北京交通大学
硕士学位论文
TOFD法检测焊缝缺陷分析与研究
姓名：梁宏林
申请学位级别：硕士
专业：材料物理与化学
指导教师：滕永平
20050301
ＴＯＦＤ法检测焊缝缺陷分析与研究
摘要：
超声波衍射时间检测技术（ＴＯＦＤ）是当前超声波检测领域的前沿技术之一。采用该技术对焊缝缺陷进行检测，具有检测速度快、测量精度高、检测结果显示直观等特点。因此在焊缝超声波检测中得到广泛应用。但是，在我国对该技术的应用目前还处在小范围的试用阶段。对该方法的应用特点、检测参数的选择、检测结果的处理和缺陷性质的分析等方面需要进行大量的研究工作。
本论文使用ＰＣＵＴ１．０型ＴＯＦＤ焊缝超声波检测仪进行了大量的实验和现场检测工作，得到了丰富的检测数据。在此基础上对ＴＯＦＤ检测结果的处理和缺陷性质的分析方面进行了研究。
文章首先介绍了ＴＯＦＤ技术基本原理、对焊缝检测的特点及其检测的优缺点。然后根据被检测工件（焊缝）的特点，确定了检测参数计算和选择方法，并取得了大量的ＴＯＦＤ检测数据。在各种检测数据的基础上，重点分析了ＴＯＦＤ检测中，各类典型缺陷的响应特征，并得到～些重要结论。最后把ＴＯＦＤ方法的检测结果与普通超声波探伤的检测结果以及ｘ射线检测结果进行对比分析，总结出其优缺点，以及与其它检测方法的匹配关系，对该技术的应用范围做了初步的界定，对该技术的应用技术规范做了一定的研究。
关键词：ＴＯＦＤ焊缝缺陷对比分析超声波Ｘ射线
Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｗｅｌｄｉｎｇ
ｆｌａｗｓｂｙＴＯＦＤ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｉｍｅｏｆｆｌｉｇｈｔｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＴＯＦＤ）ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇ．Ｗｅｃａｎｕｓｅｉｔｔｏｔｅｓｔｗｅｌｄｑｕｉｃｋｌｙｗｉｔｈｈｉｇｈｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎａｎｄｐａｒｔｉｃｕｌａｒｒｅｓｕｌｔ．Ｓｏｉｔｈａｓｂｅｅｎｗｅｌｌｕｓｅｄｉｎｗｅｌｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇ．ＩｎＣｈｉｎａ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｓｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｉｔａｒｅｊｕｓｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ．Ｔｈｅｒｅａｒｅａｌｏｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｎｅｅｄｔｏｂｅｄｏｎｅ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅａｐｐｌｉｅｄｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｉｅｓ，ｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｄｉｓｐｏｓｅｏｆｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｎａｗｓ’ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ
