宋尚华
中国电建集团河南工程有限公司 河南 郑州 450001
摘要：随着制造业的快速发展，对无损检测技术的环保性、检测精度和检测率提出了更高的要求。TOFD检测技术（衍射时差超声检测技术）作为一种新型的无损检测技术，由于其检测效率高、定量精度高、可靠性好、无环境污染等优点，在许多行业得到了广泛的应用，为制造业的快速发展保驾护航。
关键词：TOFD；检测技术；工艺参数；优化
1TOFD检测技术原理
TOFD检测技术是一种定量检测技术，它依靠超声波与缺陷端部相互作用产生的衍射波来检测缺陷，即飞行时间衍射技术。当超声波作用于一定长度的裂纹上时，裂纹尖端会产生衍射现象。衍射信号远弱于反射波信号，传播方向性不明显。衍射现象如图1所示。缺陷端越尖锐，衍射现象越明显；相反，缺陷端越光滑，衍射现象越不明显。TOFD检测技术采用两个探头进行检测，一个用于发射，一个用于接收。双探头的应用可以避免镜面反射信号覆盖衍射波信号，从而在任何情况下都能很好地接收到端点的衍射信号，确定缺陷的准确位置和深度。
2TOFD检测技术的特点
与传统的脉冲超声检测技术相比，TOFD检测技术利用衍射波进行检测，因此检测结果的准确性和可靠性不受缺陷与入射波夹角的影响。一般认为，TOFD检测技术的缺陷检出率高达90%，远高于传统的超声检测和射线检测技术。同时，缺陷的量化不受波高的影响。对于线性缺陷或区域缺陷，TOFD检测技术对缺陷高度的测量误差不大于1mm。但是，如果检测工艺参数设置不当，会对检测结果产生很大影响，尤其是上下表面缺陷。直达波影响工件的近表面检测，在上表面产生盲区。如果盲区设置不当，其厚度可达工件厚度的20%～30%。因此，直达波的盲区是一个不容忽视的重要问题。在检测工件下表面时，也有盲区，主要是轴线偏离底部的盲区，即两个探头中心偏离工件底部的盲区。如果不消除盲区，疲劳裂纹等内表面缺陷的检出率将大大降低。
3TOFD检测技术的工艺参数选择和优化
无损检测技术是指在检测被试物的过程中所采用的方法和技术。在TOFD检测过程中，工艺参数的选择和设置非常重要。合理的参数设置可以优化检测质量，提高检测精度和分辨率。相反，错误的参数设置会降低检测质量，导致缺陷定量定位不准确、判断失误甚至漏检，因此合理选择工艺参数显得尤为重要。TOFD探针是测试实现过程中最重要的部分，它决定了测试实现的各个环节。它的质量直接影响检测结果的可靠性。除了满足灵敏度的基本条件外，还应合理选择TOFD探头的角度、频率、晶片尺寸和扫描次数。
3.1TOFD探头角度的选择
虽然探头的折射角对缺陷的检出率影响不大，但为了更准确地检测出缺陷的大小，仍然需要一个合理的角度。在选择探头角度时，应首先考虑工件的厚度。对于中厚板，在满足穿透能力和能量的条件下，应尽量选择大角度的探头，有利于缺陷的检测。但对于厚度较大的工件，角度越大，工件底部反射回波的声程越大，检测过程中的衰减越大。因此，在检测大厚度工件时，尽量不要选用大角度探头。其次，探头角度影响PCs的大小（PCs是发射探头和接收探头的入射点之间的距离）。根据中华人民共和国能源行业标准Nb/t47013.10-2015的相关规定，建议设置探头中心间距，使探头对的波束交点位于2/3T的深度，T为工件厚度，a、B为两探头的入射点，m、B为N为探头连接线中心点与工件上下表面的交点，θ为探头的折射角，O为两探头主声束的交点，位于工件厚度的2/3处。已知超声波速度C，直达波的到达时间为T1，底波的到达时间为T2，忽略探头的延迟时间。
3.2TOFD探头频率的选择
为了获得良好的纵向分辨力和检测精度，可以通过增加直通波与底波的时间间隔△t，然而频率也影响着分辨力的大小。提高分辨力的另一种途径是减小信号时间。缺陷衍射信号时间越短，对分辨力越有利，而信号时间取决于信号振动的周期数和信号频率。
