導語：網上讀到一篇論文《非平面工件對接焊縫 TOFD 檢測工藝》，文章對于非平面不等厚焊縫的TOFD檢測分析很透徹，很受益，特此分享。出于對原創作者的尊重，保留原文，未做修改，以供查閱。

非平面工件對接焊縫 TOFD 檢測工藝

肖 雄 1劉東梅 2

(1.江蘇中宇檢測有限公司 南京 210012；2.徐州東方工程檢測有限責任公司徐州 221008)

摘要：本文主要介紹非平面工件對接焊縫 TOFD 檢測工藝的設置，針對特種設備行業比較常見的不等厚工件組焊時，厚的一側會進行削邊處理，對 TOFD 檢測時探頭的放置及聲束角度都會產生影響，本文通過仿真軟件模擬探頭聲場對被檢工件的覆蓋及計算，對不同形狀的非平面工件，總結了 2 個簡單實用的計算公式，幫助現場檢測人員快速方便地對這類工件的對接焊縫進行TOFD 檢測。

關鍵詞：非平面工件；不等厚； 削邊； TOFD；PCS

TOFD（衍射時差法）超聲檢測技術近年來在國內各行業發展很快，包括檢測人員的培訓交流、檢測儀器的研究開發、檢測標準的頒布實施等，特別是在特種設備行業，許多大的壓力容器制造單位、檢驗檢測機構都陸續開始應用此項檢測技術。

隨著 TOFD 檢測技術應用的越來越廣泛，一些 TOFD 檢測技術的難點也突出出來，有些是屬于技術的局限性帶來的難點，如檢測面的盲區、橫向裂紋的檢測等，也有一些是屬于檢測人員數據分析的經驗不足帶來的，如缺陷的定性、定量、定位等，還有一些是由于工件結構相對復雜給 TOFD 檢測帶來的，如非平面工件的對接焊縫、管座的對接焊縫等。

1 非平面工件對接焊縫坡口型式

非平面工件包括不等厚工件的對接、錐體與筒節的對接、法蘭與筒節/直管的對接以及管道或筒節的縱縫（此類一般稱之為曲面工件，本文中不予討論）等，其中比較常見的是壓力容器中的不等厚工件的對接焊縫，如封頭與筒體的焊縫，經常焊縫兩側母材是不等厚的，厚的一側母材一般都會削邊處理，其結構有以下兩種形式：單面削邊(圖 1)和雙面削邊(圖 2)：

其它的類似結構還有法蘭與筒節/直管(圖 3)、錐體與筒節(圖 4)等部位。

2 聲場覆蓋的仿真及計算

目前大多 TOFD 檢測儀器的設置和測量計算都是基于探頭是在同一水平面對稱放置的條件進行的，在此條件下，一般將發射和接收探頭的中心線對準焊縫的中心線即可完成非平行掃查，此時 PCS 的設置、探頭、楔塊等按照相關標準的推薦方法設置[1]就可以。但是在圖 1 或圖 2 類似的兩側不等厚的焊縫進行 TOFD 檢測時，如按相關標準推薦方法以及常用的工藝設置[2] [3]，探頭在焊縫中心線兩側對稱放置時，探頭中心聲束交點則會偏離焊縫中心線位置，對檢測結果會造成探頭聲束覆蓋不足甚至漏檢的可能。

本文根據筆者多年從事 TOFD 現場檢測的經驗，通過仿真軟件模擬探頭聲場對被檢工件的覆蓋及計算，根據實際情況總結了一些經驗和計算公式，希望在類似工件的檢測中能幫助到更多的相關人員。

2.1 探頭聲場的仿真計算

采用超聲仿真軟件進行超聲檢測模擬計算可以減少很多加工試塊等成本，還可以幫助相關人員更直觀地了解檢測過程及結果[4]。CSSP diffraction simulator 是一款簡單的超聲聲場模擬軟件，可以進行普通超聲探頭、相控陣超聲探頭的聲場模擬計算，其應用界面如圖 5。為了顯示更直觀和便于計算， 本文設定一個焊縫工件，左側母材厚度 80mm，右側母材厚度 50mm，坡口角度 50°，削邊坡口角度一種為 30°，一種為 16°，用 CSSP diffraction simulator 分別模擬 5Mφ6mm60°縱波楔塊和 5Mφ