ＷｉｔｈｔｈｅＰＣＵＴｌ．０ｗｅｌｄｔｅｓｔｉｎｇａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄｉｔｓ’ｓｐｅｃｉａｌｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｅｈａｄｄｏｎｅａｌｏｔｏｆｗｏｒｋｉｎｃｌｕｄｉｎｇｂｏｔｈｉｎｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓａｎｄｉｎｆａｃｔｏｒｉｅｓ．Ｗｅｈａｖｅｇｏｔａｂｕｎｄａｎｔｔｅｓｔｉｎｇｄａｔａ．Ｏｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｄａｔａ，ｗｅｔｒｙｔｏｆｉｎｄｔｈｅｗａｙｏｆｈｏｗｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔａｎｄｈｏｗｔｏａｎａｌｙｓｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｆｌａｗｓ
ＩｔｗｉｌｌｂｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔｈａｔｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＴＯＦＤ，ｔｈｅｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｉｅｓｏｆｗｅｌｄｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄ
ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｉｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｗｅｌｄ，ｗｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｃｈｏｉｃｅｏｆｔｅｓｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｂｕｎｄａｎｔｄａｔａｗｅｇｏｔ，ｔｈｅＴＯＦＤ’Ｓｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｔｙｐｉｃａｌｆｌａｗｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄｃｏｎｔｒａｃｔｅｄｔｏｔｈｅｃｏｍｍｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔ’Ｓａｎｄｒａｙｔｅｓｔ’Ｓ．Ｔｈｅｎｗｅｔｒｙｔｏｓｕｍｍａｒｉｚｅｉｔｓ’ａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｍｕｔｕａｌｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＴＯＦＤａｎｄｏｔｈｅｒＮＤＴｍｅｔｈｏｄｓ．Ａｔｌａｓｔ，Ｗｅｗｉｌｌｔａｌｋａｂｏｕｔｔｈｅａｐｐｌｙｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｃｏｄｅｓｏｆｔｈｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＴＯＦＤ，ｗｅｌｄ，ｆｌａｗ，ｃｏｎｔｒａｃｔ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅ，Ｘ－ｒａｙ
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前言
在材料、工件、设备及结构不被破坏的６Ⅱ提下，利用它们的物理性质凶缺陷的存在而发生变化的事实，测定其变化量，从而检出其内部是否存在缺陷以及缺陷的性质、形状、位置和大小，这一检测判断的整个过程称为无损检测或称非破坏性试验（ｎｏｎ—ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔ，ＮＤＴ）。
