第五章 TOFD检测工艺参数的选择(2016年第一期)

1、第五章第五章 TOFD工艺参数的选择工艺参数的选择 张志超张志超 福建省特检院福建省特检院 工艺的概念 工艺是指将原材料或半成品加工成产品 的过程中采用的方法和技术。 无损检测工艺则是指完成对被检测对象 的检测过程中采用的方法和技术。 怎样干？ 按标准！ 工艺参数的优化。 采得合格的图像。 主要内容 1.探头的选择 2.扫查次数的选择 3.PCS的选择 4.增益设置与校准方法的选择 5.TOFD扫查 6.TOFD检测的主要步骤 7.其它工艺参数的影响 8.减少盲区影响的工艺措施 9.特殊工艺和方法 5.1探头的选择 1、探头角度的选择 脉冲反射法对探头角度的选择原则： 脉冲回波法常用横波探头，

2、波长较短 探头角度越大，探测声程越长，衰减也越大，厚 工件不能使用大角度探头 保证能量和穿透力的情况下，尽量选择角度大一 些的探头 ，利于裂纹缺陷的检出 TOFD检测技术 裂纹检出与探头角度无关 探头角度的选择应考虑：工件厚度、分辨力、深 度测量精度、扫查覆盖范围 5.1探头的选择 1.1 TOFD探头角度与工件厚度的关系 按照2/3T法则，检测同样厚度的工件时，探头角度 大，PCS也大声程也长 检测深度增加时，声程随探头角度的增加而快速增 加，衰减变大 规律与常规脉冲回波法一致 D L S s 2s=PCS qd=2/3D D 5.1探头的选择 1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系： TO

3、FD信号测量精度是指测量信号达到时间的准确 性，其同时影响缺陷自身高度和缺陷深度。 （纵向）分辨力是指能够识别的两个信号到达的时 间间隔或其所代表的最小距离 分辨力取决于脉冲信号的持续时间，一个脉冲信号 包含几个周期，时间分辨力就是这几个周期的时间， 距离分辨力就是这段时间超声波传播的距离 5.1探头的选择 1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系 对TOFD技术的非平行扫查，要求执行2/3T法则 PCS=2S=（4/3）Dtan 探头角度越小，PCS也越小 PCS越小，直通波与底面反射波的时间间隔越大 对同一深度、同一自身高度的缺陷： PCS越小， 上、下端点的时间间隔也越大 PCS越小，沿时

4、间轴的信号分辨力就越高，深度 测量的精度也就越高 直通波直通波 LW 上端点上端点下端点下端点 底面波底面波 BW + - + - 5.1探头的选择 5.1探头的选择 1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系 直通波与底面波之间的时间间隔t计算公式 ： cs c Ds t/2- 2 22 c 例如：检测厚度40mm工件 ，探头聚焦深度在2/3T时，直 通波与底面波的时间范围如表1所示，从表中可以看出在 45、60 、70 三种折射角度，以45 探头的时间 差最大，分辨力最好。 5.1探头的选择 波束在工件中的角度45 60 70 探头中心距（PCS）,mm53.392.4146.5 直通波达到时

5、间，s9.015.525.6 底面反射波到达时间， s16.220.528.1 时间间隔， s7.25.03.4 表表1壁厚壁厚40mm探头聚焦深度在探头聚焦深度在2/3T 时直通波与底面波的时间范围时直通波与底面波的时间范围 d=ct，钢纵波：，钢纵波：c=6mm/ss LWBW始脉冲 S D L 当工件厚度T固定时， 随着探头角度增加，探头中心距 PCS也增加 直通波的声程2S、底面波的声程2L也分别增加 但直通波与底面波的时间间隔是减小的 随着时间间隔的减小，分辨力是降低的 在下面的公式中，D、c是固定的， t 随s的增加而减少 cs c Ds t/2- 2 22 5.1探头的选择 5.

6、1探头的选择 1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围 波束扩散范围与探头角度、晶片尺寸、频率有关 检测大厚度工件时，扫查覆盖范围还与声程有关 在上边界角没有达到90以前，探头的折射角越 大，波束扩散范围越大 大多数情况下， 70、60 探头比45 探头的 声束覆盖范围要大，初次检测时多使用60 70 探头 5.1探头的选择 1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围 如果探头的频率较低，晶片尺寸较小，使用折 射角60 楔块的上边界角已达到90 ；如果这时 进一步增加楔块角度到70 ，波速的覆盖范围反而 减小。 例如：晶片尺寸3mm，频率5MHz的探头，折 射角60 时的上、下边界角分别为90 和3

7、5.6 ； 同样晶片尺寸3mm，频率5MHz的探头，折射角70 时的上、下边界角分别为90 和42. 。 5.1探头的选择 1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围 选择大角度探头必须注意的几个问题： 最优的折射角度就在60 到70 之间。 折射角为65 时，上尖端信号与下尖端 信号波幅均为最大 折射角在60 到70 之间时，分辨力也较好，所以一般不采 用折射角大于70 的探头 探头角度大PCS也大，对于厚工件声程变长导致信号幅度的衰 减很大，使检测变得困难 5.1探头的选择 1.3 TOFD探头角度导致的结果 减少探头角度导致的后果增加探头角度导致的后果 探头中心距（PCS）减少探头中心距（P

