TOFD培训教材

1.简介
1.1课程范围
本课程的目的是使读者和学生了解TOFD技术，以及此技术对缺陷位置、大小检测的能力。

尽管本课程是基于普遍应用的数字超声波数据采集系统进行讲解的，但是由于许多系统也具有相同的基本特征和设备，因此本课程也适用于与数字超声波数据采集系统相似的系统。

本课程将作为超声波无损检测标准I级水平和II级水平的教材。

书中的斜体字代表II级水平超声波检测技术人员需要掌握的知识。

I级水平和II级水平的标准学时是40小时。

I级水平超声波检测技术人员需要掌握的技术包括：
i) 设置TOFD检测设备
ii) 采集TOFD检测所得数据
iii)根据说明书对结果进行记录和分类
iv) 做出结果报告
II级水平超声波检测技术人员需要掌握的技术包括：
i) 设置并校准TOFD检测设备
ii) 执行并监测TOFD所得检测数据
iii) 根据适用标准解析并评估检测结果
iv) 判定TOFD检测的局限性
v) 书写实用的检测方案和过程
vi) 指导和培训I级水平超声波检测技术人员
vii) 对TOFD检测结果进行整理并做出报告
由于观察和分析TOFD数据的经验非常重要，因此大部分时间将用于练习TOFD数据采集和分析。

同时掌握TOFD技术与传统脉冲回波技术相比的本质区别也很重要。

本课程也希望学习者能够了解两种技术的局限性，学会选择合适的检测技术以及能够进行有目的性的检测。

此外，本课程还要学习英国TOFD标准BS 7706和欧洲标准CEN/TC 138 WG 2 N 143。

由Charlesworth, J. P. 和Temple, J. A. G.所著的《超声波TOFD技术在工程中的应用》一书也值得一读，尤其是检测核材料以及具有奥氏体成分的材料。

1.2 课程要求
所有学习者都要达到超声波EN473 I级和超声波EN473 II级，并通过现场检测的考试。

1.3 课程考试
课程结束后将有一个测验，包括：
等级I 书面测验，90分钟内回答30个问题
等级II 书面测验，90分钟内回答30个问题
测验的目的是证明超声波无损检测人员掌握了TOFD技术及其局限性。

2.背景以及传统超声波检测
2.1 无损检测技术背景
在压力容器和管道系统中，焊缝缺陷可能导致整个系统不能使用或者使用不可靠。

因此焊缝需要检测并将有害的缺陷打磨掉或重新焊接。

由于焊缝缺陷可能产生非常严重的后果，因此对焊缝进行缺陷检测非常重要。

缺陷中的裂纹由于疲劳作用和压力侵蚀作用，易不断生长。

其他缺陷也可能生长，但通常保持不变，例如焊接和人工产生的未熔合缺陷，以及体积缺陷中的孔洞和熔渣。

后一种缺陷更易检测到，但其没有不断生长的裂纹缺陷破坏性大。

金属制品的无损检测技术多种多样，主要可以分为两大类。

用于检测表面开放裂纹：磁性粒子技术
染料渗透技术
涡流技术
磁性技术
超声波技术
用于检测内部裂纹：射线技术
超声波技术
由于表面缺陷最有可能生长并导致材料不可用，因此通常将表面裂纹看作最重要的缺陷。

