孟工

摘 要：文章著重介紹TOFD（超聲波端點(diǎn)衍射技術(shù)）的技術(shù)原理、優(yōu)點(diǎn)和局限性。從檢測(cè)效率和缺陷檢出率等方面，將其與傳統(tǒng)A掃描技術(shù)、射線照相技術(shù)進(jìn)行比較，總結(jié)出TOFD技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和前景。

關(guān)鍵詞：TOFD；技術(shù)原理；技術(shù)局限；技術(shù)優(yōu)勢(shì)

中圖分類號(hào)：TB553 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）06-0059-02

Abstract： This paper focuses on the technical principles， advantages and limitations of TOFD （Time Of Flight Diffraction）. Compared with the traditional A-scan technology as well as radiography technology in the detection efficiency and defect detection rate， the characteristics and prospects of the application of TOFD technology are summed up.

Keywords： TOFD； principle of technology； technical limitation； technical advantage

TOFD就是Time off light diffraction，即超聲波衍射時(shí)差法檢測(cè)。TOFD技術(shù)指的是超聲波出現(xiàn)裂紋缺陷的時(shí)候，就會(huì)在正常反射波上疊加缺陷尖端所形成的衍射波，然后通過探頭來探測(cè)衍射波，就可以對(duì)缺陷的大小和深度進(jìn)行判斷。

1 OFD技術(shù)原理

TOFD是依賴基于檢件工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也就是缺陷的端點(diǎn)與端角處獲得衍射能量，從而對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)的一種技術(shù)方法[1]。就會(huì)在正常反射波上疊加缺陷尖端所形成的衍射波，然后通過探頭來探測(cè)衍射波，就可以對(duì)缺陷的大小和深度進(jìn)行判斷。如果超聲波缺陷存在線性不連續(xù)處（歐洲很多標(biāo)準(zhǔn)中都使用discontinuity一詞，即理解為材質(zhì)的不連續(xù)結(jié)構(gòu)），如裂紋處有傳播障礙的出現(xiàn)，那么裂紋端點(diǎn)不但會(huì)有正常反射波的出現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)有衍射現(xiàn)象的發(fā)生。在較大角度之中，衍射能量放射，同時(shí)也會(huì)假定能量源就是裂紋末端產(chǎn)生的，這樣就會(huì)與依賴前端反射能量綜合的超聲波形成對(duì)比。

超聲波在工件內(nèi)的傳播遵循惠更斯原理，除在缺陷表面產(chǎn)生超聲波的反射波外，還在缺陷的端點(diǎn)或端角處產(chǎn)生衍射波[2]。衍射波被接收后經(jīng)過儀器放大，由于缺陷端點(diǎn)和端角間的傳播時(shí)間的差異，檢測(cè)儀器可以自動(dòng)記錄和計(jì)算出時(shí)間差，進(jìn)而對(duì)缺陷大小進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過全功能的A掃、B掃和C掃，對(duì)該缺陷進(jìn)行數(shù)字成像，形成易于理解的被檢工件的截面圖，對(duì)缺陷進(jìn)行成像顯示，進(jìn)而對(duì)缺陷進(jìn)行定性。

2 TOFD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

TOFD技術(shù)使用兩個(gè)超聲波探頭，一個(gè)發(fā)射超聲波信號(hào)，另一個(gè)接收衍射信號(hào)、表面橫波和底波，因此在A掃顯示四個(gè)幅值信號(hào)，結(jié)合軟件技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全功能的A掃、B掃和C掃[3]。其優(yōu)勢(shì)如下：（1）有良好的可靠性，因?yàn)樗貌ǖ难苌湫盘?hào)，聲束角度不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，檢測(cè)出缺陷的幾率較大。（2）有較高的定量精度。（3）檢測(cè)的過程快捷而方便，通常一個(gè)人就能開展TOFD檢測(cè)工作，只需沿著焊縫的兩側(cè)運(yùn)動(dòng)探頭即可。（4）TOFD的掃查圖像清晰而可靠，和A型掃描信號(hào)相比更有利于識(shí)別缺陷、分析缺陷。（5）TOFD可提供被檢區(qū)域（如焊縫和熱影響區(qū)）大范圍的覆蓋的單線掃查，檢測(cè)效率高。（6）TOFD對(duì)各種缺陷都非常敏感，且對(duì)缺陷的方向不敏感。（7）可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)掃查，也可以進(jìn)行半自動(dòng)的掃查布置。（8）被檢材料的厚度范圍很寬，一般可達(dá)10mm～400mm，有的設(shè)備甚至可以實(shí)現(xiàn)6mm～600mm的工件檢測(cè)。（9）能檢測(cè)上下表面開口的缺陷。（10）具有比常規(guī)超聲技術(shù)更高的檢出率、能夠最大限度地減少裂紋的誤報(bào)。（11）能對(duì)裂紋的增長(zhǎng)變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，靈敏度高達(dá)0.3mm。（12）TOFD檢測(cè)所用儀器均是性能較高的數(shù)字化儀器，有很強(qiáng)的信號(hào)記錄能力，能全程將掃查信號(hào)記錄下來，且可長(zhǎng)期保存掃查記錄，并作出相應(yīng)的處理。（13）結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的三維成像。（14）可以開發(fā)TOFD技術(shù)的高溫探頭，一般溫度可達(dá)50℃，有的探頭可以在200℃以上的表面進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)有400℃檢測(cè)的成功案例。

