衍射时差检测技术（TOFD）由英国国家无损检测中心的Mauric Silk博士于1977年率先提出，是借助超声衍射信号进行检测的方法。
当超声入射波与不连续结构相互作用时，在不连续表面会产生波的反射，同时在不连续的两端点处发生衍射，且其衍射信号无明显指向性，这使得该技术对缺陷或不连续边界极为敏感。
然而，由金属晶粒边界噪声、带状组织或择优取向等因素引起的TOFD非相关显示，和由母材分层和偏析（见图1）、非金属夹杂物等引起的相关显示，在TOFD检测图谱上均会形成明显显示，上述显示与焊缝缺陷或不连续形成的相关显示混叠，检测人员难以对其进行严格区分及评定。 图1 焊缝TOFD外表面检测示意 尤其是TOFD的D扫图谱缺少缺陷或不连续在焊缝宽度方向的位置信息，增加了TOFD评定人员对线状显示（偏析）评定的难度。 TOFD检测方法不是基于反射回波幅度进行检测的，其检测时，手工超声双探头串列法检测示意如图2所示，通常采用一对晶片尺寸和频率相近的探头，分置于焊缝两侧，并配合半自动或全自动扫查装置，实时采集数据与位置信息形成检测图谱，后期对图谱进行评定从而得出检测结论。 图2 TOFD检测中的手工超声双探头串列法检测示意 其基本原理遵循惠更斯原理，检测时使用一对或多对纵波探头，相对于焊缝对称分布，间距固定，采用一发一收模式，声束覆盖检测区域，发射探头发出超声脉冲后，接收探头先接收到直通波，然后是缺陷或不连续衍射回波、底面反射波以及波形转换波。 TOFD技术可弥补射线与手工超声检测的不足，兼具绿色环保、检测高效等优势，已成超大、超重、超长容器现场制造的无损检测首选方法之一。其可靠性佳、定量精度高、操作成本低、现场适应性强、无辐射污染，能全程记录信号并长久保存，获容规与GB 150认可。 当下压力容器因超大等特性或场内辐射作业限制（如无曝光场地、交货期紧等），多以TOFD组合检测代替射线检测用于现场检测。 笔者公司自2011年于压力容器制造及现场安装中应用TOFD检测技术以来，发现诸多母材不连续影响TOFD数据、图谱评判的案例，给数据评定带来较大负面影响，甚至导致错判或漏判。 TOFD检测筒节纵焊缝超标显示案例 2020年5月，某厂生产制造一批PTA冷凝器，主要材料为SA516 Gr70\SA266 Gr2，筒节规格φ3800×δ（44+3）（SA516 Gr70 δ=44 mm，SA266 Gr2 δ=3 mm)。 合同规定筒体焊缝可选射线或TOFD检测，因设备现场制作，射线检测对交货期、工序衔接要求高，且对环境不友好，故冷凝器焊缝采用NB/T 47013.10—2015中的TOFD检测标准。 TOFD检测筒节纵焊缝时，一台设备多个筒节纵焊缝出现大面积异常缺陷或不连续需返修，多次返修后超标显示仍存在于后续图谱中，两道环焊缝经手工超声复验定位，缺陷或不连续在焊缝边缘临近母材（复合板基材）。 对异常筒节，依据ASME SA578/SA578M和NB/T 47013.3—2015的5.3节，用单晶直探头对复合板基材边缘进行超声检测，未发现超ASME钢板标准SA578 C级及NB/T 47013.3—2015的5.3节Ⅱ级允许缺陷或不连续，按照NB/T 47013.3—2015第6节用横波单晶斜探头检测复合板焊缝临近基材，该批筒节复合板基材钢板母材及焊缝亦未发现超国标允许缺陷或不连续，但依现场组合检测TOFD+UT+MT+PT综合评定，复合板基材钢板坡口边缘有大量线状显示（偏析）且其相对于探头检测面呈面积分布，严重影响后期焊接质量。 经多次TOFD检测及可达渗透检测，证实复合板基材钢板边缘存在线状显示（偏析）类危害性缺陷（超过渗透检测及TOFD检测标准质量等级）。 综上依据TOFD应用检测数据，选择母材偏析影响TOFD的典型图谱（TOFD一次合格率异常），剖析常见案例与线状显示（偏析）图谱典型特点及影响，为后期TOFD检测数据评判提供指引与借鉴。 母材偏析概念及图谱影响分析 母材偏析即均匀成分的液态合金凝固时，高熔点的组分先行结晶，造成合金组元的浓度和杂质分布不均匀的现象。 一般而言，中心偏析在应力较大时可致板中产生中心线裂纹，无应力时偏析区碳浓度会突增，热轧等加工条件下，此处会发生马氏体相变，或因相变温度与淬透性的差异，成为淬火开裂、软点和异常变形的源头，且偏析带中硫、磷等杂质或非金属夹杂物较多，可引发其他缺陷或不连续。 