自１９００年ｘ射线技术在法国海关开始得到应用以来，现代无损检测技术经过了一个多世纪的发展，已经成为现代科学的重要学科之一，其重要性在全世界得到了公认。应用无损检测技术可以对工程材料、零部件和结构件的内部结构进行检测，并根据检出缺陷的特征，依照常规力学和断裂力学的理论做出恰当的评价。它不仅为保证产品质量发挥了重要作用，还为提高劳动生产率和改进工艺提供依据。因此，无损检测技术愈来愈受到工业界的普遍重视，特别是在航空与航天、核技术、电站设备、石油与化工、锅炉和压力容器、建筑、冶金和机械制造等工业部门中得到了广泛的应用。
二十世纪８０年代以来，无损检测技术本身开始逐步向无损评价方向发展，除了要探测物体内部或表面的各种宏观缺陷，判断缺陷位置、大小、形状和性质外，更强调能对评价对象的固有属性、功能、状态、发展趋势（安全性和剩余寿命）等进行分析、预测和做出综合判断。伴随着在这一时期材料科学和制造技术的突飞猛进带来的检测方面的强烈需求，以及飞速发展的电子技术、信息技术提供的强大技术基础，无损检测在理论突破、仪器研究、方法创新等方面都呈现出百花齐放的局面，针对各种不同的检测对象，各种新的检测技术不断出现，如激光检测技术、红外检测技术、金属磁记忆检测技术、声发射检测技术、微波检测技术等…。
ＴＯＦＤ法检测焊缝姨陷分析与研究
但迄今为Ｉｒ，五种常规检测技术（ＲＴ、ＵＴ、ＭＴ、ＰＴ、ＥＴ）仍在无损检测领域牢牢占据着不可替代的地位，其功能和应用范围也不断得到新
的发展。在这五种常规检测方法中，用来检测材料的表面或近表面质量，磁粉检测、渗透检测和涡流检测多射线检测和超声波检测主要用来检
测材料的内部质量。射线检测技术是发展的虽为成熟的检测技术之一，超声波检测技术则是发展最为活跃的技术之一，现场工作中常用这两种技术来检测材料或构件的内部质量。但在实际应用中又都有一些问题，比如对于最典型的检测对象——焊缝的检测，射线检测本来是最可靠的检测手段，但随着焊缝的厚度不断增加，即使不考虑几何不清晰度给缺陷评判带来的困难，射线的穿透能力已经成为问题。虽然为检测大厚度焊缝或构件发展出了高能ｘ射线、中子射线、电子加速器等检测技术或方法，但由于设备庞大，在现场应用受到很大限制，而广泛应用于现场一线的便携式Ｘ射线机截止目前为止最大的穿透厚度也只有６０ｍｍ。另外，射线检测还有成本问题、污染问题、几何条件问题等。超声波检测技术恰好具有检测大厚度焊缝的物理基础，在一定条件下超声波可以在钢中传播到几米、几十米甚至更远的距离，但传统的Ａ型脉冲显示超声波检测方法在检测焊缝时，检测结果不直观，缺陷的定性和判读对检测人员的依赖性很强，定量则采用当量的方法，无法实现精确的测量。
为解决这些问题，迫切需要发展新的检测技术，以期望能在一定条件下弥补以上检测技术的不足，并确保检测结果的准确性高于传统检测技术所能达到的最佳水平。为此，世界各国相继发展出了超声波Ｂ扫描、ｃ扫描、Ｐ扫描等检测技术，试图在检测仪或计算机的屏幕上尽可能逼真地模拟出焊缝内部的情况，实现类似于射线检测的直观效果。本文所研究的超声波衍射时间测量技术则在理论上突破了单纯应用超声波的反射回波作为评判信号，综合应用超声波的反射回波和衍射波作为评判
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信号，从而得到了更为丰富的关于焊缝内部缺陷的信息，为缺陷的成像和评判奠定了物理基础，高速发展的电子技术和信息技术则为信号的处理分析提供了强大的工具，使该技术的发展越来越引起世界各国的关注。
２０世纪７０年代末，超声波衍射时间测量技术在欧洲问世，当时只是作为一种用于科学研究的工具引起科学界的关注，而作为一种用于现场检测技术的开发则是在８０年代以后的事，其最直接的应用需求就是检测大英帝国的高压核反应堆。尽管这类反应堆在别的发达国家也很平常，但在英国，人们尤其关注反应堆的安全问题，为了满足公众的要求，就必须保证整个系统的绝对安全，这就要求必须有先进的检测技术来检测噩力容器，以保障系统的安全运行。