但是表面开口裂纹比内部裂纹更易修补。

染料渗透技术和磁性粒子技术不能进行缺陷深度的尺寸测量，磁性技术也只能进行一般性的探查。

涡流技术是否能够定量检测，取决于被测材料，只有几毫米的表面缺陷可以检测。

而超声波技术既可以进行缺陷探查，又可以定量分析缺陷的尺寸。

设备管理者必须得到设备合格的资格证。

这个过程在设备关闭的情况下需要进行无损检测评估。

在评估过程中如果发现缺陷，则需要修补缺陷或置换工件。

检测和定量内部裂纹非常重要，因为修补缺陷非常困难和昂贵，而且如果裂纹尺寸低于某个关键的等级，设备可以判为合格并正常运行。

对于大部分内部裂纹，只有射线和超声波两种检测技术可用。

体积类缺陷最适于采用射线技术进行检测，且在X射线射向裂纹下方时，平面裂纹可以有效地得到检测。

射线需要接近工件的两侧，且已经有可靠的缺陷推断。

射线技术是一种应用广泛而且可靠的技术，可以检测各种类型的焊缝缺陷，其在壁厚方向上检测的误差范围是1%。

射线技术产生的图像能够被广泛的接受和理解，且其检测结果具有永久的保存性，并可以作为未来检测的参考。

对平面裂纹的检测和定量最具可靠性的技术是超声波技术，它的灵敏度在壁厚方向上是2%到3%。

超声波技术具有的优点还包括其只需要接近焊缝一侧，以及不需要可靠的缺陷推断。

2.2 超声波无损检测技术
当电压加在压电晶体材料上使其振动，且压电材料的厚度正好能够产生用于检测金属工件的超声波，这种材料将作为超声波探头的基材。

超声波探头产生的纵波通常称作压缩波。

如果纵波以一定的角度进入金属，则其在金属中发生折射并产生纵波和横波，这两种波的折射角度取决于两种波在金属中的传播速度和纵波在楔块材料中的传播速度。

横波通过周期性的剪切力传播，它只能在像金属这种具有剪切弹性的材料中存在。

液体不具有剪切力。

通常采用超声波检测金属材料的频率范围在2MHz到5MHz之间。

频率相对应的波长可以通过以下的公式得出。

速度(c) = 波长(λ) *频率(f)
波速的单位通常采用m/s，在钢材中，纵波的传播速度是5950 m/s，横波的传播速度是3230 m/s。

因为探头频率的单位是MHz（在TOFD技术中，时间的单位是微秒），所以速度的单位采用mm/μs 更方便(例如，5.95 mm/μs 和3.23 mm/μs）。

采用这些单位并根据上面的公式得出波长的单位是毫米。

因此，根据前面提到的频率，其相应的纵波波长范围是1到3毫米，横波的波长范围是0.6到1.6毫米。

由于反射体的尺寸小于波长的一半时，反射波中会产生干涉现像，因此可检测到的裂纹的最小尺寸是波长的一半。

为了检测小尺寸缺陷，在薄壁材料中采用较高频率的探头，而在厚壁材料中由于频率的增加造成波的衰减增加，因此无法采用较高频率的探头。

对于带角度的横波而言，频率给定为纵波波长的一半，则小缺陷可以得到检测，因此常规脉冲回波的检测非常重要。

在后面的章节中也能看到，对于一定尺寸和频率的晶片产生的横波波束扩散较少且波束强度更集中，则对缺陷尺寸的测量比纵波更加精确。

2.3 脉冲回波检测缺陷
超声波检测通过采用超声波束对金属工件进行扫查实现。

如果波束中断返回探头的晶片使其振动并产生电信号，那么金属中的反射体就会被检测到。

为了使反射波能够返回，波束必须以适当的角度射到反射体上，这就是所谓的镜面反射。

如果相对于超声波束而言工件表面是倾斜的，那么探头将接收不到反射波，从而无法检测出工件中的缺陷。

在理想的位置上，随着倾斜角度的增加，波束返回晶片的速度成比例地快速下降。

角度倾斜5度将使波幅下降约6dB，而倾斜10度以上将导致波幅完全消失。

对常规脉冲回波而言，选择合适的角度检测工件中最易出现裂纹的地方也非常重要。

在实际应用中，合适的角度已经通过经验得出。

垂直的裂纹较难检测，其原因是发射到裂纹表面的适当角度的超声波束不易实现，而且可能需要一对探头来检测（双轴技术）。

在脉冲回波检测中，反射体由起始信号的高度与某个闸门的高度相比来决定。

