TOFD检测信号的分析与比较

XX大学毕业设计（论文）题 目： TOFD检测信号的分析与比较 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六月 TOFD检测信号的分析与比较摘要：衍射时差法(Time of Flight Diffraction, 简称TOFD)超声检测技术是一种新型的无损检测技术,是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式。随着现代工业的发展，同时对检测精度要求也不断地提高，TOFD检测应运而生。相较于其他检测技术,TOFD技术具有可靠性好、检出率高、定量精度高、检测效率高、无污染，快捷等优点。为了更好的了解TOFD检测技术，并运用于实践操作，对TOFD基本参数进行选择，了解这些参数对实验数据的影响，从而选择和时的参数进行实验。在了解TOFD检测后，本文对TOFD检测的应用和检测结论进行了研究，同时也选用常规的超声检测仪来进行检测。根据被检测工件(焊缝)的特点，确定检测参数计算和选择方法，选择合适的检验试块和检测仪器。选择好含有气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等人工焊接缺陷的平板焊缝分别采用TOFD、常规超声二种方法进行检测。对比两种方法在定性方面的优势，详细分析 TOFD法和常规超声对焊板定量定位的方法，并进行数据分析和处理。在观察缺陷图谱时,文中利用TOFD法对缺陷性质进行计算,分析常见焊接缺陷的图谱特征并与常规超声检测波形图进行比较。接着对比分析TOFD法与常规超声检测法在这些常见缺陷中检测的优缺点，以及与其它检测方法的匹配，让TOFD检测方法可以更好的在实际检测中应用。关键词：TOFD平板焊缝 缺陷种类 定性 定量 定位 Analysis and comparison of TOFDdetection signalAbstract:TOFD (time of flight diffraction (TOFD) ultrasonic testing technology is a new nondestructive testing technology is the defective parts of the diffraction wave signal to detect and size defects of an ultrasonic detection method for determination and longitudinal wave angle probe is usually used by a model. Along with the development of modern industry, the requirement of the detection accuracy is also improved, and the TOFD detection has been developed. Compared with other detection technology, TOFD technology has the advantages of good reliability, high detection rate, high accuracy, high detection efficiency, no pollution, fast and so on. In order to better understanding of TOFD detection technology, and applied to practical operation, the basic parameters of TOFD, understand the effects of these parameters on the experimental data, so as to select and the parameters of the experiment. After understanding the TOFD detection. this paper of TOFD detection application and testing results were studied also choose conventional ultrasonic testing equipment to detect. According to the characteristics of the detection of the workpiece (weld), determine the detection parameters calculation and selection method, select the appropriate test