TOFD

超声波衍射时差法

TOFD，超声波衍射时差法。用于材料缺陷的检测、定量和定位技术。

定义

Time Of Flight Diffraction(TOFD)超声波衍射时差法，是一种依靠从待检试件内部结构（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，用于缺陷的检测、定量和定位。

发展

TOFD技术于20世纪70年代由英国哈威尔的国家无损检测中心silk博士首先提出，其原理源于silk博士对裂纹尖端衍射信号的研究。在同一时期我国中科院也检测出了裂纹尖端衍射信号，发展出一套裂纹测高的工艺方法，但并未发展出现在通行的TOFD检测技术。

TOFD技术首先是一种检测方法，但能满足这种检测方法要求的仪器却迟迟未能问世。TOFD要求探头接收微弱的衍射波时达到足够的信噪比，仪器可全程记录A扫波形、形成D扫描图谱，并且可用解三角形的方法将A扫时间值换算成深度值。而同一时期工业探伤的技术水平没能达到可满足这些技术要求的水平。直到20世纪90年代，计算机技术的发展使得数字化超声探伤仪发展成熟后，研制便携、成本可接受的TOFD检测仪才成为可能。

自20世纪90年代，我国开始引进TOFD检测技术，到2005年，我国中科院武汉中科创新技术股份有限公司研发出国产第一台TOFD专用检测设备。在TOFD系统的发展过程中，计算机和数字技术的应用起到了决定性的作用。早期的常规超声检测使用的都是模拟探伤仪，用横波斜探头或纵波直探头做手动扫查，大多数情况采用单探头检测，仪器显示的是A扫波型，扫查的结果不能被记录，也无法作为永久的参考数据保存。自二十世纪九十年代起，模拟仪器开始慢慢演变为由计算机控制的数字仪器，随后数字仪器逐渐完善和复杂化，可以配置探头阵列，自动扫查装置，而且能够记录和保存所有的扫查数据用于归档和分析。

TOFD检测需要记录每个检测位置的完整的未校正的A扫信号，可见TOFD检测的数据采集系统是一个更先进的复杂的数字化系统，在接收放大系统、数字化采样、信号处理、信息存储等方面都达到了较高的水平。

技术原理

衍射现象是TOFD技术采用的基本物理原理。

衍射现象的解释：波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，根据惠更斯原理，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。

TOFD技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。

优劣

优点

（1）一次扫查几乎能够覆盖整个焊缝区域（除上下表面盲区），可以实现非常高的检测速度；

（2）可靠性要好，对于焊缝中部缺陷检出率很高；

（3）能够发现各种类型的缺陷，对缺陷的走向不敏感；

（4）可以识别向表面延伸的缺陷；

（5）采用D-扫描成像，缺陷判读更加直观；

（6）对缺陷垂直方向的定量和定位非常准确，精度误差小于1mm；

（7）和脉冲反射法相结合时检测效果更好，覆盖率100%；

缺点

（1）近表面存在盲区，对该区域检测可靠性不够

（2）对缺陷定性比较困难

（3）对图像判读需要丰富经验

（4）横向缺陷检出比较困难

（5）对粗晶材料，检出比较困难

（6）对复杂几何形状的工件比较难测量

（7）不适合于T型焊缝检测

方法对比

TOFD技术与传统脉冲回波技术的主要区别

(A) 更加精确的尺寸测量精度(一般为±1mm，当监测状态为±0.3mm)，且检测时与缺陷的角度几乎无关。尺寸测量是基于衍射信号的传播时间而不依赖于波幅。

(B) TOFD技术不使用简单的波幅阈值作为报告缺陷与否的标准。由于衍射信号的波幅并不依赖于缺陷尺寸，在任何缺陷可能被判不合格之前所有数据必须经过分析，因此培训和经验对于TOFD技术的应用是极为基本的要求。

