào)始終在底波之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干擾；在聲束經(jīng)過(guò)的大部分區(qū)域，之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干擾；在聲束經(jīng)過(guò)的大部分區(qū)域，即使產(chǎn)生變形波信號(hào)也將在底波之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干即使產(chǎn)生變形波信號(hào)也將在底波之后，不會(huì)對(duì)縱波信號(hào)產(chǎn)生干擾，只有在靠近其中一個(gè)探頭附近的很小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的變形波擾，只有在靠近其中一個(gè)探頭附近的很小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的變形波信號(hào)可能在底波之前出現(xiàn)。信號(hào)可能在底波之前出現(xiàn)。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.3 TOFD技術(shù)采用的超聲波波型 綜上所述，在綜上所述，在TOFD檢測(cè)時(shí)，工件中存在多種檢

42、測(cè)時(shí)，工件中存在多種波：首先是探頭發(fā)射的縱波和橫波；其次在波波：首先是探頭發(fā)射的縱波和橫波；其次在波的傳播過(guò)程中，遇到缺陷，底面，或其它不同的傳播過(guò)程中，遇到缺陷，底面，或其它不同聲阻抗的界面，會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。因此，到達(dá)聲阻抗的界面，會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。因此，到達(dá)接收探頭的信號(hào)包括：接收探頭的信號(hào)包括：所有縱波、所有橫波、所有縱波、所有橫波、波型轉(zhuǎn)換后的一部分縱波和一部分橫波。波型轉(zhuǎn)換后的一部分縱波和一部分橫波。 為什么TOFD檢測(cè)使用縱波而不用橫波探頭?1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào) 圖1.13所示為TOFD技術(shù)應(yīng)用時(shí)，波型種類和傳播路徑的示意圖

43、圖1.13 TOFD技術(shù)的波傳播路徑發(fā)射探頭接收探頭直通波裂紋衍射波底面反射橫波dD2S1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào) 圖1.14所示為TOFD技術(shù)應(yīng)用時(shí)，A掃信號(hào)的示意圖圖1.14 TOFD技術(shù)的A掃信號(hào)1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào)發(fā)射探頭接收探頭直通波直通波LW上端點(diǎn)上端點(diǎn)下端點(diǎn)下端點(diǎn)底面反射波底面反射波BW1 1、直通波：兩個(gè)探頭之間沿工件表面直線傳播的縱波。路程最、直通波：兩個(gè)探頭之間沿工件表面直線傳播的縱波。路程最逗，最先到達(dá)。當(dāng)探頭間距較大時(shí)，直通波可能非常微弱，甚至逗，最先到達(dá)。

44、當(dāng)探頭間距較大時(shí)，直通波可能非常微弱，甚至不能識(shí)別。由于不能識(shí)別。由于TOFD掃查所發(fā)射和接收的信號(hào)在近表面區(qū)有較掃查所發(fā)射和接收的信號(hào)在近表面區(qū)有較大的壓縮，因此這些區(qū)域的一些有用信號(hào)可能隱藏在直通波下。大的壓縮，因此這些區(qū)域的一些有用信號(hào)可能隱藏在直通波下。直通波的頻率比聲束中心的頻率低。直通波的頻率比聲束中心的頻率低。2、缺陷信號(hào)：缺陷上、下端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射信號(hào)，在直通波和底、缺陷信號(hào)：缺陷上、下端點(diǎn)產(chǎn)生的衍射信號(hào)，在直通波和底面反射波之間，比直通波信號(hào)強(qiáng)，比底面反射波信號(hào)弱。為提高面反射波之間，比直通波信號(hào)強(qiáng)，比底面反射波信號(hào)弱。為提高小缺陷的上尖端和下尖端信號(hào)的分辨能力，可采取減少信號(hào)

45、周期小缺陷的上尖端和下尖端信號(hào)的分辨能力，可采取減少信號(hào)周期的措施。的措施。 3、底面反射波：縱波在底面的反射波。因傳播距離比直通波長(zhǎng)，、底面反射波：縱波在底面的反射波。因傳播距離比直通波長(zhǎng)，所以在直通波之后出現(xiàn)。如果探頭的波束只發(fā)射到金屬材料的上所以在直通波之后出現(xiàn)。如果探頭的波束只發(fā)射到金屬材料的上部分或者工件沒(méi)有合適底部進(jìn)行反射，則底面反射波可能不存在部分或者工件沒(méi)有合適底部進(jìn)行反射，則底面反射波可能不存在。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào)1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.4 TOFD聲場(chǎng)中的A掃信號(hào)4、波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底