8、CS）增大 分辨力提高分辨力降低 深度误差减小深度误差增大 声程短，信号衰减小声程长，信号衰减大 在一定的范围内（上边界角小于 90 ）探头角度减小会引起波束 覆盖范围减小 在一定的范围内（上边界角小于 90 ）探头角度减小会引起波束 覆盖范围增大 表表2探头角度变化导致的后果探头角度变化导致的后果 5.1探头的选择 2、探头频率的选择 探头脉冲信号持续时间越短，分辨力越高 持续时间=周期数周期 信号震动周期数相同的情况下，信号频率高，持续 时间越短。 TOFD技术要求采用短脉冲探头，使信号振动周期 一般不超过两个，常见1.5个，注意不要拖尾 缩短信号持续时间的有效措施就是提高频率 LWBW

9、+ - + - 5.1探头的选择 2、探头频率的选择 在TOFD检测中，要求直通波与底面波的时间间隔 远远大于信号周期 在表1中，使用60 探头检测40mm工件，直通波 与底面波之间的时间间隔是5 s 对于1MHz探头，一个振动周期的时间是1s，直 通波与底面波的时间间隔只有5个振动周期 对于5MHz探头，一个振动周期的时间是0.2s， 直通波与底面波之间的时间间隔有25个振动周期， 能够达到满意的效果 发射探头 接收探头 ss D LWBW t0t0 始脉冲 t 5.1探头的选择 5.1探头的选择 2、探头频率的选择 直通波与底面反射波之间的时间间隔包含 的信号周期数越多，深度分辨力就越高

10、要获得高分辨力最好要达到30周期 实际应用中，一般希望达到20周期 通过增加频率可以很容易增加周期数 频率增加时，衰减和噪声随之增加，波束 扩散也将减小 5.1探头的选择 表3 聚焦不同深度的直通波与底面波之间的周期数 （50度的探头） 深度 mm 直通波和底面波 时间间隔， s 1MHz3MHz5MHz 10MHz 20MHz 101.251.33.86.312.525.1 253.133.19.415.731.362.7 506.2656.318.831.362.7125.3 10012.5312.537.662.7125.3250.7 5.1探头的选择 按照周期数要求，根据表3选择探头的

11、频率： 对厚度10mm的工件，应选择频率20MHz 厚度在1025mm之间时，应选择频率157.5MHz 实际检测中并不使用这么高的频率 下表为NB47013.10标准推荐值 5.1探头的选择 NB47013.10表平板对接焊接接头的探头选择 工件壁厚 （mm） 标称频率 （MHz） 声束角度 （） 晶片直径 （mm） 1215157706024 1535105706026 355053706036 5.1探头的选择 表表5 频率变化导致的频率变化导致的结结果果 提高频率导致的后果提高频率导致的后果降低频率导致的后果降低频率导致的后果 波长变短波长变短波长变长波长变长 分辨力提高分辨力提高分辨

12、力降低分辨力降低 波束扩散减小波束扩散减小波束扩散增大波束扩散增大 晶粒噪声增大晶粒噪声增大晶粒噪声降低晶粒噪声降低 穿透力降低（衰减大）穿透力降低（衰减大） 穿透力增大（衰减小）穿透力增大（衰减小） 近场长度增加近场长度增加近场长度减小近场长度减小 5.1探头的选择 表表6 频率频率5MHz，不同晶片尺寸探头的扩散角（，不同晶片尺寸探头的扩散角（-12dB） 角度角度 （ ） 在钢中波束的扩散角在钢中波束的扩散角 D=3mmD=6mmD=10mmD=15mm 4525.575.535.05738.851.840.849.9 6035.69047.38451.970.655.566.5 704

13、2.09055.09059.690.062.682.1 5M3-60 与与5M6-70 相比比相比比，不仅覆盖范围大，不仅覆盖范围大， 还可以减小还可以减小PCS，提供分辨力。，提供分辨力。 5.1探头的选择 3、晶片尺寸的选择 晶片尺寸小的探头可增大波束扩散角 减小晶片尺寸可获得大的覆盖区域 晶片尺寸小有利于与工件接触。在大曲率薄工件 中，小晶片探头的使用效果更好一些，如管道焊 缝的检测 小晶片发出的超声脉冲能量小，仅适用于薄工件 或厚壁焊缝最上一层扫查区的检测 5.1探头的选择 表7 探头晶片尺寸变化导致的结果 减小探头晶片尺寸导致的后果减小探头晶片尺寸导致的后果增加探头晶片尺寸导致的后果

14、增加探头晶片尺寸导致的后果 输出能量降低输出能量降低输出能量增加输出能量增加 波束扩散角增加波束扩散角增加波束扩散角减小波束扩散角减小 近场长度减小近场长度减小近场长度增加近场长度增加 与工件接触面减小与工件接触面减小与工件接触面增大与工件接触面增大 5.1探头的选择 4、探头选择小结 TOFD检测用探头应该是宽频带和短脉冲 直通波的脉冲长度以波幅10%测量应不超过2个周期 探头选择的主要参数是：频率、晶片尺寸、折射角 首要条件是获得足够的功率和信噪比，即选择较大 的晶片尺寸和较低的频率 次要条件是声束覆盖和时间分辨力应满足要求 5.1探头的选择 选择探头频率的准则是直通波和底面波信号的时间