在实践中，这个相对简单的概念很实用。

闸门的高度取决于在校准试块中标准反射体所得的反射波的信号
幅值。

但是，由于反射信号的波幅受到反射体表面粗糙度和方向的影响，了解其可能的方向非常重要。

超声波检测不是完美的，操作者的技术和经验很重要，因此需要对操作者进行培训。

2.4 利用脉冲回波技术检测缺陷尺寸
用脉冲回波技术对缺陷进行定量取决于缺陷的尺寸和波束的扩散。

（见图2.1）。

图2.1 缺陷尺寸与波束传播的关系
假设缺陷的尺寸小于波束扩散的范围，则在超声波束中，缺陷的尺寸范围与反射波的波幅成比例。

这种情况下，缺陷尺寸的评定取决于具有相似范围的标准反射体的波幅。

各种校准试块中，标准反射体包括平底孔，侧壁孔或凹槽。

而其精确度取决于缺陷表面的粗糙度，方向则与超声波束有关。

如果缺陷的尺寸大于波束扩散的范围，缺陷的尺寸增大将不会影响信号的幅值，因为在波束范围以外的缺陷不会产生反射信号。

通过探头对缺陷的扫查，以及根据波幅的变化确定缺陷的位置，则缺陷尺寸检测完成。

图2.2所示是带角度的横波探头对未熔合缺陷尺寸的检测。

当探头移动到焊缝缺陷的起始处，则超声波束有所显示且波幅逐渐增加。

一旦缺陷信号
图2.2 6dB波幅法测量缺陷尺寸
填满波束，则波幅保持不变，直到波束达到缺陷的另一端，此时波幅开始下降。

以上分析称为距离波幅修正，在此假设的范围内波幅保持不变。

通过缺陷的最大波幅轨迹称为动态回波轨迹，如图2.2下面的图所示。

假设信号幅值的一半是最大信号处，则只有一半的缺陷在超声波束范围内，且探头的中心与缺陷的边缘相对应。

因此，如果探头在波幅减小6dB的位置做出了标记，则缺陷的尺寸可以测量出来。

如果探头在两个半波的位置间距是x毫米，则缺陷的宽度w为w = xcos(θ)，θ是波束中心与探头所在位置的金属表面的夹角。

缺陷的高度h是h = xcos(θ)sin(θ)。

为了确定沿焊缝方向缺陷的长度，探头必须沿焊缝方向平行移动，得出最大波幅处以及波幅减少了6dB处。

这两个波幅之间的距离就是缺陷的长度。

因此由于缺陷表面不可能和常规超声波束一样平滑，表面散射的粗糙度不同，则波幅降低6dB的波幅值也不同。

根据第五届超声脉冲回波检测焊缝协会国际会议的IIS/IIW - 580 – 86文件，下表列出了一些
2.5
其他技术也可进行缺陷尺寸定量。

对于表面开口缺陷，如果能够接近表面，则ACPD是一种精度高的技术。

当探头放置在缺陷的任一面，ACPD技术通过测定两接触表面的电压降来实现。

电压降由于受电流的作用而流向有缺陷的一面。

ACFM技术也可以检测近表面缺陷的尺寸。

最精确和有用的方法之一就是TOFD技术，此技术可以测出缺陷的高度。

TOFD技术也是本课程学习的重点。

下表列出了TOFD技术与其他技术裂纹尺寸定量精度的对比值，从而说明TOFD技术的重要性。

3. 时差衍射技术
3.1 TOFD技术的重要背景
在焊缝和母材中最严重的缺陷类型是平面型的裂纹，因为它们很可能延伸并导致破坏，由于超声可以对这种缺陷进行定位和定量分析，所以超声是比较适合的技术。

在上个世纪60年代，与常规超声相比TOFD在缺陷定量方面有了很大的发展，尤其是在原子能和化学工业方面。

在那个时候，在有些设备上即使发现缺陷，返修也是非常困难的，或者是根本不可能的，要想在焊接之后进行必要的热处理也是非常困难的。

在原子能行业也存在同样的问题，原因是存在非常强的辐射水平很难接近，如果关闭和更换这些设备，代价是非常昂贵的。

随着断裂力学技术的发展，可以预测缺陷的延伸率，也可以计算出设备安全运行状态下缺陷的临界尺寸。

通常，确定缺陷的尺寸非常保守，因此预测出的设备安全运行的寿命就会非常短。

如果通过连续的超声检测证实了缺陷没有延伸，或者是缺陷的延伸速度比预期的要慢，这样的结果对于设备的操作者来说是非常重要的；如果缺陷是比较稳定的，并且是在临界尺寸之内，那么这个设备就能正常的运行；如果缺陷的延伸速度不快，设备可以保持很长的使用寿命。

