1、TOFD技術原理及應用介紹匯編TOFD技術概念技術概念 TOFD技術技術,即即Time of flight diffraction technique,超聲波衍超聲波衍射時差檢測技術射時差檢測技術 概念：概念：一種依靠超聲波與缺陷端部相互作用發出的衍射波來檢出一種依靠超聲波與缺陷端部相互作用發出的衍射波來檢出缺陷并對缺陷進行定量的檢測技術缺陷并對缺陷進行定量的檢測技術 發展條件：發展條件：因其原理與傳統檢測方式有很多不同，彌補了傳統方法因其原理與傳統檢測方式有很多不同，彌補了傳統方法的不足之處的不足之處TOFD發展及應用背景1. TOFD(Time of Flight Diffraction)

2、即衍射時差法是由上個即衍射時差法是由上個世紀七十年代由國際原子能中心的（英國哈韋爾原子能世紀七十年代由國際原子能中心的（英國哈韋爾原子能權威人士）提議下發展而來。權威人士）提議下發展而來。2. TOFD最初的發展僅僅是作為定量工具，最初的想法是：最初的發展僅僅是作為定量工具，最初的想法是：使用常規技術探測到缺陷后使用使用常規技術探測到缺陷后使用TOFD進行精確的定量和進行精確的定量和監測在線設備裂紋的擴展（例如檢測壓力容器）。監測在線設備裂紋的擴展（例如檢測壓力容器）。TOFD發展及應用背景3. 很多年以來很多年以來TOFD一直在實驗室里，各國做過大量實驗直一直在實驗室里，各國做過大量實驗直到

3、八十年代才為業界所認同；在這些實驗中，用事實證明到八十年代才為業界所認同；在這些實驗中，用事實證明了了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技術。在可靠性和精度方面都是非常好的技術。4. 利用利用TOFD技術探傷沿焊縫進行掃查基本能發現焊縫所有技術探傷沿焊縫進行掃查基本能發現焊縫所有缺陷，收集掃查數據實時形成缺陷，收集掃查數據實時形成B掃或掃或D掃圖像比單純看掃圖像比單純看A掃掃更容易判斷缺陷的尺寸和性質。更容易判斷缺陷的尺寸和性質。TOFD 認可 TOFD 已經得到已經得到ASTM E2373-04，ASME VIII Code 2235， CEN ENV 583-6 (202X)， BS

4、7706 (202X)等標準等標準的認可。的認可。 TOFD 對于判定缺陷的真實性和精確定對于判定缺陷的真實性和精確定量上十分有效。量上十分有效。 TOFD 可以和脈沖反射法相互取長補短。可以和脈沖反射法相互取長補短。 例如，例如， 檢出焊縫中部的缺陷，判斷缺陷檢出焊縫中部的缺陷，判斷缺陷是否向表面延伸等就是它的強項。是否向表面延伸等就是它的強項。TOFD原理1.波形衍射波形衍射當超聲波作用于一條長裂紋缺陷時，在裂紋縫隙產生衍射，當超聲波作用于一條長裂紋缺陷時，在裂紋縫隙產生衍射，另外在裂紋表面還會產生反射。另外在裂紋表面還會產生反射。TOFD就是利用聲束在裂紋兩個端點或端角產生的衍射波來就是

5、利用聲束在裂紋兩個端點或端角產生的衍射波來對缺陷進行定位定量。對缺陷進行定位定量。探頭入射波反射波衍射波被測工件探頭入射波反射波反射波衍射波被測工件t 由于衍射波能量由于衍射波能量遠遠低于反射波能遠遠低于反射波能量量,因此采用單探頭因此采用單探頭作作TOFD檢測時衍射檢測時衍射信號被反射波掩蓋信號被反射波掩蓋難以觀察難以觀察,因此單探因此單探頭掃查方式頭掃查方式,不適合不適合高效的高效的TOFD檢測檢測反射波衍射波探頭入射波反射波衍射波被測工件探頭 雙探頭陣列雙探頭陣列,將接收探頭置于焊縫另一側將接收探頭置于焊縫另一側,有效的保有效的保證了衍射波的接收證了衍射波的接收,而反射信號而反射信號,基

