超聲TOFD原理和方法要領

【摘要】本文重點介紹超聲TOFD法的工作原理，探頭典型分布、測試系統的核心要求與測試技術的實施要點，其目的是對這一新技術在中國市場上的普及奠定基礎。

【關鍵詞】超聲；TOFD法；原理；探頭布置；檢測系統；工藝要點

從二十世紀九十年代開始，超聲TOFD（衍射時差）法在西方國家的工業無損測試中實現了全面普及，日本、英國、美國等陸續頒布了相關的應用標準。近期，中國也在進行全方位地應用與探索，專門研制便攜型設備等。本文針對這一新技術的工作原理、探頭典型分布、測試系統的核心要求與測試技術的實施要點等，進行了具體闡述。

TOFD（Time Of Flight Diffraction）技術則是在1970年經美國哈威爾無損檢測機構所創建。經過二十多年的發展，英標準BS 7706得以形成。從1996年之后，美ASME把其歸置到典型要案224第III卷《無損檢測》目錄（fal2002年歐美各自設定專一標準），大當前，TOFD和相控陣技術相融合，彼此推動，針對壁厚不一的承壓機械焊接接頭的生產與在役測試。

一、TOFD法應用特征和注意事項

超聲TOFD法和一般的UT技術有區別，它能夠進行物料探傷、缺陷定位與定量，該方法并非是通過脈沖回波幅度對缺陷進行定量分析，卻是通過脈沖傳遞時間進行檢測。

對于TOFD方法來說，其應用是選擇相同規格、相同頻率、相同角度的縱波斜探頭，根據特定間距將其放在被測焊縫兩端，通過D型掃描來檢測；也能夠通過B型掃描進行檢測。

假若檢測工作要求盡快、準確地進行探傷且定量，TOFD法具備獨特優勢，它能夠針對承壓機械各類規格的厚板、徑長的筒體或管材對接接頭進行探傷與定量測試。不過針對個別相對復雜的性狀，例如管座角焊接、三通類分支焊接等，必須利用獨特的裝卸方法，方可進行探傷與定量測試。

在TOFD方法里，選擇的回波幅度包括三個方面的內容：1）必須讓檢測的缺陷所形成的脈沖和局部基底噪音（比如超聲晶粒散射）進行鑒別，需證實已知或實測的脈沖和超聲傳遞路程與位點的內心聯系，以此來確定實測結果的準確性，以此需要利用波幅法進行；2）要按照面狀缺陷上下側的回波幅度，對缺陷表層提供關鍵信息；3）要按照人工缺陷形成的脈沖幅度，來證實全系統校對在一次或多次實測里，沒有出現變化。

二、幾個關鍵術語

1、D一掃描

在探頭順著焊縫（或缺陷）徑長進行垂直于聲束方向的變化的情況下，經整理信息來描繪出焊縫或缺陷的縱切面結構圖。D—掃描則是指TOFD方法缺陷測度期間的重要描繪方法，也可以叫做縱向掃描或非水平掃描。

2、B一掃描

在探頭順著聲束水平方向進行橫切焊縫或缺陷的橫切面變化的情況下，經整理信息來描繪出焊縫或缺陷的橫切面結構圖。B—掃描則是指在進行缺陷測試之后，對缺陷進行有效定量、定位檢測。也可以叫做橫向掃描或水平掃描。

3、側向波

當探測面正處于平面或凸面的情況下，在兩個TOFD探頭之間進行水平傳遞的聲波，也可以叫做縱波。

4、爬波

當探測面正處于平面或凹面的情況下，在兩個TOFD探頭之間進行水平傳遞的聲波，也可以叫做縱波。

說明：平面是在凸面和凹面之間的形態，適用于爬波和側向波。

三、工作原理

1、超聲和缺陷的相互作用

在分析TOFD方法的技術原理之前，需要了解一下超聲波和缺陷彼此作用的工作原理。當超聲體積波和裂痕類面狀缺陷彼此產生作用之后，就算是不考慮波形轉變反應，超聲能力也能夠劃分成五大能力，不管在哪一個角度探察，都能夠看到此類能力的差異化組合。此能力是：1）非涉及相互作用的入射波（前沿端）；2）裂痕表層的鏡面反射波；3）經裂痕表層粗糙度與若干個小裂面而形成的散射波、皿裂痕端處形成的衍射縱波、煙裂痕端處形成的衍射錐波、衍射橫波，這些均為獨立的脈沖波，也能夠認定是相互作用而創建的復合脈沖波，其受到探察角度、脈沖長度等要素的干擾。

由此來看，缺陷和波源、接收設備（探頭）的方向是相對應的，能夠會對此類能力的作用造成干擾，不過缺陷本身表層粗糙度的調整，則會影響鏡面反射波、散射波的能力分瓶聲透射率的調整，以此會對全部分量的布局造成干擾。

2、缺陷端點衍射

經過以上介紹，若超聲波在物料里進行傳遞，碰到平面狀缺陷，且與其形成相互作用的條件下，排除形成常規的反射波之外，也需在缺陷端處形成衍射波。假設這一衍射能力是由缺陷尖處形成的，其則在某個角度領域中輻身水由于缺陷信號能夠選擇一對探頭由一系列不一樣方向進行記載，所以這一衍射能力能夠進行缺陷測試。也由于衍射波的空間（或時間）間隔和缺陷高度有一定的正比例關系，所以這一衍射能力也能夠對缺陷進行定量測試，TOFD法可選擇縱波，其原因是和橫波進行對比，其縱波的速度快，以此能夠提前抵達，從而讓信號闡釋簡略處理。

3、探頭對檢測分布

需把超聲衍射波傳遞時間的定義適用于缺陷的測試、定量與定位忽視波型變化反應（簡略介紹），描繪出有超聲能力受限傳遞路徑的聲程，TOFD法適用于焊縫測試的特殊探頭對分布包括四個，其分別是：①平面測試分布；②凸面測試分布；③凹面測試分布；④異面測試分布。

4、缺陷定位定量

由面狀缺陷下端處至接收探頭的能力，延緩于由面狀缺陷下端出至接收探頭的能力，這一時間延緩量，就是指缺陷高度量，同時，缺陷上下端處形成的兩個衍射脈沖，一直處在順著試件表層傳遞的聲脈沖之后，可在試件底端形成的反射脈沖之前，所以，一般能夠找到缺陷掩埋高度位點、缺陷本身高度的相關數據，缺陷深、高數據更直接、有效。假如缺陷正處在試件的上表層，那么側面波則會遭遇到阻截。

四、小結

經過以上對超聲TOFD法的應用特點、工作機理等方面的介紹，我們可以更清楚地掌握探頭典型分布、測試系統的核心要求與測試技術的實施要點，同時可以更專業地學習其對應的相關專業術語，以此在未來的應用中，真正地發揮TOFD法的價值與功效，并借此擴大了TOFD法在工業領域內的應用范圍。

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【作者簡介】

閆軍帥（1990—），男，山東濱州人，中國石化集團勝利石油管理局海上石油工程技術檢驗中心助理工程師，主要研究方向：AUT應用。