15、窗口应达到20个信号周期 薄工件检测时，分辨力要求高而穿透力要求低，选 用大角度、高频率、小尺寸晶片；厚工件与之相反 对粗晶材料选用低频探头 对大曲率工件，应选择小晶片尺寸 如欲提高检测效率，获得更大的波束覆盖范围，应 选择低频、小晶片尺寸探头 5.1探头的选择 如欲获得更高的检测精度和深度分辨力，应 选择高频率、小角度、更短的脉冲 同一组TOFD探头，一般都选择相同的频率、 晶片尺寸、折射角 同一组探头，最重要的是保证两个探头的中中 心频率心频率相同，其差值应在10%以内 中心频率是否就是峰值频率？P80 页 5.2 扫查次数的选择 扫查次数的选择原则：检测区域是否全部被覆盖。 1.检测区域

16、的大小； 2.波束覆盖范围：探头频率、晶片尺寸、折射角度。 对于厚工件，需要多对探头分层扫查 对于宽焊缝，有时需要增加偏置非平行扫查 为减少盲区，有时需要增加扫查次数（主要是底面 轴偏离盲区，增加偏置非平行扫查或平行扫查） 覆 盖 范 围 举 例 5.2 扫查次数的选择 1、检测区域 检测区域由其长度、高度和宽度表征。 2、宽度区域 焊缝、热影响区和附加母材区域构成 不同标准对于应检测的宽度区域的规定 不同 5.2 扫查次数的选择 2.12.1 N NB/T47B/T47013013.10-201.10-2015 5的规定： 检测区域宽度为焊缝本身及焊缝熔合线两侧 各10mm。 若对于已发现缺

17、陷部位进行复检或已确定的 重点部位，检测区域可缩减至相应部位。 2.2 验证：在试块上采用将扫查器偏置的方法， 确定在焊缝宽度方向上的有效检测范围。 2.3 补偿方法：如果验证表明一次扫查无法覆盖 宽度区域，可根据验证结果增加偏置扫查次数。 5.2扫查次数的选择 2.4 增加偏置非平行扫查的目的 焊缝宽度方向上满足标准规定的检测范围 使底面轴偏离盲区满足要求 使焊缝根部、宽度方向上的边缘处，声束入射角 大于38 对于特定的几何形状所造成的底面轴偏离盲区增 大 ，如从外表面检测焊缝纵缝，减小盲区 5.2扫查次数的选择 3、高度区域 3.1检测方法： 在厚度范围内可分1个或几个TOFD检测区域 相

18、邻区域内12dB声束至少有一定的重叠 对上、下表面盲区采取适当的补充检测 对声束不能覆盖的检测区域，应进行辅助检测， 并且在检测工艺中注明 注意：在考试或工作中，如果焊缝有余高，应注 明增加辅助检测 5.2 扫查次数的选择 3.2分区方法 3.2.1等深度分区 不考虑探头尺寸、频率、波束扩散和盲区等，几个分区 厚度相同 根据厚度和强制性的检测区域覆盖等因素去选择探头的 参数 这种方法的代表标准为CEN/TS 14751 需要注意：采用此种分区方法检测厚壁焊缝时需要采用 较大的PCS，此时近表面区的直通波一般较弱，有时上 表面盲区很大，常需要采用其它检测手段进行补充检测 5.2 扫查次数的选择

19、3.2.1 等深度分区（续） 优势：1）计算相对比较简单，试块设计也比较简单 2）综合考虑了探头对不同深度缺陷的检出能力 范围，检测效果较好 3）经试块验证，这种分区方法在试块上检测时 每个通道的检测效果都能达到令人满意的水平，对于各 检测区域间的覆盖也能被很好地验证。 5.2 扫查次数的选择 3.2.2不等深度分层 确定分层深度时，须考虑探头参数的影响、声束扩 散和表面盲区 所分各区域厚度逐渐变化，第一对探头检测的深度 范围较小， PCS也较小；后面探头检测的范围逐渐 增大 这种方法的代表标准为最新版的NB/T47013.10 - 2015、ASTM2373、ENV583-6 注意：需要在探

20、头参数上加以考虑，避免远场声束 边缘区域灵敏度不足，同时需要在试块上验证检测 效果。 5.2 扫查次数的选择 3.2.2不等深度分层 优势：）分区计算需考虑因素较多，也较全面 ）由于第一对探头的检测深度范围较小 （一般为40mm），此时PCS较小，上表面盲区 小，对近表面缺陷的检测灵敏度较高 3）越往下面，各对探头覆盖的深度范围 越大，容易在声束边缘区域的检测范围内造成信 噪比低 4）如果焊缝质量要求如果是从表面到内 部要求越来越严格，采用这种分区方式较好。 5.2 扫查次数的选择 3.33.3N NB/T 47B/T 47013013.10-201.10-2015 5对分区检测的规定对分区检