3 TOFD技術(shù)的局限性

（1）檢測(cè)近表面缺陷時(shí)缺乏可靠性。上表面缺陷信號(hào)很有可能被直通波埋藏，從而被漏檢，下表面缺陷往往因掩蓋在底面反射波信號(hào)之中而被漏檢[4]。對(duì)表面非開口裂紋無法檢測(cè)。（2）定性缺陷的難度較大。（3）識(shí)別TOFD圖像的難度較大，且判讀較難，必須具備豐富的經(jīng)驗(yàn)。（4）對(duì)于橫向缺陷不容易檢測(cè)出來。（5）檢測(cè)形狀復(fù)雜的缺陷的難度較大。（6）在測(cè)量點(diǎn)狀缺陷的具體尺寸時(shí)，存在精確度不足的問題。（7）比較適合于自動(dòng)焊焊縫，對(duì)手工焊縫很不適應(yīng)。（8）容易對(duì)部分缺陷夸大顯示，如氣孔， 冷夾層， 內(nèi)部未熔合。（9）要求檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)豐富來估計(jì)缺陷的長(zhǎng)度，檢測(cè)人員需要經(jīng)過專門的培訓(xùn)。（10）設(shè)備成本高于常規(guī)超聲設(shè)備。

4 克服TOFD檢測(cè)盲區(qū)的方法

為減小TOFD檢測(cè)盲區(qū)，將TOFD技術(shù)與脈沖回波反射（PE）技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，利用二次波實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的全面覆蓋，進(jìn)行線性掃查，如圖1所示：

5 TOFD技術(shù)相比A型脈沖檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）TOFD可靠性較高。通過衍射波檢測(cè)，聲束不會(huì)影響衍射信號(hào)，有效規(guī)避各個(gè)方面存在的缺陷，而這一種方式檢查缺陷率較高。國(guó)外針對(duì)其作出的評(píng)價(jià)為：機(jī)械掃查UT+TOFD，80～95%；TOFD，70～90%；手工UT，50～70%。因此，TOFD技術(shù)和常規(guī)的手工UT檢測(cè)相比，可靠性要高很多。（2）TOFD技術(shù)本身的定量精度較高。通過技術(shù)來定量其缺陷，其精度也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出常規(guī)的手工超聲檢測(cè)技術(shù)。一般來說，利用這一技術(shù)，對(duì)于缺陷的定量誤差會(huì)控制在1mm之內(nèi)，同時(shí)所測(cè)量的未熔合曲線同裂紋缺陷的實(shí)際高度誤差會(huì)控制在零點(diǎn)幾mm內(nèi)。（3）TOFD技術(shù)使用簡(jiǎn)單而快捷，最常用的方法非平行掃查，一個(gè)人即可完成，并且沿著焊縫兩側(cè)來移動(dòng)探頭，不需要鋸齒形掃查，不但操作成本低廉，同時(shí)也能擁有較高的檢測(cè)效率。（4）在TOFD系統(tǒng)之中還有自動(dòng)或者半自動(dòng)掃查裝置，這樣就可以直接將缺陷的相對(duì)位置以及探頭加以確定，通過信號(hào)的處理，就可以直接轉(zhuǎn)換成為TOFD圖像，其所呈現(xiàn)出的信息量要比A型掃描大。針對(duì)A型掃描，會(huì)有一條A掃信號(hào)出現(xiàn)在屏幕內(nèi)，但TOFD圖像所顯示的是焊縫之中出現(xiàn)的A掃信號(hào)的集合。而且和A型信號(hào)顯示的波形比起來，TOFD圖像的信息更豐富，對(duì)識(shí)別缺陷、處理缺陷都更有利。（5）現(xiàn)階段所用TOFD檢測(cè)系統(tǒng)均是性能很好的數(shù)字化儀器設(shè)備，這樣就可以有效地避免信號(hào)記錄能力薄弱的問題，不但可以將全過程信號(hào)加以記錄，同時(shí)信息和數(shù)據(jù)也可以長(zhǎng)時(shí)間的保存，并大批量高速處理信號(hào)。（6）TOFD技術(shù)不僅可應(yīng)用于檢測(cè)，還能應(yīng)用于擴(kuò)展監(jiān)控缺陷，是一種測(cè)量精準(zhǔn)且非常有效的裂紋增長(zhǎng)測(cè)量模式。（7）TOFD可以對(duì)缺陷位置的深度進(jìn)行精確的定位，并定量缺陷自身的高度。（8）由于缺陷衍射波的角度與信號(hào)之間無關(guān)，所以角度不會(huì)影響其可靠性與精度。（9）衍射點(diǎn)的具體位置可以按照衍射信號(hào)傳播的時(shí)差來進(jìn)行判斷，并且缺陷的定量、定位都不會(huì)依賴信號(hào)的振幅。

