Ø 1. TOFD即衍射时差法是由上个世纪七十年代提议下发展 而来。
Ø 2. TOFD最初的发展仅仅是作为定量工具，最初的想法是： 使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行精确的定量和监 测在线设备裂纹的扩展（例如检测压力容器）。
Ø 3. 很多年以来TOFD一直在实验室里，各国做过大量实验 直到八十年代才为业界所认同；在这些实验中，用事实证 明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技术。
TOFD技术一般使用的 探头角度为45o－70o
3.3 TOFD技术的基本知识
基本配制
1 2 3
4
双探头系 统是TOFD 技术的基 本配置和 特征
图3.4 两个探头配对组成TOFD检测系统 1－直通波 2－上端点衍射波 3－下端点衍射波 4－底面反射波
TOFD技术使用的探头
一般频率范围是1MHz-15MHz, 晶片尺寸范围是3－20mm，
BW
上表面
内壁
连续扫查时得到的扫描图像
A扫波形
D扫图像
底波 直通波
有缺陷时扫描图像
A扫图像
D扫图像
上端点
下端点
TOFD扫查模式
Ë 平行扫查:又称横向扫查,是指扫查方向与超声波束方向是平 行的,扫查结果称为B-scan,所得结果主要是Ｙ轴和Ｚ轴方向 值．该扫查方法能为我们提供很准确的深度结果，但因扫 查时探头须越过焊缝，操作起来相对烦琐．
在ＴＯＦＤ的Ｄ扫描中，横向移动抛物线指针使其与 缺陷的弧线拟合，则两抛物线指针的距离就是缺陷的长度， 这种方法测量精度在＋５mm内．拟合中如效果不太好， 可以断定缺陷外形为曲线形．
测量工具
A扫
h
d1
d1
t1
t2
指针
内置的计算器 l
t1,t2 自动计算d1, d2 和 h
P
D扫
ＴＯＦＤ检测的盲区
Ë 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。
TOFD技术的优势
TOFD技术与射线技术比较的优势
Ë 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。
Ë 非平行扫查:又称纵向扫查，是指扫查方向与超声波束方向 不平行，扫查结果称为Ｄ－scan，所得结果主要是Ｘ轴和 Ｚ轴方向值，扫查方便，适用大范围的焊逢检测，一般采 用探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向扫查．
⒈左偏置非平行扫查
⒉右偏置非平行扫查
TOFD扫查模式
缺陷位置S的影响
S
发射探头
Ë 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
Ë 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。
题没有经验，经常需要辅助其它检测手 段。 • 夸大了一些良性的缺陷, 如气孔, 冷夹层, 内部未熔合。 • 实际检测中缺陷高度方向误差较小，长 度方向误差较大（6dB法测长）。 • 注意标准问题 (有待解决) • 对“噪声”敏感，对粗晶材料检测困难。
3.5 TOFD检测系统
Ë TOFD检测仪器
HS800 TOFD 检测仪
时间
灰度图
Ë 一个8比特的数字转换器，用数字127(纯白色) 代表+100％FSH，用数字0(中间灰)代表0％ FSH，用数字-128(纯黑色)代表-100％FSH。
+127
+100%
Zero
-100% -128
A扫信号－灰度图
Typically used for TOFD
数据显示
LW
A扫
D扫
入射波使缺陷产生振动。
缺陷上的每一个点都产 生出一个球面子波。
当超声波作 用于一条长 裂纹缺陷时， 在裂纹缝隙 产生衍射， 另外在裂纹 表面还会产 生反射。
TOFD就是利 用声束在裂 纹两个端点 或端角产生 的衍射波来 对缺陷进行 定位定量。
不同角度下衍射信号波幅的变化
折射角度变化，衍射 信号幅度也随之变化。
深度计算公式
s
s
t d
如上图所示，两探头的信号是对称的，则 在两探头之间的信号时间 t 可以用下式计算