6mm70°縱波楔塊的聲場(圖 6a、圖 6b)覆蓋該檢測區域，見圖 7a~圖 7e。圖 7a~圖 7d 楔塊角度全部都是 60°，圖 7e 左側楔塊角度為 70°。圖 6a 圖 6b 及圖圖 7a~圖 7e 中黃色虛線是理論計算所得-12dB 下擴散角值（擴散因子取 0.8，楔塊聲速 2.4mm/us），與軟件仿真結果相比，該下擴散角值略微偏大，覆蓋區域則會偏小。

圖 6a 5Mφ6mm70°縱波楔塊聲場圖        6a 5Mφ6mm60°縱波楔塊聲場

表 1 是 5Mφ6 用 60°和 70°縱波楔塊理論計算時-12dB 聲束擴散角的范圍以及聲束所覆蓋下邊緣寬度，和仿真軟件的聲場覆蓋范圍相比略微偏小一些。

表 1 聲束擴散角及聲束覆蓋下邊緣寬度

探頭規格

母材厚

度 mm

楔塊角度

下擴散角

上擴散角

聲束覆蓋下邊緣寬度

(-12dB 單側) mm

5Mφ6

左：80

60°

45.8°

90°

圖 7a

圖 7b

圖 7c

圖 7d

-24.6①

27.4

25.1

14.5

70°

52.4°

90°

圖 7e：22.8

右：50

60°

45.8°

90°

6.1

注①：負號表示在中心線對側。

3 檢測工藝設置

3.1 探頭的選擇

在圖 7a~圖 7d 工件上，探頭的選擇一般參照 NB/T 47013.10-2010 中表 1 的推薦性選擇和設置，對于檢測面焊縫兩側母材平面相差比較大的情況，在靈敏度滿足的情況下，應按較薄的一側母材厚度來選擇探頭參數，在圖 7e 工件上，由于探頭放置于坡口斜面上，根據聲場仿真的結果，考慮到楔塊角度過小會影響聲束對上表面的覆蓋，因此其楔塊角度不宜小于60°。圖 3 和圖 4 等存在斜面的情況其楔塊角度也應該參照此方法進行選擇。

3.2 探頭位置的選擇

不同的工件結構，檢測設置工藝的優先選擇是不一樣的，在圖 1 中，應優先選擇在平面上進行TOFD檢測，只有當條件不具備或是工藝要求雙面檢測時，才需要在非平面的表面進行檢測，這跟在圖 2 工件進行檢測條件相同。在平面檢測的工藝這里不再進行討論，只討論在非平面表面檢測的一些情況。在實際情況中，不等厚工件的兩側母材厚度相差少則 2mm，多則相差一倍板厚左右（2T 和 T），其較厚側母材削邊的坡度各不相同，一般坡度范圍大約在 15°~60°之內，因此在 TOFD 檢測時對探頭的放置也無法統一規定，探頭既可能放置在平面上，也可能放置在削邊的坡面上，如圖 8 和圖 9。

3.3 探頭中心距離(PCS)的計算

TOFD 檢測非平行掃查中，通常要確保 PCS 的中心位置對準焊縫的中心線，其目的是為了保證探頭聲束能比較均勻地覆蓋被檢測區域，在平面工件上，此時探頭中心聲束的交點位置也是落在焊縫中心線上的，但是在兩側不等厚的工件上掃查時，為了保證聲束的均勻覆蓋和便于工藝參數計算，同樣應該使探頭聲束交點位置繼續落在焊縫中心線上，此時探頭在焊縫中心線兩側的位置不再是對稱關系， 見圖 8 和圖 9，因此需要根據探頭聲束交點的實際位置來確定探頭位置，即 PCS（2S）。一般是先確定工件薄壁側的探頭至焊縫中心線的距離 S，這與平面工件 PCS 的設置方法相同，直接根據工件厚度（或分區）來確定中心聲束與焊縫中心線交點的深度位置 d，以此深度 d 來計算工件厚壁側的探頭至焊縫中心線的距離 S’。