6、本上是不被接收的基本上是不被接收的,而而衍射波沒有明顯的指向性，可以輕易的被接收探頭接衍射波沒有明顯的指向性，可以輕易的被接收探頭接收，從而在屏幕上顯示出比較純粹的衍射信號收，從而在屏幕上顯示出比較純粹的衍射信號. 為了使衍射信號更好的被接收到為了使衍射信號更好的被接收到,兩只探頭的技術兩只探頭的技術參數應盡量一致參數應盡量一致,如探頭頻率和角度等如探頭頻率和角度等.2.探頭的選擇有效覆蓋區 檢測通常采用小晶片，檢測通常采用小晶片，大擴散角，寬頻帶的縱波探頭。大擴散角，寬頻帶的縱波探頭。 晶片一般采用復合壓電晶片，晶片一般采用復合壓電晶片，有效提高發射和接收靈敏度有效提高發射和接收靈敏度,且直

7、且直徑一般不超徑一般不超25mm。 不同工件厚度需要不同的探頭不同工件厚度需要不同的探頭角度，因此探頭與楔塊采用分離角度，因此探頭與楔塊采用分離方法，可根據不同的需要，更換方法，可根據不同的需要，更換不同的楔塊。不同的楔塊。復合壓電晶片復合壓電晶片優點優點:1.橫向振動很弱橫向振動很弱,串擾聲壓小串擾聲壓小2.機械品質因子機械品質因子Q值低值低3.帶寬大帶寬大(80100%)4.機電耦合系數值大機電耦合系數值大5.靈敏度高靈敏度高,信噪比優于普通信噪比優于普通PZT探頭探頭6.在較大溫度范圍內特性穩定在較大溫度范圍內特性穩定7.可加工形狀復雜的探頭可加工形狀復雜的探頭8.易與聲阻抗不同的材料匹

8、配易與聲阻抗不同的材料匹配9.可通過陶瓷體積率的變化可通過陶瓷體積率的變化,調節超聲波靈敏度調節超聲波靈敏度關鍵詞關鍵詞.TOFD(time of flight diffraction) 超聲波衍射時差法超聲波衍射時差法,是采用一發一收兩只探頭是采用一發一收兩只探頭,利用缺陷端點處的衍射利用缺陷端點處的衍射信號探測和測定缺陷尺寸的一種自動超聲檢測方法信號探測和測定缺陷尺寸的一種自動超聲檢測方法.直通波直通波(lateral wave)直通波是從發射探頭發出沿工件以最短路徑到達接收探頭的波束直通波是從發射探頭發出沿工件以最短路徑到達接收探頭的波束 .底面反射底面反射波波(back wall ec

9、ho)經底面反射到接收探頭的超聲波經底面反射到接收探頭的超聲波.探頭中心間距探頭中心間距(probe centre separation)發射和接收探頭入射點之間的直線距離發射和接收探頭入射點之間的直線距離 2/3T探頭間距的設定探頭間距的設定,基本遵循兩探頭主聲軸交叉于被測區域厚度的基本遵循兩探頭主聲軸交叉于被測區域厚度的2/3處處,計算公式如下計算公式如下:PCS=(4/3)T tanPCS-探頭中心間距探頭中心間距 T被檢區域厚度被檢區域厚度 -探頭折射角探頭折射角探頭角度與頻率的選擇探頭角度與頻率的選擇工件厚度工件厚度mm中心頻率中心頻率MHzzz 探頭角度探頭角度晶片尺寸晶片尺寸mm

