TOFD中文教材校对完翻译第五章.docx
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TOFD中文教材校对完翻译第五章
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=F/D
式中：
=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（6dBF=0.5120dBF=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。
Figure5.2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//s。
F取0.7。
degrees
Frequency,MHz
inshoe,mm
D=15mm
D=10mm
D=6mm
3
0.8
2.14
3.21
5.35
5
0.4
1.28
1.92
3.21
10
0.24
0.64
0.96
1.6
Table5.1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=sin1/sin2
如果钢中声速是5.95mm/s，楔块中的声速是2.4mm/s,则可得到下表。
Angleinshoe,degrees
Angleinsteel,degrees
16.57
45
20.44
60
22.27
70
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
Beamspreadforcentreangleof60degreesinsteel
Frequency,MHz
D=6mm
D=10mm
D=15mm
3
40.2-90
47.3-84.0
51.1-72.2
5
47.3-84
51.9-70.6
54.5-66.5
10
3.2-68.5
55.8-64.8
57.1-63.1
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5.360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5.445度探头和60度探头的覆盖范围
Beamspread,degreesinsteel
Angle,degrees
D=6mm
D=10mm
D=15mm
45
34.0-57
38.8-51.8
40.8-49.9
60
47.3-84
51.9-70.6
54.5-66.5
70
54.0-90
59.6-90.0
62.6-82.1
表5.45MHZ的扩散角
45度探头即使晶片直径为6mm，他的覆盖范围也很小，见图5。
4上图。
而60度6mm晶片的探头可以覆盖2/3焊缝区域，见图5.4下图。
70度探头一般不采用，因为他将时间压缩很多，造成分辨率很低。
如图5.4所示，60度探头扫查遗漏的区域需要一对探头能将表面区域覆盖来进行扫查。
如图5.5所示。
图5.5近表面区域的60度、70度探头的覆盖范围
由图5.5看到，近表面区域用70度探头能很好地覆盖。
在实际应用中，两种探头地扩散角度基本相同。
60度探头可以获得分辨率而70度探头有更大地覆盖范围,应根据实际情况考虑。
最后，为了完全地覆盖焊缝中心两侧40mm范围，我们需要每对探头三次扫查，60度探头聚焦深度在0.66T及60度或70度聚焦0.25T。
这就需要进行6次扫查或2对探头同时采集数据，扫查3次。
图5.62焊缝中心两侧40mm范围，探头同时采集数据，扫查3次
因此，只用一次扫查不能完成扫查，应细心设计合适的探头和扫查次数。
如有可能，在与被测工件厚度相同的内部有反射体的试块上进行试验。
5．3被检材料的检查
在实施一项检验之前，有一些提高检验质量和有助于解释超声信号的工作需要进行。
如：
1了解焊缝的冶金参数，如焊缝结构形式、焊接方法、现场条件。
