1、精選優質文檔-傾情為你奉上1.簡介1.1課程范圍本課程的目的是使讀者和學生了解TOFD技術，以及此技術對缺陷位置、大小檢測的能力。盡管本課程是基于普遍應用的數字超聲波數據采集系統進行講解的，但是由于許多系統也具有相同的基本特征和設備，因此本課程也適用于與數字超聲波數據采集系統相似的系統。本課程將作為超聲波無損檢測標準I級水平和II級水平的教材。書中的斜體字代表II級水平超聲波檢測技術人員需要掌握的知識。I級水平和II級水平的標準學時是40小時。I級水平超聲波檢測技術人員需要掌握的技術包括：i) 設置TOFD檢測設備 ii) 采集TOFD檢測所得數據 iii)根據說明書對結果進行記錄和分類 iv

2、) 做出結果報告II級水平超聲波檢測技術人員需要掌握的技術包括：i) 設置并校準TOFD檢測設備 ii) 執行并監測TOFD所得檢測數據iii) 根據適用標準解析并評估檢測結果iv) 判定TOFD檢測的局限性v) 書寫實用的檢測方案和過程vi) 指導和培訓I級水平超聲波檢測技術人員vii) 對TOFD檢測結果進行整理并做出報告 由于觀察和分析TOFD數據的經驗非常重要，因此大部分時間將用于練習TOFD數據采集和分析。同時掌握TOFD技術與傳統脈沖回波技術相比的本質區別也很重要。本課程也希望學習者能夠了解兩種技術的局限性，學會選擇合適的檢測技術以及能夠進行有目的性的檢測。此外，本課程還要學習英國

3、TOFD標準BS 7706和歐洲標準CEN/TC 138 WG 2 N 143。由Charlesworth, J. P. 和 Temple, J. A. G.所著的超聲波TOFD技術在工程中的應用一書也值得一讀，尤其是檢測核材料以及具有奧氏體成分的材料。1.2 課程要求所有學習者都要達到超聲波EN473 I級和超聲波EN473 II級，并通過現場檢測的考試。1.3 課程考試課程結束后將有一個測驗，包括：等級I 書面測驗，90分鐘內回答30個問題等級II 書面測驗，90分鐘內回答30個問題測驗的目的是證明超聲波無損檢測人員掌握了TOFD技術及其局限性。2.背景以及傳統超聲波檢測2.1 無損檢測技

4、術背景在壓力容器和管道系統中，焊縫缺陷可能導致整個系統不能使用或者使用不可靠。因此焊縫需要檢測并將有害的缺陷打磨掉或重新焊接。由于焊縫缺陷可能產生非常嚴重的后果，因此對焊縫進行缺陷檢測非常重要。缺陷中的裂紋由于疲勞作用和壓力侵蝕作用，易不斷生長。其他缺陷也可能生長，但通常保持不變，例如焊接和人工產生的未熔合缺陷，以及體積缺陷中的孔洞和熔渣。后一種缺陷更易檢測到，但其沒有不斷生長的裂紋缺陷破壞性大。金屬制品的無損檢測技術多種多樣，主要可以分為兩大類。用于檢測表面開放裂紋：磁性粒子技術 染料滲透技術 渦流技術 磁性技術 超聲波技術用于檢測內部裂紋：射線技術 超聲波技術由于表面缺陷最有可能生長并導致

5、材料不可用，因此通常將表面裂紋看作最重要的缺陷。但是表面開口裂紋比內部裂紋更易修補。染料滲透技術和磁性粒子技術不能進行缺陷深度的尺寸測量，磁性技術也只能進行一般性的探查。渦流技術是否能夠定量檢測，取決于被測材料，只有幾毫米的表面缺陷可以檢測。而超聲波技術既可以進行缺陷探查，又可以定量分析缺陷的尺寸。設備管理者必須得到設備合格的資格證。這個過程在設備關閉的情況下需要進行無損檢測評估。在評估過程中如果發現缺陷，則需要修補缺陷或置換工件。檢測和定量內部裂紋非常重要，因為修補缺陷非常困難和昂貴，而且如果裂紋尺寸低于某個關鍵的等級，設備可以判為合格并正常運行。對于大部分內部裂紋，只有射線和超聲波兩種檢測

