TOFD数据分析-肖雄

1TOFD检测数据分析江苏中宇检测有限公司[e-mail]13770785878肖雄大纲1、数据评定2、影响检测数据的因素3、缺陷信号特征4、横向缺陷21、数据评定3合格的图像数据评定时需要注意的因素：1）数据的有效性2）直通波、底波、变形波等3）灵敏度及声束分布均匀性4）数据长度及覆盖5）分区设置及覆盖6）时间窗口的设置7）检测分辨率（频率、滤波、平均、信噪比等）8）缺陷信号的识别41、数据的有效性NB/T47013.10-7.1条a）A扫描时间窗口设置符合5.10的要求；b）采集的数据量满足所检测焊缝长度的要求；c）每一检测数据中的A扫描信号丢失量不得超过总量的5%，且相邻A扫描信号连续丢失长度不超过表4规定的扫查步进最大值的两倍；缺陷部位的A扫描信号丢失不得影响缺陷的评定；5d）信号波幅改变量及信号连续性满足6.5.4的规定；6.5.4扫查过程中应密切注意波幅状况，若发现直通波、底面反射波、材料晶粒噪声或波型转换波的波幅降低12dB以上或怀疑耦合不好时，应重新扫查整段区域；若发现直通波满屏或晶粒噪声波幅超过满屏高20％时，则应降低增益并重新扫查。(注意与9.6条的区别)e）直通波、底面反射波无明显非缺陷引起的突变且较为平直。6F)各通道灵敏度应满足5.11要求；G)信噪比应满足4.2.1.3.3.6要求；4.2.1.3.3.6采用本部分规定的对比试块时，在合适的检测设置下能使检测区域范围内的反射体衍射信号幅度达到满屏的50%，并有8dB以上的信噪比。5.2.3该探头声束在所检测深度范围内相对声束轴线处的声压幅值下降不应超过12dB.78合格的图像9有数据丢失10直通波不连续，有丢失数据另图11不合格图像1213信噪比不足14灵敏度不足15灵敏度不足、噪声过大、数据丢失16电子噪声过大17低频成份太多外内改滤波ASMEBPVCV的一些示例18增益太高19增益太低20直通波前时间窗口太大21没有直通波22时间窗口太大23探头距离变大24探头距离变近25电子干扰TOFD图像应根据下列特征来综合分析1)直通波（相位、周期、走向）262)、灵敏度（信噪比），要求能看到小的点状信号3)、声场的分布，5.2.3条探头声束在所检测深度范围内相对声束轴线处的声压幅值下降不应超过12dB。4)、缺陷信号的识别，区别上下端点的信号信号特征。5)、非缺陷信号的识别，包括错边、不等厚、堆焊层、母材缺陷、脉冲重复频率干扰、外来的电子噪声等2728母材中的偏析29母材中的偏析脉冲重复频率的干扰信号脉冲重复频率PRF：单位时间内仪器给探头激发超声波的电脉冲，一般以每秒钟激发几百至几千次电脉冲，有些机器甚至能达到几万次，单位为Hz，如5000Hz。激发的电脉冲一般是单极性或双极性的方波信号。PRF越高，扫查速度可以做得越快。对TOFD检测来讲，PRF过高会产生一些干扰信号。对低频信号影响更为严重。3031脉冲重复频率的干扰信号（7MHz低通）32脉冲重复频率的干扰信号（5MHz带通）33T230mm加氢反应器扫查图像2、影响检测数据的因素1)、工艺参数的影响。工艺参数要考虑到缺陷的检出率、缺陷的分辨率、被检区域的覆盖、盲区的大小、标准的适用性，检测结果的准确性等。2)、仪器参数的影响。包括滤波、平均、脉冲重复频率、脉冲宽度等。3)、探头的影响。实际探头发射的声束分布与理论计算存在很大的差异。探头频谱是一个宽带的，理论一般都是以单一频率来计算的。4)、缺陷的形态的影响。缺陷的走向、形状、位置对不同角度的超声波响应不一样。5)、工件的影响。工件的平整度、曲率、晶粒大小等都会影响超声波的传输。34352.1工艺参数的影响基本原则：能用高频不用低频，能用小PCS不用大PCS（缺陷分辨率高、检测面盲区小）探头频率高→扩散角小(指向性好)→缺陷分辨率高→检测面盲区小→检测区域小PCS小→检测面盲区小→缺陷深度分辨率高→检测区域小→底面盲区大（图例）常用的探头7.5Mφ3、5Mφ6、3.5Mφ8、2.5Mφ12常用的楔块70°、60°、55°、45°5Mφ6可检测的范围20~100+mm362.2探头超声波声场特征了解TOFD检测时声场分布情况(接收探头接收的纵波信号)，如下图。