了解历史数据和需要检测的裂纹的类型。
2检查焊缝两边的母材，确定是否有分层和撕裂，这有助于解释D/B扫描中带状信号。
3检查焊缝两边的母材的厚度突变，这能引起多个地面波。
4检查材料衰减和粗糙度的影响。
高频波在通过金属材料时能引起剧列衰减，这种情况在长距离传播更加强烈。
测量方法见12.3。
5．4探头角度的选择
我们先考虑直通波与地面波的时间范围，因为这个区间对我们是非常重要的记录区域。
两者之间的时间间隔计算在3.5.3.5，这个时间范围是不同的，例如：
时间范围=2（s2+D2）1/2/c-2s/c。
Angleinmetal,degrees
45
60
70
PCS,mm
48
83.2
132.0
Lateralwave,s
8.1
13.0
22.2
Backwall,s
15.7
19.4
25.9
Timerange,s
7.6
5.42
3.8
T表5.5直通波与地面波的时间范围
下表给出例子，壁厚40mm探头聚焦深度在2/3T,一般来说，最深角度探头时间范围最大，这在表中可以看出，45度探头可以获得最大时间范围。
时间越分散，沿时间轴的信号的分辨率越高，深度测量的精度越高。
然而，正如图5.2看到的大角度探头能够覆盖更大范围，从这方面看，应用大角度探头。
有两个因素必须考虑。
第一：
60度到70度之间选择最优的衍射角度；第二，对厚工件，为了大角度扩散需要大的PCS，但这又引起信号的幅度衰减和扫查困难。
5．5探头频率的选择
一般地，PCS地选择是为了获得预定的覆盖范围，他决定了直通波和地面波的时间范围窗口。
为了获得在直通波和地面波之间的缺陷信号，每个缺陷信号必须有几个周期的时间，有能分辨他们的时间间隔。
时间范围计算见表5.5。
60度探头在40mm的工件上时间范围是5.4微秒，。
对于1MHZ的探头，一周期的时间是1微妙，这只有5个周期，这是不够的。
对于5MHZ探头，一周期0.2微妙，这之间有27个周期，达到满意的效果。
因此，可以看出，直通波和地面波的周期数目越多，深度分辨率越高。
约30周期就可以获得较好的分辨率。
实际应用中，折中的方案也最少达到20个周期，越多越好。
通过增加频率可以很容易增加周期数，但衰减和散射也随之而来，激发能量也随之减小，声束扩散也减小。
下表可以对选择频率提供帮助。
Thickness,mm
lateral-backwall,s
1MHz
3MHz
5MHz
10MHz
20MHz
10
1.25
1.3
3.8
6.3
12.5
25.1
25
3.13
3.1
9.4
15.7
31.3
62.7
50
6.265
6.3
18.8
31.3
62.7
125.3
100
12.53
12.5
37.6
62.7
125.3
250.7
表5.6直通波与底面波之间的周期数
表中的数值基于PCS聚焦在2/3T。
因此，从表中可以得出不同厚度的工件应选择的频率，
<10mm>20MHz
10to25mm15to7.5MHz
25to50mm7.5to4MHz
>50mm<4MHz
实际应用中，6mm厚工件用15MHZ，25毫米以上用5MHZ。
发射探头和接受探头的频率差别应在20％内。
上述推荐值在衰减大的材料和焊缝中应于修正。
特殊情况下，可以减小。
衰减的测量见12.3，详细讨论见5.7。
5．6PCS的选择
除非要扫查特殊区域，一般情况下，应使用2/3T法则确定PCS。
然而，如果覆盖范围不合适，就需要多对探头进行扫查，PCS也要相应调整。
在平行扫查或者扫查特定区域（如焊缝根部）时，可以把PCS设置为某一数值，使焦点位于指定深度。
假设深度是dmm，探头角度是θ，则
2s（PCS）=2dtanθ
5.7校准和增益设置
5.7.1增益和反射体尺寸无关
在TOFD检测中，关于增益设置的主要问题是衍射信号来自于缺陷尖端，衍射信号的幅值和缺陷大小无关。
在常规脉冲回波法检测中，通常是用平底孔、横孔或开槽等标准反射体的反射信号来设置增益的。
