TOFD方法对焊接缺陷的检测能力

汪明辉，肖爱武

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

超声衍射时差法（TOFD）检测技术原理示意图见图1，检测时采用一组频率、晶片尺寸、角度相同的纵波斜探头相对布置，并根据缺陷上、下端点衍射信号的高度差进行缺陷高度测量［1］。从TOFD检测技术的原理可以看出，该方法在缺陷检出、平面缺陷高度尺寸测量、缺陷定性等方面具有很大的优势，但也存在检测盲区［2］。笔者通过设计制作焊接缺陷试样，开展TOFD检测试验，验证了TOFD技术对焊接缺陷的检测能力及高度尺寸测量方面的精度。

图1 TOFD检测原理示意图

1 试验方案

1.1 试验方法

采用对称非平行扫查方式对厚度分别为10，20，40mm的焊接试样进行检测，检测时采用手工扫查方法。

1.2 试验设备

试验用设备为TD－HS多功能超声仪，配有TF10C3TOFD探头和TF5C6TOFD探头，用TOFD扫查架。

1.3 试验工艺

10mm厚焊接试样。①扫查面：焊缝上表面。②探头型号：TF10C3。③探头角度：70°。④探头入射点间距（PCS）值：24mm。⑤扫查方式：对称非平行扫查。

20mm厚焊接试样。①扫查面：焊缝上表面。②探头型号：TF5C6。③探头角度：70°。④PCS值：49mm。⑤扫查方式：对称非平行扫查。

40mm厚焊接试样。①扫查面：焊缝上表面。②探头型号：TF5C6。③探头角度：60°。④探头入射点间距（PCS）值：94mm。⑤扫查方式：对称非平行扫查。

1.4 缺陷解剖

检测能力验证试验完成后，采用线切割的方式对检测发现的缺陷进行切片，以获得缺陷的真实高度值。切片时，每片的宽度一般为3mm。

1.5 结果验证

将检测结果与缺陷解剖结果进行比较，以验证检测结果的准确性，比较的项目包括检出率、缺陷高度测量准确率以及缺陷定性准确率。

2 缺陷试样的TOFD检测结果

采用1.3节所述的检测工艺，分别对厚度为10，20，40mm的焊接缺陷试样进行对称非平行扫查，检测结果见表1，信号图见图2。

表1 焊接缺陷试样的TOFD检测结果

从检测结果和信号图来看，TOFD检测时可以发现所有的预埋缺陷，但同时在40mm厚缺陷试样中还发现了一些非预埋缺陷。最终数据分析结果显示，3块缺陷试样中共发现12个缺陷，其中预埋缺陷7个，非预埋缺陷5个。

表1中将所有缺陷按其性质分为体积性缺陷和面积性缺陷，当在TOFD信号中不能区分缺陷的上下端点信号时，则将缺陷判定为体积性，如图3所示，此时B扫图中无法区分出缺陷的下端点，而仅能发现缺陷的反射信号，表1中无数据处表示无法测量缺陷自身高度。

图2 不同厚度焊缝试样缺陷信号

当在TOFD信号中发现缺陷所在区域的直通波或者底波中断，或者能够清晰分辨缺陷的上下端点信号时，则将缺陷判定为面积性，如图4（a）～（c）所示。其中图4（a）所示为上表面开口面积性缺陷，此时A扫信号中的直通波信号会消失，B扫图像中的直通波信号会中断，同时可以发现较弱的下端点衍射信号，衍射信号A扫相位与直通波相同；图4（b）所示为下表面开口面积性缺陷，此时A扫信号中底面反射信号消失或前移，B扫图像中能发现缺陷上端点信号，且上端点信号A扫相位与底波相位相同；图4（c）所示为埋藏面积性缺陷，此时A扫信号中能够分别发现缺陷上、下端点信号，且两信号相位相反，同时B扫图像中也能够同时呈现两个相位相反的信号。