CIVA软件仿真的TOFD声场的纵波声压分布37在声束截面的声压分布及声压曲线38声场的仿真TOFD探头发射信号的仿真394041了解衍射信号与反射信号产生的条件。1.衍射和反射都是波的固有现象2.衍射(Diffraction)又称为绕射，光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射的现象。如果采用单色平行光，则衍射后将产生干涉结果。相干波在空间某处相遇后，因位相不同，相互之间产生干涉作用，引起相互加强或减弱的物理现象。3.在波的行进路线上障碍物大小大于波长则表现为反射,小于波长则表现为绕射。4.衍射信号主要产生在缺陷的边缘部位(宏观现象)。5.衍射信号强度与反射体大小无关，主要与入射角度有关。6.反射信号与反射体大小和晶片大小有关。利用软件仿真TOFD纵波声场4210Mφ3探头不同角度对比10Mφ3-T40-7010Mφ3-T40-6010Mφ3-T40-5510Mφ3-T40-45435Mφ10探头不同角度对比5Mφ10-T80-705Mφ10-T80-605Mφ10-T80-455Mφ10-T80-55445Mφ6探头不同角度对比5Mφ6-T80-705Mφ6-T80-605Mφ6-T80-555Mφ6-T80-45452.5Mφ10探头不同角度对比2.5Mφ10-T80-702.5Mφ10-T80-602.5Mφ10-T80-452.5Mφ10-T80-5546200mm壁厚不同探头比较5Mφ10-T200-605Mφ10-T200-452.5Mφ10-T200-455Mφ8-T200-4547同频率不同尺寸探头比较5Mφ10-T80-605Mφ6-T80-605Mφ3-T40-602.3TOFD探头及楔块的影响1、探头的频率、扩散角都是指其理论值，都是根据探头的标称频率来计算的，实际探头频率会存在误差，探头频率有一定的带宽，标称频率是指其中心频率。不同频率的超声波在钢中衰减系数不同，频率越高衰减系数越大。48假设不同频率超声波在某钢工件中材质衰减系数为下表，超声波经过的声程为300mm49频率MHz衰减系数衰减量7.535dB/m10.5dB520dB/m6dB2.510dB/m3dB50探头的频谱衰减1衰减22、理论计算也没有考虑工件及楔块材质的衰减，实际上材质的衰减这一过程等效于探头频率降低。通俗的说板厚越厚(声程越大)探头接收到的回波信号频率(中心频率)就会越低。考虑一下：如果设置滤波参数会有什么变化？5152-6dB带宽：3.32~8.20MHz中心频率：5.76MHz带宽：84.75%，测试板厚25mm53-6dB带宽：3.13~7.81MHz中心频率：5.47MHz带宽：85.71%,测试板厚40mm54-6dB带宽：1.17~6.05MHz中心频率：3.61MHz带宽：135.14%,测试板厚110mm55扩散角与频率的关系探头声束扩散角与频率的关系与探头声束能量分布关系类似，中心声束频率高，偏转角度越大，频率越低。频率越高，扩散角越小；频率越低，扩散角越大。频率越高，材质衰减越大；频率越低，材质衰减越小。56不同频率探头比较7.5Mφ6-T80-605Mφ6-T80-602.5Mφ6-T80-6057不同频率检测效果对比不同频率对图像的影响582.25Mφ1245°探头5Mφ1045°探头5960楔块声速比较上面为有机玻璃楔块（2730m/s)底面为聚苯乙烯楔块（2330m/s)5Mφ6-T80-605Mφ6-T80-555Mφ6-T80-4561不同声速楔块对扩散角的影响探头参数楔块声速下扩散角上扩散角5Mφ660°2.3345.7°90°2.7346°90°5Mφ645°2.3333.7°59°2.7333.8°58.7°由上表可知，楔块声速对扩散角的影响比较小。