6、技術可用。體積類缺陷最適于采用射線技術進行檢測，且在X射線射向裂紋下方時，平面裂紋可以有效地得到檢測。射線需要接近工件的兩側，且已經有可靠的缺陷推斷。射線技術是一種應用廣泛而且可靠的技術，可以檢測各種類型的焊縫缺陷，其在壁厚方向上檢測的誤差范圍是1%。射線技術產生的圖像能夠被廣泛的接受和理解，且其檢測結果具有永久的保存性，并可以作為未來檢測的參考。對平面裂紋的檢測和定量最具可靠性的技術是超聲波技術，它的靈敏度在壁厚方向上是2%到3%。超聲波技術具有的優點還包括其只需要接近焊縫一側，以及不需要可靠的缺陷推斷。2.2 超聲波無損檢測技術當電壓加在壓電晶體材料上使其振動，且壓電材料的厚度正好能夠產生

7、用于檢測金屬工件的超聲波，這種材料將作為超聲波探頭的基材。超聲波探頭產生的縱波通常稱作壓縮波。如果縱波以一定的角度進入金屬，則其在金屬中發生折射并產生縱波和橫波，這兩種波的折射角度取決于兩種波在金屬中的傳播速度和縱波在楔塊材料中的傳播速度。橫波通過周期性的剪切力傳播，它只能在像金屬這種具有剪切彈性的材料中存在。液體不具有剪切力。通常采用超聲波檢測金屬材料的頻率范圍在2MHz到5MHz之間。頻率相對應的波長可以通過以下的公式得出。速度(c) = 波長(l) * 頻率(f)波速的單位通常采用m/s，在鋼材中，縱波的傳播速度是5950 m/s，橫波的傳播速度是3230 m/s。因為探頭頻率的單位是M

8、Hz（在TOFD技術中，時間的單位是微秒），所以速度的單位采用mm/ms更方便(例如，5.95 mm/ms 和3.23 mm/ms）。采用這些單位并根據上面的公式得出波長的單位是毫米。因此，根據前面提到的頻率，其相應的縱波波長范圍是1到3毫米，橫波的波長范圍是0.6到1.6毫米。由于反射體的尺寸小于波長的一半時，反射波中會產生干涉現像，因此可檢測到的裂紋的最小尺寸是波長的一半。為了檢測小尺寸缺陷，在薄壁材料中采用較高頻率的探頭，而在厚壁材料中由于頻率的增加造成波的衰減增加，因此無法采用較高頻率的探頭。對于帶角度的橫波而言，頻率給定為縱波波長的一半，則小缺陷可以得到檢測，因此常規脈沖回波的檢測非

9、常重要。在后面的章節中也能看到，對于一定尺寸和頻率的晶片產生的橫波波束擴散較少且波束強度更集中，則對缺陷尺寸的測量比縱波更加精確。2.3 脈沖回波檢測缺陷超聲波檢測通過采用超聲波束對金屬工件進行掃查實現。如果波束中斷返回探頭的晶片使其振動并產生電信號，那么金屬中的反射體就會被檢測到。為了使反射波能夠返回，波束必須以適當的角度射到反射體上，這就是所謂的鏡面反射。如果相對于超聲波束而言工件表面是傾斜的，那么探頭將接收不到反射波，從而無法檢測出工件中的缺陷。在理想的位置上，隨著傾斜角度的增加，波束返回晶片的速度成比例地快速下降。角度傾斜5度將使波幅下降約6dB，而傾斜10度以上將導致波幅完全消失。對

