焊缝超声波衍射时差法(TOFD)的研究现状.pdf

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1、2Q!!生筮!Q塑i篁筮至!!塑)江耍建堑三猩管理焊缝超声波衍射时差法(TOFD)的研究现状■杨文钗瓣福建省建筑科学研究院，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州350025摘要：超声波衍射时差法(TOFD)作为一种新型超声无损检测技术，现被广泛地应用在钢结构焊缝缺陷检测工作中。本文主要介绍了TOFD法的检测原理，对比了TOFD法和其它无损检测方法的优劣，归纳总结了TOFD法的优点和局限性，并综述了其应用情况，最后对TOFD法的发展进行了展望。关键词：焊缝衍射时差法展望焊接是钢结构连接最主要采用的连接方式，焊接接头焊缝缺陷会造成组织不连续，损坏接头

2、力学性能。目前，常采用无损检测技术来保证钢结构焊缝的内部质量。超声无损检测法因对焊缝中危害性最大的面积型缺陷(裂纹、未熔合等)有高的检测灵敏度，以及其简便的操作和轻巧的设备十分适合于现场检测，而成为无损检测领域中应用最广泛、最便捷、最高效的无损检测方法。英国Harwell实验室的Silk教授和Lidington博士基于惠更斯((Huygens))原理在1977年首次提出了TOFD法，TOFD法属于超声波无损检测法的范畴，但又有别于传统的超声波无损检测法(超声波脉冲反射法、超声波穿头法)。1TOFD法检测原理TOFD法基于惠更斯原理工作，即利用衍射现

3、象。当焊缝中存在缺陷，由激励探头发出的超声波遇到缺陷时，一方面超声波将被反射，产生反射波；另一方面，根据惠更斯原理，缺陷尖端将作为新声源向四周发射近似柱面波或球面波的衍射波。TOFD法的基本检测原理可以用图1圈1TOFD法检测原理图由图1可知：TOFD技术检测可产生①掸、②#、③#、④#IN种类型的信号波：①#波是沿工件表面传播的直通波；②#波为缺陷上端部衍射波；③榉波为缺陷下端部衍射波；④#波是工件底面的反射波，即底面波。超声波通过缺陷上端部和工件底面时，声波在异质界面发生相位转变，因此②#波和④}}波波形和相位相似。而超声波通过缺陷下端部时，反

4、射声波的相位不发生转变，故③≠}波与①#波相类似。从本质上说，TOFD图像是无数个A型脉冲显示的集合。2TOFD法的优点和局限性2．1TOFD法的优点(1)缺陷检出率高。TOFD法衍射波信号波幅不受声束角影响，任何方向缺陷都能被有效发现，焊缝缺陷检出率很高。·242·(2)缺陷定位精确。根据TOFD法检测缺陷的原理可知，依靠简单的三角函数关系就可以对缺陷进行精准定位，缺陷的定位计算公式，可以用公式(1)表示。h：J翠c2,·d-s2(1)式中：h一缺陷上端部距离检测面高度，ITI；C。一焊缝中超声波纵波传播的声速，m／s；t，一缺陷上端部反射波的传

5、播时间，s；s一两探头中心的距离，1TI。(3)缺陷定量准确。根据TOFD法检测缺陷的原理，缺陷高度的计算公式可用公式(2)表示。z：华-h㈤式中：l一缺陷的高度，m；t2一缺陷下端部反射波的传播时间，s。研究认为，对于线性缺陷(缺陷长宽比>3)或面积型缺陷，TOFD法对缺陷的高度测量误差在1ITIITI以内，对于大尺寸裂纹缺陷(缺陷>3mm)和未熔合缺陷的高度测量误差仅为零点几毫米121。(4)其他优点。TOFD法检测焊缝操作简单，检测效率高；TOFD图像直观，便于观察分析；TOFD法可对缺陷扩展进行实时监控。另外，和RT法相比，TOFD还具有检

6、测成本低，可交叉作业，无需特殊防护措施，检测过程对人体无害等优点。2．2TOFD法的局限性虽然，TOFD法以其独特的优势为越来越多的检测人员所接受，但TOFD法也有弊端，具体表现为：(1)对复杂几何工件的缺陷检测困难，需制定专门的工艺；(2)对横向缺陷、粗晶材料(如奥氏体焊缝)检测困难，对点状缺陷的尺寸测量也不够准确；(3)存在表面检测盲区；(4)TOFD图像识别和判读困难；(5)对缺陷定性的准确性低。3TOFD法的应用情况3．1TOFD法在压力容器的应用压力容器常处于高温或易燃易爆环境，提高压力容器缺陷的检出率及缺陷定量精度对于保障压力容器的使用

7、安全，保护人们的生命和财产安全具有十分重要的意义。目前，我国有21个锅炉压力容器制造单位及特种设备检验检测机构开展了TOFD检测技术的研究与应用工作∞J。周吉军经研究发现TOFD超声成像检测技术对化工压力容器的检测十分有效，可有力保障压力容器的质量。彭国平等认为TOFD法能发现扫描面盲区内的近表面裂纹。而熊娟、王瑛、苗福钢则认为TOFD法检测时存在不可忽视的近表面盲区，采用TOFD法与uT及MT相结合的技术检测方案，才可以有效减小扫描盲区，刘礼良则利用爬波检测法配合TOFD法补充检测【4J。3．2TOFD法在工业管道的应用为了防止工业管道中输送的高

8、温、高压、易燃、易爆和有毒等气体或液体发生泄露，管道焊接接头的质量必须保证。薛子文通过改造TOFD扫查架，实现了小直径厚壁