TOFD技术相比A型脉冲检测方法的优势

(1)TOFD技术的可靠性好。由于其主要是利用衍射波进行检测，而衍射信号不受声束影响，任何方向的缺陷都能有效的发现，使该技术具有很高的缺陷检出率。国外研究机构的缺陷检出率的试验得出的评价是：手工UT，50-70%；TOFD，70-90%；机械扫查UT+TOFD，80-95%。由此可见，TOFD检测技术比常规手工UT的检测可靠性要高得多。

（2）TOFD技术的定量精度高。采用衍射时差技术对缺陷定量，精度远远高于常规手工超声波检测。一般认为，对线性缺陷或面积型缺陷，TOFD定量误差小于1mm。对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米。

（3）TOFD检测简单快捷，最常用的非平行扫查只需一人即可以操作，探头只需沿焊缝两侧移动即可，不需做锯齿扫查，检测效率高，操作成本低

（4）TOFD检测系统配有自动或半自动扫查装置，能够确定缺陷与探头的相对位置，信号通过处理可以转换为TOFD图像。图像的信息量显示比A扫描显示大得多，在A型显示中，屏幕只能显示一条A扫信号，而TOFD图像显示的是一条焊缝检测的大量A扫信号的集合。与A型信号的波形显示相比，包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。

（5）当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器，完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声波探伤仪记录信号能力差的特点，不仅能全过程记录信号，长久保存数据，而且能够高速进行大批量信号处理。

（6）TOFD技术除了用于检测外，还可用于缺陷扩展的监控，是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一。

（7）TOFD能对缺陷深度位置进行精确定位，对缺陷自身高度进行定量．

（8）由于缺陷衍射信号与角度无关，检测可靠性和精度不受角度影响。

（9）根据衍射信号传播时差确定衍射点位置，缺陷定量定位不依靠信号振幅。

（10）检测数据可以供多人在线进行判读，提高检测结果判断的准确性

TOFD技术相比射线探测方法的优势

（1）TOFD检测结果与射线检测结果都是以二维图像显示，不同的是TOFD能对缺陷的深度和自身高度进行精确测量，而射线检测的图像是在射线透照方向上的影像重叠，只能显示缺陷的长度和宽度，无法确定缺陷在射线透照方向上的具体位置（即深度）和自身高度，不便于对缺陷的返修和进行其他判断。

（2）TOFD技术可探测的厚度大，对厚板探伤的效果比较明显，但射线对厚板的穿透能力非常有限。

（3）TOFD技术检测缺陷的能力非常强，特殊的探伤方式使其具有相当高的检出率，约90%左右，而相比之下，射线检测的检出率稍低，大约75%，在实际工作中，我们也发现有TOFD检测出来的缺陷，X射线未能发现的情况，这给质量控制带来了极大的隐患。

（4）TOFD技术所采集的是数据信息，能够进行多方位分析，甚至可以对缺陷进行立体复原。这是因为TOFD技术是将扫查中所有的原始信号都进行了保存，在脱机分析中我们可以利用计算机对这些原始信号进行各种各样的分析，以得出更加精确的缺陷判断结果；而射线检测只能将射线底片置于观片灯前进行分析，不可以再进一步利用软件对缺陷进行更加全面的分析。

（5）TOFD检测操作简单，扫查速度快，检测效率高；而射线检测过程繁琐，耗时长，效率低下。

（6）TOFD技术是利用超声波进行探伤，对检测时的工作环境没有特殊的要求。超声波检测是一种环保的检测方式，对使用人员没有任何伤害，所以在工作场合不需要特殊的安全保护措施；而射线检测因其放射的危害性受到国家政策的严格控制，现场只能单工种工作，降低了检测工作效率，阻碍了整个工程进度。

（7）TOFD检测成本低，重复成本少；而射线检测，建造暗室需要较高的投入，平时工作中的耗材成本重复发生，综合成本相对较高

型号

国外制造商：

Phasor XS 、USM Vision（GE 美国通用电气）

ISONIC系列（以色列SONOTRONNDT）

OMniScan MX系列（日本奥林巴斯）

PocketUT(美国物理声学)

国内自主研发：

南通友联PXUT-900系列（南通友联数码技术开发有限公司）

北极星辰BSN800系列（北京北极星辰科技有限公司）