46、面縱波和底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)之間會(huì)、波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底面縱波和底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生各種波型轉(zhuǎn)換信號(hào)，波型轉(zhuǎn)換信號(hào)到達(dá)接收探頭時(shí)間比產(chǎn)生各種波型轉(zhuǎn)換信號(hào)，波型轉(zhuǎn)換信號(hào)到達(dá)接收探頭時(shí)間比底面縱波反射信號(hào)長(zhǎng)，但比底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)短。底面縱波反射信號(hào)長(zhǎng)，但比底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)短。 5、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底面縱波反射信號(hào)之后將出現(xiàn)一、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)：在底面縱波反射信號(hào)之后將出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)大的信號(hào)，這種信號(hào)是底面橫波反射信號(hào)，它有時(shí)會(huì)個(gè)相當(dāng)大的信號(hào)，這種信號(hào)是底面橫波反射信號(hào)，它有時(shí)會(huì)被誤認(rèn)為是底面縱波反射信號(hào)。被誤認(rèn)為是底面縱波反射信號(hào)。6、底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)以后的信號(hào)、底面

47、反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)以后的信號(hào) ：底面反射波型轉(zhuǎn)換信：底面反射波型轉(zhuǎn)換信號(hào)以后還會(huì)出現(xiàn)許多縱波和橫波多次反射和轉(zhuǎn)換的信號(hào)，對(duì)號(hào)以后還會(huì)出現(xiàn)許多縱波和橫波多次反射和轉(zhuǎn)換的信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)一般不再進(jìn)行觀察和分析。這些信號(hào)一般不再進(jìn)行觀察和分析。 由于直通波和底面反射波的存在，檢測(cè)時(shí)如果只使用由于直通波和底面反射波的存在，檢測(cè)時(shí)如果只使用TOFD技術(shù)，在上表面和下表面存在盲區(qū)，一般為幾毫米或十幾毫技術(shù)，在上表面和下表面存在盲區(qū)，一般為幾毫米或十幾毫米之間，近表面的盲區(qū)大于底面的盲區(qū)。米之間，近表面的盲區(qū)大于底面的盲區(qū)。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系 圖1.15是無(wú)缺陷工

48、件無(wú)缺陷工件TOFD檢測(cè)情況檢測(cè)情況，A-Scan圖中只有直通波和底面反為射波信號(hào)波形。 當(dāng)波束從高阻抗介質(zhì)中入射到一個(gè)低阻抗介質(zhì)（例如，從鋼中入射到鋼/水界面或鋼/空氣 界面）時(shí)，在界面反射的信 號(hào)相位改變180。 如圖1.15所示，波束在碰到波束在碰到 界面之前是以正向周期開(kāi)始界面之前是以正向周期開(kāi)始 傳播的，在經(jīng)過(guò)界面反射后傳播的，在經(jīng)過(guò)界面反射后 變成以負(fù)向周期開(kāi)始傳播。變成以負(fù)向周期開(kāi)始傳播。圖1.15 從高阻抗介質(zhì)入射到低阻抗介質(zhì)的信號(hào)相位發(fā)生改變1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系 圖1.16是有缺陷工件TOFD檢測(cè)情況，A-Scan信號(hào)中直通波、缺陷

49、上、下尖端信號(hào)和底面反射波的波形圖。上尖端信號(hào)就像底面上尖端信號(hào)就像底面反射信號(hào)一樣，相位變化了反射信號(hào)一樣，相位變化了180。缺陷下尖端的衍射信號(hào)相位不發(fā)生改變，以解釋為波束只是在缺陷底部環(huán)繞,沒(méi)有發(fā)生界面反射。如果上尖端信號(hào)相位從負(fù)周期開(kāi)始，與底面如果上尖端信號(hào)相位從負(fù)周期開(kāi)始，與底面 反射信號(hào)相同，那么下尖端信號(hào)反射信號(hào)相同，那么下尖端信號(hào) 就是從正向周期開(kāi)始，其相位與就是從正向周期開(kāi)始，其相位與 直通波信號(hào)相同。直通波信號(hào)相同。 研究表明，如果兩個(gè)衍射信號(hào)的如果兩個(gè)衍射信號(hào)的 相位相反，可以判斷在信號(hào)之間相位相反，可以判斷在信號(hào)之間 一定存在一個(gè)連續(xù)的缺陷一定存在一個(gè)連續(xù)的缺陷。因此，