10、1010-1550-702-610-305-1050-602-630-702-545-606-12 由上表可知再進行由上表可知再進行TOFD檢測時，薄壁工件應選擇檢測時，薄壁工件應選擇高頻小晶片大角度探頭，而厚壁工件應選用低頻大晶片小高頻小晶片大角度探頭，而厚壁工件應選用低頻大晶片小角度探頭角度探頭發射探頭發射探頭接收探頭接收探頭被測工件TOFD掃查焊縫掃查焊縫形成的A掃脈沖圖像直通波直通波上端點上端點下端點下端點底波3. 波形的相位關系波形的相位關系當超聲波束由一個高阻抗的介質傳播到一個低阻抗介質中時，當超聲波束由一個高阻抗的介質傳播到一個低阻抗介質中時，在界面經過反射后波束相位發生改變，如

11、果波束在遇到界面前在界面經過反射后波束相位發生改變，如果波束在遇到界面前是負向周期則在界面反射后轉變為正向周期。是負向周期則在界面反射后轉變為正向周期。發射探頭發射探頭接收探頭接收探頭如下圖，波束經過上端點和底面時，在異質界面反射和相位發如下圖，波束經過上端點和底面時，在異質界面反射和相位發生轉變，因此波形相位相似。而波束經過下端點時相當于波束生轉變，因此波形相位相似。而波束經過下端點時相當于波束在底缺陷底部環繞，相位不發生轉變與直通波相位相似。在底缺陷底部環繞，相位不發生轉變與直通波相位相似。根據理論和實驗證明，如果兩個衍射信號的相位相反，則在兩個信號間一定存在一個連根據理論和實驗證明，如果

12、兩個衍射信號的相位相反，則在兩個信號間一定存在一個連續不間斷的缺陷。因此識別相位變化對于評定缺陷尺寸非常重要。利用上、下端點的時續不間斷的缺陷。因此識別相位變化對于評定缺陷尺寸非常重要。利用上、下端點的時間差來計算缺陷深度和自身高度是間差來計算缺陷深度和自身高度是TOFD探傷最重要的部分探傷最重要的部分*注在一些特殊情況下，例如氣孔，小夾渣之類的缺陷由于幾何尺寸太小不會產生兩個分離的端點信號+_+_ss4. 深度計算公式深度計算公式ht如上圖所示，兩探頭的信號是對稱的，則如上圖所示，兩探頭的信號是對稱的，則在兩探頭之間的信號時間在兩探頭之間的信號時間 t 可以用下式計算可以用下式計算s兩探頭中

13、心距的一半h=反射信號的深度c=聲速由于時間可以由儀器自行測出，由于時間可以由儀器自行測出，因此由左式可計算出缺陷深度因此由左式可計算出缺陷深度SSh1h2h5.缺陷自身高度計算缺陷自身高度計算根據剛才的公式，計算出缺陷的上端點深度和下端點深度根據剛才的公式，計算出缺陷的上端點深度和下端點深度兩者之差即為缺陷自身高度，如下式兩者之差即為缺陷自身高度，如下式h=h1-h2h1=上端點深度上端點深度 h2=下端點深度下端點深度TOFD掃描成像掃描成像發射探頭發射探頭接收探頭接收探頭TOFD的成像并非是缺陷的實際圖像顯示，而是通過掃查時探頭所接收到的的成像并非是缺陷的實際圖像顯示，而是通過掃查時探頭

14、所接收到的A掃掃圖形轉換為黑白兩色的灰度圖，為了能有更清晰的圖像因些要求至少圖形轉換為黑白兩色的灰度圖，為了能有更清晰的圖像因些要求至少256級級的灰度分辨率的灰度分辨率100%0%100%利用灰階度來表示振幅，當回波處于0位時用中間灰色表示，當波形向正半周變化時向100%灰度（白色）漸變，當波形向負正半周變化時向-100%灰度（黑色）漸變A掃圖像掃圖像D掃圖像掃圖像直通波直通波上端點上端點下端點下端點底波底波+_+_TOFD掃查模式 平行掃查平行掃查:又稱橫向掃查又稱橫向掃查,是指掃查方向與超聲波束方向是平是指掃查方向與超聲波束方向是平行的行的,掃查結果稱為掃查結果稱為B-scan,所得結果

