1、探头角度的选择
• 脉冲反射法对探头角度的选择原则：
——脉冲回波法常用横波探头，波长较短
——探头角度越大，探测声程越长，衰减也越大，厚工件不能使用大角度探头
——保证能量和穿透力的情况下，尽量选择角度大一些的探头 ，利于裂纹缺陷的检出
• TOFD检测技术
——裂纹检出与探头角度无关
——探头角度的选择应考虑：工件厚度、分辨力、深度测量精度、扫查覆盖范围
TOFD检测工艺参数选择之探头选择
1.1TOFD探头角度与工件厚度的关系
• 按照2/3T法则，检测同样厚度的工件时，探头角度大，PCS也大→声程也长
• 检测深度增加时，声程随探头角度的增加而快速增加，衰减变大
• 规律与常规脉冲回波法一致
TOFD检测工艺参数选择之探头选择
1.2 TOFD探头角度与分辨力的关系：
• TOFD信号测量精度是指测量信号达到时间的准确性，其同时影响缺陷自身高度和缺陷深度。
• （纵向）分辨力是指能够识别的两个信号到达的时间间隔或其所代表的*小距离
分辨力取决于脉冲信号的持续时间，一个脉冲信号包含几个周期，时间分辨力就是这几个周期的时间，距离分辨力就是这段时间超声波传播的距离。
• 对TOFD技术的非平行扫查，要求执行2/3T法则
• PCS=2S=（4/3）Dtanθ
• 探头角度越小，PCS也越小
• PCS越小，直通波与底面反射波的时间间隔越大
• 对同一深度、同一自身高度的缺陷： PCS越小，上、下端点的时间间隔也越大
• PCS越小，沿时间轴的信号分辨力就越高，深度测量的精度也就越高
直通波与底面波之间的时间间隔Δt计算公式 ：
例如：检测厚度40mm工件 ，探头聚焦深度在2/3T时，直通波与底面波的时间范围如表1所示，从表中可以看出在45°、60 ° 、70 °三种折射角度，以45 °探头的时间差*大，分辨力*好。
TOFD检测工艺参数选择之探头选择
表1壁厚40mm探头聚焦深度在2/3T
时直通波与底面波的时间范围
• 当工件厚度T固定时， 随着探头角度增加，探头中心距PCS也增加
• 直通波的声程2S、底面波的声程2L也分别增加
• 但直通波与底面波的时间间隔是减小的
• 随着时间间隔的减小，分辨力是降低的
• 在下面的公式中，D、c是固定的， Δt 随s的增加而减少
1.3 TOFD探头角度与扫查覆盖范围
• 波束扩散范围与探头角度、晶片尺寸、频率有关
• 检测大厚度工件时，扫查覆盖范围还与声程有关
• 在上边界角没有达到90°以前，探头的折射角越大，波束扩散范围越大
• 大多数情况下， 70°、60 °探头比45 °探头的声束覆盖范围要大，初次检测时多使用60 °~ 70°探头
如果探头的频率较低，晶片尺寸较小，使用折射角60°楔块的上边界角已达到90 °；如果这时进一步增加楔块角度到70°，波速的覆盖范围反而减小。
例如：晶片尺寸3mm，频率5MHz的探头，折射角60 °时的上、下边界角分别为90 °和35.6 °；同样晶片尺寸3mm，频率5MHz的探头，折射角70 °时的上、下边界角分别为90 °和42. °。
选择大角度探头必须注意的几个问题：
• *优的折射角度就在60 °到70 °之间。
折射角为65 °时，上**信号与下**
信号波幅均为*大
• 折射角在60 °到70 °之间时，分辨力也较好，所以一般不采用折射角大于70 ° 的探头
• 探头角度大PCS也大，对于厚工件声程变长导致信号幅度的衰减很大，使检测变得困难
1.4 TOFD探头角度导致的结果
2、探头频率的选择
• 探头脉冲信号持续时间越短，分辨力越高
• 持续时间=周期数×周期
• 信号震动周期数相同的情况下，信号频率高，持续时间越短。
• TOFD技术要求采用短脉冲探头，使信号振动周期一般不超过两个，常见1.5个，注意不要拖尾缩短信号持续时间的有效措施就是提高频率
TOFD检测工艺参数选择之探头选择
• 在TOFD检测中，要求直通波与底面波的时间间隔远远大于信号周期
• 在表1中，使用60 ° 探头检测40mm工件，直通波与底面波之间的时间间隔是5 μs
• 对于1MHz探头，一个振动周期的时间是1μs，直通波与底面波的时间间隔只有5个振动周期
• 对于5MHz探头，一个振动周期的时间是0.2μs，直通波与底面波之间的时间间隔有25个振动周期，能够达到满意的效果
• 直通波与底面反射波之间的时间间隔包含的信号周期数越多，深度分辨力就越高
• 要获得高分辨力*好要达到30周期
• 实际应用中，一般希望达到20周期
• 通过增加频率可以很容易增加周期数
• 频率增加时，衰减和噪声随之增加，波束扩散也将减小
• 表3 聚焦不同深度的直通波与底面波之间的周期数（50度的探头）
按照周期数要求，根据表3选择探头的频率：
• 对厚度＜10mm的工件，应选择频率＞20MHz
• 厚度在10~25mm之间时，应选择频率15~7.5MHz
• 实际检测中并不使用这么高的频率
• 下表为NB47013.10标准推荐值
TOFD检测工艺参数选择之探头选择
NB47013.10表平板对接焊接接头的探头选择
表5 频率变化导致的结果
3、晶片尺寸的选择
• 晶片尺寸小的探头可增**束扩散角
• 减小晶片尺寸可获得大的覆盖区域
• 晶片尺寸小有利于与工件接触。在大曲率薄工件中，小晶片探头的使用效果更好一些，如管道焊缝的检测
• 小晶片发出的超声脉冲能量小，仅适用于薄工件或厚壁焊缝*上一层扫查区的检测
表7 探头晶片尺寸变化导致的结果
4、探头选择小结
• TOFD检测用探头应该是宽频带和短脉冲
• 直通波的脉冲长度以波幅10%测量应不超过2个周期
• 探头选择的主要参数是：频率、晶片尺寸、折射角
• 首要条件是获得足够的功率和信噪比，即选择较大的晶片尺寸和较低的频率
• 次要条件是声束覆盖和时间分辨力应满足要求
• 选择探头频率的准则是直通波和底面波信号的时间窗口应达到20个信号周期
• 薄工件检测时，分辨力要求高而穿透力要求低，选用大角度、高频率、小尺寸晶片；厚工件与之相反
• 对粗晶材料选用低频探头
• 对大曲率工件，应选择小晶片尺寸
• 如欲提高检测效率，获得更大的波束覆盖范围，应选择低频、小晶片尺寸探头
• 如欲获得更高的检测精度和深度分辨力，应选择高频率、小角度、更短的脉冲
• 同一组TOFD探头，一般都选择相同的频率、晶片尺寸、折射角
• 同一组探头，*重要的是保证两个探头的中心频率相同，其差值应在10%以内
TOFD检测工艺参数选择之探头选择