3. 测量横向距离参数(Y)
用一对探头进行非平行扫查的时候无法测定横向位置参数(Y),如果需要得到参数Y,则要在缺陷的上方进行平行扫查。
进行平行扫查时首先要确定扫查的起始点,以扫查前两探头中间的对称点为位置零点,扫查过程中使用编码器记录下探头移动过程中每一个A扫信号相对起始点的位置。在平行扫查的记录上用光标测量信号的声程最小位置,该数值就是缺陷位于探头中间的对称位置的信号,即参数Y值。
3.5 TOFD技术的盲区和扫查误差
在进行TOFD技术扫查时,扫查的结果经常会受到盲区和一些误差的影响,这也是我们在扫查过程中要特别注意的问题。
1) 所谓盲区是指在TOFD扫查时,被测工件中不能被扫查到的区域。前面
提到,TOFD扫查技术对于近表面的缺陷是不可靠的,对于上表面缺陷,可能因为缺陷隐藏在直通波下面而被漏检,由此形成的近表面盲区可以称之为直通波盲区,而下表面缺陷可能被底面反射波淹没而漏检,相应的盲区可以称之为底面盲区;
2) 缺陷测量的误差则包括缺陷位置(深度)的测量误差以及缺陷高度和长
度的测量误差。
通过采用下面的措施,可以减小近表面盲区的影响,提高测量精度。 (1) 减小PCS; (2) 增加数字化频率; (3) 使用高频探头;
(4) 使用短脉冲宽频带的探头。
根据下图可以看出,在不同位置的点产生的衍射轨迹会有相同的传输时间,也就是说我们得到的缺陷高度与实际高度是可能存在误差的,但是在理论上和实际上,这个误差不会大于壁厚的10%,焊缝内部缺陷的高度估计误差是可以忽略的。
这里关键的一点不是高度误差,而是位置误差,通过一次TOFD扫查,我们是无法知道这个缺陷是在焊缝中心线的左边、右边,还是恰好在中间,这时就需要通过其它方法来定位了,比如在缺陷位置采用平行扫查方式,或者做偏置非平行扫查,或者用脉冲回波法对缺陷位置进行校核。
34
3.6 相关信号的传播时间和深度计算
通过三角运算可以由脉冲到达时间计算出信号的深度。尖端信号定位也提供了实际缺陷的尺寸及低于扫查面深度估算的信息。
如下图所示,反射体对称地位于探头下面时,反射体上尖端衍射波在两个探头之间传播距离如下:
距离=2(s2+d2)l/2
其中s为探头中心距(PCS)一半,单位为mm。d为反射体深度,单位为mm。 因此以μs为单位,传播时间T为: T=2(s2+d2)l/2/c
其中c为声速,单位mm/μs。
因此通过上面的等式变换,反射体上尖端深度可表示为测量时间的函数:
d=((ct/2)2-s2)1/2
35
假设:用以上的公式对观察到的信号进行深度计算时,它总是假定缺陷尖端对称地位于两个探头之间。但反射体并不总是对称地位于探头之下,此时计算的深度将会存在误差(对于沿焊缝非平行扫描),一般称为轴偏移误差。然而,在大多数情况下,对于单个“V”型焊缝的轴偏移误差可以忽略。
TOFD检测技术的典型深度测量误差为±l mm,但在监测裂纹生长情况时使用同一探头和设备,其重复检查的典型误差减至±0.3 mm。对于一发一收的探头装置,深度和时间之间的关系不是线性的,这一点从上面的方程中存在二次项可以看出。软件可以通过线性化处理把采集到的B扫描或D扫描转换成线性深度。这种线性深度的B或D扫描适合作为检测报告中的图例。在分析数据时,更常用的方法是将采集的原始数据绘制在时间轴上。因为靠近扫查表面的反射体声传播路径几乎水平,时间上微小的变化代表了深度上大的变化。因此,将深度数据转换为线性尺度会成比例地扩展近表面信号和直通波。另一种深度测量方法是在原始数据上使用游标,读出当前位置的深度。
36
3.7 TOFD相关的时间窗口计算
实际操作中的深度计算需要考虑声波穿过探头楔块引起的额外的测量时间延迟。这个延迟即探头延时2t0(us)。因此测量的总的传播时间t,实际由下式给出:
t=2(s2+d2)1/2/c+2t0 缺陷深度为: d=[( c/2)2(t-2t0)2-s2]1/2
直通波信号出现在t1时刻,即: t1=2s/c+2t0
底面回波出现在tb时刻,即: tb=2(s2+D2)1/2/c+2 t0 其中D为试样厚度。
如果己知探头中心距(PCS)为2s,试样厚度为D,通过变换,可以得到探头延时和声速两个方程,
c=[2(s2+D2)1/2-2s]/(tb- t1) 和 2 t0= tb -2(s2+D2)1/2/c
因此推荐的深度测量方法是测量探头中心距(PCS)及样品厚度,并在开始扫查前将这些值输入文件头中,再用B或D扫描方式对样品进行扫查,分析图谱时使用相关的软件,首先测量直通波及底波信号到达的时间,然后让电脑自动计算探头延迟和速度,那么图像中每一个光标位置的深度都可以计算。如果没有直通波及底波信号,而只有一个信号用于校准,则必须输入声速和探头延迟值。
探头中心距(PCS)可通过在两个探头上标记点间距离来进行测量。
3.8 探头的选择
3.8.1 PCS的设定
除非指定特定的焊缝区域,否则通常采用2/3厚度规则作为首次检查的探
37
头中心距(PCS)的设置,即双探头的声束会聚点位于距离表面2/3厚度的深度处。在试样检测中覆盖区不够时,需要使用不止一对的TOFD探头,并分别调整探头中心距(PCS)来优化每对探头的覆盖区。当指定某一特定区域时,如焊缝根部,则设置探头中心距(PCS)聚焦在该特定深度。如果工件厚度是D,探头楔块角度为θ,对于2/3厚度的标准情况,探头中心距(PCS)应按如下公式计算:
2s=4/3 Dtanθ
当聚焦深度要求为d时,探头中心距(PCS)可由下式求出: 2s=2d tanθ 3.8.2 探头角度的选择
我们首先来考虑直通波和底面回波信号的时间区间,因为这是重要的记录区域。该时间范围可以简单地表示为两个信号声程之差,即:
△t = 2(s2+D2)1/2/c-2s/c
下表给出一些壁厚40mm且探头聚焦在2/3厚度处的例子:
探头中心距(PCS)(mm) 直通波 (μs) 底面回波(μs) 时间范围(μs) 工件中的角度 45 48.0 8.1 15.7 7.6 60 83.2 13.0 19.4 5.42 70 132.0 22.2 25.9 3.8 直通波和底面回波信号之间的时间区间
根据表格可以看出,探头角度越小,直通波与底面波的时间差越大,那么沿时间轴的信号清晰度也越好,深度测量也越精确。
探头角度的选择还必须考虑其他两个因素。第一,衍射的最佳角度是60至70度;第二,对于厚壁试样,大角度下的探头中心距(PCS)很宽,信号的波幅将
38