超声波衍射时差法(TOFD)技术分析

超声波衍射时差法(TOFD）技术分析
发表时间：2018-12-05T16:15:38.130Z 来源：《科技新时代》2018年10期作者：陈拥军
[导读] 针对超声波衍射时差法，在介绍其原理、优缺点的基础上，对其与A型脉冲检测和射线探测两种方法进行了对比，明确其优势和特点所在，为其推广应用提供参考依据。

（中国能建葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北宜昌 443000）
摘要：针对超声波衍射时差法，在介绍其原理、优缺点的基础上，对其与A型脉冲检测和射线探测两种方法进行了对比，明确其优势和特点所在，为其推广应用提供参考依据。

关键词：超声波衍射时差法；A型脉冲检测；射线探测
超声波衍射时差法（Time of Flight Diffraction，TOFD）最初主要用于缺陷测高，经过多年的完善和发展，正不断取代传统检测技术，在缩短检测周期的同时保证检测结果准确性。

1超声波衍射时差法基本原理
在不具连续性缺陷尖端进行波形转换，如果完成转换后有衍射波，则该衍射波将覆盖很大范围，继而对缺陷进行检测。

通过对飞越时间的准确记录，就能对缺陷高度进行测量，进而实现缺陷的准确定量，对于缺陷的尺寸，一般被定义成信号对应的飞越时间差，但要注意的是信号波幅和缺陷的定量之间没有关系。

该技术由两部分组成，分别为超声波发射（存在一定间隔距离）和超声波接收探头，因缺陷尖端所在方向波往往较弱，所以常用角度相对较大的探头在一定长度范围内进行一次扫查，这一过程中应做到精确，声波脉冲被探头接收以后，将得到侧向波，该侧向波于工件表面以下进行传播。

若未检出缺陷，则底面回波将被探头接收[1]。

以上信号均可作为参考，若未考虑变形波，则缺陷信号处在这两个信号之间。

当两个信号均已到达以后，发射与接收探头之间的路径会有明显的长短，一般是指缺陷下尖端对应的信号。

对缺陷而言，其高度是指尖端之间的飞越时间，需要注意的是，侧向波和底面回波，两者相位完全相反，同时上、下尖端相位同样完全相反。

2超声波衍射时差法优缺点
2.1优点
（1）在一次扫查中可覆盖所有区域，但不包括处在上、下表面的盲区，能有效提高检测作业速度。

（2）具有良好的可靠性，对中部缺陷有着极高的检出率。

（3）可发现多种不同的缺陷，而且对其走向往往不敏感。

（4）能识别出不断向表面方向延伸的各类缺陷。

（5）通过对D-扫描成像的合理应用，能使对缺陷作出的判断更为直观。

（6）能对缺陷在垂直方向上进行准确定位与定量，最大精度误差在1mm以内。

（7）若与脉冲反射法等充分结合，能进一步保证检测效果，具有100%的覆盖率。

2.2缺点
（1）在近表面等位置有盲区，对这一区域进行检测时，可靠性相对较低。

（2）缺陷的定性难度相对较大。

（3）当对图像进行判断时，要具备丰富的相关经验。

（4）对于横向缺陷，有很大的检出难度。

（5）当对粗晶材料进行检测时，会有很大的检出难度。

（6）当工件有很复杂的形状时，测量难度相对较大。

（7）对噪声比较敏感，夸大了一些等良性缺陷，如
气孔，冷夹层，内部未熔合。

3超声波衍射时差法和其它方法的对比
3.1和A型脉冲检测之间的对比
（1）可靠性
因超声波衍射时差法借助衍射波完成检测，衍射信号不会收到声束这一因素的影响，所有方向上的缺陷均可被检出，进而有着良好的检出率。

国外作出的相关试验可得：当采用手工UT时，检出率为50%-70%；当采用TOFD时，检出率为70%-90%；当采用机械扫查和TOFD相结合的方法时，检出率为80%-95%。

