TOFD超聲成像技術(shù)

孟工

摘 要：文章著重介紹TOFD（超聲波端點衍射技術(shù)）的技術(shù)原理、優(yōu)點和局限性。從檢測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)用特點和前景。

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

中圖分類號：TB553 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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，即超聲波衍射時差法檢測。TOFD技術(shù)指的是超聲波出現(xiàn)裂紋缺陷的時候，就會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衍射波，就可以對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)，也就是缺陷的端點與端角處獲得衍射能量，從而對缺陷進(jìn)行檢測的一種技術(shù)方法[1]。就會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衍射波，就可以對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)，那么裂紋端點不但會有正常反射波的出現(xiàn)，同時也會有衍射現(xiàn)象的發(fā)生。在較大角度之中，衍射能量放射，同時也會假定能量源就是裂紋末端產(chǎn)生的，這樣就會與依賴前端反射能量綜合的超聲波形成對比。

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，由于缺陷端點和端角間的傳播時間的差異，檢測儀器可以自動記錄和計算出時間差，進(jìn)而對缺陷大小進(jìn)行計算；同時計算機(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，對缺陷進(jìn)行成像顯示，進(jìn)而對缺陷進(jìn)行定性。

2 TOFD技術(shù)的優(yōu)勢

TOFD技術(shù)使用兩個超聲波探頭，一個發(fā)射超聲波信號，另一個接收衍射信號、表面橫波和底波，因此在A掃顯示四個幅值信號，結(jié)合軟件技術(shù)可以實現(xiàn)全功能的A掃、B掃和C掃[3]。其優(yōu)勢如下：（1）有良好的可靠性，因為它利用波的衍射信號，聲束角度不會對其產(chǎn)生影響，檢測出缺陷的幾率較大。（2）有較高的定量精度。（3）檢測的過程快捷而方便，通常一個人就能開展TOFD檢測工作，只需沿著焊縫的兩側(cè)運動探頭即可。（4）TOFD的掃查圖像清晰而可靠，和A型掃描信號相比更有利于識別缺陷、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，檢測效率高。（6）TOFD對各種缺陷都非常敏感，且對缺陷的方向不敏感。（7）可以實現(xiàn)手動掃查，也可以進(jìn)行半自動的掃查布置。（8）被檢材料的厚度范圍很寬，一般可達(dá)10mm～400mm，有的設(shè)備甚至可以實現(xiàn)6mm～600mm的工件檢測。（9）能檢測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。（11）能對裂紋的增長變化情況進(jìn)行監(jiān)測，靈敏度高達(dá)0.3mm。（12）TOFD檢測所用儀器均是性能較高的數(shù)字化儀器，有很強(qiáng)的信號記錄能力，能全程將掃查信號記錄下來，且可長期保存掃查記錄，并作出相應(yīng)的處理。（13）結(jié)合計算機(jī)技術(shù)和成像技術(shù)，可以實現(xiàn)對缺陷的三維成像。（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，實驗室中已經(jīng)有400℃檢測的成功案例。

3 TOFD技術(shù)的局限性

（1）檢測近表面缺陷時缺乏可靠性。上表面缺陷信號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之中而被漏檢[4]。對表面非開口裂紋無法檢測。（2）定性缺陷的難度較大。（3）識別TOFD圖像的難度較大，且判讀較難，必須具備豐富的經(jīng)驗。（4）對于橫向缺陷不容易檢測出來。（5）檢測形狀復(fù)雜的缺陷的難度較大。（6）在測量點狀缺陷的具體尺寸時，存在精確度不足的問題。（7）比較適合于自動焊焊縫，對手工焊縫很不適應(yīng)。（8）容易對部分缺陷夸大顯示，如氣孔， 冷夾層， 內(nèi)部未熔合。（9）要求檢測人員經(jīng)驗豐富來估計缺陷的長度，檢測人員需要經(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檢測盲區(qū)的方法

為減小TOFD檢測盲區(qū)，將TOFD技術(shù)與脈沖回波反射（PE）技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，利用二次波實現(xiàn)對焊縫和熱影響區(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型脈沖檢測技術(shù)的優(yōu)勢