本次检测试验中发现的面积性缺陷均为表面开口缺陷。

图3 埋藏缺陷信号特征

图4 上，下表面开口，及埋藏面积性缺陷信号特征

3 其他检测方法检测试验

3.1 常规超声检测

常规超声检测试验工艺由检测人员按照一般原则自行确定，共有5组检测人员参与了本次检测，检测结果见表2。进行常规超声检测时，要求检测人员根据自身经验，选择合适的方法测定缺陷的自身高度，例如端点衍射法或者－6dB法。

3.2 射线检测

射线检测的结果分别见图5（a）～（c），从射线底片来看，在底片上不能观察到20mm厚试样上的埋藏裂纹和未熔合缺陷，以及40mm厚试样上的横向裂纹和未焊透。

3.3 磁粉检测

磁粉检测采用磁轭法，检测时分别进行横向和纵向扫查。磁粉检测在20mm厚缺陷试样上发现1处表面纵向裂纹，在40mm厚缺陷试样上发现1处表面横向裂纹，详见图6（a）、（b）。

4 缺陷试样解剖结果

采用线切割的方式将预埋缺陷从试样中取出，取出的部分是一块包含预埋缺陷在内的长方体，然后再采用线切割的方式垂直于缺陷方向进行切片，以获取缺陷的真实深度及高度尺寸。

缺陷解剖结果见表3，解剖图片见图7（a）～（d）。

表4是缺陷尺寸的设计值、TOFD测量值以及解剖值对比表。

从解剖情况来看，缺陷的设计高度与实际高度值偏差较大，缺陷预埋时的尺寸控制工艺有待改进。

表2 试样缺陷常规超声检测结果mm

从TOFD测量高度与缺陷解剖高度对比结果来看，TOFD检测对于自身高度超过2mm的面积性缺陷，尤其是表面开口的面积性缺陷，缺陷自身高度测量的结果比较准确，而对于自身高度小于2mm的面积性缺陷或者体积性缺陷，由于缺陷的上下端点信号较难分辨，高度测量的难度和不准确度都增大。

图5 10，20，40mm厚缺陷试样射线底片

图6 磁粉检测20，40mm厚试样的表面横向裂纹

5 人为因素对检测结果的影响分析

从常规超声检测结果和TOFD检测结果的比较来看，两者在缺陷定位、定量的准确性方面存在比较大的偏差。

从不同检测人员实施常规超声检测和TOFD检测的结果来看，常规超声检测的定位、定量结果也存在很大的差异，而TOFD检测的定位、定量结果差异则相对小很多。

将不同检测人员实施常规超声检测和TOFD检测的结果按照定位和高度测量两项结果制作成折线图进行对比，图8为其中一个预埋缺陷采用不同方法的定位和测高结果比较图，从这些图的对比可以直观看出，常规超声检测结果受人为因素影响比较大，而TOFD检测结果受人为因素影响明显要小，在检测高度大于2mm的面积性缺陷时表现的更为明显。

表3 焊接缺陷试样部分缺陷解剖结果

表4 预埋缺陷尺寸的设计值、TOFD测量值以及解剖值对比表

图7 试样解剖图片

图8 1＃缺陷定位定量比较

6 结论

（1）TOFD方法能够检出缺陷试样中所有的7处预埋缺陷，常规超声检测漏检1处横向裂纹，射线检测漏检1处横向裂纹、1处埋藏裂纹、1处未熔合以及1处未焊透，磁粉检测则只能发现表面开口的1处纵向裂纹和1处横向裂纹，因此，TOFD方法在缺陷检出率方面具有比较明显的优势。

（2）TOFD方法可以比较准确地测量高度大于2mm的面积性缺陷的自身高度，测量误差可以达到－0.2～0.2mm。

（3）通过对TOFD信号特征进行分析，检测人员可以判断缺陷是体积性还是面积性。

（4）TOFD检测结果受人为因素影响的程度明显低于常规超声检测。

［1］刘富君，丁守宝，胡东明，等.国内TOFD检测技术的应用进展［J］.无损检测，2009，31（10）：19－25.

［2］郑红霞，孙忠波.TOFD检测中扫查方式与检测盲区的关系［Z］.无损检测，2011，33（5）：43－49.