焊缝超声波衍射时差法的研究现状

赵军伟 李亚琼

摘 要：TOFD（焊缝超声波衍射时差法）是现阶段较为新颖的一种无损超声检测技术，被广泛地应用于各类钢结构焊缝问题检测。对此本文从TOFD检测原理出发，分析与对比TOFD与其他种类的无损检测方式之间的优劣，并总结与归纳TOFD自身的优点与缺陷，阐述其具体应用状况，展望TOFD未来前景。

关键词：超声波衍射时差法 现场组焊 无损检测 压力容器

中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（b）-0086-02

钢结构最常见的连接方式就是焊接，不过受限于外在与内在因素的双重影响，焊接接头部位时常会出现焊接缺陷。焊接的缺陷会损坏钢结构整体力学性能，进而导致组织不连续问题出现。为解决钢结构组织不连续这一问题，检测者经常会利用到无损检测技术，检测与控制焊缝内部质量。

1 TOFD检测原理

TOFD法基于惠更斯原理工作，即利用衍射现象[1]。在使用这种检测技术时，当探头所发出的声波触碰到焊缝中存在的缺陷，那么超声波一方面会被缺陷部位反射，另一方面反射波则会将缺陷部位的尖端作为新的声源，向周围发射球面波或柱面波的衍射波。

从图表可知TOFD能够产生①②③④4种信号波。其中，①号波属于直通波是沿着检测物体表面传播的波型；②号波是上端衍射波；③号波是下端衍射波；④号波是底面波，即工件底部的反射波。在探头发出超声波以后，超声波会经过工件底面和缺陷上端部位，此时超声波的相位会发生转变。因此②号波与④号波的相位与波形是相同的。当超声波穿过缺陷下端时，因不存在异质界面，因此超声波相位并不会出现变化，所以①号波与③号波相位相同。事实上，TOFD更像是无数个A型脉冲现实合集[2]。

2 TOFD检测优点与局限

2.1 优点

2.1.1 检测成功率高

由于TOFD衍射波波幅并不会受到声束角影响，因此不论是任何方向的焊接接口缺陷问题都能够被及时的发现，缺陷问题检测成功率极高。此外从手劲、手工角度、时间差计算、深度测量等角度来看，TOFD相较于传统检测模式获取的深度数据也更为精准。

2.1.2 问题定位准确

结合TOFD检测原理得知，通过三角函数关系我们就能够实现缺陷位置的精准定位，缺陷部位判断公式可用表示。其中h表示上端检测距离距地面高度。Ce则表示超声波在寒风中的纵波声速。t1表示的是上顿反射波反射时间。S则表示探头之间的距离。

2.1.3 定量缺陷标准

结合TOFD检测原理得知，检测缺陷高度计算可用。其中l代表的是缺陷高度。t2代表的是下端反射波传播时间。根据研究资料描述，线性缺陷即探测物缺陷长宽比大于3或是出现面积型缺陷即未熔合、裂纹等问题。那么TOFD检测高度误差大约在1mm以内。而对于尺寸较大的裂纹缺陷，如缺陷超过3mm大小时，检测高度误差为零点几毫米。

2.2 局限性

虽然TOFD具有很多传统检测法不具备的优势和特性而深受检测人员喜爱，不过TOFD也存在一些检测弊端，如在检测几何工件等复杂工件时，就很容易出现问题，必须制定相应的工艺才能继续检测。此外还有在检测点状缺陷时尺寸测量也并不够精确，在检测粗晶材料如奥氏体焊缝、横向缺陷时检测也并不准确。在检测表面材料时候很容易出现监测盲区。TOFD图像判读与识别较为困难，缺陷定性准确性较低[3]。

3 TOFD检测应用现状

3.1 容器检测应用

现阶段我国有21个锅炉压力制造单位与特种设备研究机构开展了TOFD检测技术的研究与应用工作[4]。这是因为TOFD检测能够有效辨别压力容器的危险源问题，精准判断压力容器的密封性、刚度、稳定性问题，确保压力容器的能力与质量时刻保持在高效的状态。此外TOFD配合MT、UT两种检测技术能够扫描压力容器面盲区近表面裂纹，实现压力容器的全方位质量检查。

3.2 工业管道检测应用

工业管道经常需要输送有毒、易爆、易燃、高压、高温的液体与气体。一旦发生管道泄漏，那么这些液体与气体将严重危害人类的生存环境，进而造成生态环境破坏。对此我们就必须加强工业管道的质量管理，而在工业管道质量中，除了管道自身的质量要求以外，管道接头的焊接质量也予以足够的保障。TOFD在改造扫查架以后，能够实现小直径闭关无损检测。此外如厄瓜多尔辛克雷水电站便利用了TOFD检测方式，对其压力钢管进行了全方位检测。也因此厄瓜多尔辛克雷水电站才会有如此的质量，被当地人称为中国人带来的工程奇迹。

4 结语

TOFD作为一种较为新颖且功能全面的无损检测手段，其凭借着传统检测方式所不具备的特性，被越来越多的焊缝处理工作者及检测人员所使用与接纳。当然为了加强TOFD的推广与应用，我们就必须尽快克服TOFD的使用局限性。我们除了要加强TOFD理论知识的深入研究外，还要加快TOFD检测方式的创新改革，从而提高其检测精度。当前国内在TOFD的研究仍存有不足和缺陷，需要广大研究者与检测者将其健全。相信在這项技术越来越成熟的同时，TOFD在我国的应用也会越来越广泛。

参考文献

[1] 迟大钊，齐聪成.国内焊接缺陷声学无损检测研究综述[J].精密成形工程，2018（1）：74-81.

[2] 汪慈高.超声TOFD图像缺陷检测配准方法研究[D].西南交通大学，2016.