specimen and test instrument. The flat weld with the defects of two kinds of artificial welding defects such as porosity, slag, crack, crack, non fusion, incomplete fusion and so on, were detected by TOFD and conventional ultrasound. Comparison of the two methods in the qualitative aspects of advantages, detailed analysis of TOFD method and conventional ultrasound welding plate positioning and quantitative method and data analysis and processing. In the observation of the defects, the defects of TOFD method were used to calculate the characteristics of the defects, and the characteristics of common welding defects were analyzed. And comparative analysis between TOFD method with the conventional ultrasonic testing method in these common defects detection of advantages and disadvantages, and matching with other detection methods, TOFD detection method can be better used in practical detection.Keyword：TOFD Flat weld Defect type Qualitative Quantitative Location目 录1 绪论1.1 选题的依据及意义（1）1.2 TOFD发展历史（2）1.3 国内外研究概况（3）2 TOFD法基本原理2.1 超声波衍射现象（4）2.1.1惠更斯-菲涅尔原理（4）2.1.2波的衍射（绕射）（4）2.2 TOFD法基本原理（5）2.3 TOFD检测缺陷深度计算（6）2.4 TOFD扫查方式（7）3 研究方法及内容3.1 实验仪器（9）3.2 检测中主要参数选择（10）3.2.1探头角度的选择（10）3.2.2探头频率的选择（11）3.2.3探头晶片尺寸的选择（11）3.2.4扫查次数的选择（12）3.3 TOFD检测主要步骤（12）4 检测数据分析4.1 焊缝的五种常见缺陷（14）4.1.1缺陷产生原因（14）4.1.2缺陷的危害（16）4.2 TOFD信号的分析与比较（17）4.2.1气孔类缺陷分析与比较（17）4.2.2夹渣类缺陷分析与比较（19）4.2.3裂纹类缺陷分析与比较（21）4.2.4未焊透类缺陷分析与比较（23）4.2.5未熔合类缺陷分析与比较（25）5 总结参考文献（28）致谢（30）TOFD检测信号的分析与比较1 绪论1.1 选题的依据及意义衍射时差法(time-of-flight diffraction, TOFD)超声检测技术是一种新型的无损检测技术，它通过测量缺陷边缘的衍射时间差,对缺陷进行定量定位。与其他检测技术相比，TOFD技术具有可靠性好、检出率高、测量精度高、检测范围大、快速和安全等优点。TOFD (全称Time of Flight Diffraction)技术，即衍射时差法超声检测技术，作为超声检测中的新技术1，TOFD技术既保持了传统超声检测技术的优点，又解决了超声检测的某些局限性。TOFD与常规超声检测有两个重要不同；1 )缺陷衍射信号的角度几乎是独立的；2)深度尺寸定位和相应的误差取决于衍射时差，而与信号振幅无关。因此相比传统超声检测，TOFD技术有新优势；1 )TOFD技术定量定位精度高，直通波的尺寸精度是1 mm，裂纹增长检测能力可达0.3 mm；2)任何方向的缺陷都能有效的发现；3 )检测数据以视图的形式持久保存；4）常规检测近表面检测存在盲区2,3。与磁粉检测、渗透检测、祸流检测技术相比，TOFD技术可以检测内部缺陷，与射线技术相比，TOFD技术使用成本低，不需要特殊防护，对裂纹类面状缺陷相当敏感，检测厚度范围大，检测灵敏度不随厚度增大而大幅降低4,5。与常规超声检测相比，对缺陷的定量定位更精确，检出率更高，检测速度更快，检测结果可以永久保存。常规超声检测时，当波束无法以适当的角度到达缺陷表面时，会导致漏检,在缺陷定量方面常规超声检测采用当量法。