核反应堆的压力容器都是由很厚的钢板拼焊构成，承受着内部相当高的工作压力，因此就要求母材钢板和焊缝内部的质量达到很高的水平，不允许出现大于临界尺寸的缺陷，所以检测仪器必须可以精确地测量内部缺陷的尺寸。恰在此时，英国要建造一座新的核反应堆，而测试结果表明，传统的超声波检测技术不能准确地测量内部缺陷的尺寸是否达到或超过了临界尺寸。面对这种情况，英国以及其他欧洲国家的核工业部门都投入巨大的人力物力用于开发新的检测技术，以提高超声波检测厚钢板的检测能力。在英国，此项开发计划不止包括了传统的脉冲回波法超声波检测技术，而且在超声波衍射时间测量技术方面也做了很大努力，因为超声波衍射时问测量技术所具备的对于内部缺陷精确的测量潜力已经被认识到，特别是对内部裂纹的检测能力，而这恰好是核工业部门最为关心的问题。正是这种工业实践发展中对新技术的迫切需求，导致了该技术的快速发展。１。
进入９０年代以后，随着计算机技术和制造技术的飞速发展，ＴＯＦＤ
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ＴＯＦＤ浊榆测焊缝缺陷分析与研究
技术在欧美发达国家得ＮＴ＂快速发展，相关理论逐渐成熟，研制与开发的仪器逐渐成型，１９９３年英国又制订并颁布了该检测技术的标准规范，即Ｂｓ一７７０６标准，一些学者认为该技术可以替代传统的射线检测技术。但在进一步的研究和应用中发现，该技术还存在着很多需要完善的地方，甚至存在着从原理出发就难以逾越的技术局限，因此在２０００年罗马召开的第十五届世界无损检测大会上对Ｂｓ一７７０６标准提出了质疑，建议应对该技术做更深入的研究，并在与其他检测技术相配合的情况下使用，不赞成单独作为一种检测技术应用于现场检测。
在我国，该技术仍处于起步阶段，有部分学者翻译了一些国外有关该技术的文献，有几家单位在进行仪器开发方面的努力，波达科技有限公司率先在国内开发出具有ＴＯＦＤ功能的ＰＣＵＴｌ．０超声波焊缝检测仪，其主机和软件具有自主产权，但由于国内探头的加工水平达不到要求，需要从美国进口，扫查器则是由台湾制造。
该仪器开发成型后，仍处在实验室应用和研究阶段，没有在检测现场应用过，对各类焊接缺陷的检测结果缺乏系统的分析，也难以验证检测结果的准确性，这就给该技术的发展带来了一定的限制，本课题的研究目的就是要试图部分地解决该技术在从实验室应用过渡到现场应用前必须解决的问题。
全文可大概分为四部分。第一部分包括文章的第１、２两章，介绍超声波衍射时间测量技术的基本原理，概述其优点和局限，研究仪器和探头的配置原则，对实验和现场检测中的检测参数进行计算与分析，以验证检测方法和所使用的检测仪器的可行性和可靠性，这部分的工作性质是学习和实验，目的是为大量现场检测以及检测结果的分析奠定基础。
第二部分包括第３、４、５、６、７共五章，是论文的核心部分，主要内容是在大量现场检测的基础上，结合焊接结构中各类典型缺陷的产生
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机理和特征，分析并总结各类典型缺陷的响应特征，概括出简便的评判方法，通过普通超声波检测和Ｘ射线检测与该方法的互相印证，分析使用超声波衍射法检测焊缝时的定位、定性、定量。
第三部分即论文的第８章，主要内容是根据其检测效果与传统检测方法的比较，深入研究超声波衍射时间测量技术的应用范围，探讨该方法与其它检测方法的匹配关系。
第四部分即论文的第９章，主要内容是概括对超声波衍射法焊缝检测技术学习和应用的几点体会，并从理论推演、仪器改进、应用研究和标准制定等四个方面对该技术的发展进行了展望。
ＴＯＦＤ法检测焊缝缺陷分析与研究
第一章基本原理与优缺点
１．１基本原理
超声波衍射时间测量技术（ＴＯＦＤ）是一种全新的检测技术，它与传统的脉冲回波检测方法的／ｆｉ同之处在于：这种方法是检测缺陷边缘的衍射超声波信号，从而对缺陷的位置和大小进行测量。超声波从探头发射出来进入待测工件，当入射的超声波遇到缺陷时，比如裂纹，除ＴＪＥ常的反射回波外，超声波会在缺陷的尖端发生衍射，如图Ｉ所示。缺陷的每个边缘都会变成一个超声波的信号源，向外发射超声波，这些非常弱的超卢波信号我们称之为衍射波，这些衍射波将被记录Ｆ来作为判定缺陷的依据。而传统的脉冲回波法是根据由缺陷反射回米的能量大小来作为判定缺陷的依据。
１一入射波２一反射波３一透射波４一缺陷Ｔ贞端的衍射波５一缺陷底部的衍射波
图１．１超声波衍射波发牛示意俐
