关于厚壁焊缝TOFD 检测分区的讨论

周凤革，牟乃智，赵振南

用TOFD 检测厚壁焊缝时，应采用多对TOFD探头分区检测。在JB/T 4730 标准、CEN/TS 14751标准中，对于厚度大于50 mm 的焊缝，TOFD 检测应至少分2 个检测区；同时，由于在JB/T 4730 和ASME 2235 中明确规定焊缝检测区域应包括焊缝、热影响区及邻近的一部分母材，这就对TOFD 检测系统的有效检测宽度提出要求。

1 焊缝深度上的分区方法

关于厚壁焊缝TOFD 检测中的分区检测问题，国内、外标准提出两种思路：第一种是等深度分区法。即不考虑探头尺寸、频率、波束扩散和盲区等，所分区域的厚度均相同，根据厚度和强制性的检测区域覆盖等因素去选择探头参数，从而实现全深度的检测，这种方法的代表有CEN/TS 14751；第二种是不等深度分层法。即在确定分层的深度时考虑探头参数、声束扩散和表面盲区的影响，所分区的厚度逐渐变化，一般是第一对探头检测深度较小，即采用较小的PCS，后面探头检测的深度范围逐渐增大，这种方法的代表为最新版NB/T 47013.10-2015、ASTM2373 和ENV583-6。采用第一种方法分区计算及试块设计比较简单，充分考虑探头检测缺陷的深度范围，检测效果较好。经试块验证，这种分区方法在试块上检测时每个通道的检测效果都能达到令人满意的水平，对各检测区间的覆盖也能被很好地验证。但是采用此分区方法检测厚壁焊缝时需要较大的PCS，此时近表面区的直通波一般较弱，有时上表面的盲区很大，需要采用其它检测手段补充检测。

采用第二种方法在分区计算时需要考虑的因素比较全面，由于第一对探头的检测深度范围较小（一般为40 mm），PCS 较小，上表面的盲区小，对近表面缺陷的检测灵敏度高，缺点是其它探头需要覆盖的深度范围较大，在声束边缘区域的检测范围内信噪比低，检测厚壁焊缝时可能出问题。因此，需要调整探头参数，并在试块上验证。如果对焊缝质量的要求是从表面到内部越来越严格（如采用AWS 标准电铲产品），采用这种分区方法效果较好。

2 深度上分区的依据

以确定扩散角向固定方向辐射超声波的特性称为波束指向性。由于半扩散角限定波束范围，超声波的能量主要集中在主波束，即2 倍半扩散角范围内，只有当缺陷位于主波束范围内时才可以被发现。

笔者以40 mm 厚工件为例，选用5 MHz、70°、晶片尺寸Ø6 mm 的纵波探头，将检测深度设置在工件厚度的2/3 处，计算PCS（见图1）。

以厚90 mm 工件为例，选用5 MHz、70°、晶片尺寸Ø6 mm 的纵波探头及5 MHz、60°、晶片尺寸Ø10 mm 的纵波探头，将检测深度设置在需检测区域的厚度2/3 处，计算PCS（见图2）。

图2 90 mm 厚工件检测示意图

以此类推，工件厚度越大，需要的通道数越多。因此设定各对探头中心间距，即检测深度范围时，应确保每对TOFD 探头所检测区域与相邻分区的检测区域，在主声束-12 dB 的声束覆盖深度范围重叠25%以上，从而实现对整个深度的有效检测。

3 工艺参数的选择

经过计算可知，按照上表选用极限情况，则不符合-12 dB 的选用要求。因此，每次编制工艺时应根据各对探头的有效检测区域计算并用试块验证。

笔者给出实际检测厚度350 mm 以下焊缝时经常使用的设置参数（见表2）。

表2 检测350 mm 以下焊缝时TOFD 探头分布情况

虽然实际检测参数与推荐值不符，但无论在理论计算还是试块验证均能满足检测区域重复覆盖要求。鉴于表1 的分区数量在试块验证时有时满足不了要求，实际检测中的分区通常会比推荐值多一个。

表1 推荐采用的TOFD 探头设置

4 上、下表面盲区

TOFD 检测的上表面盲区可以在试块上测试。由于影响上表面盲区的主要是探头频率和PCS，一般在试块上通过变换探头频率和改变聚焦法则（即改变PCS） 就可以调整上表面盲区大小。如果选择高频探头（如10 MHz） 和较小的PCS（40～50 mm），可以发现1 mm 深的表面刻槽，直通波上会有微弱下沉，此时可以认为盲区小于1 mm。但该数据对实际检测没有意义，原因是工件表面状况与试块相差很大，实际检测中直通波的变化很剧烈也很频繁，根本无从确定是否是缺陷造成的。对于近表面的埋藏缺陷，由于脉冲宽度的原因，直通波信号和缺陷的衍射信号必然会混在一起，即使能发现缺陷，对缺陷高度测量也会有很大误差。因此，笔者认为对于表面区域进行补充检测是必要的。

为解决上表面盲区的问题，可以按照JB/T 4730 利用交流磁轭磁粉检测和双晶斜探头超声检测，交流磁轭可以检出最深2.5 mm 处的Ø1 mm×6 mm 的短横孔，双晶斜探头可以检出最浅1.5 mm处的Ø1 mm×6 mm 的短横孔，采取这两种方式进行补充检测，就可以解决因为PCS 增大造成的上表面盲区问题。

