常规超声波检测和TOFD技术对层间未熔合定性对比分析

邱银

重庆工业设备安装集团有限公司无损检测分公司，重庆 400051

摘要：传统的超声波检测方法主要是根据波形变化的静态和动态特性以及误差的分布，然后根据被测对象的加工工艺，采用几种不同的扫描方法进行检测，以便对缺陷特性进行综合研究和评价。在TOFD技术中，在测量过程中，缺陷尖端的衍射波和较大的扩散角几乎与缺陷的方向没有直接关系，因此缺陷的检出率很高。利用缺陷上下两端衍射波长的相对相位，可以用较小的高差区分缺陷左右两端，以测量缺陷本身的差别。因此，利用TOFD技术准确测量断层的高度、位置和方向具有现实意义和条件。

关键词：常规超声波检测；TOFD技术；层间未熔合；对比

未熔合是金属焊接中的问题，其危害很大。本文中所指的未熔合组合主要是指层间未熔合，其特征为面状、平行于焊缝方向，有规定的宽度。形成的因素大致是:焊缝电流过小，焊缝转速过快，焊接角度不对，产生弧偏吹现象，或焊缝处在下坡焊部位， 焊缝道内部没有充分熔融结舍或焊缝层内部的污物及氧化物干扰熔敷金属之间的熔融结合。由于未熔合组合是平行于焊缝的面型问题，一旦入射角选样合理是比较容易找到的。本文拟通过常规超声波分析和TOFD方法，针对层间未熔合组合问题展开试验分析研究。

第一章 常规超声波检测

1.1常规超声波局限性

目前使用得比较普遍的是A型脉冲反射式超声仪，主要是根据在示波屏上的缺陷以及同波点的波形情况，有时还观察多次底波的产生时间，以及底波的影响状况，然后再通过缺陷在被测品上产生的时间情况，影响状况，对缺陷的焊缝，以及扩散状况，再根据对具体制品、物料的性质和整个生产过程所进行的评判，来评定该缺陷的类型和特性。这些评估手段在较大程度上依靠超声波检验技术人员的知识、技能以及对特殊制品、材质和生产过程的全面掌握，其局限性是巨大的，无法发展形成新的评估手段，TOFD方法的问世逾越了传统超声波检验方法诸多的壁垒，为超声波产品赋予了了全新的意义。

超声波检验技术中的三个关键是对缺陷的定位、量化与定性判断。目前，中国广大的超声波检验人员已经做了大量实验研究工作，在对缺陷的定位与定量评价等领域已经获得了重要进步，并已逐渐走向了成熟和规范化。但是在对缺陷定性评价领域也有着非常大的问题与挑战， 这主要是因为缺陷在超声波上的反射主要取决于缺陷的方向和形状、相对于超声传导方向的直径和厚度、缺陷的表面粗糙度、缺陷中包含的材料以及缺陷的性质和特征。因此在超声波探测中所得到的声音信息也是一个综合响应过程。从目前使用的A型脉冲反射式超声波探测技术上，还很难把这些各要素从反射声信息中区分与识别开来， 这也为定性分析造成了相当的难度。

1.2特点

超声波长很短，这确定了超声具有某些关键特征，使它可应用于无损检验。

1) 方向性好。

2) 渗透性能强，对一般材料来说，它具备较强的渗透性能。例如在一-些特殊金属材料上，其击穿能力就可达到数米。

3) 通过超声波在介质中扩散的这种物理现象，进行恰当的设置，使超声波测量工作的灵敏度、准确率得到提高。

第二章 TOFD技术

2.1 TOFD技术理论基础

因为TOFD方式的出现，人们能够通过TOFD方式修补图纸上的部分问题。通过TOFD识别不在横波图上传输的纵波，其目的也是为了减少无法发现返回波信号的问题。在所有波中，纵波的传播速度最大，差不多是横波的二倍。所以，它能够传输所有种类的信息，并在很短的传播距离内就达到了接收探头。而利用纵波方向和纵波速度计算缺陷传播深度，得到的结果也是唯一的。