21、测的规定 工件厚度 mm 检测分区 数 深度范围 mm 标称频率 MHz 声束角度 （） 晶片直径 mm 501002 02t/57.55706036 2t/5t536045612 10020 0 3 0t/57.55706036 t/53t/5536045612 3t/5t526045620 20030 0 4 0407.55706036 402t/5536045612 2t/53t/4526045620 3t/4t3150401020 5.2 扫查次数的选择 工件厚度 mm 检测分区数 深度范围 mm 标称频率 MHz 声束角度 （） 晶片直径 mm 3004005 0407.557060

22、36 403t/10536045612 3t/10t/2526045620 t/23t/43150401020 3t/4t3150401225 3.3 NB/T 47013.10-2015对分区检测的规定对分区检测的规定 5.2 扫查次数的选择 3.4 对于300mm焊缝分区 根据标准中表1的要求，检测分4区： 第1分区检测深度范围为“0-40mm” 第2分区检测深度范围为40-2/5t，即“40-120mm” 第3分区检测深度范围为2/5t-3/4t，即“120- 225mm” 第4分区检测深度范围为3/4t-t，即“225-300mm” 5.2 扫查次数的选择 3.4 对于300mm焊缝探

23、头中心距 第一分区探头频率5MHz，晶片尺寸6mm，折 射角为70，探头中心距 ： mmPCS5 .14640 3 2 70tan2 第二分区探头频率5MHz，晶片尺寸6mm， 折射角为60，探头中心距： mmPCS3 .3234040120 3 2 60tan2 同理计算出三区、四区的探头中心距。 5.2 扫查次数的选择 3.5怎样保证在高度上的覆盖 ？ 计算各探头声束12dB的覆盖范围， 在试块上对探头12dB声束范围的测试 在选择探头数量、参数、中心距上去保证 仪器时间窗口的设置，应包含各区分的深度范围， 且有一定的重叠 在试块上通过对各深度缺陷的检测效果进行验证 5.2 扫查次数的选择

24、 4、合理选择探头参数 探头的PCS、频率、晶片尺寸和角度都会对检测 区域内的声束宽度和深度产生影响 根据焊缝厚度确定扫查分区，确定使用几对探头 确定探头的参数：包括每对TOFD探头频率、晶片 直径、探头角度 根据探头角度和聚焦深度确定每对探头的中心间距 确定以上参数后，再计算邻近探头声场的相互覆盖 最后在试块上进行验证 5.2扫查次数的选择 举例：焊缝厚度60mm， 宽度40mm，所检测范围 包括焊缝熔合线以外 10mm。焊缝的余高是磨 平的，可选择探头有： 10MHz3-70 10MHz3-60 5MHz6-70 5MHz6-60 5MHz6-45 角度 （ ） -12dB边界角（ ） 1

25、0MHz35MHz6 7053905390 6047844784 45/3557 表表8 探头在钢中的波束边界角探头在钢中的波束边界角 5.2 扫查次数的选择 对于60mm的焊缝，按照NB/T 47013.10标 准进行TOFD检测时，应分为2区 第一区为02/5 t，即024mm： 深度较浅，建议使用70 探头 可选择的探头有10MHz3-70、 5MHz6-70 考虑到分辨力，应选择10MHz3-70 5.2 扫查次数的选择 第二区为2/5tt，即2460mm： 选择10MHz信噪比将很低，衰减也较 大，因此频率偏高，选5MHz更为合适 选70 探头声程太长，分辨力低，应 选60探头 5M

26、Hz6-60探头的上边界角为84， 需要选择聚焦在上部的探头进行另一次扫查， 才能实现实现覆盖 5.2扫查次数的选择 聚焦深度的选择： 非平行扫查时，探头分别聚焦到各 自扫查区的2/3深度上 第一对探头（1区）的聚焦深度为 16mm 第二对探头在2区的聚焦深度为 24mm，再加上1区的深度24mm，从扫查面 算其聚焦深度48mm 5.2扫查次数的选择 根据各自探头的聚焦深度、角度计算PCS 根据探头晶片尺寸、频率、入射角、PCS， 计算相邻声束在深度方向上的覆盖以及各自 在焊缝宽度方向上的覆盖， 在试块上通过非平行扫查，探测不同深度的 反射体来验证深度方向上的覆盖 在试块上进行偏置非平行扫查探

27、测不同深度 的反射体，通过最大偏置量可大致确定焊缝 宽度方向上的探测范围 5.2扫查次数的选择 从图中似乎一次非平行扫查可以覆盖焊缝中心两侧各 30mm的范围，但从图中看不出底面轴偏离盲区的大小， 应进行计算 根据以下公式计算轴偏离盲区高度，如不满足要求应进 行偏置非平行扫查 计算知：轴偏离30mm处盲区高度值为2.6mm，因此需 要分别从左边和右边进行偏执非平行扫查 （标准规定：b）当初始底面 盲区高度 h41mm时，宜采 用偏置非平行扫查；） 偏置量通常经过计算获得， 反用此公式 222 /11HsxHh 5.2扫查次数的选择 因此扫查次数的最终选择为： 使用仪器的两个通道沿焊缝方向进行非