严重的母材偏析在应力（拉应力或应力集中）下易形成母材分层。 焊缝偏析方面，因母材有线状偏析原生缺陷或不连续，焊接熔池一次结晶时释放出结晶潜热，达到一定程度则结晶暂停，散热降温后又重新结晶，如此反复形成周期性结晶，液体金属中杂质浓度也随之周期性变化产生周期性偏析，即层状偏析（相对声束传播方向），相对坡口面则是线状偏析。 焊接结晶过程不平衡，熔池多次结晶时冷却速度快，使得已凝固焊缝金属中化学元素来不及扩散致分布不均，从而产生焊缝偏析。 母材线状偏析会使有害元素在金属半厚度位置集结成异质界面，遇焊接热输入，焊后形成次生或不连续缺陷。 焊缝与母材交界的熔合区，化学成分更不均匀，有害元素富集且呈层片状，焊接时熔合区化学元素快速扩散，尤其是硫、磷等有害元素，更易形成偏析通道或裂纹源，所以母材偏析出现后，缺陷或不连续返修难以一次性去除至合格，甚至多次返修也较难去除至合格。 01 检测器材及参数 对焊缝及熔合区及邻近母材进行了TOFD、UT、可达表面渗透检测： TOFD 检测设备：Isonic 2007，5 MHz φ6 mm探头对（60°楔块），半自动手动扫查架 检测部位：焊缝及熔合区及邻近母材 检测方向：沿焊缝纵向非平行扫查+垂直焊缝平行扫查（余高磨平） 检测时机：焊缝成型后、返修后 UT 检测设备：PXUT-330，2.5P20或2.5P14纵波单晶直探头或横波斜探头 检测部位：焊缝及熔合区及邻近母材 检测方向：沿焊缝纵向+ 垂直焊缝方向（横向） 检测时机：焊缝成型后、返修后 PT 检测部位：缺陷或不连续部位及气刨可达表面 检测时机：焊缝成型后、返修后 02 组合检测方法及试验结果 超声检测工艺试验中，用2.5 MHz，φ20 mm纵波单晶直探头，依被检复合板基材钢板厚度在CSK-IIA对比试块上制作一组φ2 mm侧孔、深度超80 mm的DAC曲线。 完成后将评定线调为φ2×60-20 dB、定量线调为φ2×60-14 dB，判废线调为φ2×60-4 dB（也可用φ2母线作基准曲线，波幅超φ2×60-20 dB为Ⅰ区），且将检测最大声程处评定线高度不低于荧光屏满刻度20%作为扫查灵敏度。 纵波单晶直探头检测时，若坡口或焊缝临近基材30 mm宽区域处检出特殊缺陷或不连续，需精确定量、定位，如图3和图4所示。记录缺陷或不连续后向焊接工艺部门反馈，为后期评定做准备。 图3 超声波纵波单晶检测（近满屏40%） 图4 超声波纵波单晶检测（超满屏40%） 由上图可知，纵波单晶直探头检测波形中的一次底波显著，始波与底波间存在探头杂波及疑似缺陷或不连续波。 图3所示疑似缺陷或不连续波波高近满屏的40%，当量约φ2-17.5 dB，波底宽、波形略尖，深度约33.1 mm；图4所示疑似缺陷或不连续波波高超满屏的40%，当量约φ2-14.8 dB，波形与图3相似，深度约27.9 mm，以上两处缺陷当量均不超焊缝超声检测验收水平，应视为合格指示。 手工超声检测出缺陷或不连续时，可直接读取缺陷或不连续当量值。若缺陷或不连续当量超评定线φ2×60-20 dB（或扫查灵敏度下波高超15%），且显示长度超过板厚的1/3或20 mm（取较小值），则视为疑似超标缺陷或不连续，需测长记录，并采用MT/PT/TOFD等检测方法验证，表面检测验证情况如图5和图6所示。注意渗透检测需延时评定，依现场条件，显像剂未干前，延时复评时间至少为12小时。 图5 筒节焊缝返修后MT检测显示不明显 图6 筒节坡口PT检测延时评定发现疑似偏析缺陷或不连续 复合板钢板基材焊缝TOFD检测图谱如图7所示，其为手工超声发现疑似偏析缺陷或不连续的焊缝TOFD检测图谱。 图7 复合板钢板基材焊缝TOFD检测图谱 图谱中第一缺陷或不连续连续存在，显示长度长，自身高度小（小于2 mm或TOFD探头在该深度的最小分辨力）。在临近母材进行TOFD检测时，线状偏析有较弱显示。需注意与复合板基材条状夹杂（见后文的图10）区分，避免混淆。 对上述检测情况进行分析可知，TOFD检测可发现母材线状显示（偏析类或分层类），且该显示在图谱评定当中较明显，易与探头耦合不良（探头与工件或楔块间耦合剂太多）引起的非相关显示相混淆。 