但是，平底孔和横孔等标准反射体不能用于TOFD，平底孔信号和它的大小有一点关系，但和衍射信号的强度没有关系。
在TOFD扫查中，足够大直径的横孔会产生两个能区分开的信号，但是这两个信号都没有用处。
上边的信号主要是孔顶端的反射，因此信号很强，而第二个信号主要是沿孔底部形成的爬波。
衍射信号通常幅值是底面反射波的20％。
但是由于底面反射波主要是多种因素形成的反射波，因此不能用来作为可靠的参考依据。
有两种推荐的方法来设置增益。
如果这两种方法都不适用，最好把底面反射波调到满屏高度，然后增益10dB。
5.7.2用开槽的衍射波来设置增益
第一种方法是用一系列窄槽底部的信号来设置增益。
这种方法在英国标准BS7706有更详细的描述。
这种槽必须是上表面开口的（如下图），而不是底面开口的。
这是因为底部开槽信号的幅值非常类似于疲劳裂纹的衍射信号。
而开槽顶端的信号主要是反射波。
在与检测工件厚度相近的校准试块上的1/3厚度处和2/3厚度处开槽，如果可能的话，材质也要与检测工件相同。
也可以选用能够满足扫描范围需求的带开槽的试块。
设置增益时，在信噪比满足要求的情况下应该把最深处槽的信号波高调到满屏的60％（FSH）。
在这种设置下，底面反射波信号通常都会饱和。
在A扫查中，如果PCS不是太宽，幅值很低的直通波LW能够超过噪声信号，可以观察到。
5.7.3用晶粒噪声或草波来设置增益
第二种方法是用晶粒噪声设置增益，在英国标准中也有描述。
在这种方法中，需要从校准试块上得到TOFD信号，然后调剂增益，使晶粒噪声可见，并超过满屏的5%。
在直通波之前的电噪声要低于晶粒噪声。
问题在于要扫查的焊缝中的噪声可能比试块中的噪声弱很多，这时，可能用待测工件中的典型噪声来调节增益更合适。
这种设置增益的方法将会确保缺陷信号能够检测到。
如果所有增益都设置的很高，B扫描或D扫描中的信号就会很亮，这可能比使用低一点的增益更难分析。
如果采用这种方法，必须确认所有A扫描的参数都是正确的，例如，能从被测样品或试块的底面反射波中得出材料的厚度，与实际厚度的误差要在0.25mm之内。
5.7.4增益设置中衰减和粗晶噪声的影响
在TOFD检测中，如果能够观察到直通波和底面反射波信号，人们通常会忽略超过正常范围的衰减所造成的影响。
但是，为了确保所有焊缝都得到有效扫查，就应该研究一下衰减和晶粒散射的影响了，这一内容在第12.3节详细说明。
在采用试块开槽来设置检验增益的情况下，如果被检式样中的衰减大于等于2dB，那么扫查时就要加上补偿。
无论采用那种方法，我们通常都应该把扫查增益设置到在D扫查和B扫查图像中呈现灰色背景。
这种背景灰色的强度应该在焦点深度处比较强（声束中心通过这一点）。
为了确保能够有效扫查被检工件的所有检验区域，扫查区域边界处的晶粒噪声或背景灰度的波幅与焦点处晶粒噪声相比不要少于12dB。
检验区域的边界通常刚好是在直通波之下到底面反射波之上。
如果噪声差大于12dB，那么就应该把工件在厚度上分成几个区域扫查，或者采用不同角度的探头扫查，也可以两者同时进行，从而使扫查区域的晶粒噪声保持在合理的水平。
另外，选择较低的扫查频率也可能解决这个问题。
如果把工件在深度上分成不同区域来扫查，则可以考虑选用大晶片直径的探头，因为这样可以减小声束扩散角，使声波能够在更小的区域内聚焦。
5.7.5扫查设置的校准或校核
扫查设置的校准或校核应该是检查过程的一个组成部分。
对于第一种增益设置方法而言，检验之前和检验之后在校准槽上扫查一遍，进行扫查设置的校准或校核是至关重要的。
对于第二种增益设置方法而言，待检试样或相近厚度试块的厚度的测量值与实际值的误差必须小于0.25mm。
这给我们提供了一个系统工作状态的记录。
也能使我们避免犯错误，确保我们正在用正确的参数和正确的探头在正确的深度范围内进行检查。
校准要对以下几项进行核对：
•探头，导线，所有电子器件，计算机及其外围设备
•在检验前减小误差，例如改正PCS
•校准确保扫查的有效性。
如果发现异常，就重新扫查，或者在报告中提供解释。
校准样本也可以用来确定其他TOFD参数。