28、平行扫查： 1对探头为10MHz3-70 ，扫查1区 1对探头为5MHz6-60，扫查2区 使用一个通道，1对5MHz6-60探头，向左偏置非平行 扫查2区，偏置量为一侧轴偏离盲区宽度的2/3，即20mm。 使用一个通道，1对5MHz6-60探头，向右偏置非平行 扫查2区，偏置量20mm。 总共三次扫查。 5.2扫查次数的选择 小结： 对于需要几次扫查才能完成检测的工件： 根据工件厚度，按照标准对焊缝进行分区 根据各分区的情况，按照标准确定探头的晶片尺、 频率和入射角度等参数 按照2/3法则，计算探头的PCS 计算和验证相邻声束在深度方向上的覆盖 根据声束在焊缝宽度方向上的覆盖和计算出的底 面

29、轴偏离盲区高度，确定是否需要偏置非平行扫 查和扫查的次数、偏置量为一侧轴偏离盲区宽度 的2/3 实际工作中：用软件或CAD 1:1作图。 5.3 PCS的选择 5.3.1影响探头PCS选择的因素 保证超声波能够达到和覆盖检测区域 保证裂纹尖端的衍射信号有足够的能量 保证能获得适当的分辨力 5.3 PCS的选择 5.3.2 PCS的选择原则 对非平行扫查，首选使用2/3T聚焦法则，可保证声场 均匀覆盖最大区域 对于平行扫查或特定区域的扫查，可不使用2/3T法则， 此时往往把焦点定位于特定深度。此时PCS为： 2S=2dtan d为指定深度，为探头角度 扫查面焊缝余高过宽，小的PCS会导致无法放置

30、探头 使用多对探头分区扫查时，应根据具体情况进行调整 若即想缩短焦距,又要避免焦点上移,就需要改变探头 角度 焦点处的信号最强，往上、往下均降低。 5.3 PCS的选择 5.3.3 探头PCS变化导致的后果 减小探头减小探头PCS导致的后果导致的后果增加探头增加探头PCS导致的后果导致的后果 焦点上移焦点上移焦点下移焦点下移 减小上表面盲区减小上表面盲区增大上表面盲区增大上表面盲区 改善上表面分辨力和测量精度改善上表面分辨力和测量精度降低上表面分辨力和测量精度降低上表面分辨力和测量精度 底面信号幅度降低底面信号幅度降低底面信号幅度增高底面信号幅度增高 不利于深部缺陷检测不利于深部缺陷检测有利于

31、深部缺陷检测有利于深部缺陷检测 表9 探头角度不变，PCS变化导致的后果 5.4增益设置与校准方法的选择 TOFD检测的定量是不依靠信号波幅的，但系统 增益的设置会影响检测的可靠性 增益过低缺陷的衍射信号过于微弱，就不能被接 收和观察到 增益过高也会影响图像的观察、信号的识别和测 量，同样影响缺陷的检出 + - + - LW 上端点上端点下端点下端点 BW 5.4增益设置与校准方法的选择 增益过低增益过低 增益过高增益过高 5.4增益设置与校准方法的选择 在英国BS7706-1993 标准指出，波幅在TOFD 检测中有以下三种用途： 识别缺陷：使缺陷信号在局部噪音背景下是可分辩 的 分析缺陷性

32、质：有时需要依据缺陷上下端点信号的 相对高度来分析判断缺陷性质 校验系统灵敏度：有时需要用人工缺陷的脉冲高度 确认系统灵敏度没有改变 5.4增益设置与校准方法的选择 TOFD检测增益的设置方法： 用直通波设置 用晶粒噪声设置 用底面反射波设置 用尖角槽的衍射波设置 用侧孔的反射波设置 5.4增益设置与校准方法的选择 1、用直通波设置 方法：一般在工件上进行，按选定的探头 安装好探头，设置好时间窗口等参数，在 待检焊缝上将直通波的波幅设定为满屏高 度的4080% NB/T 47013.10标准中，工件厚度50mm 且使用单通道检测时，可采用此方法 5.4增益设置与校准方法的选择 以下情况可能无法

33、使用直通波设置灵敏度： 工件表面有阻碍直通波的结构，如表面裂纹、咬 边、或其它凹槽 使用折射角较小，波束较陡的探头或波束扩散度 小的探头，没有直通波信号 PCS太大，直通波能量太小，没有直通波信号或 信号微弱 大厚度工件分区扫查时，扫查下部区域的通道 焦点设置在底部的特殊扫查 5.4增益设置与校准方法的选择 2、用晶粒噪声设置 把探头放在工件上适当的位置 探头设置（间距）满足要求并显示出直通波和底面反射波 调节增益，使晶粒噪声可见，通常为满屏5%10% 直通波之前的电噪声要低于晶粒噪声至少6dB 可在工件上“干净”区域，如与被检焊缝相连接的板材或管 材上进行设置 5.4增益设置与校准方法的选择