62不同材质楔块对频率的影响泛美探头+聚苯乙烯楔块f:4.2MHzZ:11.5mm泛美探头+有机玻璃楔块f:4.0MHzZ:12.2mm国产探头+有机玻璃楔块f:3.0MHzZ:13.4mm覆盖区域理论计算与与实际的比较。63外壁内壁55mm55mm78mm理论计算的覆盖区域（仿真）5M6.3mm45°楔块的声束覆盖，工件78mm厚64T78mm，5M6mm,45°PCS125T78mm，5M6mm,45°PCS125P30mm焊缝中心线处的缺陷偏置扫查后的测量值比实际值大or小？65外壁内壁55mm55mm78mm深度非平行（未偏）左偏置右偏置缺陷位置缺陷132mm33mm33mm左中右缺陷245mm42mm49mm左中右缺陷327mm28mm26mm左中右66偏置扫查相当于平行扫查的几个点位置中左右672.4、偏置扫查的作用1、减小底面盲区2、判断缺陷水平位置图例对上表面开口缺陷进行平行扫查68中69左70右713、缺陷信号特征对于面状缺陷尖端的衍射信号，根据TOFD声场分布情况，一般中中心声束交叉点以上的缺陷，缺陷下尖端信号会大于上尖端信号。对于较大的体积缺陷的端点信号，由于反射信号的存在，也有可能上端点信号会大于下端点信号。但一些体积较小的缺陷图像看上去可能相反，如气孔。注意那些条状的缺陷，通过比较波形的相位，与直通波相位相反的信号才是比较危险的缺陷（有高度）。裂纹723.1根据信号波幅判断声束焦点位置主声束角度以上，衍射信号大于反射信号，主声束以下，衍射信号小于反射信号(见右侧A扫信号)。试块横孔Φ3.2，深度分别为11、33、44、66mm。733.2零点校准方法上下端点相位相反的规律需要在信号波幅相差不大的情况下观察。上下表面信号相位相反，有时比较难区分，是因为下表面反射信号比直通波信号高20多dB，造成下表面信号周期数的增加。对于0点的校准，下面两种校准方法比较常用。1.起始0相位位置742.第一个波峰（或波谷）位置753.3点状信号点状缺陷的信号76点状缺陷的信号77点状缺陷的信号78一些气孔信号与直通波信号更相似，主要由于气孔上下端点信号的叠加，如下图。792020.260°例：5M探头5M探头周期0.2usL1L2L1=40mmL2=40.4mm2L2-2L1=0.8mm△t=0.8/5.9=0.14us80信号叠加的效果813.4根据底波识别焊缝表面状况X型坡口手工焊V型坡口手工焊82X坡口自动焊余高磨平X坡口自动焊余高未磨平83复合板X型坡口焊缝X型坡口自动焊余高过大844、缺陷信号分类按信号特征分类：表面开口缺陷和埋藏缺陷表面开口缺陷：上表面开口、下表面开口和贯穿型缺陷埋藏缺陷：点状、没有自身高度的缺陷、有自身高度的缺陷。检测结果评级依据：缺陷类型和位置、长度、高度。TOFD并没有要求确定缺陷性质。根据缺陷上下端点的相位关系是缺陷定量定性的重要方法。854.1上表面开口缺陷信号特征直通波消失或下沉←→上表面开口仅有下尖端衍射信号862112878889对上表面开口缺陷进行平行扫查904.2下表面开口缺陷的特征底面反射波消失或下沉←→下表面开口仅有上尖端衍射信号底面开口缺陷中间的埋藏缺陷9192工件厚度32mm，底面开口缺陷（裂纹）高度5mm9394下表面矩形槽(6mm)板厚32mm95下表面弧形开口缺陷(2mm)板厚40mm96下表面弧形开口缺陷(4mm)板厚40mm97下表面弧形开口缺陷(10mm)板厚40mm98下表面弧形开口缺陷(8mm)板厚18mm99上表面弧形开口缺陷(8mm)板厚18mm100底波信号示意图101磨坑图砂轮片磨槽扫查图像，缺陷部位波幅比较接近底波波幅102线切割槽图线切槽扫查图像，缺陷部位波幅较低，与底波相差20dB以上103下表面3mm深气孔104点状下表面开口下表面矩形槽1054