6 TOFD技術(shù)相比射線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）無論屬于TOFD的檢測(cè)結(jié)果還是射線檢測(cè)結(jié)果，都可以利用二維圖像來加以顯示，但是區(qū)別在于TOFD的缺陷深度與自身身高測(cè)量相對(duì)精確，但是射線只能夠獲得缺陷的俯視信息圖，無法對(duì)其危害性、長(zhǎng)度以及厚度進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。（2）TOFD技術(shù)能夠探測(cè)較大的厚度，尤其是針對(duì)厚板探傷的效果非常明顯；但是射線穿透厚板本身的能力相對(duì)薄弱。（3）TOFD技術(shù)對(duì)于缺陷檢測(cè)較強(qiáng)，并且其探傷可以提升其檢出率，能夠達(dá)到90%左右；相比而言，射線檢出率偏低，只有75%左右。在具體工作中，人們發(fā)現(xiàn)利用TOFD技術(shù)能檢測(cè)缺陷，但卻無法利用X射線檢測(cè)缺陷，很可能造成質(zhì)量隱患。（4）TOFD技術(shù)會(huì)采集數(shù)據(jù)信息，并且可以滿足多方位的分析處理，甚至還可以開展缺陷立體的復(fù)原操作，其主要是因?yàn)樵趻卟橹袝?huì)有原始信號(hào)的保存，在脫機(jī)分析當(dāng)中可通過計(jì)算機(jī)分析各種各樣的原始信號(hào)，得到的缺陷判斷結(jié)果也更加精確；但是射線檢測(cè)只可以針對(duì)觀片燈之前的射線底片分析，但是不能利用計(jì)算機(jī)軟件做到缺陷的合理分析。（5）TOFD技術(shù)本身的操作很簡(jiǎn)單，同時(shí)掃查的速度加快，擁有較高的缺陷檢測(cè)率；但是射線檢測(cè)技術(shù)使用會(huì)消耗較長(zhǎng)的時(shí)間，并且過程相對(duì)繁瑣，效率過低。（6）TOFD技術(shù)利用超聲波進(jìn)行探傷，針對(duì)檢測(cè)工作環(huán)境沒有提出特殊的要求。所以超聲波檢測(cè)非常環(huán)保，人員使用也不會(huì)出現(xiàn)問題，所以，不需要特殊的安全保護(hù)措施；但是射線檢測(cè)因?yàn)橛蟹派渚€危害的存在，國(guó)家有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)控制，并且因?yàn)槠鋯喂しN操作，不但會(huì)影響檢測(cè)效率，同時(shí)也會(huì)影響整體進(jìn)度。（7）TOFD技術(shù)的檢測(cè)成本較低，很少涉及重復(fù)成本；但射線檢測(cè)需要投入較多資金建造暗室，在日常工作中耗材較多，經(jīng)常發(fā)生重復(fù)成本，所以綜合成本較高。

7 結(jié)束語

在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，TOFD檢測(cè)技術(shù)目前已經(jīng)是一種專門的無損檢測(cè)方法，在核工業(yè)、鍋爐管道、電力設(shè)施、橋梁和鐵路等工程的金屬與非金屬檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用，甚至出現(xiàn)取代射線檢測(cè)的良好發(fā)展趨勢(shì)。且隨著TOFD技術(shù)的廣泛深入應(yīng)用與發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國(guó)家制定TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)已有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，GB23902《無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 超聲衍射聲時(shí)技術(shù)檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法》和JB4730.10《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》。我們應(yīng)該相信，隨著TOFD技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的完善，并且TOFD設(shè)備的成本不斷下降，各單位將逐步采用TOFD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)，使之成為常規(guī)檢測(cè)方法。

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