衍射时差法(TOFD)_射线

1. 什么是衍射时差法

衍射时差法(Time of Flight Diffraction，简称TOFD)是利用缺陷部位的衍射波信号来检测缺陷并测定缺陷尺寸的一种超声检测方法。检测时，通常使用一对宽声束、宽频带的纵波斜探头，探头相对于焊缝两侧布置，采用一发一收的模式，如图1所示。该方法最早是由英国原子能管理局国家无损检测中心哈威尔实验室的M·G·Silk根据超声波衍射现象首先提出来的。

2. 衍射时差法的接收信号和图像

TOFD方法一般将探头对称分布于焊缝两侧，在工件无缺陷的部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。当工件中存在缺陷时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷产生的衍射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，因横波波速小于纵波，因而一般会迟于底面反射纵波到达接收探头，工件中的超声波传播途径如图2所示。缺陷处A扫描信号如图3所示。

TOFD检测显示包括A扫描信号和TOFD图像，其中A扫描信号使用射频形式，而TOFD图像则是将每个A扫描信号显示一维图像线条，位置与声程相对应，以灰度表示信号幅度，将扫描过程中采集到的连续的A扫描信号形成的图像线条沿探头的运动方向拼接成二维视图，一个轴代表探头移动距离，另一个轴代表扫查面至底面的深度，这样就形成TOFD图像。

所示的A扫描信号中，我们可看到信号的相位变化：直通波与底面反射波的相位是相反的，缺陷的上端点和下端点的衍射波相位也是相反的，而缺陷的下端点与直通波的相位是相同的，缺陷的上端点与底面反射波的相位是相同的。

所示为含埋藏缺陷的平板对接焊接接头的检测显示示意图，图中右下方为TOFD图像，右上方为从TOFD图像中缺陷部位提取的一个A扫描信号，其中包括直通波、上端点衍射波、下端点衍射波和底面反射波。

3. 缺陷埋藏深度和自身高度的确定

在平板工件中，为了计算缺陷的深度和自身高度，若设定探头中心间距为2a，缺陷上端点的深度为d1，缺陷距焊缝中心的偏移量为b。

式中：c ——声速；

T ——超声波传播的总时间；

t0 ——超声波在探头斜楔中传播的时间

假定缺陷位于焊缝中心线上，此时有：b＝0，所得d1最小：

若以直通波为参考起点，并假定b＝0，并设缺陷上端点的衍射波与直通波间的传播时间差为Δt，则上式可转化为：

式中：c ——声速；

Δt ——缺陷上端点的衍射波与直通波间的传播时间差；

2a ——探头中心间距。

缺陷下端点与扫查面间的距离用d2表示，同理，可计算出缺陷下端点的深度d2。则缺陷的自身高度(H)为：

H＝d2－d1

4. 衍射时差法的扫查方式

TOFD的扫查方式一般分为非平行扫查、偏置非平行扫查和平行扫查三种形式。(a)所示的扫查方式是非平行扫查，它是指探头的运动方向与声束方向垂直的扫查方式，比如在焊缝检测时，探头对称分布于焊缝中心线两侧并沿焊缝长度方向进行扫查，这种扫查就属于非平行扫查。初始扫查时一般采用这种方式，用于缺陷的快速检测和缺陷长度的测定，并可大致测定缺陷自身高度，但无法确定缺陷距焊缝中心线的偏移量。偏置非平行扫查是指偏移焊缝中心线一定距离的非平行扫查，该扫查方式可增大检测范围，提高缺陷自身高度与缺陷位置的测量精度，并有助于降低表面盲区高度。平行扫查是指探头的运动方向与声束方向平行的扫查方式，(c)所示，这种扫查是对已发现的缺陷，以改进缺陷定位和缺陷自身高度测定的准确性，并为缺陷定性提供更多的信息。

(a) 非平行扫查

(b) 偏置非平行扫查

5. 几种典型性缺陷的TOFD图像和A扫描信号

(1) 上表面裂纹

当工件的上表面存在裂纹时，声束无法从上表面通过，因此，没有直通波和上端点的衍射波。

(2) 下表面裂纹

当工件的下表面存在裂纹时，声束无法从下表面通过，因此，没有底面反射波和下端点的衍射波。

(3) 水平方向的平面形缺陷

当工件中存在水平方向的平面形缺陷(如层间未熔合或冷夹层)时，上、下端点的衍射波合在一起。

(4) 点状缺陷

(a)是两个点状缺陷在射线底片上显示的影像，左方近于圆形的影像是气孔，右方是点状夹渣的影像，它们的TOFD成像的图像。

由于点状缺陷在射线片上显示形状大同小异，点状夹渣由于形状不规则，在底片上黑度不均匀，而气孔是体积型，中间充斥空气因此黑度较大，而且是中间深四周浅，在TOFD图谱上由于两种缺陷的形状不同显示出来的图像也有区别，(b)为气孔的TOFD图像，基本上为一个平滑的抛物线状，没有明显的长度，信号强度不强，没有明显的上下端点衍射，抛物线的顶点色度最浓；点状夹渣形状不规则，所形成的图像有明显的反射信号，因此信号较强，振荡周期较多，无明显长度指示。