在TOFD检测技术中，规定直通波与底面波之间的时间间隔远远大于信号周期。以70°探头检测30mm厚工件为例，根据公式（1）、（2）计算得出△t=2.55μs，对于f=1MHZ的探头，一个振动周期时间是T=1/f=1μs，则直通波与底波之间的振动周期数n=2.55/1=2.55个，是无法满足要求的。因此，需要更换频率稍微大些的探头，选择f=10MHZ的探头，一个振动周期时间是T=1/f=0.1μs，则直通波与底波之间的振动周期数n=2.55/0.1=25.5个，可以满足检测要求。在实际应用中，一般规定振动周期数大于20个。通过增大工作频率的方式能够容易地增加振动周期数量，但频率的增加会使衰和噪声也随之增加，同时根据声束半扩散角公式看出，扩散因子F和声速c是定值，探头晶片尺寸D或频率f增加，扩散角γ减小，导致声束覆盖范围减小。因此，不能一味地通过增加频率的方式提高检测精度和分辨力。
3.3TOFD探头晶片尺寸的选择
工件上部纵波折射上、下边界角覆盖整个焊缝，下部表示工件纵波折射下边界角未能覆盖整个焊缝，焊缝根部在覆盖范围之外，属于漏检状态。如果图4仅作为单个通道进行检测，则工件中纵波折射的上边缘角必须达到90°，以保证上表面缺陷不被遗漏，因此必须仔细计算和选择。减小晶圆尺寸可以显著增加光束扩展角。小尺寸晶圆也有利于与工件接触良好，特别是在检测有曲率的环焊缝时。然而，小尺寸晶圆激发的超声能量很小，这可能导致检测厚工件时灵敏度不够。因此，在检测厚工件时，应适当增大晶圆尺寸。如果在检测期间执行分层处理，则可以使用小尺寸晶圆执行第一层扫描。
3.4扫查次数的选择
对于TOFD检测，扫描次数取决于待检测工件的厚度和覆盖范围。对于厚度较大的工件，用一组探头一次扫描是不可能的。此时需要使用两组或两组以上的探头，采用非平行扫描法同时进行分层检测，并计算每组探头的覆盖范围以及是否覆盖整个检测区域。覆盖范围主要取决于探头角度、频率和芯片尺寸。
根据TOFD双探头系统的结构，超声衍射信号的传输时间是相等的，其位置近似于椭圆轨迹。由于底波的反射信号很强，埋在底波中的信号无法被识别，因此椭圆轨迹外的某些区域的缺陷无法被检测出来。存在一个检测盲区，称为轴心偏离底部盲区。
在实际工作中，一般要求对底高大于1mm的缺陷进行检测。因此，如果△h大于1mm，则有必要对焊缝根部添加两次偏移非平行扫描。探头参数设置与中心相同，并计算偏移距离。TOFD探头角度、频率、芯片尺寸等参数对TOFD检测的影响结果，它们单独作用，相互制约。我们不仅可以改变其中的一个，获得良好的检测参数，而且可以平衡其优缺点。选择最佳的检测参数是非常重要的。
结论
合理选择探头非常重要，而合格的超声信号是检测成功的重要因素。一般来说，必须首先考虑足够的能量和信噪比，即选择较大的芯片尺寸和较低的频率，但需要与光束扩散和纵向分辨率一起考虑。在选择频率时，通波信号和底波信号之间应保证至少20个信号周期。对于薄工件的检测，分辨率要求高，穿透要求低，因此可以选择大角度、高频、小晶圆尺寸的探头；对于厚工件的检测，穿透要求随着分辨率的降低而增加，因此探头角度减小，频率降低，尺寸增大；对于粗晶材料，应考虑声束衰减探头等因素，采用低频探头；在检测曲率较大的工件时，为提高耦合效率，应采用小尺寸探头；为了提高探测效率，获得更大的覆盖范围，应选用低频、小芯片尺寸的探头；为了提高探测精度和深度分辨率，应选用高频、小角度、短脉冲探头。
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