同样的，如果能对缺陷的延伸速度进行精确测量，那么对设备的维修和更换也是非常有益的，这样可以节约设备使用者很大一笔费用，意外的设备停工和没有计划的抢修都是设备使用者所不愿意见到的事情。

为了测量裂纹的扩展速度，我们必须精确测定缺陷的尺寸，在图3-1中我们可以看出，常规超声在缺陷定量方面是非常不充分的，这两个图表给出了特定缺陷的预期寿命曲线，它们都估计出达到临界尺寸大约需要1.5年，在上部的图中给出了常规超声测量裂纹高度的结果，由于在裂纹长度测量上面的错误，夸大了此裂纹的延伸危害，因此得出的预期寿命比真实寿命要短；下面的图中给出了使用TOFD测量的结果，由于误差比较小，而测量的结果也说明了裂纹实际的延伸比预期的延伸要慢，所以设备的使用寿命是比较长的。

精确的测量尺寸有利于减少伪缺陷的数量，如果探测到了密集型的气孔，我们要精确的测量它们的尺寸，而常规的脉冲回波测量这样尺寸的能力是非常低的，原因是常规脉冲回波在尺寸定量上存在很大的误差，实际测量的尺寸比真实的尺寸要大，从而在报告中得到的尺寸是不真实的。

当使用很高的检测频率获得缺陷的尺寸在我们所注意的尺寸之上，这样就夸大了很多良性的缺陷。

在原理上可以看出TOFD的定量是很准确的，因此可以降低检测的误判率。

图3.1 缺陷尺寸精确定量的重要性
3.2 TOFD发展简史
在上部分中描述了对于裂纹精确定量的重要性，尤其是在核工业方面，在这样的前提下，国际原子能中心的哈韦尔(联合王国原子能权威人士-UKAEA)要求史克.毛瑞斯努力发展比常规超声精确的缺陷定量技术。

在上个世纪70年代早期,史克博士发展了我们大家所知道的时差衍射技术(TOFD)。

和常规的脉冲回波相比有两个最大的不同是:
A) 有很高的定量精度(绝对的误差是正负一毫米, 而监测的误差是正负零点三毫米), 在检测的过程中对缺陷的角度不敏感, 定量是基于衍射信号的时间而不是基于信号的波幅。

B) 使用TOFD的时候, 对缺陷的定性有可能不被承认, 原因是衍射信号的波幅不依赖于缺陷的尺寸, 在保证全覆盖的前提下对所有的数据进行分析, 因此进行TOFD的培训和经验是非常重要的。

在很多年以来，TOFD一直作为实验的工具，在80年代早期，联合王国做了大量的实验证实了：对于反应堆的压力容器和主要部件来说，TOFD作为超声检测是比较可行的技术，这时TOFD才被业界所公认。

在上个世纪70年代的末期，这些实验是大家所知的缺陷探测试验（DDT）;这些实验也应用在国际的PISC系统。

因此，美国机械工程师协会认可了TOFD ，在可靠性和精度方面，常规脉冲回波获得的结果是非常差的（见13章），而TOFD在定量方面是非常精确的，使用其它的技术作了许多不同的实验，在这些试验中，用事实证明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技术。

由于数字化系统的相关部件很多，所以在野外检测是非常困难的，直到1982年，国际无损检测中心开发了一套便携式设备进行数据的采集和分析，这个系统就是ZIPSCAN，并且被汤姆逊电子集团认可，在1983年，这套系统卖到了世界各地，如今，有大量的商业超声数字化系统可以进行TOFD检测。

TOFD最初的发展仅仅是作为定量的工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷然后使用TOFD进行精确的定量，特殊的应用是：监测在线设备裂纹的延展，举个例子，压力容器。

然而，TOFD完全被接受是在上个世纪80年代中期，尤其是在石油和天然气行业，因为它们在海上和陆地上都要进行检测，出于经济利益的考虑，对于一些良性的缺陷，不可能进行维修，只要定期进行检测观察它的延伸。

