目 录
第一章 TOFD 基础知识及原理介绍 ............................................... 1
1.1 TOFD 历史背景 .......................................................................................................... 1 1.2 衍射现象 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 衍射信号波幅变化 ....................................................................................................... 3 1.4 TOFD 技术应用的基本知识 ......................................................................................... 4
1.4.1 探头配置 ........................................................................................................... 4 1.4.2 超声波类型 ..................................................................... 错误！未定义书签。 1.4.3 波型转换 ........................................................................................................... 5 1.4.4 TOFD技术的A扫波 ....................................................................................... 5 1.4.5 A扫波的相位关系 ......................................................... 错误！未定义书签。 1.5 信号处理与分析方法 ................................................................................................... 7
1.5.1 信号平均 ........................................................................................................... 7 1.5.2 图像拉直 ........................................................................................................... 8 1.5.3 去除直通波 ....................................................................................................... 8 1.6 抛物线拟合指针 ........................................................................................................... 9
1.6.1 用抛物线指针测量缺陷长度 ......................................................................... 10 1.7 对比试块 ..................................................................................................................... 11 1.8 TOFD技术的优点和局限性 ........................................................................................ 12 第二章 TOFD技术的信号处理以及硬件系统知识 .................................. 13
2.1 模拟信号与数字信号 ................................................................................................. 13 2.2 数模转换和数字采样 ................................................................................................. 14 2.3 灰度成像和D扫 ......................................................................................................... 16 2.4 TOFD检测系统的结构 ............................................................................................. 17
2.4.1 TOFD检测仪器的主要功能 ......................................................................... 17 2.4.2 TOFD检测仪器的主要性能指标 .................................................................... 18 2.5 带宽和滤波 ................................................................................................................. 19 2.6 脉冲特性 ..................................................................................................................... 20
2.6.1 脉冲宽度 ......................................................................................................... 21 2.6.2 脉冲上升时间 ................................................................................................. 22 2.6.3 脉冲高度 ......................................................................................................... 23
第三章 TOFD技术的工艺知识 .................................................. 24
3.1 探头的一般要求 ......................................................................................................... 24 3.2 探头的扩散角和频率分量计算 ................................................................................. 25
3.2.1 声束扩散角计算 ............................................................................................. 25 3.3 不同频率分量在波束中的分布 ................................................................................. 29 3.4 扫查方式和信号测量 ................................................................................................. 31
3.4.1 扫查方式的选择 ............................................................................................. 31 3.4.2 信号的位置测量 ............................................................................................. 33 3.5 TOFD技术的盲区和扫查误差 ................................................................................. 34 3.6 相关信号的传播时间和深度计算 ............................................................................. 35 3.7 TOFD相关的时间窗口计算 ..................................................................................... 37
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探头的选择 ................................................................................................................. 37 3.8.1 PCS的设定 ...................................................................................................... 37 3.8.2 探头角度的选择 ............................................................................................. 38 3.8.3 探头频率的选择 ............................................................................................. 39 3.8.4 探头晶片尺寸的选择 ..................................................................................... 40 3.9 增益设定 ..................................................................................................................... 41
3.9.1 利用直通波设置增益 ..................................................................................... 42 3.9.2 用晶粒噪声来设置增益 ................................................................................. 42 3.9.3 用底面反射波来设置增益 ............................................................................. 42 3.9.4 用尖角槽的衍射波来设置增益 ..................................................................... 43 3.9.5 用侧孔的反射波来设置增益 ......................................................................... 43 3.9.6 选择设置增益方法的小结 ............................................................................. 43
第四章 数据判读 ............................................................. 45
4.1 在线分析 ..................................................................................................................... 45 4.2 离线分析 ..................................................................................................................... 45 4.3 缺陷类型及信号特征 ................................................................................................. 46 4.4 TOFD记录中的气孔和夹渣 ........................................................................................ 47 4.5 上表面开口缺陷 ......................................................................................................... 48 4.6 下表面开口缺陷 ......................................................................................................... 50 4.7 详细定性的进一步扫查 ............................................................................................. 51 第五章 TOFD检测标准 ........................................................ 53
3.8
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第一章 TOFD 基础知识及原理介绍
1.1 TOFD 历史背景
TOFD 技术（Time of Flight Diffraction Technique）是一种基于衍射信号实施检测的技术，即衍射时差法超声检测技术。
上世纪七十年代，由于工业发展的需求的不断增多，Mauric Silk博士（英国国家无损检测中心）率先提出了TOFD技术。在TOFD系统的发展过程中，计算机和数字技术的应用起到了决定性的作用。早期的常规超声检测使用的都是模拟探伤仪，用横波斜探头或纵波直探头做手动扫查，大多数情况采用单探头检测，仪器显示的是A扫波型，扫查的结果不能被记录，也无法作为永久的参考数据保存。自二十世纪九十年代起，模拟仪器开始慢慢演变为由计算机控制的数字仪器，随后数字仪器逐渐完善和复杂化，可以配置探头阵列，自动扫查装置，而且能够记录和保存所有的扫查数据用于归档和分析。
TOFD检测需要记录每个检测位置的完整的未校正的A扫信号，可见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、数字化采样、信号处理、信息存储等方面都达到了较高的水平。
TOFD技术与传统脉冲回波技术的最主要的两个区别在于：
A) 更加精确的尺寸测量精度(一般为±1mm，当监测状态为±0.3mm)，且检测时与缺陷的角度几乎无关。尺寸测量是基于衍射信号的传播时间而不依赖于波幅。
B) TOFD技术不使用简单的波幅阈值作为报告缺陷与否的标准。由于衍射信号的波幅并不依赖于缺陷尺寸，在任何缺陷可能被判不合格之前所有数据必须经过分析，因此培训和经验对于TOFD技术的应用是极为基本的要求。
1.2 衍射现象
衍射是波在传输过程中与传播介质的交界面发生作用而产生的一种有别于反射的物理现象。当超声波与有一定长度的裂纹缺陷发生作用，在裂纹两尖端将
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会发生衍射现象。衍射信号要远远弱于反射波信号，而且向四周传播，没有明显的方向性。如图1.1所示：
任何波都可以产生衍射现象，如光波和水波。
衍射现象可以用惠更斯（Huygens）原理解释,即介质中波动传播到的各点都可以看作是新的发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包络面就构成了新的波阵面，图1.2为惠更斯原理示意图。由图可以看出，裂纹尖端的子波源发出了方向不同于反射波的超声波，即为衍射波。缺陷端点越尖锐，则衍射现象越明显，反之，端点越圆滑，衍射越不明显。
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1.3 衍射信号波幅变化
下图是衍射波波幅在不同的探头折射角度下随角度变化的实验结果示意图。由图可见，将TOFD探头放在垂直于试件的表面的裂纹两侧，等距离放置，分别用来发送和接收信号，并且确保探头的角度能够同时产生和收到缺陷上端点和下端点的衍射信号。实验结果表明，当折射角度为65°时，上下尖端的衍射信号波幅均为最大。其中下尖端信号在38°时，波幅下降很大，而在20°时，又出现上升，可见下尖端信号波幅曲线出现两个波峰。而在45°到80°之间，上下尖端衍射信号波幅均成规律性变化，而且下尖端衍射信号要略高于上尖端信号，但是变化幅度不超过6dB。因此，TOFD技术探头通常在45°- 70°之间，避开了38°这一不利角度。
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