不是缺陷真实的尺寸，这样不利于后续的质量评定。用于大型压力容器的检测时，厚度的增加和检测结果的要求不断提高，都需要寻找出一种新方法来提高缺陷的检出率，并且对该缺陷进行精确定位、定量。 与其常规超声检测技术一样，TOFD技术也有其局限性，检测盲区即使通过改变检测参数，仍然不可能完全消除，为防止扫查面和底面缺陷的漏检，可以和常规超声波检测配合使用；TOFD信号较弱，易受噪声干扰；如果要求对工件内部质量和表面质量的综合检测，TOFD技术必须与其它表面检测技术相互配合，才能完成检测任务；倾向于“过分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等。所以要对该项技术局限进行充分的了解和分析，才能让该技术在实践中的得到非常好的使用和良性的发展。随着检测行业对检测技术的要求不同提高，集一身优势的TOFD技术脱颖而出，备检测受关注，成为一种极具推广前景的无损检测新技术6,7。1.2 TOFD发展历史TOFD是20世纪70年代由英国国家无损检测中心的MauricSilk博士率先提出来的,并花费了大概10年Silk博士和他的团队开发了可以检测和确定缺陷尺寸的方法811，这些缺陷探测试验（DDT）实验在国际的PISC系统中也有所应用。于是，美国机械工程师协会就认同了TOFD ，在可靠性和精确度上，常规脉冲回波获得的结果不是很好，TOFD却拥有精确的定量能力，为了证明了TOFD具有相当好的可靠性和精确度，同时运用其它的技术做了很多不相同的实验，让TOFD更加可靠。因为数字化系统的有关部件非常多，因此在户外检测是相当困难以实现的，一直到1982年，国际无损检测中心研究开发了一套可以采集和分析数据的便携式设备，该系统命名为ZIPSCAN，而此系统正是汤姆逊电子集团所采用的，在1983年，这套设备卖到了全世界，而且还得到了相当多的企业的认可和采用。然而，TOFD法并不是从一开始就被看好，它是在上个世纪80年代中期才被完全被接受，尤其是在石油和天然气管道行业中检测的运用，由于它们检测环境海上和陆地上都有，考虑到经济因素，对于一些良性的缺陷，没有必要进行维修，只需进行定期检测观察它的改变。使用一对TOFD探头沿着焊缝进行扫查，然后把扫查数据绘成一个图谱（B或者D扫），对于判断复杂的几何外形和焊趾的能力会很大的提高，这样比看A扫更能直观地判断缺陷的尺寸和性质。20世纪90年代,TOFD技术在国外被广泛应用于核工业、电力、承压设备、铁路、桥梁等工程中的检测12,13。1993 年,英国推出了第一部与TOFD检测方法有关的检测标准 BS7706:199314 ，该标准同时也推动了TOFD检测法实际检测材料应用于缺陷定位和定量。同时，我国也不断的在引进TOFD检测技术，到2005年，我国中科院武汉中科创新技术股份有限公司研发出国产第一台TOFD专用检测设备。1.3 国内外研究概况 在对接焊缝的探伤办法上就有五大常规检测15,Carvalho等采用超声TOFD与传统的脉冲反射法对焊缝缺陷进行检测，试验结果表明，超声TOFD法具有更高的检出率。2004年，CEN发布了有关超声TOFD法检测焊缺陷的标准草案DD CEN/TS14751: 200416，该草案是在原有标准的基础上，对焊缝超声TOFD技术，非常详细介绍了该项技术的操作规范，其中包括检测等级、探头设置、灵敏度和时间窗调节、试块细节及扫查要领等，同时增补了8张TOFD图像自身质量和10张焊接缺陷的典型图谱。2009年8月31日,固定式压力容器安全技术监察规程正式颁布规定“压力容器的焊接接头应当采用射线检测或者超声检测,超声检测包括衍射时差法超声检测(TOFD)、可记录的脉冲反射法超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检测；当使用不可记录的脉冲反射法超声检测，应当采用射线检测或者衍射时差法超声检测作为附加局部检测”。规程中明确规定了TOFD检测技术与射线检测技术相同，均为压力容器制造过程中可选的焊接接头的无损检测方法17，从而明确了 TOFD检测的地位。2010 年底，国家能源局又发布了 NB/T 47013.10 (JB/T 4730. 102010 )衍射时差法超声检测。规程和检测标准的颁布，很好地推动了TOFD检测方法在实际工业发展中的发展和应用18。美国机械工程师协会(ASME)于2006年发布了超声TOFD图像显示的判读和评定准则19，包括TOFD识谱原理和缺陷定位定量法则以及22例焊接缺陷典型图谱。2TOFD法基本原理2.1 超声波衍射现象2.1.1 惠更斯-菲涅尔原理在经典物理学中任何波都可以产生衍射现象，譬如水波、光波和电磁波等。声波遇到障碍物以后会发生偏离几何声学传播定律的现象，称为波的衍射或波的绕射。1690年，荷兰物理学家惠更斯首先提出了光的波动学说，一个世纪多之后，菲涅尔引入波的相干性，即各次波到达某点的作用要考虑到次波间的相位关系，补充了惠更斯原理2022，如图2.1所示。