10、常規脈沖回波而言，選擇合適的角度檢測工件中最易出現裂紋的地方也非常重要。在實際應用中，合適的角度已經通過經驗得出。垂直的裂紋較難檢測，其原因是發射到裂紋表面的適當角度的超聲波束不易實現，而且可能需要一對探頭來檢測（雙軸技術）。在脈沖回波檢測中，反射體由起始信號的高度與某個閘門的高度相比來決定。在實踐中，這個相對簡單的概念很實用。閘門的高度取決于在校準試塊中標準反射體所得的反射波的信號幅值。但是，由于反射信號的波幅受到反射體表面粗糙度和方向的影響，了解其可能的方向非常重要。超聲波檢測不是完美的，操作者的技術和經驗很重要，因此需要對操作者進行培訓。2.4 利用脈沖回波技術檢測缺陷尺寸用脈沖回波技術

11、對缺陷進行定量取決于缺陷的尺寸和波束的擴散。（見圖2.1）。圖2.1 缺陷尺寸與波束傳播的關系假設缺陷的尺寸小于波束擴散的范圍，則在超聲波束中，缺陷的尺寸范圍與反射波的波幅成比例。這種情況下，缺陷尺寸的評定取決于具有相似范圍的標準反射體的波幅。各種校準試塊中，標準反射體包括平底孔，側壁孔或凹槽。而其精確度取決于缺陷表面的粗糙度，方向則與超聲波束有關。如果缺陷的尺寸大于波束擴散的范圍，缺陷的尺寸增大將不會影響信號的幅值，因為在波束范圍以外的缺陷不會產生反射信號。通過探頭對缺陷的掃查，以及根據波幅的變化確定缺陷的位置，則缺陷尺寸檢測完成。圖2.2所示是帶角度的橫波探頭對未熔合缺陷尺寸的檢測。當探頭

12、移動到焊縫缺陷的起始處，則超聲波束有所顯示且波幅逐漸增加。一旦缺陷信號圖2.2 6dB波幅法測量缺陷尺寸填滿波束，則波幅保持不變，直到波束達到缺陷的另一端，此時波幅開始下降。以上分析稱為距離波幅修正，在此假設的范圍內波幅保持不變。通過缺陷的最大波幅軌跡稱為動態回波軌跡，如圖2.2下面的圖所示。假設信號幅值的一半是最大信號處，則只有一半的缺陷在超聲波束范圍內，且探頭的中心與缺陷的邊緣相對應。因此，如果探頭在波幅減小6dB的位置做出了標記，則缺陷的尺寸可以測量出來。如果探頭在兩個半波的位置間距是x毫米，則缺陷的寬度w為w = xcos(q)，q是波束中心與探頭所在位置的金屬表面的夾角。缺陷的高度h

13、是h = xcos(q)sin(q)。為了確定沿焊縫方向缺陷的長度，探頭必須沿焊縫方向平行移動，得出最大波幅處以及波幅減少了6dB處。這兩個波幅之間的距離就是缺陷的長度。因此由于缺陷表面不可能和常規超聲波束一樣平滑，表面散射的粗糙度不同，則波幅降低6dB的波幅值也不同。根據第五屆超聲脈沖回波檢測焊縫協會國際會議的IIS/IIW - 580 86文件，下表列出了一些典型的能被檢測出的缺陷的最小尺寸。缺陷位置厚度長度最小尺寸, mm精度, + 或 - mm 最小長度, mm精度, + 或 - mm 表面附近, 0-5 mm 深 3 3 4 5壁中部, mm5-25334425-75337775-125551010底部, mm10-25444425-75447775-1255510102.5 對比不同技術對缺陷尺寸定量精度的不同其他技術也可進行缺陷尺寸定量。對于表面開口缺陷，如果能夠接近表面，則ACPD是一種精度高的技術。當探頭放置在缺陷的任一面，ACPD技術通過測