由于时间可以由仪器自行测出， 因此由左式可计算出缺陷深度
1
2
2( s d ) t22 S2d2 t c
22
1/ 2 c
s＝两探头中心距的一半
d (c t )2 s2 2
校准工具
PCS t0
T
PCS（探头入射点间 距离）, 壁厚, 速度, 探头延时, 横向波或 内壁反射信号
不需要知道所有的参数
t0 c LW
A扫 BW
D-scan
扫查分类
TOFD扫描成像
TOFD的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时探头所接收 到的A扫图形转换为黑白两色的灰度图，为了能有更清晰的图像因些要 求至少256级的灰度分辨率
无损检测新技术及应用
三峡大学 材料与化工学院 主讲人：侯东芳
内容 第一章 绪论 大纲 第二章 相控阵检测技术
第三章 TOFD检测技术
第四章 声发射检测技术
第五章 红外热成像检测技术
第六章 其他无损检测新技术
TOFD技术的现场应用
探头架
Ë 3.1 TOFD检测技术概述
TOFD检测技术发展历史背景
ＴＯＦＤ检测的盲区
在上面提到过时间恒定椭圆曲线，那么最大深度和最 小深度之间的距离就是底面的盲区了，一般小于工件厚度 ８％，及工件厚度８％以上的缺陷都是绝对可以发现 的．对这种底面盲区可以采用横波方法来进行解决．
3.4 TOFD技术的优势
Ë 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。
Ë 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。
TOFD技术的优势
Ë 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
d=反射信号的深度
c=声速
缺陷自身高度计算
S
h
S
h1 h2
根据刚才的公式，计算出缺陷的上端点深度和下端点深度 两者之差即为缺陷自身高度，如下式
h=h1-
S
发射探头
t0
S
接收探头
t0 d
超声信号传播时间
t 2
S 2 d 2
c
2 t0
Ë 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
TOFD技术的国内发展情况
Ë １．２０世纪９０年代，我国开始引进ＴＯＦＤ检测技术，最 早应用的单位有核动力研究所和中国一重．
Ë ２．２０００年左右在西气东输中进行了大量应用．
TOFD技术的优势
Ë 5）当今使用的TOFD检测系统都是高性能数字化仪器， 完全客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。
Ë 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。
发射探头
接收探头
A扫图像
+
+
－
－
利用灰阶度来表示振幅，当回波处于 0位时用中间灰色表示，当波形向正 半周变化时向100%灰度（白色）渐 变，当波形向负正半周变化时向100%灰度（黑色）渐变
直通波
＋100%
0%
－100%
D扫图像 上端点 下端点
底波
数据显示
波幅 +
白色
时间
-
黑色
A扫图用带黑度的线表示
纵波 通过楔块在钢铁中形成45o至70o的不同角度的折射
纵波探头声场特点
1、纵波与横波同时存在。由于TOFD技术采用纵波检测，探 头折射角小于第一临界角。这样在探头声场中，同时存在 纵波与横波。
2、大扩散角和宽波束。探头纵波具有很宽的波束。
A扫信号
发射探头
直通波
接收探头
TOFD技术采用的是纵波， 原因是纵波的传输速度快， 在A扫显示上处于最前列， 方便进行缺陷分析
配套手动扫查器
设计轻巧，人性化 三个磁性轮吸附在检测对象表面 具有刹车系统，在任何时候任何场合均有效 探头导杆可调角度，适用范围广 耦合良好
深度校准
S
发射探头
t0
S
接收探头
t0 d
d

c 2
2

t

2t0
2

S
2
缺陷自身高度
2S
发射探头
d1 d2
接收探头
h d2 d1
由于计算自身高度只需要测量时间, 所以垂直方向定量会很准确。 实际操作中 ，检测裂纹 1-mm 的精度是完全可以达到的 (检测人工缺陷时可以达到0.1 mm ) 。