15、主要是軸和軸方所得結果主要是軸和軸方向值該掃查方法能為我們提供很準確的深度結果，但因向值該掃查方法能為我們提供很準確的深度結果，但因掃查時探頭須越過焊縫，操作起來相對煩瑣掃查時探頭須越過焊縫，操作起來相對煩瑣 非平行掃查非平行掃查:又稱縱向掃查，是指掃查方向與超聲波束方向又稱縱向掃查，是指掃查方向與超聲波束方向不平行，掃查結果稱為不平行，掃查結果稱為scan，所得結果主要是深度和，所得結果主要是深度和長度軸方向值，掃查方便，適用大范圍的焊逢檢測，一般長度軸方向值，掃查方便，適用大范圍的焊逢檢測，一般采用探頭對稱布置于焊縫中心線兩側沿焊縫長度方向掃采用探頭對稱布置于焊縫中心線兩側沿焊縫長度方向掃

16、查查左偏置非平行掃查左偏置非平行掃查 右偏置非平行掃查右偏置非平行掃查TOFD掃查模式非平行掃查時得到的掃描圖像非平行掃查時得到的掃描圖像A掃波形掃波形D掃圖像掃圖像直通波直通波底波底波有缺陷時掃描圖像有缺陷時掃描圖像A掃圖像掃圖像D掃圖像掃圖像上端點上端點下端點下端點特殊缺陷的特征特殊缺陷的特征直通波被阻斷直通波被阻斷下端點下端點底波底波特征：特征：沒有直通波沒有直通波和上端點的和上端點的信號信號1.上表面開口裂紋上表面開口裂紋當缺陷沿掃查方向有一定長度時，連續掃查得下如下當缺陷沿掃查方向有一定長度時，連續掃查得下如下D掃圖像掃圖像直通波被阻斷直通波被阻斷下端點下端點底波底波直通波斷開直通波

17、斷開只有下端點信號只有下端點信號當表面開口深度非常小時，直通波并沒有斷開，但明顯滯后當表面開口深度非常小時，直通波并沒有斷開，但明顯滯后直通波被阻斷直通波被阻斷底波底波直通波滯后直通波滯后底波被阻斷底波被阻斷上端點上端點底波底波2.下表面開口裂紋下表面開口裂紋特征：特征： 沒有下端點和底波沒有下端點和底波底波斷開底波斷開上端點上端點底波被阻斷底波被阻斷上端點上端點底波底波2.下表面開口裂紋下表面開口裂紋由于開口深度較小，無法完全阻當直通波，由于開口深度較小，無法完全阻當直通波，因此底波并未消失，但明顯滯后因此底波并未消失，但明顯滯后沒有下端點和底波沒有下端點和底波上端點上端點底波滯后底波滯后底

18、波底波3.短小缺陷短小缺陷在焊縫中出現短小缺陷，上下端點距離很小，在焊縫中出現短小缺陷，上下端點距離很小，因此沒有明顯區分的上下端點衍射，因此沒有明顯區分的上下端點衍射，因此會出現一個非常明顯的不規則多次振蕩信號因此會出現一個非常明顯的不規則多次振蕩信號底波底波4.近表面缺陷近表面缺陷在近表面發現的缺陷，由于與直通波距離近，在近表面發現的缺陷，由于與直通波距離近，因此上端點與直通波疊加在一起難以區分。因此上端點與直通波疊加在一起難以區分。5. 單個氣孔單個氣孔由于幾何尺寸小，因此沒有明顯分離的上下端點回波，由于幾何尺寸小，因此沒有明顯分離的上下端點回波，形成一個獨立的小月牙狀，相位無法分辨形成

