TOFD超声成像技术

孟工

摘 要：文章着重介绍TOFD（超声波端点衍射技术）的技术原理、优点和局限性。从检测效率和缺陷检出率等方面，将其与传统A扫描技术、射线照相技术进行比较，总结出TOFD技术的应用特点和前景。

关键词：TOFD；技术原理；技术局限；技术优势

中图分类号：TB553 文献标志码：A 文章编号：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，即超声波衍射时差法检测。TOFD技术指的是超声波出现裂纹缺陷的时候，就会在正常反射波上叠加缺陷尖端所形成的衍射波，然后通过探头来探测衍射波，就可以对缺陷的大小和深度进行判断。

1 OFD技术原理

TOFD是依赖基于检件工件的内部结构，也就是缺陷的端点与端角处获得衍射能量，从而对缺陷进行检测的一种技术方法[1]。就会在正常反射波上叠加缺陷尖端所形成的衍射波，然后通过探头来探测衍射波，就可以对缺陷的大小和深度进行判断。如果超声波缺陷存在线性不连续处（欧洲很多标准中都使用discontinuity一词，即理解为材质的不连续结构），如裂纹处有传播障碍的出现，那么裂纹端点不但会有正常反射波的出现，同时也会有衍射现象的发生。在较大角度之中，衍射能量放射，同时也会假定能量源就是裂纹末端产生的，这样就会与依赖前端反射能量综合的超声波形成对比。

超声波在工件内的传播遵循惠更斯原理，除在缺陷表面产生超声波的反射波外，還在缺陷的端点或端角处产生衍射波[2]。衍射波被接收后经过仪器放大，由于缺陷端点和端角间的传播时间的差异，检测仪器可以自动记录和计算出时间差，进而对缺陷大小进行计算；同时计算机系统还搜集相关的数据，通过全功能的A扫、B扫和C扫，对该缺陷进行数字成像，形成易于理解的被检工件的截面图，对缺陷进行成像显示，进而对缺陷进行定性。

2 TOFD技术的优势

TOFD技术使用两个超声波探头，一个发射超声波信号，另一个接收衍射信号、表面横波和底波，因此在A扫显示四个幅值信号，结合软件技术可以实现全功能的A扫、B扫和C扫[3]。其优势如下：（1）有良好的可靠性，因为它利用波的衍射信号，声束角度不会对其产生影响，检测出缺陷的几率较大。（2）有较高的定量精度。（3）检测的过程快捷而方便，通常一个人就能开展TOFD检测工作，只需沿着焊缝的两侧运动探头即可。（4）TOFD的扫查图像清晰而可靠，和A型扫描信号相比更有利于识别缺陷、分析缺陷。（5）TOFD可提供被检区域（如焊缝和热影响区）大范围的覆盖的单线扫查，检测效率高。（6）TOFD对各种缺陷都非常敏感，且对缺陷的方向不敏感。（7）可以实现手动扫查，也可以进行半自动的扫查布置。（8）被检材料的厚度范围很宽，一般可达10mm～400mm，有的设备甚至可以实现6mm～600mm的工件检测。（9）能检测上下表面开口的缺陷。（10）具有比常规超声技术更高的检出率、能够最大限度地减少裂纹的误报。（11）能对裂纹的增长变化情况进行监测，灵敏度高达0.3mm。（12）TOFD检测所用仪器均是性能较高的数字化仪器，有很强的信号记录能力，能全程将扫查信号记录下来，且可长期保存扫查记录，并作出相应的处理。（13）结合计算机技术和成像技术，可以实现对缺陷的三维成像。（14）可以开发TOFD技术的高温探头，一般温度可达50℃，有的探头可以在200℃以上的表面进行检测，实验室中已经有400℃检测的成功案例。

3 TOFD技术的局限性

（1）检测近表面缺陷时缺乏可靠性。上表面缺陷信号很有可能被直通波埋藏，从而被漏检，下表面缺陷往往因掩盖在底面反射波信号之中而被漏检[4]。对表面非开口裂纹无法检测。（2）定性缺陷的难度较大。（3）识别TOFD图像的难度较大，且判读较难，必须具备丰富的经验。（4）对于横向缺陷不容易检测出来。（5）检测形状复杂的缺陷的难度较大。（6）在测量点状缺陷的具体尺寸时，存在精确度不足的问题。（7）比较适合于自动焊焊缝，对手工焊缝很不适应。（8）容易对部分缺陷夸大显示，如气孔， 冷夹层， 内部未熔合。（9）要求检测人员经验丰富来估计缺陷的长度，检测人员需要经过专门的培训。（10）设备成本高于常规超声设备。