34、 NB/T 47013.10标准中，工件厚度50mm且使用 单通道检测时，可采用晶粒噪声设置灵敏度 采用晶粒噪声设置的增益很高，可确保所有缺陷信 号都能够被检测到 采用晶粒噪声设置的高增益，会导致B扫或D扫中 的信号过亮，给信号分析带来困难 如果采用晶粒噪声设置增益，必须保证所有的A扫 参数都是正确的。 确认的方法之一是：用设置完A扫参数的仪器探测 被检工件，以工件底面反射波测定工件的厚度，与 实际厚度的误差应在0.25mm之内 5.4增益设置与校准方法的选择 白色白色 + 黑色黑色 - 波幅 时间 时间 A扫图用带黑度的线表示扫图用带黑度的线表示 5.4增益设置与校准方法的选择 3、用底面反

35、射来设置 方法：把底面反射波调到满屏高度的80%， 然后提高2032dB NB/T 47013.10标准中，工件厚度50mm 且使用单通道检测时，可采用底面反射设 置灵敏度 局限：影响底面反射波的因素很多，用其 作为参考依据不一定可靠，应通过试验或 经验来确定 5.4增益设置与校准方法的选择 4、用尖角槽的衍射波设置 用尖角槽的端点信号设置增益的见下图 所用的槽应是上表面开口的，而不是底面开口的 上表面开口槽的下端点信号非常类似于疲劳裂纹的衍射 信号；下表面开口槽的顶端信号主要是反射波 5.4增益设置与校准方法的选择 使用多对探头检测时，建议加工一组不同 深度的槽，位于每个分区25%和75%

36、如满足增益设置和扫描范围的需求，也可 使用其他形式的槽和试块 方法：设置增益时，在满足信噪比要求的 情况下把远处的端点衍射信号波调到满屏 的60% 这种设置下，底面反射信号都非常饱和 5.4增益设置与校准方法的选择 5、用侧孔的反射波设置 以侧孔设置增益常被用于其他增益设置方 法的验证或补充 侧孔是反射信号，比衍射信号强 如果侧孔直径小于使用波长的2倍，需注意 孔顶部与底部散射信号之间发生干扰 NB/T 47013.10标准中，试块主要采用侧孔 设置灵敏度 5.4增益设置与校准方法的选择 用侧孔设置增益的方法： 测量侧孔的信号峰值，区分顶部与底部的 信号，选取其中较低值调至满屏高高度 80%，

37、记录增益值 参考噪声信号后根据经验确定增益是否适 当，有时需要将增益再提高数分贝。 现在的设备分析软件都有软增益。 5.4增益设置与校准方法的选择 6、选择设置增益方法的小结 6.1在工件上设置增益主要有以下三种方法： 采用直通波：将直通波波幅设置为满屏高度 4080% 无法使用直通波时，采用底面反射波：将底面反 射波信号的幅度设置为满屏高度，再提高 2032dB 无法使用直通波底面、反射波，采用晶粒噪声设 置：将晶粒噪声信号的幅度设置为满屏高度的 5%10% 5.4增益设置与校准方法的选择 工件厚度50mm时，一般采用一对探头进行检测， 可直接在被检工件上设置灵敏度 工件厚度50mm时，一般

38、采用几对探头进行检 测，需对不同的扫查区间进行灵敏度设置 工件厚度50mm时，采用尖角槽或侧孔进行灵 敏度设置 工件厚度50mm时，如在被检工件上设置灵敏 度，应在参考试块上验证或校准所设置的灵敏度 5.4增益设置与校准方法的选择 7、衰减和粗晶噪声对增益设置的影响 NB/T 47013.10所采用的试块上没有焊缝；实际 检测时，焊缝的晶粒与锻件或板材不同 在TOFD检测中，即使能够观察到直通波和底面 反射波信号，也应对衰减和粗晶噪声的影响作出 评估 若果采用试块设置灵敏度后，在工件上扫查时明 显感到衰减比试块大，应进行补偿 合适的增益设置是D扫或B扫图像中背景呈灰色， 且在探头焦点深度处（波

39、束中心交点）比较强 5.4增益设置与校准方法的选择 为了保证工件所有被检区域的检测有效性， 被检区域边界的晶粒噪声信号波幅应不低 于焦点处12dB 区域界面：一对探头时，是直通波之下和 底面反射波之上；多对探头时，是各分区 的边界 如果因材料的衰减系数大而使两处的波幅 相差12dB，可降低探头的频率、再细化分 区、或采用不同角度的探头扫查 5.4增益设置与校准方法的选择 大晶片探头发射能量大，且波束集中在较小的区 域内没经过较大声程和衰减也能保证信号幅度 如果在深度上分区扫查，较深区域应使用大晶片 探头 使用大晶片探头对远处缺陷的长度测量也是有利 的 注意：经过计算和在试块上的验证， 探头-1