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ＴＯＦＤ检测技术采用两个探头，按照发射一接收的形式排列探头的布置，方式如图２所示，一个是发射探头，一个是接收探头。通常采用纵波斜探头，衍射波的信号由接收探头获得，在超声波系统中进行计算评估生成Ｂ一扫描图像。
圈１．２超声波衍射法检测焊缝示意图
如果对焊缝面进行解剖，则横向波、反射波和缺陷的衍射波的情况如图３所示。
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１一横向波
２一缺陷顶端的衍射波
３一缺陷底部的衍射波
４一底面的反射波
图１．３超声波衍射法检测焊缝剖面图
计算机软件处理系统将会计算评估这些衍射信号，生成有黑白梯度的Ｂ一扫描图像。根据扫查探头对的扫查方向，主要有两种Ｂ～扫描图像（被检测物体方向的横断面或纵端面图像）：
１．沿着焊缝或缺陷的走向形成的扫描图像。这种Ｂ一扫描主要用来对缺陷定位和测量大小尺寸。这通常被称作线性、非平行或纵向扫描。
２．超声波的声束扫查方向垂直焊缝或缺陷的走向。这种Ｂ一扫描主要用来测量缺陷的大小尺寸。这通常被称作断面、平行或横向扫查。
对于走向垂直于工作表面的缺陷，我们可计算出该缺陷的大小和深度。对典型缺陷的计算精度可达到０．１ｍｍ。我们假定超声波都是在固定点进入和离开工作的，并且两探头之间的距离是２ｓ。
这是对缺陷真实情况的简化，但是，对于实际情况下的缺陷的计算，
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苎室銮望＿大兰竺：生生竺笙塞
却有非常重大的意义。时间Ｔ是指超声波传播到Ｄ处，Ｄ处缺陷的尖端又产生衍射波传播到接收探头的时间和。这样：
Ｃ?７ｒ＝｛ｄ２＋（Ｓ—Ｘ）２）“２＋（矛＋（Ｓ＋Ｘ）２）“２（１．１）这里，
Ｃ＝超声波的声速；
Ｔ＝时间：
ｄ＝Ｉ件表面下Ｄ处的深度；
Ｘ＝Ｄ处与两个探头中间面的偏移值。
当Ｘ值是零时，Ｔ的值最小，这种简化情况下，上面的公式就变为：Ｃ?Ｔ－－－－－２（ｄ２＋Ｓ２）“２（１＿２）通常是采用表面波的传播时间作为参考值，Ｄ处的深度值ｄ是通过两处超声波的传播时间的差值Ｔ。计算出来的。Ｒ即是表面波和Ｄ处衍射波的时间差值。
衍射波信号的振幅显示不出来，但是这些信号的时间间隔却能测量出来。因此，这就能精确地测量出缺陷的位置、缺陷的长度和缺陷的高度”１。
１．２缺陷定性的理论基础
在焊接结构中，缺陷可粗略地分为两大类，危害性缺陷和非危害性缺陷，危害性缺陷即面积型缺陷，主要包括裂纹、未焊透和未熔合，在绝大部分焊接结构中，均不允许存在上述缺陷：非危害性缺陷即体积型缺陷，主要包括气孔和夹渣，在很多焊接结构中允许存在，但对其数量、大小、形状均有详细的规定。
对于体积型缺陷，入射超声波入射到缺陷时，在其上表面会有一个具有一定面积的反射面，超声波会发生反射，该反射波会与在相邻位置发生的衍射波共同到达接收探头，由于反射波的能量一般远大于衍射波
，塑堕丝型塑竺竺堕坌堑皇堕型
的能量，衍射波被覆盖，接收到的信号主要反映反射波的特征，而超声波在反射时会发生位相损失，即反射超声波的位相与入射超声波的位相恰好相反。
对于面积型缺陷的边缘，以及体积型缺陷的底部，均不可能发生超声波反射，衍射信号占据主导地位，而超声衍射波的特性是不改变入射波本身的特性，即相位和频率不发生改变，衍射波的位相与入射波的位相完全相同。
因此，根据接收到的信号的相位，可以判断接收到的信号是反射波还是衍射波，从而可以判断缺陷是体积型缺陷还是面积型缺陷。
１．３该技术的优点和局限
１．３．１该技术的优点
与传统的脉冲回波方法不同，ＴＯＦＤ可检测到的缺陷不受缺陷的方向性的影响。
与射线成像方法相比较，这些不能被射线成像方法检测到的与检测的工件表面平行的面状缺陷和裂纹，都可以通过ＴＯＦＤ方法检测出来。
缺陷的高度可被精确的计算出来。
更高的缺陷检出可能（ＰＯＤ）极大地减少了漏检的风险。
检测时人员是不需要撤离的。这样就减少了检测生产的间隔时间和其他一些问题。
检测的结果立刻就能知道，焊缝的纵断或横断面的检测图像可以存盘并打印出来，作为永久的纪录。
在对缺陷部位进行修复时，可最大限度的减少不必要的焊缝刨开。