包括对于近表面缺陷可达到的精度，（例如由直通波和底面反射波形成的近表面和底面盲区（见第六章）），或者底面盲区对非平行扫查中能够发现的底面开口型缺陷最小尺寸的影响。
为了测量盲区尺寸，要在近表面和底面开2mm、4mm、8mm的槽，在确定盲区的时候，要在底面距扫描中心线0mm、10mm、20mm、30mm处开槽，槽的深度就是要扫查到的最小裂纹的深度。
5.8数字化频率和脉冲重复频率
模拟电超声信号数字化的问题在第四章中已经解释过了。
为了获得合理的重构信号，数字化频率至少应该是探头频率的5倍，数字化频率至少是探头频率的2倍时才能避免信号失真问题。
深度的精确性与不同信号传输时间测量的准确性相关，采样数量越多，重构的波形越精确。
要得到理想的波形，每周期需要采10个或更多个点（例如，对5MHz探头来说，这就意味着数字化频率应该是50MHz或者更高）。
但是，数字化频率越高，表征TOFDA扫描所需的采样点的数量越大，存储空间越大，扫描速度越低。
脉冲重复频率（prf）是激发探头的频率，这些内容在第四章中论述过了。
所以，无论是手动扫描还是编码器/自动扫描，都要设置prf。
5.9数字化处理的A扫描区域
为了细致的尺寸划分，A扫描被数字化并作记录的时间窗应该从直通波刚刚开始处到刚刚超过纵波底面反射信号处。
从检出缺陷的目的出发，建议把时间窗设置在刚刚超过第一个底面波波型转换处。
一般路径中完全是纵波的信号很难观察到（例如近表面的显示），这可能会在底面纵波信号之后得到更好的显示（假设探头中心距合适时）。
这是因为它们的路径有一部分是由声速大约是纵波一半的横波组成。
这对于校验这些信号是重复出现的变型波也是很有用处的。
如果没有直通波或底面反射波，就必须计算时间窗，并在试块上校核。
5.10信号的平均化处理和脉冲宽度
如第四章所述，要得到缺陷尖端的衍射波，就应该有最好的信噪比，这就意味着要设置放大滤波器，脉冲宽度和信号平均化处理次数。
在TOFD检测中，由于有计算机电噪声和周围环境电噪声的影响，因此经常要进行信号平均化处理。
5.11无信号——常见故障
下面列出了A扫描中没有信号时的故障处理：
•••检查增益是否够高，正常为70dB
•检查楔块中的耦合剂是否干燥了
•检查电缆是否正确连接到探头，确定发射和接受通道号
•检查楔块是否对正
•检查发射和接收探头是否正确连接，如信号接收探头正工作在发射状态等
一个有用的测试方法是把发射和接收通道号设置成相同的，然后轮流用这两个探头工作在脉冲回波状态。
应该能获得很大的信号。
如果两个探头的波形幅值有显著区别，在检查耦合等情况正常情况下，必须更换其中一个探头。
如果信号看起来不对，就检查以下几条：
•直通波和底面反射波在计算时间到达（加上探头延时）。
很容易犯的错误是把底面变型横波误认为底面反射纵波，而把底面反射纵波当作直通波。
记住，直通波非常弱。
•校核探头频率，晶片直径，楔块角度
•校核滤波器设置
•用校准试块校核响应
•检查变型波
5.12手动扫查与机械扫查
5.12.1一般要求
TOFD扫查时需要维持的基本要求
a）与工件表面耦合要良好
b）使用有足够刚性的扫查架保证探头间距不变
c）直的扫查线
d）为了在不平的表面得到好的接触，每一个探头需要能单独的调整
扫查器夹持两个TOFD探头，它通常利用改变探头间距的方法来实现声束聚焦在某一深度范围；并且如前面所说，通常每个纵波探头都可以利用不同的楔块来轻松的实现角度变化。
探头晶片与楔块柔性耦合的缺点是耦合剂随时间可能会变干。
TOFD探头组可以用手移动扫查或者使用自动扫查器。
5.12.2手动扫查
手动扫查非常实用可行，并且在某些难于接近的条件下它可能是进行检测的唯一方法。
手动扫查过程通常比机械扫查安装过程快。
手动扫查也存在一些缺点，因为数据采样时间间隔不是恒定的，而SAFD过程是基于数据采集时间间隔相同来工作的，所以它不能用于手动扫查；并且在手动B扫描中用抛物线指针测量缺陷长度和位置也是不够精确的。
不过，倘若小心移动探头以保证匀速扫查，一般来说在长度尺寸和位置上的误差不超过正负5mm。