40、2dB 波束已覆盖检测深度范围，是否一定满足本项要 求？ 5.5 TOFD扫查 1、TOFD扫查的基本要求 TOFD检测时，可使用手动或自动扫查器 用扫查架夹持各对TOFD探头，探头间距可调整 与工件表面接触（耦合）良好 扫查架有足够的刚性，能保证探头间距不变 保证扫查沿设定的路径进行 探头可调整，在不平的表面能够保证良好接触 检查管道等曲面时，扫查架能够调整。 5.5 TOFD扫查 2、手动扫查 手动扫查快捷方便，可在某些难于接近的条件 下实时检测，有使用编码器和不使用编码器两种方 式。当使用使用编码时： 在扫查架上安装一个轮子，轮子转动时驱动编码器 将编码器的数据传送给数字化超声数据采集系

41、统 把超声波检测数据与探头的位置建立起对应关系 编码器对确定信号位置、测量确信尺寸、保证图像 精度非常有利 5.5 TOFD扫查 当手动扫查不使用编码器时： 采集的检测数据与探头位置无准确对应关系 手动扫查时，探头的移动不是匀速的 系统只是按激发探头的脉冲重复频率的规则时间 来采集数据 通过控制扫查速度与脉冲重复频率相符合 在手动B扫中，用抛物线指针测量缺陷长度和位 置是不准确的 实际中可在检测的同时在工件上作出标记 若小心地移动探头保持扫查的匀速，一般来说在 长度和位置上的误差不超过5mm 5.5 TOFD扫查 3、机械扫查 多数情况下采用机械扫查 机械扫查可用数字化数据采集系统来控制或由其

42、 自身马达控制系统来控制 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 所采集的检测数据可与探头的位置对应，A扫数 据可按一样的采样间隔采集 对平行扫查来说，如要标汇出缺陷在焊缝横断面 的位置，扫查的起点相对焊缝中心线的位置必须 精确 5.5 TOFD扫查 4、扫查增量设置 TOFD检测时，扫查增量的设置是根据被检工件的厚度决定 的 厚度在10mm，扫查增量一般不超过0.5mm；厚度在 10150mm，扫查增量一般不超过1mm；厚度 150mm， 扫查增量一般不超过2mm 以1mm距离间隔采集A扫数据可以给出清晰的图像，即使 噪声较大或数据质量较低，也能从缺陷端点产生的抛物线状 特征

43、图形识别出缺陷信号 当采集距离较长时，采集到的A扫数据量非常庞大。可以将 采集间隔设置得大一些，以减少数据量。 5.5 TOFD扫查 5、不同扫查方式的特点 非平行扫查主要用于首 次检测大范围快速扫查 偏置非平行扫查用于解 决底面轴偏离盲区问题 一般非平行扫查和偏置 非平行扫查都遵守2/3T 聚焦法则，PCS不会轻 易改变 如果针对缺陷的进一步 探测，为了得到更高的 信噪比，可把焦点选在 缺陷部位 5.5 TOFD扫查 底底 面面 c 上上 表表 面面 为在近表面得到 更高的分辨率和 更小的盲区，可 减少PCS,但会造 成焦点上移 如果在指定部位 同时得到高信噪 比和高分辨力， 就应在减小PC

44、S 的同时减小探头 角度使焦点位置 聚焦在该指定部 位。 5.5 TOFD扫查 用于发现缺陷后的进 一步检测，多用于特定 区域的扫查 可确定缺陷上、下端 点深度和到焊缝中心线 的距离，获得缺陷深度、 高度、倾斜度的准确值 选择较小的折射角、 较小的波束扩散探头和 较小的PCS，得到图 像的分辨力更高，特征 弧线的曲率更大，得到 更高的精度 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤一：资料审查准备(同PE) 在实施检测前，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，这些信息包括： 应了解材料的焊接性、焊缝结构形式、焊接方法、 焊接时现场条件以及需要检出的缺陷等 对在制工件：应了解设计制

45、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：除了以上资料之外，还应了解运行条 件、故障情况和上次检验发现的问题 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤2：被检测工件准备 检查焊缝外观、余高宽度与高度，两侧母材的厚 度是否一致等。扫查面侧余高过宽可能影响探头 PCS设置；底部焊缝过宽会导致下表面盲区增大， 不等厚连接焊缝可能引起多个底面波 扫查面是否平整，宽度是否满足扫查器放置和声 束的行程。清除表面的焊接飞溅、铁屑、油污、 及其它杂质。检查粗糙度是否影响耦合，机加面 不超过6.3m，喷丸表面不超过12.5m 5.6 TOFD检测的主要步骤 确定和标记检测区域，画出焊缝中心线

46、和检测区 宽度 要求去除余高的焊缝，应将余高打磨到与邻近母 材齐平；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测定 如果有必要，可以对焊缝两边的母材进行是否有 分层和撕裂的检查，这有助解释D/B扫描中带状 信号（另一种观点：TOFD检测前可不进行超声 波直探头对母材的分层检测，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 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤3：选择超声探头 应是短脉冲，直通波的脉冲长度不超过两个周期 直通波与底面波信号的时间周期应至少应达到20 个信号周期 频率的选择与材料本身、晶片尺寸和波束扩散

