测量缺陷埋深和自身高度的TOFD技术

衍射传播时间（Time of Flight Diffraction，TOFD）技术的原理是以测出缺陷端头的位置为基础的，这与普通的超声法有明显的不同，后者是以从缺陷接收镜面反射为基础的。缺陷并不都能看成是正好与入射声束轴线垂直且可看成是光滑大镜面的反射体，尽管散射可使反射能量在一较宽的角度范围内散布、粗糙的缺陷表面也会产生一定角度的发散，但这些回波幅度比起有利取向的缺陷会小得多，特别是对垂直试件表面的裂纹。

为了确定缺陷（典型的是裂纹）端头的位置并有意避开镜面反射信号，可使大角度的发射探头T_x向试件发射一短的超声波脉冲（如图3.5-51a）所示，这样某些入射在裂纹端部的能量可被散射、衍射而为接收探头R_x所接收。如果裂纹有足够的自身高度，从裂纹两末端来的信号在时间上将是可分辨的，典型的信号如图3.5-51b所示。缺陷（如裂纹）上端和下端给出的信号幅度可以完全相似但相位相反，因此对于任一单个信号，可从相位上来辨别信号是来自缺陷顶部还是底部。除来自裂纹两末端的信号外，尚有从T_x沿最短可能通道直达R_x的侧向波信号和来自试件背面的镜面反射信号（如为平背面）。如果试件材料是均质和各向同性的，且声波的传播速度已知，则这两个信号起着固有参考信号的作用，可用来计算裂纹两端头的深度。可以注意到，如果适当的声压到达缺陷，随后可在接收探头处被接收，探头的标称射束角是无关紧要的，任何相关信号的幅度也是无关紧要的，只要信号能从本底噪声中识别即可，唯一有意义的信息是信号的传播时间，这也是为什么本技术被称为衍射传播时间的原因。本技术一般采用纵波斜探头，这是因为超声波并非垂直入射到表面或缺陷上时某些能量将转换成其他波型，采用纵波探头时主要衍射信号是纵波，可在所有其他信号之前到达，在校准上不会出现复杂性，可达到的准确度典型的是1mm。

图3.5-51 双探头衍射传播时间技术示意图

为了计算裂纹自身高度及其与检测面的距离（埋深），保持两探头的分开距离不变而沿两探头的连线移动探头直至衍射信号的延迟成为最小，以使裂纹处于两探头的中间位置，参阅图3.5-51a，设探头T_x和R_x中心间距为2S，侧向波和纵波的传播速度为c_L和c_l，则可得裂纹上顶部与检测面的距离d为

而裂纹自身高度2a可给出为

两探头的分离值是无需知道的，因为只要有侧向波存在即可得下式

2S=c_Lt_L

式中，c_L为侧向波速度，在平面上等于纵波速度（c_l）。

衍射传播时间测量的准确度是由时间测量的准确度确定的，由时间测量误差Δf所导出的分辨力Δd可给出为

式中，θ为图3.5-51a所示角度，对于纵波，实验表明，在钢中纵波折射角θ对幅度的影响如图3.5-52所示，可见θ取60°～75°为宜。图中也给出了声束角θ对分辨力的影响。当θ一定时，切槽（裂纹）与入射声束夹角β对幅度的影响则如图3.5-53所示，从此图可看到裂纹倾斜对幅度的影响，综合考虑，θ取70°～75°为宜。

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图3.5-52 采用TOFD技术时探头声束角的最佳化， 在图中也显示出了声束角对分辨力的影响（虚线）

图3.5-53 当θ一定时裂纹倾斜（β）对衍射信号幅度的影响

关于超声数据的采集、存储和分析已有计算机软件可以利用，可实时提供D扫描图像，即两个探头保持一定的分开距离，沿与此两探头连线作直角方向沿表面作纵向扫查所获得的此方向的缺陷图像，图3.5-54、图3.5-55即为二例。

图3.5-54 在两垂直方向上时间和电压的显示

图3.5-55 管接点疲劳裂纹的TOFD检测

与通常的超声法和射线照相法相比，TOFD的主要优点是检出概率实际上和缺陷的取向无关，这不仅提高了检测的可靠性也使扫描的构形和探头入射点的位置不像通常方法那样要求严格。

在使用TOFD技术时，由于侧向波的出现有时会模糊靠近表面缺陷的端头衍射信号，例如在确定奥氏体包覆层和铁素体界面下5mm以内的缺陷尺寸时，用TOFD会感到困难。在两探头间的试件表面层出现缺陷会使侧向波被阻断，当无法利用侧向波时，测量准确度尚取决于两探头分开距离的测量误差，以及耦合层厚度变化引起的误差。另外的复杂性是TOFD技术需要有整个声通道上声波传播速度的数据，在各向同性的均质材料中声速是已知的，在各向异性介质中声速就可有变化。此外，试件表面可能是弯曲而不是平的，缺陷自身可能是体积型的而不是裂纹型的，如果对此不作考虑，计算缺陷深度或尺寸时可引入误差；对于曲面可用下列表达式来表达侧向波速度c_L对纵波度c_l之比。

式中 K_l——常数，；

λ_l——纵波波长；

a——曲率半径。