因为手动扫查中，数据采集系统仅仅通过脉冲重复频率来激发发射探头，而与探头的位置无关。
因此确保A扫描数据可以通过一个规则的间隔来采集，例如，每隔1mm。
在第四章中解释过，设置发射探头的脉冲重复频率要与扫查速度相一致，这一点非常重要。
另外，还有一些简单的步骤可以用来帮助保证扫描速度。
一般来说，TOFD检测需要有两个运算器，一个用于探头的移动，另一个用于数据采集设备。
这些设备通过一些自身通讯系统相连，可以相隔50m以上工作。
开始一个扫描前，需要在被检工件上进行校准，校准在一定间隔上进行（例如100mm或200mm）。
在数据采集过程中数据采集器使用一个辅助工具来计算沿扫描方向的位置（例如扫描距离为0.25、0.5和0.75mm或者表观距离-100mm，200mm等）。
这些信息提供给扫描运算器使其知道它所在的位置。
换句话说，如果使用适当的软件，扫描运算器可以算出沿扫描方向通过的距离（如100mm，200mm等），数据采集器能在数据采集文件中添加标记。
这些标记在以后的数据分析中能被识别。
在手动扫查中使用一个单一编码器非常有用。
在TOFD中经常使用一个轮子，轮子在转动中驱动一个编码器，编码器将生成的数据送给数字化超声数据采集系统。
5.12.3机械扫查
在许多情况下自动扫查是很重要的。
机械扫查装置可以用TOFD数字化数据采集系统来控制或者由其自身马达控制系统来控制。
在这两种方法中编码器反馈的信息都被超声数据采集系统获得，使得TOFD中A扫描能按一定的采样间隔被采集。
对平行扫查来说，扫查的起点相对焊缝中心线的位置应该要精确的知道，以便标绘出缺陷在焊缝横断面上的精确位置，这一点很重要。
5.12.4采样间隔
采集TOFD检测A扫描时1mm的采样间隔几乎成了惯例。
它可以给出非常清楚的图像，在有噪声和低的数据质量时从缺陷端点产生的抛物线状特征有利于识别出缺陷信号。
然而，这意味着通过一次长距离的扫查才能采集到大量的A扫数据，一般将采用间隔设为2或3mm就可以了。
因此，采用间隔取决于探头间距和希望得到的TOFD数据质量。
5.13温度
使用适当的耦合剂时，TOFD检测可以在高达150C温度下进行。
当温度更高时，探头、楔块和靠近高温的线缆都必须进行冷却。
而且在高于150C时，必须使用适当的屏蔽或者隔热物来保护仪器。
目前探测温度可以高达300C。
然而，在200C到300C时探测灵敏度将下降，这是由于高温时噪音增大引起的。
这种情况下需要选用适当的耦合剂。
如果可以获得足够的灵敏度，可以通过将特殊探头永久的结合在金属上，在更高的温度下对特殊缺陷进行长期监视。
5.14耦合
常规TOFD检测中使用的普通的耦合材料与传统脉冲反射检测中使用的一样。
耦合剂的特性要与其使用的温度相适应。
为了自动检验，经常在探头楔块上钻一个小孔来提供水直接在楔块下形成耦合。
由于软管泵中任何堵塞都可以通过增大压力来解除，所以它是一种理想的供水设备。
通过在楔块底下提供耦合剂可以使耦合剂使用量最小。
在一般扫查中通过在楔块的侧面添加金属磨损条来避免探头楔块的磨损。
这被称为间隙扫描（典型的0.2mm）,它有助于始终保持一致的耦合层，从而获得一致的结果。
但是由于楔块和金属表面间可能存在的干涉效应会使0.25和0.5mm的波长消除掉。
5.15特殊方法
通常TOFD检验使用纵波波束聚焦在工件三分之二处。
然而，当使用特殊方法有效时，这种情况会有所改变。
5.15.1二次波
在解决扫查表面的难题时（如存在一个宽的焊缝盖帽），通过反射或者下图的底波反射有益于去发现这些特征部位。
近表面裂纹此时不会被隐藏在直
图5.8两次反射示意图
通波之中，并且高于表面产生的波，此处二次反射中表面产生的波作为底面波。
这种方法要求底面必须光滑和平整，并且探头间距要足够大，以确保回波在底波变型波之前到达。
由于产生的底波是两倍的工件厚度所以在测尺寸时要注意这一
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