47、综 合考虑 选择探头角度和晶片尺寸，通过计算或使用相关 软件绘制出波束的扩展和合成的检验覆盖区域 探头的选择原则见前面 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤4：探头参数的测定 测定探头入射点、前沿和超声波在楔块中 传播的时间 测量方法：将两探头直接接触，在仪器中 找出其最高波的位置，两探头接触的中间 点即为入射点，重叠的一半距离即为前沿， 由A扫信号可读出超声波在探头楔块中的传 播时间 见P145页图5.7 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤5：设置探头间距（PCS） 使用2/3T准则或其它适当的选择来确定所 使用探头的中心距 将探头安装在扫查架上，确认PCS与焊缝 的余高宽度及扫查面能适应

48、 薄板检测时，扫查架上探头的PCS不准是 造成测量缺陷自身高度和深度的误差的一 个主要原因 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤6：选择TOFD探头组数和必要的扫查次数 根据标准要求和所检测焊缝的参数，确定检测区 域。根据规程要求确定使用几组探头和进行几次 扫查以保证覆盖所检测焊缝的深度和宽度范围。 如果需要使用一组以上的TOFD 探头，应按照以 上步骤3、4进行多次选择 对每一组探头按照各自的检测区域进行参数优化， 包括探头的频率、晶片尺寸、探头PCS 根据所使用的设备通道数，确定具体的扫查方案 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤7：选择A 扫采集参数 选择数字化频率，应与时间测量精度一致

49、，以获 得足够的波幅分辩力。数字化频率通常为探头标 称频率的6倍以上 选择滤波设置，以获得最好的信噪比。最小带宽 应为0.52倍的探头标称频率 选择激发脉冲宽度设置，以获得最短的信号和最 大的分辨力 设置信号平均值至最低要求，以获得一个合理的 信噪比 设定脉冲重复频率，要求与数据采集速度相称 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤8：设置时间窗口 如果在深度方向上是一次扫查，时间窗口可根据直通波或 波型转换波设置 窗口的起始位置应设置在直通波达到接收探头前0.5 s 窗口宽度应设置在工件底面一次波型转换波后，以便观察 底面反射纵波信号之后是否有信号显示。 有些近表面缺陷，其纵波信号出现在直通波附

50、近，难以观 察到；而其产生的横波信号，会出现在底面反射纵波信号 之后，观察这些信号对发现和验证某些缺陷是有用处的 如果在深度方向上分区扫查，有些分区没有直通波和底面 波，对这些分区必须通过计算设置时间窗口，并在对比试 块上进行校核，且验证其邻近区域的相互覆盖 时间窗口设置 5.10 A扫描时间窗口设置和深度校准 5.10.1 检测前应对检测通道的A扫描时间窗口进行设置。 5.10.2 若工件厚度不大于50mm且采用单检测通道时，其时间窗口的起始位 置应设置为直通波到达接收探头前0.5s以上，时间窗口的终止位置应设置 为工件底面的一次波型转换波后0.5s以上；同时将直通波与底面反射波时 间间隔所

51、反映的厚度校准为已知的工件厚度值。 5.10.3 若在厚度方向分区检测时，应采用4.2.3规定的对比试块设置各检测通 道的A扫描时间窗口和进行深度校准，A扫描时间窗口至少应包含表3中规 定的深度范围，同时应满足如下要求： a）首先根据已知的对比试块内的各侧孔实际深度校准检测设备的深度显示； b）最上分区的时间窗口的起始位置应设置为直通波到达接收探头前0.5s以 上，时间窗口的终止位置应设置为所检测深度范围的最大值； c）其他分区的时间窗口的起始位置应在厚度方向依次向上覆盖相邻检测分区 深度范围的25； d）最下分区的时间窗口的终止位置应设置为底面反射波到达接收探头后 0.5s以上； e）可利用

52、检测设备经对比试块校核后的深度参数输入。 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤9：设置增益 如果在深度方向上是一次扫查（分成一个 区），可使用直通波设置增益 当深度方向上分区扫查时，第一区可采用 直通波设置增益，其余各区采用对比试块 上的人工反射体设置增益 用试块设置增益时应注意材质衰减特性差 异的影响 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤10：位置传感器校准与扫查增量设置 在检测前进行位置传感器校准：移动扫查 装置一段距离，检查仪器所显示的位移与 实际位移的误差 扫查增量的控制：扫查增量是指扫查过程 中A扫信号间的采样间隔。通常设置为1mm， 当工件厚度较大时，可适当增大 5.6 TOFD检

53、测的主要步骤 步骤11：深度校准和盲区测试 深度校准：在工件上或用对比试块校准A扫 描时基与深度的精度，深度测量误差一般 不大于工件厚度的1%或0.5mm（取较大值） 对余高磨平的焊缝，可在对比试块上测试 上表面盲区和底面盲区；对有余高的焊缝， 其底面盲区应采用相同尺寸的模拟试块测 定 5.6 TOFD检测的主要步骤 步骤12：扫查焊缝 检测时应保持扫查架平稳，探头应沿着扫查线移 动 采用非平行扫查、偏置非平行扫查时行走路线与 焊缝始终保持平行，不得偏斜 扫查速度要均匀 保证耦合良好 实时通过屏幕监视扫查效果，如发现直通波不直、 耦合不良、数据丢失等异常情况，应重新扫查 按照工艺规定进行偏置非平行扫查、横向缺陷扫 查等 5.6 TOFD扫查 步