使用一对TOFD探头沿着焊缝进行扫查就能发现所有的缺陷，把扫查数据组成一个视图（B或者D扫）对于判断复杂的几何外形和焊趾也很有帮助，这样比单纯看A扫更容易判断缺陷的尺寸和性质，一个非常好的例子是：使用TOFD在海上石油工业检测焊趾的腐蚀。

在许多研究机构的努力下，TOFD技术一直在发展（举个例子，建立软件模型可以在复杂的几何形状上搜集和分析数据），检测公司研发出了许多不同的软件。

3.3 TOFD原理
3.3.1 衍射过程
当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，将从裂纹缝隙产生波纹衍射。

另外还会在裂纹表面产生超声波反射。

在常规超声检测中，衍射波比镜面反射弱得多，但是在同一平板中各个方向的裂隙都可以产生衍射波。

图3.2所示随即发生的超声波产生的衍射波。

图3.2 裂隙产生衍射波示意图
衍射现象没有任何新的原理，任何波都可以产生衍射现象，比如光波和水波。

当光波通过裂隙或经过边缘时，通过光学显微镜或其他光学仪器可以看到光波经过衍射后的波束。

3个世纪以前，Huygens提出了一种假设，波通过缝隙后，前波沿每一个点都可以看作是一个新的波源。

因此，为了解释这个假设，提出如图3.3所示的波从表面进行反射。

表面上的每一个点（其范围比波长短）都可以作为反射点从而产生波。

每个新生的分离波对彼此进行干涉，正如1802年Young所提出的分离波各自得位移叠加可得一个总的位移，这样得到的是一个反射平波。

但是，波从缝隙中通过后在表面边缘停留形成所谓的衍射波。

现今，Kirchhoff理论可以更加精确的解释衍射现象。

图3.3衍射现象的解释
常规超声的衍射现象属于尖端衍射的另一类技术。

尖端衍射信号通常用于脉冲回波的尺寸
检测中，因为这种衍射可以提高信号强度。

这种方法称为最大波幅技术或逆分散尖端衍射技术，用于探头与缺陷末端方向相反的情况。

3.3.2 衍射信号的角度变化
图3.4解释了衍射波幅的角度变化。

此图不是一个精确的再生成波形，读者需要参考1989年Charlesworth 和Temple做出的精确角度变化分析。

将上尖端信号和下尖端信号放在垂直裂缝的中部，使TOFD探头能够以一定的波束角度发射和接收信号。

在钢材中，波幅最大时的角度为65度，裂缝下尖端的信号略大于上尖端的信号，但是整个波幅基本相似。

在45度到80度之间，波幅小于6dB。

在38度时，裂缝下尖端的信号下降很大，而在20度时波幅又有所回升。

典型的检测角度是45度，60度和70度。

在钢材中，横波在上尖端的最佳角度是45度，在下尖端的最佳角度是57度。

对于缺陷与平板不垂直的情况，两个探头的计算方法更复杂，1989年的Charlesworth 和Temple对这种情况进行了研究分析，相对大的角度对波幅影响很小。

因此，与脉冲回波不同，TOFD最大的优点是衍射信号与角度和缺陷方向无关。

图3.4衍射波随着角度变化的波幅计算法则
3.3.3 TOFD基本设置
3.3.3.1 探头类型和波形
TOFD技术是一种裂纹尺寸检测技术，其原理是通过超声波衍射后能量重新发射计算裂纹的位置。

