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1、超声波衍射时差法(TOFD)与超声波相控阵检测方法对比摘要：超声波衍射时差法，即Time Of Flight Diffraction（TOFD），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。该技术已经在我国得到了广泛的应用，后来在无损检领域又兴起了一项新的检测方法，即超声波相控阵检测方法，这项新技术已经在医疗领域得到了广泛的应用，本文主要是对这两项检测技术进行简要对比。 关键词：超声波衍射时差法（TOFD） 超声波相控阵 对比目前我国无损检领域应用最广泛的是TOFD技术，业界人士已经普遍认可了TOFD技术，这项技
2、术在我国的工业领域已经有了数不胜数的成功案例。21世纪初，我国引入了Isonic系列便携式超声波成像检测系统（以色列的IsonotronNDT公司出品），经由一系列的实际的对比以及验证加之不断改进和创新了的扫查器系统，TOFD技术被更多的应用到各工业现场检测中。TOFD方法具有超声成像技术，它通过采用一发一收探头布置，然后要求相应的探头入射点间距离，在平板对接焊缝、环焊缝及直径大于500mm的纵缝中厚板检测方面具有很大的优势，但是该技术也存在一些弊端，比如对于复杂几何形状的结构件、焊缝检测盲区等束手无策。到目前为止超声相控阵技术已经在我国发展了20年，在早期主要应用在医疗领域，利用该技术可以在
3、实际的医学超声成像中对被检器官进行成像，有益于医学的不断发展和进步，但是由于很多客观因素的限制，比如系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等，使得该技术的应用面受限。在这种情况下，在超声相控阵成像领域应用压电复合材料、数据处理分析等高新技术是大势所趋，未来超声相控阵检测技术一定会得到更加广泛的应用。超声相控阵是采用多晶片控制声束聚焦技术，探头可以在同一位置实现很大声束及角度范围内的电子扫查，适用于复杂几何形状结构件的检测。下面对TOFD和相控阵的检测技术做简要对比。1 TOFD的技术特点1.1 TOFD的优点TOFD技术不仅具有很强的缺陷检出能力，还具有很高的缺陷定量精度，除此之外还
4、具有很高的时效性和安全性，可永久保存其检测数据。效率高：该技术只需要做线性扫查就可以对焊缝完成扫查，很大程度上扩大了单组探头检测对焊缝的覆盖范围大，远远超过了传统的检测方法。灵敏度高：由于该技术的衍射波信号具有很高的灵敏度，很大程度上保证了检出率。精度高：利用衍射时差计算方法，缺陷的高度可以得到精确的计算。影响小：该技术不会因焊缝结构或缺陷的方向性就左右最后的检测结果，其检测结果具有很高的稳定性，几乎不受其他因素的影响。漏检少：衍射波具有高灵敏度，通过图像记录完整检测数据，重复性好。数据全：检测结果的时效性很强，并且相关数据和资料会以存盘、打印出来等形式永久的保留下来，以便随时进行分析处理。更
5、安全：采用该技术不会对相关人员造成人身伤害。更灵活：现场检测很方便，可以根据实际情况随意选择手动或自动方式。成本低：采用该技术不仅不需要其他耗材，还由于该技术不需要和工件直接接触，有效的减少了磨损，同时还能够耐高温接触面（可达200以上），评定缺陷时可在线应用相关的工程评定标准，修复缺陷时可最大限度的减少不必要的焊缝剖开。如此有效的减少了检测生产的时间间隔，也最大程度的避免了其他不利问题的出现，其成本远远低于传统的超声波探伤方法。1.2 TOFD的局限性过高的灵敏度有时会夸大焊缝中的良性缺陷。焊缝两侧需要有放置探头的空间。存在检测盲区，即在工件的近表面（一般为2-10mm）。对相关工作人员的素