4 克服TOFD检测盲区的方法

为减小TOFD检测盲区，将TOFD技术与脉冲回波反射（PE）技术进行结合，利用二次波实现对焊缝和热影响区的全面覆盖，进行线性扫查，如图1所示：

5 TOFD技术相比A型脉冲检测技术的优势

（1）TOFD可靠性较高。通过衍射波检测，声束不会影响衍射信号，有效规避各个方面存在的缺陷，而这一种方式检查缺陷率较高。国外针对其作出的评价为：机械扫查UT+TOFD，80～95%；TOFD，70～90%；手工UT，50～70%。因此，TOFD技术和常规的手工UT检测相比，可靠性要高很多。（2）TOFD技术本身的定量精度较高。通过技术来定量其缺陷，其精度也要远远高出常规的手工超声检测技术。一般来说，利用这一技术，对于缺陷的定量误差会控制在1mm之内，同时所测量的未熔合曲线同裂纹缺陷的实际高度误差会控制在零点几mm内。（3）TOFD技术使用简单而快捷，最常用的方法非平行扫查，一个人即可完成，并且沿着焊缝两侧来移动探头，不需要锯齿形扫查，不但操作成本低廉，同时也能拥有较高的检测效率。（4）在TOFD系统之中还有自动或者半自动扫查装置，这样就可以直接将缺陷的相对位置以及探头加以确定，通过信号的处理，就可以直接转换成为TOFD图像，其所呈现出的信息量要比A型扫描大。针对A型扫描，会有一条A扫信号出现在屏幕内，但TOFD图像所显示的是焊缝之中出现的A扫信号的集合。而且和A型信号显示的波形比起来，TOFD图像的信息更丰富，对识别缺陷、处理缺陷都更有利。（5）现阶段所用TOFD检测系统均是性能很好的数字化仪器设备，这样就可以有效地避免信号记录能力薄弱的问题，不但可以将全过程信号加以记录，同时信息和数据也可以长时间的保存，并大批量高速处理信号。（6）TOFD技术不仅可应用于检测，还能应用于扩展监控缺陷，是一种测量精准且非常有效的裂纹增长测量模式。（7）TOFD可以对缺陷位置的深度进行精确的定位，并定量缺陷自身的高度。（8）由于缺陷衍射波的角度与信号之间无关，所以角度不会影响其可靠性与精度。（9）衍射点的具体位置可以按照衍射信号传播的时差来进行判断，并且缺陷的定量、定位都不会依赖信号的振幅。

6 TOFD技术相比射线技术的优势

（1）无论属于TOFD的检测结果还是射线检测结果，都可以利用二维图像来加以显示，但是区别在于TOFD的缺陷深度与自身身高测量相对精确，但是射线只能够获得缺陷的俯视信息图，无法对其危害性、长度以及厚度进行准确判断。（2）TOFD技术能够探测较大的厚度，尤其是针对厚板探伤的效果非常明显；但是射线穿透厚板本身的能力相对薄弱。（3）TOFD技术对于缺陷检测较强，并且其探伤可以提升其检出率，能够达到90%左右；相比而言，射线检出率偏低，只有75%左右。在具体工作中，人们发现利用TOFD技术能检测缺陷，但却无法利用X射线检测缺陷，很可能造成质量隐患。（4）TOFD技术会采集数据信息，并且可以满足多方位的分析处理，甚至还可以开展缺陷立体的复原操作，其主要是因为在扫查之中会有原始信号的保存，在脱机分析当中可通过计算机分析各种各样的原始信号，得到的缺陷判断结果也更加精确；但是射线检测只可以针对观片灯之前的射线底片分析，但是不能利用计算机软件做到缺陷的合理分析。（5）TOFD技术本身的操作很简单，同时扫查的速度加快，拥有较高的缺陷检测率；但是射线检测技术使用会消耗较长的时间，并且过程相对繁琐，效率过低。（6）TOFD技术利用超声波进行探伤，针对检测工作环境没有提出特殊的要求。所以超声波检测非常环保，人员使用也不会出现问题，所以，不需要特殊的安全保护措施；但是射线检测因为有放射线危害的存在，国家有严格的标准控制，并且因为其单工种操作，不但会影响检测效率，同时也会影响整体进度。（7）TOFD技术的检测成本较低，很少涉及重复成本；但射线检测需要投入较多资金建造暗室，在日常工作中耗材较多，经常发生重复成本，所以综合成本较高。

7 结束语

在西方发达国家，TOFD检测技术目前已经是一种专门的无损检测方法，在核工业、锅炉管道、电力设施、桥梁和铁路等工程的金属与非金属检测中得到广泛的应用，甚至出现取代射线检测的良好发展趋势。且随着TOFD技术的广泛深入应用与发展，西方发达国家制定TOFD检测标准。目前国内已有相应标准，GB23902《无损检测 超声检测 超声衍射声时技术检测和评价方法》和JB4730.10《承压设备无损检测 第10部分 衍射时差法超声检测》。我们应该相信，随着TOFD技術的发展和相应标准的完善，并且TOFD设备的成本不断下降，各单位将逐步采用TOFD技术进行产品的质量检测，使之成为常规检测方法。

参考文献：

[1]杨齐，郑晖，侯金刚，等.TOFD图像时域解混叠的自适应匹配追踪方法[J].应用声学，2016，35（06）：487-493.

[2]赵烨，方正中，郑鼎鼎，等.小波匹配追踪技术在超声TOFD图像处理中的应用[J].杭州电子科技大学学报（自然科学版），2016，36（05）：26-30.

[3]汪慈高.超声TOFD图像缺陷检测配准方法研究[D].西南交通大学，2016.

[4]许胜军，盖小厂，王宁.TOFD技术原理及其应用[J].山东化工，2015，44（03）：109-110.

[5]梅华锋，岳高峰.超声衍射时差检测技术[J].水电站机电技术，2014，37（04）：42-44.