图2.1 惠更斯原理2.1.2 波的衍射（绕射）如图2.2所示，超声波在介质中传播时，若遇到缺陷AB，据惠更斯-菲涅尔原理，缺陷边缘A、B可以看做是发射子波的波源，改变了波的传播方向，从而使缺陷背后的声影缩小，降低放射波。波的绕射和障碍物尺寸D及波长的相对大小有关。当D时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。图2.2 波的衍射如图2.3所示，平面波在介质中传播时，遇到缺陷AB，据惠更斯-菲涅尔原理，缺陷边缘A、B可以看做是发射子波的波源，声波向各个方向衍射，从而使衍射时差法超声检测成为可能。图2.3 缺陷处的超声波衍射现象波的衍射对检测既有利又不利。由于波的绕射，使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播；由于波的绕射，可以采用衍射波检测缺陷，这是有利的。但同时由于波的绕射，使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检，这又是不利的。2.2 TOFD法基本原理超声TOFD检测技术,即衍射时差法超声检测技术,这种检测技术是建立在波的衍射的基础上,从物理学的原理可知:当障碍物或孔的尺寸比波长小或与它差不多时会产生明显的衍射现象。当超声波经过于一条长裂纹缺陷时,在裂纹缝隙、端角处产生衍射波,衍射波被探头接收。TOFD检测技术与传统的超声检测技术(即脉冲反射法超声检测技术)不同,其采用的是双探头模式,一个是发射探头、一个是接收探头23。当探头声束存在于衍射波所覆盖的范围内时，发射探头发射的超声波会在缺陷尖端位置周向发射衍射波，此时衍射波信号中携带了非常多的缺陷信息，通过对接收探头中超声波信号进行分析，就可以做到对缺陷的定性、定位和定量2427。接收探头首先接收到的沿工件表面传播过来信号为直通波,接着就是缺陷上,下端点的衍射波(当缺陷高度小到一定程度时,缺陷上下端点波形在一起)信号,最后接收到的信号是底面的回波28。上述波形显示在A扫描信号图中。检测原理图和A扫信号图如图2.4、2.5所示。图2.4TOFD法检测原理图2.5缺陷处A扫描信号2.3 TOFD检测缺陷深度计算在平板工件中，为了计算缺陷的深度与高度，可以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，如图2.6所示。S xM d1L图2.6缺陷深度计算图根据几何关系，有： (2.1) 式中c 声速；T 超声波传播的总时间；t0 超声波在探头楔块中传播的时间。假定缺陷位于焊缝中心线上，此时x=0，所得d1值最小： (2.2)若以直通波为参考起点，假定x=0，则缺陷深度为： (2.3)式中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。缺陷下端点与扫查面间的距离以d1表示，同理可计算出缺陷下端点的深度d2。则缺陷的自身高度为： (2.4)2.4 TOFD扫查方式超声TOFD检测有两种基本的扫查成像方法，一种是非平行扫查，得到的图像即为D扫描图像（D-scan）；另一种扫查方式是平行扫查，得到的图像为B扫描图像（B-scan）29,30。D扫描，探头沿焊缝两侧,平行于焊缝移动，探头的移动方向与超声波的传播方向垂直，又称为纵向扫描或非平行扫描，所得检测图像为D扫描图像，如图2.7所示。图2.7TOFD非平行扫查B扫描，探头沿着垂直焊缝的方向移动，探头的移动方向与超声波传播方向平行，又称为横向扫描或平行扫描，所得TOFD图像为B扫描图像，如图2.8所示。图2.8TOFD平行扫查3研究方法及内容3.1 实验仪器本课题实验仪器采用的是由南昌航空大学老师和研究生共同组装的一台TOFD超声检测仪，如图3.1所示。本实验就是通过此装置进行的测试，该仪器主要有以下几个部分组成。1. 工控机 2. 5077PR 脉冲发射接收器 3. 电机运动控制箱 4. 扫查架图 3.1 TOFD超声检测仪(1) 工控机，通过研华高速数据采集卡对超声信号进行采集，将信号传输到计算机上，再由UT-TOFD软件对数字信号数据进行分析处理，显示所采集的波形信号，系统的最高采样频率是60MHz，试验用的探头中心频率处于2.25MHz-10MHz之间，采样频率是探头中心频率的6倍以上，所以完全可以满足检测的需求。(2) 超声脉冲信号发生仪，本文所采用的是OLYMPUS 5077PR脉冲发生接收器，此发生器是一种宽带方波脉冲发生器，方波脉冲发生器能够激发脉冲能量来满足TOFD检测试验的需求，可调脉冲电压为100V-400V、可调脉冲重复频率为0-5MHz、可选脉冲宽度有10个预设固定宽度、59dB RF增益以及49dB衰减，都能够以1dB步进调整，如图3.2所示。该设备检测是手动调节模式，模式1为是自发自收单探头检测模式，比如横波斜探头、纵波直探头检测；模式2为是一发一收模式，比如TOFD检测。