TOFD 检测的下表面盲区可以用椭圆方程解释。椭圆之内所有点的衍射信号传播时间小于2 t，信号可以出现在底波和直通波之间；椭圆之外的所有点的信号传播时间大于2 t，信号会出现在底波之后，即为盲区。理论计算的盲区很小。正常来说，在两探头垂直平分面上的缺陷一定能发现，但实际测量时很浅的下表面刻槽也不能检出。对此，可以用不同深度的刻槽来检测下表面盲区。

实际检测时，可以利用偏置扫查方法测量焊缝宽度范围内的下表面盲区。一般来讲，大厚度焊缝均采用窄间隙埋弧自动焊，焊缝下表面很窄，即使不用偏置扫查，下表面盲区也是可以忽略的。

5 检测试块设计

对需要分区扫查的厚壁焊缝，设置工艺参数需要在试块上验证。TOFD 检测的试块主要起到以下几个方面的作用：调整检测的灵敏度，调整仪器的线性，验证相邻深度区域的扫查是否有重复覆盖，通过偏置扫查确定检测是否在焊缝宽度方向上覆盖，验证检测工艺的有效性。

试块应依据检测标准设计，同时考虑下列因素：

1） 试块宽度应使各对探头的PCS 达到要求的聚焦深度，同时还留有余量；

2） 同一检测区内的侧孔应尽量在试块的一侧，以便能够同时观察一个区域的检测效果，也方便比较各区域的覆盖效果；

3） 由于TOFD 扫查器一般很大（尤其对于多通道设备），所以试块一般应装焊引导板，保证边缘区侧孔的检测效果，减轻试块的重量；

4） 模拟试块（验证试块） 可以和对比试块做在一起，方便比较和设备调试，节约成本；

5） 模拟试块（验证试块） 可以采用焊接结构，方便加工人工缺陷；

6） 人工缺陷可以预埋钨丝，便于控制缺陷的高度和长度，或者制作出坡口未熔合，还能同时验证偏置扫查的效果。

6 灵敏度设置

①检测前应设置检测通道的灵敏度。

②灵敏度设置可在灵敏度调节试块上进行调试。

③当采用灵敏度调节试块上的标准反射体设置灵敏度时，需要将较弱的衍射信号波幅设置为满屏高的40%～80%。

④若工件厚度不大于50 mm 时，可以直接在工件上进行灵敏度设置。

⑤直接在工件上进行灵敏度设置时，一般将直通波的波幅设定到满屏高的40%～80%；若因工件表面状况不适合采用直通波或直通波不可见，可将底面反射波幅设定为满屏高以上18～30 dB；若直通波和底面反射波均不可用，可将材料的晶粒噪声设定为满屏高的5%～10%作为灵敏度。

7 应注意的问题

当焊缝厚度较大时(特别是大于300 mm)，如果按照CEN/TS 14751 检测的分区要求，通常检测上表面第一区的探头间距较大，此时距离上表面较近的缺陷容易被漏掉。如某反应器的厚度为340 mm，筒体和焊缝内表面有堆焊层，超声波检测只能从外表面进行，当严格按照CEN/TS 14751 的要求分区检测时，没有发现缺陷，但在射线检测时发现有条状缺陷显示，后经双晶探头手工超声波检测，在焊缝距外表面6 mm 处发现缺陷。经过验证是由于第一对探头的中心距较大，所选参数对近表面缺陷检出率较低造成的。后通过在第一区增加一对高频70°探头，避免此类事情的发生。

故本文对上表面盲区采用5 MHz，晶片直径Ø6 mm 的70°探头。此外，当一对TOFD 探头的中心间距小于40 mm 时采用10MHz，晶片直径Ø3 mm 的70°探头，或者当一对TOFD 探头的中心间距小于50 mm 时，由于两种情况下均能在试块上清晰检测出距表面3 mm，长度40 mm、孔径Ø1.5 mm 的横孔，所以不用对上表面盲区补充检测。该设置参数的TOFD 探头检测与磁粉探伤相结合能够消除表面及近表面盲区问题。但因该设置下探头中心间距太近，在实际中由于焊缝两侧坡口边缘盖冒区域表面高低不平，如果探头的耦合接触效果不理想则难以实施检测。

实际工作中，通常划分检测分区的数量和使用探头的数量都多于标准要求。应根据探头中心距、频率、晶片尺寸、角度参数计算声束范围和重复覆盖区域编制检测工艺，并通过试块验证，以免在深度上出现漏检区域。

由于一重产品厚度较大且内表面都有堆焊层，进行TOFD 检测时底面波较乱。而在产品技术条件中要求对堆焊层和堆焊层表面下一定区域的母材进行100%手工超声波检测，所以对于厚壁焊缝底面盲区问题没有太多经验。

在分区扫查图像上，有时中间区域没有直通波或底面反射波显示。对此，在检测中应注意观察噪声信号，以免出现耦合不好等问题。

标准和检测规程中对分区和探头的配置要求仅是通用规定，实际检测时应根据需要有针对性地设置、扫查。

在试块验证时，不仅验证深度区域的覆盖，还应进行偏置扫查，以确定在焊缝宽度方向上的检测也满足要求。

在显示不同分区时，时间轴上应有足够的重叠量。此时必须注意同一缺陷的上、下端点可能显示在不同的区域。

8 结 语

TOFD 检测能力强，缺陷定量精度高，实际检测时，应按照标准规范和技术要求合理分区，应注意表面盲区的补充检测问题，在产品检测之前应在试块上进行灵敏度调校和验证，对检测数据应及时储存，方便调取。