图6所示的PT复验情况为：显像10~60分钟时无明显显示，将显像复评时间延长至12小时后，焊缝解剖区域出现微弱红色显示，其厚度截面呈现类似分层的线性显示，这意味着复合板基材钢板存在对后期焊接有危害的特殊缺陷或不连续。 手工超声检测可勉强发现该母材偏析类缺陷或不连续指示，但不超过对应检测标准规定质量等级（如NB/T 47013.3—2015的5.3节中钢板Ⅱ级）。 经分析TOFD图谱并查询文献可知，多数TOFD与超声人员对母材分层、偏析、非金属夹杂缺乏直观认识，常混淆偏析与分层；TOFD检测人员缺乏母材偏析图谱特征分析经验；母材与焊缝缺陷或不连续在图谱上难以区分，需借助其他检测方法判别。 对实际检测及图谱进行分析和总结后，发现对于TOFD图谱中母材偏析引发的线状显示（偏析）焊接缺陷或不连续，具有如下特征： 1 TOFD的D扫图谱中，缺陷或不连续常呈单个线性连续或多个断续显示，如图8~10所示，深度相同且自身高度小，约一周半（黑白黑），图谱较平直。因扫查工艺参数（如PCS和灵敏度）不同，显示或明或暗，有清晰黑白条纹，易从背景噪声中识别，与探头耦合不良时的显示相近，两端无抛物线，与直通波相位相同。 图8 母材缺陷或不连续焊缝扫查图例 图9 母材缺陷或不连续母材扫查图例 图10 复合板钢板基材焊缝TOFD检测图谱（PCS为160/80 mm）条状夹杂 2 TOFD的A扫图谱中，母材偏析回波幅度低于直通波幅度（母材分层回波幅度常高于直通波幅度，如图11所示，图中白色箭头所示分层及红框所示为偏析，也可通过观察母材分层的变型波进一步相互验证）。普通A扫检测时，母材偏析直探头在2~5 MHz φ5 mm-DAC基准灵敏度下难以检出，需提高至少20 dB才有少许显示，而母材分层缺陷或不连续在该基准灵敏度下较易检出。 图11 钢板TOFD检测图谱线状显示 3 母材偏析分布范围广，常于整个板面可检出，一旦发现，焊缝多次返修后缺陷或不连续仍会存在，除非返修扩大到整个PCS声束覆盖范围。对此种情况，制造厂最好的处置方法是更换钢板；极少数情况下可在出厂前对整个钢板进行恢复性能的热处理，使得杂质元素重新均衡分布，经过专项检测合格后，才能出厂。 线状显示（偏析）与条状显示（夹杂物）图谱相比，最大差异是线状显示（偏析）图谱较为干净，不存在条状夹杂在自身高度上的弥散点状分布。 结语 1 母材线状偏析属钢板固有缺陷或不连续，出厂时超声检测难以检出。后期焊缝TOFD检测时，会引发次生缺陷或不连续，致检测结果异常。其与分层、条状夹杂、复合板覆材转换回波、探头过耦合回波有时难区分，需使用多种方法互相验证，必要时采用便携式金相显微镜对疑似钢板进行现场甄别。 2 手工超声可甄别线状偏析与分层缺陷或不连续，直探头对分层敏感，对线状显示（偏析）不敏感。 3 线状显示（偏析）与条状显示（夹杂物）依据NB/T 47013. 10—2015相关条款评定，较易从图谱区分。 4 线状显示（偏析）与复合板覆材转换回波、探头过耦合回波特征相似，需结合TOFD检测工艺分析判断，可通过换探头或调工艺辨别。线状显示（偏析）分析和研究有利于后期TOFD图谱典型缺陷特征研究，特别是仪器自动智能评定软件开发会具有较好的应用前景。 5 线状显示（偏析）与晶粒噪声无明显关联，能从焊缝或母材噪声中识别，晶粒噪声弥散于整个图谱。 6 线状显示（偏析）源于钢板母材原生缺陷或不连续，TOFD 检测评定时是否返修存争议。笔者认为线状显示（偏析）危害性远大于条状夹杂，在工程检测中如若遇到，应如实按标准作出相关评定并反馈至设计、技术部门，由其综合判定是否回用或者更换钢板；若是在用、在役设备检修过程中遇到该类缺陷或不连续，根据相应标准严格评定、定级，后期需要特别关注该缺陷或不连续的扩展情况。 7 虽然钢板超声检测标准未明确线状显示（偏析）规定，但压力容器用钢板边缘线状显示（偏析）影响后期焊接可焊性、TOFD检测合格率，检测人员需加以重视，谨防漏评、错评导致重大质量损失。钢板厂需强化成分偏析控制，采用线状显示（偏析）补充检测法，如加强超声、TOFD、PAUT等检测对钢板边缘质量的预检与控制，满足各方对产品质量的需求。 作者：刘娟1，罗琅2，侯玉亮3，燕辉3 工作单位：1. 江苏领航服务外包有限公司 2. 天华院（南京）智能制造有限公司 3. 南京宝色股份公司 第一作者简介：刘娟，主要从事无损检测技术服务及咨询工作。 来源：《无损检测》2025年9期