并且还具有对所激发接收信号进行高低波滤波功能。图3.2 5077PR 脉冲发射接收器(3) 电机运动控制箱，可以对扫查架进行一维以及多维进行扫查。在改变发射脉冲的频率和数量的情况下，接着做到控制电机的速度、位置，而且扫查方向也可以进行控制，经过编码器地反馈，可提供机器准确的位置，可以和仪器数据采集同时，扫查增量的最小步进小于0.5mm，可以实现检测工艺的需求。(4) 扫查架，此扫查架是由铝合金轻型材组装设计而成，此扫查架能够进行X、Y、Z三个轴方向进行分别移动，实现超声的多维扫查。此装置在检测方法上可以实现常规超声扫查、超声C扫查、TOFD扫查（具有B扫、D扫多维扫查功能）；检测信号上能够实现数据采集、数据转换、以及实时成像功能；同时机械装置部分能够做到自动或手动操作。3.2 检测中主要参数选择3.2.1 探头角度的选择本文试验中所用的探头为超声TOFD专用探头，探头频率有2.25MHz、5MHz、10MHz，三种角度的入射斜楔45、60、70，如图3.3所示。各种各样的探头都有各自的实际运用，所以在进行工件检测之前，应该对探头的频率和斜楔进行选择，使实验得出精准的数据。图3.3 TOFD探头及楔块在超声无损探伤中,在选择超声探头时,其性能好坏直接影响着检测的精度和准确性,而探头的品种很多,性能各异,因此要依照实验材料挑选探头。在选择探头角度时,应该从实际情况进行选择，选择小角度的探头，则探头中心间距(PCS)就会减小，分辨率提高,深度误差减小,波束扩散角减小,衍射信号能量相对增强；选择大角度的探头，分辨率降低,深度误差增大,波束扩散角增大，能够使扫查范围增大，然而衍射信号能量相对减弱。在探头角度的选择中，一般检测所采用的角度是在5070之间,而在实际的检测中可以根据检测工件的厚度和其他要求选择合适的角度31。3.2.2 探头频率的选择探头频率的高低会影响到直通波和底面波的时间间隔内包含的信号周期，还有深度分辨率。因此要选择合适的分辨率,信号周期一般选在30周期。实际应用中,至少要达到20个周期,但在同一晶片直径下,频率越高,扩散角越小,波的衰减和散射也随之增大,所以不能只知增加频率,那么直通波会明显减弱甚至消失,这样很难做到接下来的扫查和分析。探头频率及所对应晶片尺寸的大小见表3.1。由TOFD原理可知，选择高频率的探头，那么分辨率也会提高，对细小缺陷和相邻缺陷的检测有利，咳嗽衰减和散射也会相应增大，声束扫查范围会减小，所以选择探头频率要综合考虑情况。表3.1 TOFD专用探头频率及对应的晶片尺寸探头频率/MHz2.25510晶片尺寸/mm6.346.3433.2.3 探头晶片尺寸的选择对于晶片尺寸而言，小尺寸晶片能够得到较大的声束覆盖范围，缩短近场长度，但其发出的超声脉冲能量会变小，适用于检测薄壁工件焊缝；而大尺寸的晶片能够得到较大的声束能量，适用于检测厚度比较大的焊缝和粗晶材料。所以选择探头角度、频率和晶片尺寸时，应该综合考虑实际检测情况，选取适当的参数，总的来说，在选择探头之前应考虑信号是否有足够的能量和较高的信噪比，在此还应该要有比较高的分辨率。检测大厚度工件和薄壁工件时，探头选择也是不同的，因此选择TOFD探头参数时是灵活可变，应该要综合考虑检测中可能产生的各种因素进行选取。3.2.4 扫查次数的选择在TOFD检测中,当工件壁厚T50mm时,需要使用多对探头对焊缝分层扫查(多通道检测)。探头对数取决于板厚和需要覆盖的范围。单通道时,声束聚焦深度为2/3T，设置探头间距PCS；但在有多个TOFD通道同时工作的情况，即对工件进行分层扫查的时候,应该依据表3.2来计算TOFD探头间距:表3.2 扫查次数选择参照表工件厚度TOFD通道数分层声束聚焦深度05010T2/3T5010020T/21/3TT/2T5/6T或若45,T3.3 TOFD检测主要步骤步骤1：资料审查准备想要设计出较好的检测方案,应在检测之前了解更多的工件情况、焊缝情况、还有欲检出缺陷情况等资料。对在役设备,必须了解操作环境、故障情况和上次检验发现的问题等。对于材料,应了解其焊接性、焊接结构形式、焊接方法、焊接时现场情况和需要检出的缺陷类型等。步骤2：检测面准备检测区域应为焊缝本身宽度再加焊缝两侧各相当于母材厚度30%的区域；检测焊缝外观,余高宽度和高度，两边母材的厚度是否相同。检测面应平整,表面粗糙度大于6.3 m, 般都应进行打磨。由于TOFD采用1收1发2个探头的工作模式,所以相较于常规超声检测对检测面的平整性和光洁度要求更高,要不然很难移动探头，甚至造成信号丢失。检测前应确定扫查路径并在被检工件上予以标识包括扫査起始点和扫查方向等。步骤3：探头的选择探头的选择包括型号和参数的选择。探头参数的选择即探头的角度、频率、尺寸的选择。步骤4：设置探头间距使用2/3T准则或其他适当的选择来确定探头间距。注意多通道时探头间距的计算。步骤5：通道参数设置进行通道设置,设置的参数包括模拟增益、数字增益、扫描方向、起始速度、运行速度、步进长度/分辨率、横向扫描总长和TOFD扫描距离。