19、一個獨立的小月牙狀，相位無法分辨,受擴散聲束影響比較大受擴散聲束影響比較大,會有較長的弧形拖尾會有較長的弧形拖尾.擴散聲束對圖像的影響擴散聲束對圖像的影響A掃圖像掃圖像D掃圖像掃圖像由于擴散聲束作用于缺陷上時同樣會產生衍射信號使得缺陷形兩端成由于擴散聲束作用于缺陷上時同樣會產生衍射信號使得缺陷形兩端成的圖像上有明顯的弧形拖尾因此對缺陷長度的判定造成困難的圖像上有明顯的弧形拖尾因此對缺陷長度的判定造成困難，因此為了對缺陷長度精確定位需要對圖像重新聚焦。，因此為了對缺陷長度精確定位需要對圖像重新聚焦。合成孔徑聚焦技術（合成孔徑聚焦技術（ SAFT）的應用）的應用關鍵詞：關鍵詞：Synthetic

20、Aperture Focusing TechniqueSAFT算法最早被應用于雷達技術，來提高雷達圖像的橫向分算法最早被應用于雷達技術，來提高雷達圖像的橫向分辨率。該算法是一種很有前景的高級成像方法，它可以用辨率。該算法是一種很有前景的高級成像方法，它可以用低指向性的信號源和較低的工作頻率來獲得很高的方位分低指向性的信號源和較低的工作頻率來獲得很高的方位分辨率。該算法在超聲相控陣領域中得到了應用。但是，將辨率。該算法在超聲相控陣領域中得到了應用。但是，將該技術應用到超聲該技術應用到超聲TOFD法檢測中還未見諸報道。我公法檢測中還未見諸報道。我公司根據超聲司根據超聲TOFD法掃描圖像的形成過程，

21、探頭和缺陷法掃描圖像的形成過程，探頭和缺陷位置的幾何關系，建立了超聲位置的幾何關系，建立了超聲TOFD 掃描圖像掃描圖像SAFT算算法數學模型，實現圖像的法數學模型，實現圖像的SAFT重建。重建。SAFT處理前后的對比處理前后的對比經過經過SAFT處理后能夠有效的消除圖像上擴散聲束所形成的影像從而使得成像后的圖形更清處理后能夠有效的消除圖像上擴散聲束所形成的影像從而使得成像后的圖形更清晰，還原缺陷真實反映晰，還原缺陷真實反映SAFT處理前后的對比處理前后的對比缺陷位置的偏差發射探頭接收探頭SSt2t1相等時間的軌跡相等時間的軌跡(t1+t2=ct)dmindmax實際上實際上:絕對深度的最大誤

22、差低于壁厚絕對深度的最大誤差低于壁厚8 %.內部（小）缺陷的高度估計誤差是可以忽略的內部（小）缺陷的高度估計誤差是可以忽略的 。 在不同深度的情況下，始終存在一條時間軌跡曲線，該曲線上任意一點距離兩只探在不同深度的情況下，始終存在一條時間軌跡曲線，該曲線上任意一點距離兩只探頭的的傳播時間相等，由于頭的的傳播時間相等，由于TOFD計算深度時始終認為缺陷是存在于兩只探頭間距的中心，因計算深度時始終認為缺陷是存在于兩只探頭間距的中心，因此在實際缺陷形成的位置偏離焊縫中心時，計算出的深度結果會與實際深度產生一定的誤差。此在實際缺陷形成的位置偏離焊縫中心時，計算出的深度結果會與實際深度產生一定的誤差。平行掃查上表面上表面底波底波B掃掃這種掃查會產生典型的這種掃查會產生典型的 反向拋物線反向拋物線平行掃查時，擴散聲束作平行掃查時，擴散聲束作用于缺陷時的衍射信號傳用于缺陷時的衍射信號傳播時間較長，而當缺陷位播時間較長，而當缺陷位于主聲束中心時即當探頭于主聲束中心時即當探頭相對于缺陷處于對稱位置相對于缺陷處于對稱位置時，傳播時間最短時，傳播時間最短