超声衍射时差（TOFD）技术介绍

超声衍射时差（TOFD）技术介绍

“TOFD”即Time off light diffraction,译成中文是“超声波衍射时差法检测”，TOFD检测技术原理是利用超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷尖端发生迭加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，从而判定缺陷的大小和深度。极大地提高了缺陷检出率。TOFD检验技术具有缺陷检出能力强、缺陷定位精度高、节省设备的制造时间等特点，在检测资料上保证安全，并且可以用数字型式永久保存，恰好弥补了常规超声波检测技术的不足。

此技术首先是应用于核工业设备检验，如今在电力、石化、管道、压力容器、钢结构等方面多有应用。

上个世纪七十年代早期，英国原子能管理局（United Kingdom Atomic Energy Authority ,即UKAEA）的国家无损检测研究中心的Harwell 实验室提出了了超声波衍射在UT中应用的原理。UKAEA为了开发比常规超声波检测更精确的缺陷定量技术，最早由史可·毛瑞斯（ SILK M G）博士开发出了超声衍射时差技术(Time of Flight Diffraction, 简称TOFD)。后来欧美国家的有关机构进行了大量的试验，到80年代早期证实，对于核反应堆的压力容器和主要部件，TOFD技术作为超声检测是可行的，其可靠性和精度要高于常规超声检测（即脉冲回波）技术；相比常规的脉冲回波技术，当时的TOFD技术有几个最明显的不同，一是很高的定量精度，绝对误差<±1mm，而裂纹监测的误差<±0.3mm；二是对缺陷的方向和角度不敏感，不向脉冲回波技术那样对某些方向的缺陷有“盲区”；三是对缺陷的定量不是基于信号的波幅，而是基于缺陷尖端衍射信号的声程和时间。
　　
后来开发了便携的设备系统（即国际无损检测中心的ZIPSCAN），TOFD技术被国际工业界广泛公认。90年代，该项技术开始应用与石油化工管线的检测。此后，BSI、ASTM、ASME以及EN等相继承认了TOFD检测技术，颁布并不断修订了有关标准。而发展到今天，世界上有很多无损检测设备制造商开发了很多数字化的无损检测系统可以满足上述标准进行TOFD检测。当然，顶尖的制造商的设备系统可能还具备或者同时兼容常规超声、超声相控阵（PA）、常规涡流（ECT）和涡流阵列（ECT ARRY）检测。
　　　
TOFD的主要原理

超声衍射时差技术（TOFD）是一种依靠从检件工件内部结构，主要是指缺陷的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法。

当超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷尖端发生叠加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，可以判定缺陷的大小和深度。当超声波在存在缺陷的线性不连续处（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），如裂纹等处出现传播障碍时，在裂纹端点处除了正常反射波以外，还要发生衍射现象。衍射能量在很大的角度范围内放射出并且假定此能量起源于裂纹末端。这与依赖于间断反射能量总和的常规超声波形成一个显著的对比。

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，还在缺陷的端点或端角处产生衍射波。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。如图2.1.1所示。

TOFD技术的优势
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；
TOFDA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；
TOFD对各种缺陷都非常敏感，且对缺陷的方向不敏感；
可以实现手动扫查，也可以进行半自动的扫查布置；
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；

图2.1.1 TOFD技术原理图

图2.1.1 TOFD技术原理图

   图2.1.1 TOFD技术原理图
上下表面开口的缺陷检测也能检测；
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；
能对裂纹的增长变化情况进行监测，灵敏度高达0.3mm；
数据永久记录，并能够进行离线分析；
结合计算机技术和成像技术，可以实现对缺陷的三维成像；
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；
因为检测速度快，可以实现对环焊缝的半自动检测，对于板厚超过25mm的材料，成本比RT少的多，人工时也少很多。

TOFD技术的局限性
上下表面存在盲区（一般2mm左右，不同的设备一般有所差异），即直通波和底面波存在死区；对表面非开口裂纹无法检测；
电驱动的半自动系统不适用合拢焊缝的十字口或者丁字口；
非独立的超声波检测手段，用于判别缺陷的真伪、缺陷高度的测量和监测裂纹的增长变化；
比较适合于自动焊焊缝，对手工焊缝很不适应；
不适用于粗纹理或COARSED-GRAIN材料；
需要另外判定缺陷位于焊缝的哪一边；
根部的缺陷易被内壁信号所掩盖；
容易对部分缺陷夸大显示，如气孔, 冷夹层, 内部未熔合；
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；
设备成本高于常规超声设备。
克服TOFD检测盲区的方法
TOFD技术结合脉冲回波反射（PE）技术，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2.1.2所示；
TOFD探头结合相控阵探头和相控阵软件，实现对焊缝和热影响区的全面覆盖扫查；尤其对环焊缝扫查更体现了巨大的优势，如图2.1.3所示。
利用检测设备的信号多通道技术，一般至少达到4个通道以上，甚至有的设备达到32通道。

图2.1.2 典型TOFD+PE多通道设备布置原理图

图2.1.2 典型TOFD+PE多通道设备布置原理图

图2.1.3 利用TOFD、PE和多通道技术超声检测系统现场检测

图2.1.3 利用TOFD、PE和多通道技术超声检测系统现场检测