利用接收信号的相位，人们就能够判断缺陷是体积缺陷还是体积缺陷，又或者接受到的信号是一个缺陷或者二个缺陷。如果我们假定二个衍射信号的相位相反，那么信号中就一定具有连续缺陷，如果假设二个衍射信号的相位一样，我们还可以肯定具有二种相互独立的缺陷。

2.2 特点

1）缺陷检出率很高

2）TOFD技术的重复性非常好，缺陷误报率非常低

3）容易检出方向性不好的缺陷

4）可以识别向表面延伸的缺陷

5）缺陷定量、定位精度高。

2.3 TOFD的应用

TOFD检测的最大特征在于它和常规的超音波检测方法根本不同。它根据反射信号的方位和振幅来计算和判断误差。它没有把缺陷的回波速度当作定性判断基础，而且只根据冲量传输时间，并受声束高度、探测方位、缺陷表面粗糙度、工件的状态以及探头压力等多方面的作用。它对确定参数的真实性和精确量化都十分有益，而且TOFD技术还能够和脉冲反射技术相结合，共同应用。它还有助于在一个多通道装置中，采用TOFD的脉冲回波技术进行检测与定量分析。比如，在焊缝检测时，由于TOFD技术对焊缝中的小缺陷探测率极高，所以很容易探测到方向性不好的小缺陷，并有助于确定和评价缺陷能否扩展到表面。同时，还有助于通过TOFD的检测结果对小缺陷寿命评价标准(ECA)做出分类。

第三章 对比分析

3.1定位对比分析

TOFD检测的定位概念不同于传统的超声波检测。由于TOFD检测方法通过信号传播距离来评估误差深度，因此在相对的情况下，它在信号传播时间和误差深度方面是唯一的。如果采用TOFD检测方法，则在熔合缺陷的边缘有相对多且相对集中的线波信号从未释放，时间的唯一性导致缺陷的位置非常准确；常规超声对缺陷的定位也非常准确；用常规超声方法检测未熔合误差时，不仅可以在一个点上获得缺陷的指示回波，还可以给出探头在某一区域内来回、左右移动时缺陷的回波要求。显然，TOFD系统带来的信息量应该更加准确和丰富。

3.2定性对比分析

同样的结果表明，TOFD分析方法对未使用误差的定义相对准确。如前所述，直观的误差显示图和相位信号波形图为误差检测提供了充分的理论依据。当使用常规超声波方法检查是否存在熔合误差时，这取决于操作员的技术水平、焊接表面和耦合效应、探头的特性等。；由于某些未熔组合的厚度较小，当探头移动时，仍会有错误的回波提示，这对于评估错误类型而言并不完全可靠。

3.3定量对比分析

在量化方面，两者之间的差异也非常显著。对于常规超声波测量，无论零点五波高法还是6dB法，都采用等效方法，即“缺陷的大小”，但直觉并不好，高度依赖于探头的质量、连接效果和操作员的技术。一旦在确定缺陷时出现错误，确定是否正确无关紧要；与信号型波形显示技术相比，信号信息更丰富的图像更便于识别和分类缺陷，根据操作员的经验诊断，可以从根本上确定缺陷的性质。因此，TOFD的定量精度一般认为，对于线性缺陷或区域型缺陷，TOFD的定量误差小于1 mm，对于裂纹和不完全合成缺陷，测量高度的误差通常只有十分之几毫米。

第四章 结束语

不可否认的，TOFD方法虽然对未熔合缺陷的检查敏感性较常规超声检查好，但对某些缺陷的检查敏感性低于常规超声检查，比如:较小的平滑气孔以及更靠近上、下表面的小缺口。较小的平滑气孔的光反射很差，易漏检;缺陷在上表面中， 由于TOFD扫查所发出和接收的信息对近表面区域有很大得的压缩，所以在这些区域的部分有用信息就可以隐藏于在直通波下造成遗漏的检验，因为TOFD检查所采用的纵波传输轨道都是处于同一条椭圆，曲线上，这可以确保绕射信息的传递距离均匀。

因此，TOFD技术与常规超声波检测之间的关系可以总结如下：没有任何方法是万能的，但更常见的情况是，在相同情况下，两者应该相互结合并应用。例如，如果采用常规回波技术作为脉冲反射率目标，缺陷检测速度可以达到95%左右，并且误差测量精度和满标度检测精度都有了很大的提高。

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