50、 相位對(duì)分析信號(hào)和測(cè)定缺陷準(zhǔn)確 尺寸是非常重要。圖1.16 有缺陷的A-Scan信號(hào)相位比較1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系上端點(diǎn)上端點(diǎn)下端點(diǎn)下端點(diǎn)直通波直通波LW底面反射波底面反射波BW+-+-需要不檢波的A掃來(lái)顯示相位的變化1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系 相位的變化： 直通波（LW）和底面反射波（BW）的相位是相反的。 缺陷的下端點(diǎn)與直通波的相位是相同的。 缺陷的上端點(diǎn)與底面反射波的相位是相同的。 每一個(gè)衍射信號(hào)的上、下端點(diǎn)衍射波相位是相反的。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.5 相位關(guān)系 對(duì)不同深度的兩個(gè)

51、衍射信號(hào)，可根據(jù)相位變化判斷工件中的缺陷是一個(gè)缺陷還是兩個(gè)缺陷。 如果兩個(gè)信號(hào)的相位相反，可能是一個(gè)缺陷（例如如果兩個(gè)信號(hào)的相位相反，可能是一個(gè)缺陷（例如一條裂紋）的上下尖端衍射信號(hào)；一條裂紋）的上下尖端衍射信號(hào)； 如果兩個(gè)信號(hào)的相位相同，則可判定為兩個(gè)缺陷如果兩個(gè)信號(hào)的相位相同，則可判定為兩個(gè)缺陷。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算 探頭中心距：兩探頭入射點(diǎn)之間的距離又稱為探頭中心距探頭中心距：兩探頭入射點(diǎn)之間的距離又稱為探頭中心距，用符號(hào)符號(hào)PCS表示表示。 如圖1.17所示，PCS2S。由于兩探頭相對(duì)于衍射端點(diǎn)是對(duì)稱的，則超聲信號(hào)傳播距離L可以用下式計(jì)算：

52、L= 2(s2 + d2)1/2 超聲信號(hào)傳播時(shí)間計(jì)算式： t = 2(s2 + d2)1/2/c 衍射端點(diǎn)深度的計(jì)算式： d = (ct/2)2 - s21/2 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算【例題1】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心距80mm，衍射點(diǎn)深度30mm，則超聲信號(hào)傳播距離是多少？ 解：由公式L= 2(s2 + d2)1/2，得：L= 2(402 + 302)1/2100mm。 答：超聲信號(hào)傳播距離為100mm。【例題2】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心距80mm，衍射點(diǎn)深度30mm，聲波速度6 mm/s，則超聲信號(hào)

53、傳播時(shí)間是多少？ 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得：t = 2(402 + 302)1/2/616.6 s 答：超聲信號(hào)傳播時(shí)間是16.6 s。【例題3】已知：聲波速度6 mm/s，衍射信號(hào)傳播時(shí)間為16.6 s，兩探頭中心距80mm：假設(shè)衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，則衍射點(diǎn)深度是多少？ 解：由公式d = (ct/2)2 - s21/2， 得：d = (616.6/2)2 -4021/230mm。 答：衍射點(diǎn)深度是30mm。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算【例題4】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，設(shè)聲速為6mm/s，已知兩探頭中心距80m

54、m，計(jì)算衍射點(diǎn)深度0.5mm、1mm、2mm、4mm的信號(hào)傳輸時(shí)間。 解：由公式t = 2(s2 + d2)1/2/c，得： d 0.5 mm ，t0.5 = 2(402 + 0.52)1/2/613.3343s； d 1 mm ，t1 = 2(402 + 12) 1/2/613.3374s； d 2 mm ，t2 = 2(402 + 22) 1/2/613.3499s； d 4 mm ，t4 = 2(402 + 42) 1/2/613.3998s； 由計(jì)算結(jié)果可知， 深度1mm與0.5mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.0031s； 深度2mm與1mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.01259s；

55、深度4mm與2mm的衍射信號(hào)傳輸時(shí)間差僅為0.05s， 由于深度變化的時(shí)間增量太小，深度就難以測(cè)準(zhǔn)。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.6 深度計(jì)算 在TOFD檢測(cè)中，深度和時(shí)間的關(guān)系不是線性的，而是呈平方關(guān)系的，因此，在近表面區(qū)域，信號(hào)在時(shí)間上的微小變化在近表面區(qū)域，信號(hào)在時(shí)間上的微小變化轉(zhuǎn)換成深度就變化較大轉(zhuǎn)換成深度就變化較大。深度測(cè)量的誤差隨著接近表面而迅深度測(cè)量的誤差隨著接近表面而迅速增大速增大。 通過(guò)軟件計(jì)算進(jìn)行線性化處理可得出B-Scan和D-Scan的線性深度圖。 由于存在直通波和不斷增大的深度誤差，TOFD對(duì)近表面的缺陷探測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性并不太高。這個(gè)不能保證