6、质和能力要求很高。TOFD检测效率低：TOFD扫查有两种方式。一种是非平行扫查，另一种是平行扫查。平行扫查效率极低，但定量精度高，一般不采用此扫查方式，尽在实验室或对某一缺陷精确定量和定位时采用。非平行扫查速度快，但不能判定缺陷在焊缝的哪一侧，给定位增加难度，有时需要进行多次扫查来确定缺陷的位置，致使检测效率降低。检测中常采用非平行扫查方式。TOFD缺陷的评定：众所周知，TOFD技术不是基于幅度法进行检测的，检出率远高于其他检测方法（例如手动超声波检测、机械超声波检测及射线检测等）这是众所周知的事实。不论是大缺陷还是小缺陷都能检出，这给缺陷评定增加难度，控制不好返修率相当高，甚至出现有的缺陷返
7、修后看不见的现象。2 超声波相控阵检测技术特点与优势2.1 超声波相控阵与其他无损检测方法对比具有如下特点：采用电子方法控制声束聚焦和扫描，检测速度成倍提高。a超声波束方向可自由变换。b焦点可以调节甚至实现动态聚焦。c探头固定不动便能实现超声波扇扫或者线扫。d相控阵技术可进行电子扫描，比通常的光栅扫描快一个数量等级。具有良好的声束可达性，能对复杂集合形状的工件进行扫查。a传统的检测方法应用单一，但超声波相控阵检测技术用一个相控阵探头，就能涵盖多种应用；b传统的检测方法对很多特定检测都束手无策，但超声波相控阵检测技术只需要一小巧的阵列探头，就可以轻松的解决各项检测任务。通常优化控制焦点尺寸、焦区
8、深度和声束方向，可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能得到提高。通常不需要辅助扫查装置，探头不与工件直接接触，数据以电子文件格式存储，操作灵活简便且成本低。仿真成像技术：解决几何复杂构建检测难题；现场实时生成几何形状图像；轻松指出缺陷真实特征位置；成像由各声束A扫数据产生；实际检测结合工艺轨迹追踪；可用于所有形式的焊缝检测，同步显示A、B、S、C、D、P、3D扫描数据。 2.2 传统的扫描成像方式需要移动探头才可以实现检测，而采用相控阵超声成像只需使用阵列换能器（探头）就可以实现对被检测试样一定声场范围内进行计算机控制的聚焦扫查。另外在B型、C型等扫描成像方式中的声束时有单探头发出的，由于其各项
9、参数都是固定的，如果不移动探头位置，在整个视野范围内很难获得清晰一致的成像；而相控阵超声成像由于其各项参数是灵活多变的，即使是在不移动探头位置的前提下，也可以获得均匀一致、高分辨率的清晰图像。虽然超声全息可以得到目标的立体像，但是由于其灵敏度和分辨率不高，并且所需设备复杂昂贵，现阶段还没有得到广泛的应用。而相控阵超声成像的检测灵敏度和分辨率大大高于超声全息，而且通过对各个方向扫描声束的探测结果进行计算重建，也可以得到被检物体的三维成像。如采用二维阵列探头，则可获得实时三维成像。由于超声显微镜的成像所用的换能器频率高，所以其分辨率高，但弊端是只适用于探查物体表面和近表面微观结构；而相控阵超声由于
10、不用很高的频率，其分辨率相对较低，但可以对较厚的大工件进行内部成像检测。3 结论综上所述：超声波相控阵检测技术以其灵活的声束偏转和聚焦性能越来越引起人们的重视。在不远的将来，超声波相控阵检测技术必将会以其无可比拟的优越性替代其他成像检测技术，使得无损检测技术越来越方便的应用于工业领域。参考文献：1迟大钊，刚铁，高双胜.超声TOFD法检测信号相位识别技术J.焊接学报，2011（09）.2陈业汉，范良，孙小兵，张晓斌.TOFD检测中变形波信号和非相关信号的识别J.无损检测，2011（01）.3刘富君，丁守宝，胡东明，郭小联，孔帅.国内TOFD检测技术的应用进展（英文）J.无损检测，2009（10）.4陈亮，张定国.全自动相控阵超声波检测与常规无损检测技术在海底管线检测中的比较J.无损检测，2008（03）.5薛振奎，白世武，詹华，夏欣.国内长输管道对接环焊缝相控阵全自动超声检测装置的研制J.焊管，2006（04）.6王春茂，祝卫国，袁涛，申孝民.基于声发射和超声TOFD的在线检验技术研究及应用J.石油和化工设备，2009（03）.：张占奎（1972-），男，河南巩义人，河南省锅炉压力容器安全检测研究院工程师。