TOFD技术由两个探头组成，一个探头起发射作用，另一个探头起接收作用。

这种设计可进行大量尺寸材料的检查，而且能够得到反射体的确定位置和深度。

采用一个探头也可以进行缺陷检测，但不推荐使用这种方法，因为这种方法降低了缺陷定位的准确度。

图3.5所示的是典型的探头，一个压电传感器安装在有机玻璃或其他相似材料的楔块上组成了一个探头。

探头需要选择合适的窄脉冲长度以便于检测深度具有较高的分辨率。

为了在金属中产生的一定的压缩波，楔块典型的角度是45度，60度和70度。

传感器一般都有螺纹，便于和不同的楔块连接。

为了使超声波能够在探头和楔块中进行传播，需要在二者间添加耦合剂。

这种设计的缺点是耦合剂最终变干而需要重新添加。

图3.5 典型探头的横截面
在金属材料中采用压缩波的原因是这种波的传播速度几乎是横波的两倍，从而能够最先到达接收探头。

知道了波速才能计算出缺陷的深度，如果信号具有纵波的波速那么深度的计算将更容易。

任意一种波都可以通过一部分波形转换成为其他种类的波形。

如果一束横波通过裂隙进行衍射后可能产生纵波，那么这束纵波先到达接收探头。

如果是这种情况，那么横波的波速是正确的，但将算出错误的缺陷深度。

纵波通过楔块后，将在合适的角度一部分分裂成需要的纵波，另一部分在纵波角度的一半处转换成横波。

因此，横波也存在于金属材料中，只是其信号产生在纵波信号之后。

所以，TOFD 检测所得的波形信号包括有：
所有的纵波
所有的横波
波形转换后的一部分纵波和一部分横波
3.3.3.2 检测所得信号
图3.6所示为TOFD技术的整体设计。

无缺陷的A扫查信号如图3.7所示，有缺陷的A扫查信号如图3.8所示。

主要的波形种类如下。

图3.6 TOFD技术的波传播路径
直通波
通常，首先看到的是在金属材料表面传播的纵波，这种波在两个探头之间以纵波速度进行传播。

它遵循了两点之间波束传播最快的Fermat’s理论。

我们在后面的学习中将发现，在金属曲表面直通波仍然是在两探头之间进行直线传播。

如果材料表面有涂层，则绝大部分波束都在涂层下面的材料中进行传播。

探头间距如果很大，则直通波的信号比较微弱，甚至识别不到。

由于基本形式的发射接收信号在近表面区得到较大的压缩，因此这些信号可能隐藏在直通波信号下。

底面反射波
由于传播距离的增大，在直通波后面出现一个反射或衍射的底面波。

如果探头只能发射到金属材料的上部或者没有合适材料底部进行反射和衍射，则底面波可能不存在。

缺陷信号
如果在金属材料中存在一个二维的缺陷，则通过缺陷顶部裂隙和底部裂隙探头将产生衍射信号，这两束信号在直通波和底面反射波之间出现。

这些信号比底面反射信号要弱得多，但比直通波信号强。

如果缺陷高度较小，则上尖端信号和下尖端信号可能互相重叠。

因此，为了提高上尖端信号和下尖端信号的分辨率，减少信号的周期很重要。

由于衍射信号比较弱，在A-Scan中难以总是清晰得看出来，而且A-Scan只是B-Scan的连续显示图，因此还采用清晰显示衍射信号的B-Scan。

这时信号平均很重要，因为这样能提高信噪比。

与相似的缺陷检测技术相比，TOFD技术由于只有A-Scan可用而成为一种难度大的检测技术。

横波信号或波形转换信号
在底面纵波反射信号之后将出现一个相当大的信号，这种信号是底面的横波反射信号。

它通常被误认为是底面纵波反射信号。

在这两个信号之间还会产生由于缺陷而进行波形转换后形成的横波，这个信号到达接收探头需要较长的时间。

这个区域所收集到的信号通常很有价值，因为经过较长的时间后，真正的缺陷会再次出现，而且经过横波的扩散后近表面的缺陷信号变得更加清晰。

射线路径
图3.6所表示射线路径恰好是简单地连接了探头与裂隙。

但是这并不代表只有在特定的角度才能产生波束衍射。

任何角度都可以产生衍射现象，如果波束恰好遇到裂隙，则会产生衍射波，并被探头接收。

3.3.3.3 相位关系
图3.7显示的是A-Scan产生的直通波和底面反射波。

当波束由一个高阻抗的介质传播到一个低阻抗的介质中时，在界面经过反射后的波束相位改变180度（例如，从钢中到水中或从钢中到空气中）。

所以，如果一个波束在碰到界面之前是以正向周期开始传播的，那么在通过界面反射后将变成以负向周期开始传播。