56、區(qū)域可以通過(guò)減小PCS或采用高頻探頭來(lái)改變。當(dāng)工件只作一次掃查時(shí)，近表面不能保證距離大約是10mm。 例如，采用15MHz的探頭和較小的PCS，對(duì)工件的檢測(cè)可以達(dá)到表面以下1mm深度，不過(guò)這些措施會(huì)使檢測(cè)覆蓋面減小。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定1、深度校準(zhǔn)延時(shí)時(shí)間：從晶片發(fā)出的聲束到入射點(diǎn)需要的時(shí)間稱為延時(shí)時(shí)間。用2t0表示。 發(fā)射探頭接收探頭SSdLWBWt0t0始脈沖t1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定 信號(hào)總的傳播時(shí)間：SSdt0t002222tcdSt發(fā)射探頭接收探頭1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)

57、技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定1、深度校準(zhǔn) 缺陷深度計(jì)算公式：接收探頭SSdt0t0發(fā)射探頭22022Sttcd1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定1、深度校準(zhǔn) 直通波出現(xiàn)的時(shí)間公式： t L= 2s/c + 2to 底面反射波出現(xiàn)時(shí)間公式： t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to 探頭的延時(shí)式： 2to = t b - 2(s2 + D2)1/2/c 波的傳播速度： c = 2(s2 + D2)1/2 - 2s/ (t b t L) 1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí)1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定1、深度校準(zhǔn)

58、發(fā)射探頭接收探頭2Sd1d212ddh由于計(jì)算自身高度只需要測(cè)量時(shí)間由于計(jì)算自身高度只需要測(cè)量時(shí)間, 所以高度估計(jì)會(huì)很所以高度估計(jì)會(huì)很準(zhǔn)確。實(shí)際操作中，檢測(cè)裂紋準(zhǔn)確。實(shí)際操作中，檢測(cè)裂紋 1mm 的精度是完全可的精度是完全可以達(dá)到的以達(dá)到的 (檢測(cè)人工缺陷時(shí)可以達(dá)到檢測(cè)人工缺陷時(shí)可以達(dá)到 0.1 mm )。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定【例題5】衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，已知：兩探頭中心距80mm，衍射點(diǎn)深度30mm，聲波速度6 mm/s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí)1.6s，則從發(fā)射到接收超聲信號(hào)總的傳播時(shí)間是多少？ 解：由公式t = 2(s2

59、 + d2)1/2/c + 2to 得：t = 2(402 + 302)1/2/6 + 1.618.2 s。 答：從發(fā)射到接收超聲信號(hào)總的傳播時(shí)間是18.2 s?！纠}6】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超聲信號(hào)總的傳播時(shí)間為18.2 s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí)1.6s，兩探頭中心距80mm：假設(shè)衍射點(diǎn)位于兩探頭連線的中心線上，則衍射點(diǎn)深度是多少？ 解：由公式d = (c/2)2(t-2to)2 - s21/2 得：d = (6/2)2(18.2-1.6)2 - 4021/2= 30mm。 答：衍射點(diǎn)深度是30mm。1.2 TOFD技術(shù)的基本知識(shí)技術(shù)的基本知識(shí) 1.2.7 深

60、度校準(zhǔn)和PCS設(shè)定【例題7】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度45mm，衍射超聲信號(hào)總的傳播時(shí)間為18.2 s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí)1.6s，兩探頭中心距80mm：則直通波信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間是多少？ 解：由公式 t L = 2s/c + 2to 得：t L =80/6 + 1.614.9 s。 答：直通波出現(xiàn)的時(shí)間為14.9 s?！纠}8】已知：聲波速度6 mm/s，工件厚度53mm，衍射超聲信號(hào)總的傳播時(shí)間為18.2 s，兩個(gè)探頭楔塊中的總延時(shí)1.6s，兩探頭中心距80mm：則底面反射波出現(xiàn)的時(shí)間是多少？ 解：由公式t b = 2(s2 + D2)1/2/c + 2to 得：t b = 2(