TOFD检测技术应用和发展

孔明

西安三环科技开发总公司 陕西西安 710077

1 TOFD检测技术

1.1 TOFD检测技术的基本原理

TOFD检测技术使用惠更斯原理，以一对角度，频率与尺寸相同纵向倾斜探头以特定距离（即探头中心间距（PCS））放置在焊接接头的两侧。如果焊缝接头不存在缺陷，接收探头将沿着最短路径到达工件，从发射探头沿着工件接收到发射波，而只有从发射探头反射到发射探头底部的发射波。如果焊接接头存在缺陷，则接收探针还会接收在缺陷顶部和底部产生的衍射波。由于超声波在异质界面上产生波形变换，例如纵波变成横波，因为在同一介质中这两个波具有不同的波速，所以接收探头接收到的两个波之间的时间差即超声波检测技术的衍射视差[1]。

1.2 TOFD扫描方法

TOFD扫描方法可以分为三种方法：非平行扫描，偏移非平行扫描和平行扫描。当探头被放置在焊头的两侧时，将沿着焊头的长度进行扫描。非平行扫描可以实现广泛的检查范围，焊接补强不影响扫描，并且被用作TOFD检查的初始扫描方法，速度快，效率高。但是，它不能有效地检测出侧面缺陷，也不能扫描出缺陷在焊头中心的位置。当探头非对称地放置在焊头的两侧时，将沿着焊缝的长度进行扫描，这称为偏移非平行扫描。偏移非平行扫描能够很好的解决轴偏移盲区问题，增加一侧的扫描范围。如焊缝的宽度较大，则声束必须与焊缝中心偏移一些，以确保可以覆盖焊缝熔合线并且没有缺陷。如果将探头放在焊缝的任一侧，则扫描垂直于焊缝长度。即，声束传播方向平行和扫描方向，这就是平行扫描。平行扫描需要去除焊缝钢筋，因此它可以有效地检测焊缝的侧面缺陷并准确定位缺陷的侧面。平行扫描通常在非平行扫描中补偿点状缺陷，以确定是不是水平缺陷。

1.3 图像数据分析

（1）缺陷量化。①长度测量与现有的超声缺陷不同，由于TOFD图像的缺陷会由于光束扩展信号而在两端产生电弧，所以在检测缺陷的长度时，应使用特殊的抛物线形指针，使图像的弧形与抛物线匹配。缺陷的端点对应于时间指针的中心线。当然，该检测方法对于弯曲缺陷的长度的测量误差更大，但是对于检测平行于工件表面缺陷的长度更准确。②高度测量是基于与A扫描波形显示相比在图像中以灰色显示的正和负相位，一个指针位于图像顶部的负相位，另一个指针位于图像底部的正相位。此时看到的差异是一个缺陷。高度和深度自然是已知的。（2）缺陷的位置。在常规的超声检查中，缺陷的方位是由检测探头前端的缺陷位置来确定的，而在TOFD检查中，D扫描过程中获得的图像是两个探头中心线处的声程最短。为了确定焊缝中心线到缺陷的距离，有必要执行B扫描以获得关于缺陷的准确数据，以便检测缺陷在焊缝中的方位。（3）缺陷特性。与传统的超声波检查一样，TOFD技术更难以定性地识别缺陷，因此，除了信号特征外，检查员还必须对焊接背景和工件有最大的了解[2]。

2 TOFD超声检查技术的优点

原则上，常规脉冲回波超声技术与TOFD技术相比有两个重要区别。第一，由于角度与缺陷衍射信号无关，因此测量的可靠性和准确性不受入射波与缺陷的影响。第二，根据衍射信号传播时间的差异来确定衍射点的方位，缺陷的定量位置不取决于信号幅度。所以TOFD技术拥有许多优势。（1）。TOFD技术具有很高的定量精度。使用衍射时差技术对缺陷高度进行定量的准确性远高于常规的手动超声检查。通常，对于线性或区域缺陷，TOFD高度测量误差小于1毫米。对于足够高的裂纹（通常为3 毫米或更大）和未熔合的缺陷，高度检测误差一般仅为十分之几mm。（2）TOFD技术测量简单，快速，常用的非平行扫描只能由一个人操作，探头只需要沿着焊接的两侧移动，而无需锯齿扫描，并且测量效率高。（3）TOFD技术具有出色的可靠性。因为衍射信号的幅度基本上不受声束角度的影响，因此可以有效地检测所有方向的缺陷，因此这项技术的缺陷检测率很高。（4）TOFD检查系统配备有半自动或自动扫描设备，可以确定探头和缺陷的位置，并通过处理将信号转换为TOFD图像。图像信息比A型显示大。A型显示只能显示一个A扫描信号，而TOFD图像显示能够显示大量的信号用于焊接检测。

3 TOFD测试技术的发展

无损检测技术包括渗透检测，磁粉检测，射线照相检测与常规超声检测。磁粉和渗透探伤只能检测靠近表面的缺陷，而不能检测埋在焊缝中的缺陷。射线照相检查可以通过底片直接反映缺陷的特征与形状，但是厚壁部件需要较高的管电压并且容易受到辐射。使用效率低下，条件恶劣。特别地，由于束角的影响，对一些未融合的缺陷的错误检测率很高，因此不能满足对厚壁大部件的焊缝的检测。常规的超声波测试适用于掩埋缺陷，但是缺陷位置的量化是基于缺陷反射波幅度的。对于壁厚较大的零件，缺陷波幅度不可避免地降低[3]。

TOFD检查技术用于发现和量化壁厚较大的零件，尤其是缺陷本身的高度和高度较高的零件。它用于准确地衡量工作效率的特征。因此广泛的应用于国内大型压力容器制造的质量检验，高效的嫌少了压力容器的制造成本，而且提升了中国制造业的竞争水平。但是，TOFD检测技术也有一定的局限性：TOFD检测技术存在上下表面盲点的问题。在检查期间，应增加磁粉检查或渗透检查，并在地面缺陷上增加常规的超声波检查，以有效地检测盲点缺陷。随着我国技术的不断进步，一些研究队伍通过实验有效的减少了TOFD检测技术的表面盲点问题，我们坚信TOFD检测技术的表面盲点问题必将得到良好的解决。

4 结语

简而言之，在无损检测领域中随着TOFD技术的推广，该技术将在中国焊接的无损检测运用中得到更多的应用。