步骤6：检测模式选择将超声脉冲信号发生仪的“MODE”键拨向“2”，即为TOFD工作模式。步骤7：自动检测一切准备好后,在工控机频幕上点击“扫描/停止”键，仪器将进行自动检测,扫描结束，频幕上将自动显示出TOFD检测图谱。4检测数据分析4.1 焊缝的五种常见缺陷焊接是通过加热或加压的方式,使两个独立的工件产生原子(分子)间结合形成永久结合的工艺过程。焊接作为材料加工和成形工艺重要的方法,广泛地应用在工业中。在焊接过程中,选择焊接材料不好,焊接工艺条件不适当,设计的接头不行,不规范操作等,都有可能造成缺陷的出现。在焊接件中常见的缺陷:气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合。4.1.1 缺陷产生原因（1）气孔气孔是指焊接时,熔池中的气体未在金属凝固前逸出,残存于焊缝之中所形成的空穴。其气体可以从熔池外界吸收,也可以从焊接冶金过程中反应生成的气体中吸收。从气孔产生的部位上分，可分为内部气孔和外部气孔；从分布的情况上分，可分为单个气孔、涟状气孔和密集气孔；从气孔产生的原因和条件不同上分，可分为球形、椭圆形、旋涡状和毛虫状等。产生的原因：a、大气：空气湿度超过了90%，；收弧过快，保护不当，吸入了空气中的N2气；电弧太长，吸入了空气中的N2气； b、溶解在母材、焊丝和焊条钢芯中的气体，药皮和焊剂中的水和气体：焊条烘干温度过低、保温时间不足；使用过期的焊条； 采用不够纯度的氩气，保护不当；焊条烘干温度过高，使药皮成分变质，失去保护作用；电流过大，药皮发红失效，失去保护作用，吸入了空气中的N2气；焊芯锈蚀、焊丝清理不净、焊剂混入污物。 c、焊材、母材上的油、锈、水、漆等污物，经过高温分解产生气体，可是空气还存留在焊缝之中，没能及时逸出； d、因操作不当引起的气孔：运条速度过快，气泡未及时逸出；焊丝填加不均匀，吸入外界空气；埋弧焊时，电弧电压过高，网路电压波动太大，吸入外界空气。（2）夹渣夹渣是指焊接中残留在焊缝中的熔渣。主要是由于操作原因，熔池中的熔渣来不及浮出，而存在于焊缝之中。产生的原因：坡口角度过小，运条、清渣困难；运条过快，熔渣来不及浮出； 焊接电流不足，熔深太小； 运条时坡口停留两侧时间太短，在焊缝中心的过度却又太慢，堆高了焊缝中心位置，造成坡口两侧形成死角，夹渣清理根本不出来；焊缝成型粗劣； 焊接过程中的层间夹渣没有清理干净；接头没有得到彻底地处理；焊接材料与母材化学成分完全不匹配；焊条涂料中存在有非常高的含碳成分。（3）裂纹材料在应力或环境(或两者同时)作用下产生的裂隙焊接裂纹，按照产生的机理可分为：冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层状撕裂裂纹几大类。冷裂纹是在焊接过程中或焊后，在较低的温度下，大约在钢的马氏体转变温度（即Ms点）附近，或300200以下（或T0.5Tm，Tm为以绝对温度表示的熔点温度）的温度区间产生的，故称冷裂纹。层状撕裂是冷裂纹的一种特殊形式。形成的主要原因是钢板中存在着分层（沿轧制方向）的夹杂物（特别是硫化物），在焊接时存在于垂直于轧制方向（板厚方向）的拉伸应力作用下，在钢板中热影响区或稍远的地方，产生“台阶”式，与母材轧制表面平行的层状开裂。主要会发生在T字型、K字型厚板的角焊接接头中。热裂纹是在高温下产生的，从凝固温度范围至A3以上温度，所以称热裂纹，又称高温裂纹。热裂纹都是沿奥氏体晶界开裂，形似锯齿，因此又称晶间裂纹。大部分情况是出现在焊缝中间位置，尤其是在弧坑处，普遍情况下是在焊缝柱状晶的结合处，即焊缝凝固的最终位置，同样也是最容易引起低熔点共晶偏析的位置；较小可能出现在热影响区。发生在焊道中心的裂纹一般都是纵向裂纹，平行于焊缝延伸方向；横向裂纹一般是沿柱状晶界开裂，并与母材的晶界相连，与焊缝延伸方向垂直。当裂纹贯穿表面与空气相通时，断口表面呈氧化色彩（如蓝灰色等），有的焊缝表面的宏观裂纹中充满熔渣。（4）未焊透未焊透是母材金属未熔化，焊缝金属没有进入接头根部的现象。产生的原因： 坡口及装配方面：间隙太小；钝边太厚；坡口角度太小；坡口不平；有内倒角的坡口角度太大；错口严重；工艺规范方面：电流过小；焊速太快；电弧偏吹；起焊处温度不足；接反极性； 操作方面：焊条太粗；操作不稳；双面焊时清根不彻底；坡口根部有锈、油、污垢，阻碍了金属地熔化。（5）未熔合未熔合是指焊缝金属与母材金属，或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。产生的原因：电流过小；焊速过快；电弧指向偏斜；操作不稳；起焊时温度不足；焊丝太细；接反极性，焊条熔化过快，母材了来不及充分熔化；坡口侧壁有绣垢及污物，层间清渣不彻底等。这些原因都造成焊材早熔化，而被焊母材温度低，没有熔化，熔化的焊材金属沾附到焊件上。4.1.2 缺陷的危害焊接缺陷对焊接构件的危害，主要有以下几方面： （1）引起应力集中。