从中可以看出，这种方法与传统方法相比，具有更高的可靠性[2]。

（2）定量精度
借助TOFD法对缺陷进行定量，其精度远比传统手工方法高。

通常情况下，对于面积型与线性缺陷，该方法的定量误差不会超过
1mm。

而对于裂纹缺陷及未熔合缺陷，该方法的测量误差仅仅为零点几毫米。

（3）检测操作
目前应用频率最高的非平行扫查，通常仅需一人就能完成，检测探头仅需在焊缝的两侧进行移动，无需进行锯齿扫查，具有很高的检测效率，而且操作成本还很低。

（4）信息处理
在整套检测系统中，装有自动扫查单元，可准确定位探头和缺陷之间的相对位置，经处理的信号能得到图像，而且其信息量直接显示远大于传统A扫描。

对于A型显示，屏幕上中可以显示出一条信号，但采用TOFD得出的图像，是多个信号的整合结果。

相较于A型信号及其波形显示，信息量更大的TOFD图象对缺陷准确识别与分析更有利。

（5）检测系统
目前常用的以TOFD为核心的检测系统，均为性能强劲的数字化仪器，能克服传统探伤仪器在信号记录方面的劣势，除了能对信号进行全过程记录，还能长时间的保存数据，并且还能以较高的速度处理大量信号。

（6）其它方面
TOFD不仅能实现检测，而且还能对缺陷扩展情况进行动态监控；可对缺陷具体位置与深度实施准确定位，也能实现对缺陷高度的准确定量；因缺陷衍射信号和其角度没有直接关系，所以无论是检测精度还是可靠性都不会受到角度的干扰；以衍射信号的传播时差为依据，可确定衍射点具体位置，对缺陷进行定位和定量时，可不用参考信号振幅；所得检测数据能实现多人同时判读，且结果准确、可靠。

3.2和射线探测之间的对比
（1）采用TOFD法时，所得检测结果和传统射线检测均为二维图像，其不同点位TOFD可对缺陷实际高度与深度实施准确的测量，但图形沿射线透照重叠，仅可以显示出缺陷的宽度与长度，难以准确定位，对缺陷分析和处理有一定影响。

（2）TOFD具有更大的有效探测厚度，当对厚度较大的板进行探伤时，效果往往更加明显，而射线探测穿透能力很低。

（3）TOFD有着很强的检测性能，通过对特殊方式的应用，能将检出率提高到90%左右，比射线探测高出15%左右。

此外，实际工作过程中，发现了采用TOFD可以检出的缺陷采用X射线无法检出的实际情况，使质量控制有很大隐患。

（4）TOFD主要对数据信息进行采集，可实现多方位分析，个别情况下还能对缺陷实施立体复原。

其原因为能保存全部原始信号，脱机分析过程中能借助计算机分析原始信号，进而获得更为准确的信息。

但射线探测仅可以把射线底片放在观片灯下进行分析，无法借助计算机及其软件实施更为全面和准确的分析[3]。

（5）TOFD的操作更为简单，全面扫查的速度更快，具有更高的检测效率；但射线检测却较为繁琐，需要很长的时间才能完成检测，效率相对较低。

（6）TOFD主要利用超声波来探伤，对检测过程中的环境未提出特殊要求；是一种绿色且环保的缺陷检测方式，不会对人体造成危害，在实际应用时几乎无需使用保护措施。

但射线探测会对人体造成放射性危害，实际放射量必须满足国家强制要求，在现场仅可以进行单工种工作，对工作效率有很大影响。

（7）TOFD所需成本低，尤其是重复成本；但射线探测需要建造专门的暗室，而且日常工作过程中还要支付重复成本，总成本远高于TOFD。

4结束语
综上所述，伴随大直径厚壁元件的不断增多，特别是现场组焊元件，其厚度都在200mm以上，对其焊缝进行射线照相难度极大。

对此，必须积极推广应用TOFD，在充分发挥其优势的基础上，规避或弥补其缺点，从而提高检测水平，保证检测结果准确性与可靠性。

参考文献：
[1]姜华. 超声波衍射时差法(TOFD)在焊缝检测中原理及应用分析[J]. 城市建设理论研究：电子版, 2012(18):22-23.
[2]张占奎. 超声波衍射时差法（TOFD）与超声波相控阵检测方法对比[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊), 2015(12):322-323.
[3]贺全伟, 平雪原, 何云. 超声波衍射时差法分层检测技术在球罐安装中的应用[J]. 钢结构, 2013, 28(7):78-81.。