对于厚度超过２５ｍｍ的工件，较高的检测速度可使ＴＯＦＤ检测方法比射线检测方法更为经济。
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检测的温度可达２００℃。
１．３．２陔技术的局限
工件的形状要求比较规则，焊缝两侧均可以接近并放置探头。如果需要对形状比较复杂的工件进行检测，就必须设计专用的分析软件和扫查器械。
在检测焊缝的上表面和下表面存在一定的盲区，如果焊缝的厚度比较小，这种方法不再具备优越性，盲区的大小取决于探头的入射角度和探头的频率。
要求探头和工件的表面具有比较好的耦合条件。
在对缺陷定位时，只能实现二维定位，即在平行于焊缝方ｔｈｉｎ焊缝深度方向上可以对缺陷定位，而在垂直于焊缝方向上无法定位，需要其他的辅助手段。
当两个或更多个缺陷相互距离比较近时，很难将它们有效地区别开，从而造成在缺陷定性和定量上的困难１３】。
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第二章仪器的配置原则和参数设定
２．１仪器配置原则
２．１．１仪器的配置
超声波检测是目前五种常规检测技术中发展最快的技术，而在超声波检测领域，近年来最引人瞩目的就是超声波成像技术。为了解决Ａ型显示无法克服的缺点，发展出了多个成像检测技术的分支，相对成熟的技术主要包括ｃ扫描成像技术、Ｂ扫描成像技术、相控阵列探头技术以及ＴＯＦＤ技术等。目前这些超声波成像技术虽然尚未列入国家标准，但根据调研了解到的情况，基于上述不同原理的超声波成像检测技术和仪器已经趋于成熟，在很多单位得到了成功应用，并成为传统超声波检测的重要补充，而且在很多场合与其他检测方法实现了很好的匹配。
根据调研了解到的情况，上述超声波成像检测技术和仪器簇本被欧美发达国家的一些大公司所垄断，国内的研究工作和仪器开发尚难以与之抗衡，相比之下，国内在ＴＯＦＩ）技术上的研究近年来发展较快，开发的仪器在性能价格比上已经具备了～定的优势。
迄今为止，国内已经开发出的成型仪器只有北京波达科技发展中心研制的ＰＣＵＴｌ．０焊缝超声波成像检测仪器。
对仪器的主要要求有三点，即可行性、信号质量和操作的复杂性。也就是说硬件的速度要比较快，有比较高的脉冲频率，这是实现高扫描速度的物理基础，与此同时，硬件的耗电量要比较小。目前，计算机软硬件技术的发展使得大量数据的快速处理成为可能，辅以先进的滤波技术和高带宽技术，可以把高频探伤的长处充分发挥出来。
２．１．２探头的选择
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针对ＴＯＩ；Ｄ技术，对探头的两个基本要求是高灵敏度和高带宽，以石英晶体为基础的换能器的不断发展满足了上述要求。另一个重要的发展是高频探头的设计和制作。高频探头（最高可达２０ＭＨｚ），可以有效地减小盲区，并增大被检对象中可以被检测到的部分。当然，频率高于１５ＭＨｚ的探头在使用时，工件的表面必须非常光滑，材料衰减和噪音都比较小【４１。
高频率意味着波长比较小，而衍射的发生条件是波长尺寸与障碍物的大小比较接近，在ＴＯＦＤ技术中就意味着可以发现更小的缺陷，有更高的检测灵敏度，但如果波长的尺寸过小，以至于与材料晶体的尺寸比较接近时，超声波就会在晶界发生衍射，产生很强的噪声波，使得缺陷波被掩盖，最终使得探伤的目的无法实现。（根据这一原理，也许在将来，可以用之检验材料的晶粒粗细或金相组织。）因此，必须根据材料的具体情况和探伤的实际要求，合理地选择探头的频率。
以常见的焊接材料１６Ｍｎ钢为例，查资料得其晶体尺寸约为ｌｆｆ６ｍ，所选择探头的频率ｆ约为ＩＯＭＨｚ，超声波的波速Ｖ约为５９００ｍ／ｓ，则其波氏为九，
＾＝Ｖ／ｆ＝５９００／１０＝５９０Ｐｍ≈０．６ｍｍ
根据衍射理论，一束波长为＾的波入射，当障碍物尺寸为０．１＾～１０＾时，衍射信号比较强，把九＝Ｏ．６ｍｍ代入，得到障碍物尺寸为６×１０一５～６×１０－３ｍ时，衍射信号比较强。
可以判断，由于晶体尺寸小于Ｏ．叭入，在晶界上发生的衍射信号非常弱，可以忽略其对其它信号的影响。
与此同时，基于０．叭＾＝Ｏ．０６ｍ，这是可以得到比较强的衍射信号的障碍物尺寸的下限，即此时检测的分辨力不可能比０．０６ｍ更小，这也是分辨力设定为０．１ｍｍ的理论依据。