(a) 射线底片上显示的点状缺陷

(b) TOFD显示的气孔图像

(5) 密集型气孔

是密集型气孔在TOFD成像的图像。从图中可看到：密集型气孔图像表现为多个独立点状衍射的集合和叠加，各点衍射信号强度基本一致。

(6) 条状夹渣

条状夹渣图像表现为多个夹渣状衍射图像的连续，长度方向时断时续，深度不齐，无明显上、下端点衍射信号，形成图像比较杂乱，上端反射信号较强，成像对比度高；下端为较弱的衍射信号成像强度明显减弱。

(7) 裂纹

(a)是工件内部存在裂纹时在射线片上显示的影像，是TOFD成像的图像。由于裂纹类缺陷一般是二维空间的面状缺陷，典型裂纹类缺陷在底片上的影像一般比较细微，中间略宽，两端尖细，有时曲折多齿，比较容易辨认。在TOFD成像中对于垂直于检测面的裂纹有相当高的检出灵敏度，其上、下端点图像清晰，长度方向平滑过渡，两端信号较弱，中部信号较强，上、下端点脉冲尖窄，分辨明显。

(a) 射线底片上显示的裂纹缺陷

(b) TOFD显示的裂纹图像

(8) 未熔合

(a)是在射线底片显示焊缝中存在侧壁未熔合的情况，中的标记1是该未熔合的TOFD图像。在TOFD图谱的另一边上显示有密集小气孔，射线片上显示不明显，由此可见，TOFD扫查方式对于细小缺陷有较高的发现和分辨能力。

侧壁未熔合缺陷在射线片上表现为有一定长度方向且黑度不均匀，位于焊缝熔合线位置，在TOFD图谱上亦有长度方向显示，且上下端点图形不平滑，呈波浪状或锯齿状，在射线片上黑度均匀位置，上下端点所形成的图像基本平行；在黑度大的部位，TOFD图谱中的上、下端点之间距离明显增大，且上、下端点不平行呈发散状。

(a) 射线底片上显示的未熔合

(b) TOFD显示的未熔合图像

(9) 未焊透

是在射线底片显示焊缝中存在未焊透的情况，中的标记1、2是该未焊透的TOFD图像。从射线片上来看在焊缝上有两个明显未焊透缺陷，在TOFD图谱上亦有清晰的图形显示，与未熔合的图谱相似，上、下端点不平滑呈波浪状或锯齿状，但上、下端点形成的图像基本平行，在射线片上黑度差值较低的地方，下端点衍身信号明显减弱，两端有明显的点状衍射。如标记1所示；黑度非常小的地方下端点衍射基本消失，从图谱上看，它与上、下端点图形发生错位相近似，如标记2所示。

(a) 射线底片上显示的未焊透

(b) TOFD显示的未焊透图像

6. 衍射时差法的优点和局限性

(1) 衍射时差法的优点

与脉冲反射法超声检测和射线检测相比TOFD的主要优点在于：

① 缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关，缺陷的尺寸确定不依赖于缺陷的回波波幅，传统超声检测方法是根据反射信号来检出缺陷，并根据缺陷的回波波幅评定缺陷的尺寸，其缺陷的检出和定量受声束角度、检测方向、缺陷表面粗糙度、工件表面状态及对探头所施加的压力等多种因素的影响，而这些因素的影响是难以克服的，TOFD技术基本解决了这些因素带来的不利影响。

② 检测灵敏度高，缺陷的衍射信号不受声束角度的影响，超声波束覆盖区域大，图像所包含的信息量大，即使很小的信号也容易发现和识别，检出率高；

③ 缺陷自身高度的测量精确；

④ 实时成像，快速分析；

⑤ TOFD检测扫查简便快捷，要查时，探头只需沿焊缝两侧移动即可，不需要作锯齿扫查，检测效率高，成本低；

⑥ TOFD检测系统大都是高性能的数字化仪器，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能高速进行批量的信号处理。

(2) 衍射时差法的局限性

TOFD也存在一定的局限性，主要有：

① 由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围内的缺陷难以发现，因此，在扫查面和底面存在几毫米的盲区；

② 对缺陷的定性比较困难，TOFD技术比较有把握区分上表面开口、下表面开口及埋藏的缺陷，但不能准确判断缺陷的性质；

③ TOFD的信号较弱，易受噪声的影响，信噪比低，故对粗晶材料(如奥氏体钢焊缝)的检测比较困难；

④ 倾向于“过分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等；

⑤ 复杂几何形状的工件检测比较困难；