焊接接头中分布着十分复杂的应力。对于那些结构截面有突然变化的部位，就分布着相当不均匀应力，并且有些点的应力值可能比平均应力值大许很多，这种现象就被称为应力集中。引起这种应力集中的原因有很多，而焊缝中存在工艺缺陷是其中一个很重要的因素。焊缝内出现的裂纹、未焊透及其他缺口非常尖的缺陷，让焊缝截面不连续，产生局部突变，这时一旦有外力作用的情况下，就会产生非常大的应力集中。一旦应力超过缺陷前端部位金属材料的断裂强度时，材料就会开裂，从而遭到毁坏。 （2）缩短使用寿命。对于承受低周疲劳载荷的构件，如果焊缝中的缺陷尺寸超过一定承受极限时，在和一旦周而复始的附加，该缺陷就会不断扩展，拉长，最终造成构件的断裂。 （3）造成脆裂，危及安全。脆性断裂是一种低应力断裂，是结构件在没有塑性变形情况下，发生快速突发性断裂，其危害性非常大。焊接的好坏直接影响着对产品的脆断，从而影响着产品的质量。4.2 TOFD信号的分析与比较本实验TOFD检测时一些基本参数如表4.1所示，而对应的常规超声检测仪的数据如下所示。表4.1 TOFD检测工艺参数频率晶片尺寸楔块角度探头延时空间分辨率10MHz6mm705.5us0.31常规超声检测一些基本参数及仪器如图4.1：探头参数：2.5P1016k2.5探头实测K值：2.47探头前沿长度：12.5mm探头延时：7.78 s表面补偿： +4dB图4.1 CTS-1010检测仪4.2.1 气孔类缺陷分析与比较(l)TOFD检测结果分析气孔是焊缝中常出现的缺陷,是一种体积型缺陷,它可以出现在焊缝的任何部位。单个气孔对焊缝质量影响不大,当出现密集气孔时,应记录气孔个数,以便评定缺陷等级,判断质量是否合格。下面是对某一工件上发现的气孔缺陷的检测结果。工件编号：JMHS-10124工件材质：Q235工件厚度：10mm扫查方式：非平行扫查模拟增益：+54dB 数字增益：1中心间距（PCS）=30mm 查方向：轴：-1气孔缺陷形状见图4.2：图4.2 TOFD检测气孔图谱缺陷性质：气孔缺陷尺寸：22mm检测结论：不合格有点像平滑的抛物线状，没有明显上下端点衍射，抛物线顶点色度最浓。（2）常规超声检测结果分析在完成TOFD检测的同时，使用常规超声波探伤仪对同一检测试块进行平行检测，得到检测结果。其检测结果及对比分析如下。缺陷显示见图4.3图4.3 超声检测气孔波形图缺陷尺寸：23.2mm缺陷所在区域：区检测结论：不合格对比图4.2和图4.3显示的检测结果发现，TOFD方法对气孔缺陷的定性非常准确。一方面，缺陷图像能够非常直观地显示出来，可以比较容易地判断缺陷的性质；另一方面，缺陷波的上端波和下端波的图谱能平行显示出来，如果缺陷是面积型缺陷，则显示出两处缺陷，因此就能很直观观察出缺陷性质。在定量方面，二者的差别更为明显。常规超声波探伤使用的是当量的方法，直观性较差，依赖于探头质量、耦合效果以及操作者的水平，如果对缺陷的定性不当，定量的准确信就很难说了；TOFD方法在得到缺陷非常直观的图谱以后，已经可以准确判断缺陷的性质，可以通过上端波和下端波的位置来计算缺陷的尺寸，定量精度可以达到0.1mm，这是常规超声波探伤所无法做到的。（3）总结：TOFD和常规超声检测在定性方面，都能比较准确是气孔型缺陷；而在定位，定量时，TOFD检测就有明显的优势，且精确度更高，观察也很直观。4.2.2 夹渣类缺陷分析与比较(l)TOFD检测结果分析夹渣也是焊接结构中最常见的缺陷之一，属于体积型缺陷，危害性不大，在一般等级的焊缝中可以存在有一定数量和尺寸的夹渣，但当夹渣数量或体积较大时，会严重减少结构的有效截面积，而且在交变载荷作用下，会比气孔更容易在边缘产生裂纹，进而导致结构的破坏，所以对夹渣类缺陷的检测同样也很重要。下面是对某一工件上发现的夹渣缺陷的检测结果。工件编号：JMHS-10124工件材质：Q235工件厚度：10mm扫查方式：非平行扫查模拟增益：+54dB 数字增益：1中心间距（PCS）=35mm扫查方向：轴：-1夹渣缺陷形状见图4.4：图4.4 TOFD检测夹渣图谱缺陷性质：夹渣缺陷尺寸：62mm检测结论：不合格时断时续连续的条状夹渣。（2）常规超声检测结果分析在完成TOFD检测的同时，使用常规超声波探伤仪对同一检测试块进行平行检测，得到检测结果。其检测结果及对比分析如下。缺陷显示见图4.5图4.5 超声检测夹渣波形图缺陷尺寸：64mm缺陷所在区域：区检测结论：不合格对比图4.3和图4.4数据分析，针对夹渣缺陷的定位，这两种检测手段都是比较准确的。针对条状夹渣，常规超声波探伤得到的是锯齿波，移动探头以波峰最高处为其定位依据，一般也是比较准确的。使用TOFD方法进行检测时，在一些不平滑的位置发生比较强的衍射，再结合缺陷上一些平滑部位的反射波，可以实现比较准确的定位。针对夹渣缺陷的定性，TOFD方法略优于常规超声波探伤方法，但如果操作不当，也可能造成误判。使用常规超声波探伤进行检测时，针对条状夹渣，常规超声波探伤得到的是锯齿波，这种波形非常特别，不会轻易被误判成其他类的缺陷。