（1）TOFD可靠性較高。通過衍射波檢測，聲束不會影響衍射信號，有效規(guī)避各個方面存在的缺陷，而這一種方式檢查缺陷率較高。國外針對其作出的評價為：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)的手工超聲檢測技術(shù)。一般來說，利用這一技術(shù)，對于缺陷的定量誤差會控制在1mm之內(nèi)，同時所測量的未熔合曲線同裂紋缺陷的實際高度誤差會控制在零點幾mm內(nèi)。（3）TOFD技術(shù)使用簡單而快捷，最常用的方法非平行掃查，一個人即可完成，并且沿著焊縫兩側(cè)來移動探頭，不需要鋸齒形掃查，不但操作成本低廉，同時也能擁有較高的檢測效率。（4）在TOFD系統(tǒng)之中還有自動或者半自動掃查裝置，這樣就可以直接將缺陷的相對位置以及探頭加以確定，通過信號的處理，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A型掃描，會有一條A掃信號出現(xiàn)在屏幕內(nèi)，但TOFD圖像所顯示的是焊縫之中出現(xiàn)的A掃信號的集合。而且和A型信號顯示的波形比起來，TOFD圖像的信息更豐富，對識別缺陷、處理缺陷都更有利。（5）現(xiàn)階段所用TOFD檢測系統(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記錄能力薄弱的問題，不但可以將全過程信號加以記錄，同時信息和數(shù)據(jù)也可以長時間的保存，并大批量高速處理信號。（6）TOFD技術(shù)不僅可應(yīng)用于檢測，還能應(yīng)用于擴(kuò)展監(jiān)控缺陷，是一種測量精準(zhǔn)且非常有效的裂紋增長測量模式。（7）TOFD可以對缺陷位置的深度進(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之間無關(guān)，所以角度不會影響其可靠性與精度。（9）衍射點的具體位置可以按照衍射信號傳播的時差來進(jìn)行判斷，并且缺陷的定量、定位都不會依賴信號的振幅。

6 TOFD技術(shù)相比射線技術(shù)的優(yōu)勢

（1）無論屬于TOFD的檢測結(jié)果還是射線檢測結(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量相對精確，但是射線只能夠獲得缺陷的俯視信息圖，無法對其危害性、長度以及厚度進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。（2）TOFD技術(shù)能夠探測較大的厚度，尤其是針對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薄弱。（3）TOFD技術(shù)對于缺陷檢測較強(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)能檢測缺陷，但卻無法利用X射線檢測缺陷，很可能造成質(zhì)量隱患。（4）TOFD技術(shù)會采集數(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，其主要是因為在掃查之中會有原始信號的保存，在脫機(jī)分析當(dāng)中可通過計算機(jī)分析各種各樣的原始信號，得到的缺陷判斷結(jié)果也更加精確；但是射線檢測只可以針對觀片燈之前的射線底片分析，但是不能利用計算機(jī)軟件做到缺陷的合理分析。（5）TOFD技術(shù)本身的操作很簡單，同時掃查的速度加快，擁有較高的缺陷檢測率；但是射線檢測技術(shù)使用會消耗較長的時間，并且過程相對繁瑣，效率過低。（6）TOFD技術(shù)利用超聲波進(jìn)行探傷，針對檢測工作環(huán)境沒有提出特殊的要求。所以超聲波檢測非常環(huán)保，人員使用也不會出現(xiàn)問題，所以，不需要特殊的安全保護(hù)措施；但是射線檢測因為有放射線危害的存在，國家有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)控制，并且因為其單工種操作，不但會影響檢測效率，同時也會影響整體進(jìn)度。（7）TOFD技術(shù)的檢測成本較低，很少涉及重復(fù)成本；但射線檢測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)國家，TOFD檢測技術(shù)目前已經(jīng)是一種專門的無損檢測方法，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中得到廣泛的應(yīng)用，甚至出現(xiàn)取代射線檢測的良好發(fā)展趨勢。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)國家制定TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)已有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，GB23902《無損檢測 超聲檢測 超聲衍射聲時技術(shù)檢測和評價方法》和JB4730.10《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分 衍射時差法超聲檢測》。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，使之成為常規(guī)檢測方法。

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