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２．２时间和几何参数计算
为验证检测得到的结果，要计算在现有条件下的时间和几何参数
看与实际测量得到的值是否一致。
焊缝及探头分布如卜图所示。
发射探
图２．１焊缝及探头分布不意图
在理想状态下，如图４所示，在焊缝表面，即从发射探头到接收探头，传播的是横向纵波，传播距离等于探头前沿问距加上两个探头的前沿距离，此距离设为Ｓ，，声速为Ｖ．，则传播所需要的时间是：ｔｌ＝Ｓ，／ｖ－在焊缝内部，传播的是纵波，并将底面反射波作为参考底波，此距离设为ｓ：，探头主声束入射角为６００，可知ｓ。＝２Ｓ，／矗，声速为Ｖｚ，则传播所需要的时间是：ｔ产Ｓ。／Ｖ。
与ｔ，和ｔ。对应的波会直接反映在位相图中，也就是在检测中最为重要的始波和参考波，在二者之间则反映的是焊缝内部的情况，对比实际测量中得到的值和理论计算得到的值，就可以判断测量得到的值是否可信。
以检测第１３９号工件时的几何情况为例。
通过现场测量得到，ｓ，＝８２啪，
查材料手册可知，Ｖ。＝５９００ｍ／ｓ
则传播所需要的时间是：ｔ－＝ｓ．／ｖ一一１３．９９ｓ
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可知，Ｓ：＝２Ｓ．／拈＝１６４ｍｍ／以
同时可知，Ｖ。＝５９００ｍ／ｓ
则参考底波传播所需要的时间是：ｔ２－ｓ。／ｖ。一１６．１“ｓ
则在显示图上始波和底波之间的时间差为：Ａｔ＝ｔ：ｔ。＝２．２９ｓ
把计算结果和实验结果进行对比，可以看到计算得到的时问差与实际得到的时间差是一致的，这就证明了该仪器的检测结果是可靠的。２．３增益设定
仪器增益的设定对于科学的检测非常重要，如果增益过大，则会出现较多的伪缺陷回波，甚至材料晶界的衍射波也会影响到检测的结果，造成判读困难；如果增益过小，则很容易造成缺陷的漏检。
影响增益设定的因素主要有两个。一是探头与工件表砸的耦合效果，耦合效果较差的时候，就必须增大仪器的增益值：二是发射探头到接收探头的距离，距离越大则增益越大。实际工作中，仪器的增益设定还要根据检测到缺陷的情况进行一定范围内的调整，以获得最佳的扫描图像。通常情况下，如果检测表面处理较好，能够实现较好的耦合，灵敏度在满足检测要求的情况下，如果适当低一点，可以得到较好的检测结果。
如果按照自然缺陷或专用平底孔试块设定灵敏度，应在Ａ型显示中设定，此时，应使一次反射波幅的波高达ＮＮ＿Ｎ的８０％～１００％，组织晶界的回波应设定在５％以下。在实验和现场检验中，曾试验过直接在扫描衍射功能下调节的方法，但效果不如上述调节方法。
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第三章焊接缺陷产生机理及特征
３．１咬边
皎边是在焊缝边缘母材上被电弧烧熔的凹槽。
造成咬边的主要原因是由于焊接时选用过大的焊接电流、电弧过跃及角度不当等。一般在平焊时较少出现；在立、横、仰焊时，对技术不熟练的焊工在电流较大时，由于运条时在坡口两侧停留时间较短，在焊缝中间长了些，使焊缝中间铁水温度过高而下坠，两侧的母材金属被电弧吹去而未填满熔池所致：焊条角度不当时亦能产生咬边ｉ５】ｏ
３．２未熔合
未熔合主要是指填充金属与母材之间，彼此没有熔合在一起（即填充金属粘盖在母材上或者是填充金属层问没熔合在一起）。
产生原因主要是焊接时电流过小、焊接速度过快、热量不够或者焊条偏于坡口之一侧，使母材或先焊的焊缝金属未得到充分熔化就被熔化金属覆盖而造成；此外母材坡口或先焊的焊缝金属表面有锈、氧化铁、熔渣及脏物等未清除干净，在焊接时由于温度不够，未能将其熔化而盖上了熔化金属亦可造成：起焊温度低，先焊的焊缝开始端未熔化，也能产生未熔合Ｉ卯。
３．３未焊透
由于焊工操作技术不良和规范选用的不当，或装配不良而引起。在根部，由于电弧未将母材熔化或未填满熔化金属所致，称根部未焊透；电弧未将各层问完全熔化，办未填满熔化金属称层间未焊透；同样，如果在边缘出现这种情况称为边缘来焊透。未焊透有时和未熔合很难区别。