使用TOFD方法进行检测时，针对条状夹渣，可能判成条状缺陷，如裂纹、未焊透等。所以操作必须按照操作规范严格执行，将TOFD图谱和位相图相结合，可以提高缺陷判断的准确度。针对夹渣缺陷的定量，TOFD法相较于常规超声检测，还是有非常明显的优势。跟分析计算气孔类缺陷时，常规超声波探伤只能通过“当量”对缺陷进行定量，而TOFD法可以通过图谱上的数据进行精确地计算缺陷的尺寸，其精度可以达到0.1mm，定量精度高。（3）总结：TOFD和常规超声检测在定性方面，常规超声检测比较容易确定，而TOFD操作不当容易误判；定性和定量，TOFD更加直观，能过做到精确度更高。4.2.3 裂纹类缺陷分析与比较(l)TOFD检测结果分析裂纹是焊接缺陷中危害性最大的一种,属于面积型缺陷。在裂纹存在的位置,承载截面积减少,拉伸强度减弱,更严重的是,裂纹端部形成尖锐缺口,造成应力高度集中,很容易导致工件的破坏。下面是对某一工件上发现的裂纹缺陷的检测结果。工件编号：JMHS-10061工件材质：Q235工件厚度：20mm扫查方式：非平行扫查模拟增益：+54dB 数字增益：2中心间距（PCS）=35mm 扫查方向：轴：+1裂纹缺陷形状见图4.6：图4.6 TOFD检测裂纹图谱缺陷性质：裂纹缺陷尺寸：15.5mm检测结论：不合格长度方向平滑过渡，两端信号较弱，中间信号较强，色度明显较浓。（2）常规超声检测结果分析在完成TOFD检测的同时，使用常规超声波探伤仪对同一检测试块进行平行检测，得到检测结果。其检测结果及对比分析如下。缺陷显示见图4.7图4.7 超声检测裂纹波形图缺陷尺寸：17mm缺陷所在区域：区检测结论：不合格对比图4.5和图4.6显示的检测结果，相较于常规超声检测，TOFD法在裂纹缺陷的边缘发射出的衍射波信号相对比较强，而且位置比较集中，而且不止在一个点可以得到缺陷的显示回波，在一定范围内前后左右移动探头，都会有缺陷的回波显示，这些信号在图谱中可以一次直观显示出来，有可能最高缺陷回波未必就是缺陷的中间位置，因此常规超声波检测在对裂纹缺陷定位时，明显不如TOFD检测法。TOFD方法对裂纹缺陷同样能够进行非常准确的定性。对于小尺寸裂纹，“移动探头仍会有缺陷的回波显示”这个判别缺陷性质的依据不行，当裂纹的方向与焊缝的方向垂直或者近似垂直时，常规超声波检测就很容易造成漏检。在定量方面，使用常规超声波检测时，无论采用半波高度法还是6dB法测量缺陷的长度，都很大依赖于操作者的操作水平有，直观性不行，探头质量、耦合效果也会很大程度上影响到检测的结果，而且还可能对缺陷进行错误地定性；TOFD方法在得到缺陷非常直观的图谱以后，就可以很准确判断缺陷的性质，通过波形图中调整上、下端波的位置来确定缺陷的横向尺寸，精度定量。从图谱中，可根据左侧的标尺准确地读出缺陷的纵向尺寸，定量精度可以达到0.5mm。检测裂纹类缺陷时，TOFD方法仍然存在着局限性。从图谱上看，只能显示缺陷的二维图像，而实际的缺陷都是三维图像：面积型缺陷的倾斜角度也应该了解，可这种检测手段目前仍然无法实现这些信息地读取。对于位于焊缝根部的裂纹，由于存在盲区，有可能会造成漏检。（3）总结：在定性时，TOFD较常规检测有明显优势，常规检测容易造成漏检；在定性定量方面，TOFD的精确度要优于常规检测；但是TOFD检测也存在无法确定缺陷体积状态。4.2.4 未焊透类缺陷分析与比较(l)TOFD检测结果分析未焊透可分为双面焊未焊透和单面焊未焊透，未焊透是一种比较危险的缺陷,其危害性取决于缺陷的形状、深度和长度。双面焊和加垫板单面焊中不允许存在未焊透，不加垫板的单面焊允许未焊透存在，但最高只能评III级，其允许长度按条状夹渣III级的有关规定。下面是对某一工件上发现的未焊透缺陷的检测结果。工件编号：JMHS-11155工件材质：Q235工件厚度：26mm扫查方式：非平行扫查模拟增益：+54dB 数字增益：5中心间距（PCS）=45mm 扫查方向：轴：+1未焊透缺陷形状见图4.8：图4.8 TOFD检测未焊透图谱缺陷性质：未焊透缺陷尺寸：31mm检测结论：不合格上下端点比较平滑，且上下端点形成的图像基本是平行的。（2）常规超声检测结果分析在完成TOFD检测的同时，使用常规超声波探伤仪对同一检测试块进行平行检测，得到检测结果。其检测结果及对比分析如下。缺陷显示见图4.9图4.9 超声检测未焊透波形图缺陷尺寸：26mm缺陷所在区域：区检测结论：不合格对比图4.8和图4.9数据分析，针对未焊透缺陷的定位，这两种检测手段都是比较准确的。由于探测未焊透缺陷，反射波也好，衍射波也好，其信号都比较强，况且杂波少，定位比较准确。针对未焊透缺陷的定性，这两种检测手段也都比较准确，对于常规超声检测，左右移动探头能够发现波峰波动不大，而且距焊缝基本保持不变，从而可以比较容易定性缺陷；而TOFD检测图谱分析，也能够发现明显的变化，非常的直观，从而对人的依赖性大大降低。针对未焊透缺陷的定量，对于常规超声检测来说，对于