1、探頭角度的選擇
? 脈沖反射法對探頭角度的選擇原則：
——脈沖回波法常用橫波探頭，波長較短
——探頭角度越大，探測聲程越長，衰減也越大，厚工件不能使用大角度探頭
——保證能量和穿透力的情況下，盡量選擇角度大一些的探頭 ，利于裂紋缺陷的檢出
? TOFD檢測技術
——裂紋檢出與探頭角度無關
——探頭角度的選擇應考慮：工件厚度、分辨力、深度測量精度、掃查覆蓋范圍
TOFD檢測工藝參數選擇之探頭選擇
1.1TOFD探頭角度與工件厚度的關系
? 按照2/3T法則，檢測同樣厚度的工件時，探頭角度大，PCS也大→聲程也長
? 檢測深度增加時，聲程隨探頭角度的增加而快速增加，衰減變大
? 規律與常規脈沖回波法一致
TOFD檢測工藝參數選擇之探頭選擇
1.2 TOFD探頭角度與分辨力的關系：
? TOFD信號測量精度是指測量信號達到時間的準確性，其同時影響缺陷自身高度和缺陷深度。
? （縱向）分辨力是指能夠識別的兩個信號到達的時間間隔或其所代表的*小距離
分辨力取決于脈沖信號的持續時間，一個脈沖信號包含幾個周期，時間分辨力就是這幾個周期的時間，距離分辨力就是這段時間超聲波傳播的距離。
? 對TOFD技術的非平行掃查，要求執行2/3T法則
? PCS=2S=（4/3）Dtanθ
? 探頭角度越小，PCS也越小
? PCS越小，直通波與底面反射波的時間間隔越大
? 對同一深度、同一自身高度的缺陷： PCS越小，上、下端點的時間間隔也越大
? PCS越小，沿時間軸的信號分辨力就越高，深度測量的精度也就越高
直通波與底面波之間的時間間隔Δt計算公式 ：
例如：檢測厚度40mm工件 ，探頭聚焦深度在2/3T時，直通波與底面波的時間范圍如表1所示，從表中可以看出在45°、60 ° 、70 °三種折射角度，以45 °探頭的時間差*大，分辨力*好。
TOFD檢測工藝參數選擇之探頭選擇
表1壁厚40mm探頭聚焦深度在2/3T
時直通波與底面波的時間范圍
? 當工件厚度T固定時， 隨著探頭角度增加，探頭中心距PCS也增加
? 直通波的聲程2S、底面波的聲程2L也分別增加
? 但直通波與底面波的時間間隔是減小的
? 隨著時間間隔的減小，分辨力是降低的
? 在下面的公式中，D、c是固定的， Δt 隨s的增加而減少
1.3 TOFD探頭角度與掃查覆蓋范圍
? 波束擴散范圍與探頭角度、晶片尺寸、頻率有關
? 檢測大厚度工件時，掃查覆蓋范圍還與聲程有關
? 在上邊界角沒有達到90°以前，探頭的折射角越大，波束擴散范圍越大
? 大多數情況下， 70°、60 °探頭比45 °探頭的聲束覆蓋范圍要大，初次檢測時多使用60 °~ 70°探頭
如果探頭的頻率較低，晶片尺寸較小，使用折射角60°楔塊的上邊界角已達到90 °；如果這時進一步增加楔塊角度到70°，波速的覆蓋范圍反而減小。
例如：晶片尺寸3mm，頻率5MHz的探頭，折射角60 °時的上、下邊界角分別為90 °和35.6 °；同樣晶片尺寸3mm，頻率5MHz的探頭，折射角70 °時的上、下邊界角分別為90 °和42. °。
選擇大角度探頭必須注意的幾個問題：
? *優的折射角度就在60 °到70 °之間。
折射角為65 °時，上**信號與下**
信號波幅均為*大
? 折射角在60 °到70 °之間時，分辨力也較好，所以一般不采用折射角大于70 ° 的探頭
? 探頭角度大PCS也大，對于厚工件聲程變長導致信號幅度的衰減很大，使檢測變得困難
1.4 TOFD探頭角度導致的結果
2、探頭頻率的選擇
? 探頭脈沖信號持續時間越短，分辨力越高
? 持續時間=周期數×周期
? 信號震動周期數相同的情況下，信號頻率高，持續時間越短。
? TOFD技術要求采用短脈沖探頭，使信號振動周期一般不超過兩個，常見1.5個，注意不要拖尾縮短信號持續時間的有效措施就是提高頻率
TOFD檢測工藝參數選擇之探頭選擇
? 在TOFD檢測中，要求直通波與底面波的時間間隔遠遠大于信號周期
? 在表1中，使用60 ° 探頭檢測40mm工件，直通波與底面波之間的時間間隔是5 μs
? 對于1MHz探頭，一個振動周期的時間是1μs，直通波與底面波的時間間隔只有5個振動周期
? 對于5MHz探頭，一個振動周期的時間是0.2μs，直通波與底面波之間的時間間隔有25個振動周期，能夠達到滿意的效果
? 直通波與底面反射波之間的時間間隔包含的信號周期數越多，深度分辨力就越高
? 要獲得高分辨力*好要達到30周期
? 實際應用中，一般希望達到20周期
? 通過增加頻率可以很容易增加周期數
? 頻率增加時，衰減和噪聲隨之增加，波束擴散也將減小
? 表3 聚焦不同深度的直通波與底面波之間的周期數（50度的探頭）
按照周期數要求，根據表3選擇探頭的頻率：
? 對厚度＜10mm的工件，應選擇頻率＞20MHz
? 厚度在10~25mm之間時，應選擇頻率15~7.5MHz
? 實際檢測中并不使用這么高的頻率
? 下表為NB47013.10標準推薦值
TOFD檢測工藝參數選擇之探頭選擇
NB47013.10表平板對接焊接接頭的探頭選擇
表5 頻率變化導致的結果
3、晶片尺寸的選擇
? 晶片尺寸小的探頭可增**束擴散角
? 減小晶片尺寸可獲得大的覆蓋區域
? 晶片尺寸小有利于與工件接觸。在大曲率薄工件中，小晶片探頭的使用效果更好一些，如管道焊縫的檢測
? 小晶片發出的超聲脈沖能量小，僅適用于薄工件或厚壁焊縫*上一層掃查區的檢測
表7 探頭晶片尺寸變化導致的結果
4、探頭選擇小結
? TOFD檢測用探頭應該是寬頻帶和短脈沖
? 直通波的脈沖長度以波幅10%測量應不超過2個周期
? 探頭選擇的主要參數是：頻率、晶片尺寸、折射角
? 首要條件是獲得足夠的功率和信噪比，即選擇較大的晶片尺寸和較低的頻率
? 次要條件是聲束覆蓋和時間分辨力應滿足要求
? 選擇探頭頻率的準則是直通波和底面波信號的時間窗口應達到20個信號周期
? 薄工件檢測時，分辨力要求高而穿透力要求低，選用大角度、高頻率、小尺寸晶片；厚工件與之相反
? 對粗晶材料選用低頻探頭
? 對大曲率工件，應選擇小晶片尺寸
? 如欲提高檢測效率，獲得更大的波束覆蓋范圍，應選擇低頻、小晶片尺寸探頭
? 如欲獲得更高的檢測精度和深度分辨力，應選擇高頻率、小角度、更短的脈沖
? 同一組TOFD探頭，一般都選擇相同的頻率、晶片尺寸、折射角
? 同一組探頭，*重要的是保證兩個探頭的中心頻率相同，其差值應在10%以內
TOFD檢測工藝參數選擇之探頭選擇