圖 8 的情況一般是用在焊縫兩側母材厚度相差不大，或者厚側母材的削邊坡口角度比較大，探頭就可以放置于兩側的平面上進行掃查，根據前面聲場仿真及聲束覆蓋范圍的計算結果，此時探頭聲束的覆蓋相對比較均勻，其中心聲束與焊縫中心線交點的深度位置按工件薄壁側厚度來計算，這與平面工件的 PCS 計算一致，得到一個初步的 PCS 值，根據圖 8 所示的參數條件，得到以下計算：

△S=△t* tgα

PCS’=PCS+△S公式（1）

△S 為 PCS 增加量；

α為探頭在工件中的折射角；

β為工件削邊坡度；

△t 為兩側工件厚度相差值；

PCS’為實際檢測值；

PCS 為薄側工件計算值。

圖 8 這種情況的計算比較簡單，已知焊縫兩側的厚度差△t 和楔塊的角度α就可以得出厚壁側工件上設置探頭的偏移量△S，兩個探頭的楔塊角度α相同，按照本文前面提供的案例參數，其   PCS’=PCS+△S=PCS+30*tg60°=115+52，即其左側探頭距離中心線約為 109.5mm，右側探頭距離中心線約為57.5mm。

圖 9 的情況也比較常見，當工件兩側厚度相差較大，且厚壁側工件削邊坡口角度較小時，或 PCS設置較小時，都有可能一個探頭不得不放置于削邊坡面上。實際檢測中除了要考慮坡口表面平整度要求以及坡口角度的不均勻因素的影響外，在 TOFD 檢測工藝的計算上還存在 2 個變量，一個是探頭到焊縫中心線的距離 S’有變化，另一個是聲束在工件中的折射角度α’也產生了變化，根據圖 7c~圖 7e的仿真和表 1 的計算結果，三種方法都是能滿足聲場覆蓋要求的，三者主要在靈敏度和分辨率方面會存在細微的差異。圖7c 更簡單易用，檢測時 PCS 不需要改變就能有效進行檢測，理論上不論坡口角度β多少，其探頭聲束都應該能滿足對被檢區域的覆蓋要求的。圖 7d 和圖 7e 上采用不同角度楔塊時計算相對復雜些，根據圖 9 所示參數，得到以下計算結果：

t’=S’*tgβ

S’=(t’+d)*tg (α-β)  或 S’=(t’+d)/tg (90-α+β)

S’= d* tg(α-β)/[1- tgβ* tg(α-β)]

或 S’=d/[tg(90-α+β)-tgβ]公式（2）

t’為削邊坡面上探頭入射點位置工件厚度的相差值；

S’為削邊坡面上探頭入射點位置至焊縫中心線的距離；

β為削邊坡口角度；

α為探頭在工件中的折射角；

d 為聲束交點的深度值。

公式(2)中，d、α和β值都是已知條件，因此可以計算出 S’值，按照本文前面提供的案例參數， S’=33.3*tg(70-16)/[1-tg16*tg(70-16)=75mm，即其左側探頭距離中心線約為 75mm，右側探頭距離中心線約為 57.5mm。

圖 3 和圖 4 的情況與圖 9 比較類似，計算方法根據公式(2)一樣可以計算。

因此在不等厚工件進行 TOFD 檢測時，根據削邊坡口的實際情況分別選擇公式(1)或公式(2)就可以計算出不同厚度工件（或分區）的實際 PCS 值，得到的掃查結果與非平行掃查結果一致，此時如果有需要進一步做偏置的非平行掃查，只需要將兩個探頭同時偏移一定的距離即可，這與平面工件的偏置非平行掃查做法相同。

4 深度測量

TOFD 檢測中探頭中心線偏離焊縫中心線時會對缺陷定位和測量產生誤差[5]，在不等厚工件進行TOFD 檢測數據進行分析測量時，由于兩個探頭不在同一水平平面上，且實際PCS 中心與焊縫中心線也不再重合，目前 TOFD 軟件還沒有此類變量的設置，直接利用軟件測量會存在一定的測量誤差。因此，實際測量此類數據時，一般可以采用直通波與底波兩點校準的方法，固定工件聲速和楔塊的延遲時間，重新計算一個虛擬的 PCS 值（參考值），以此來測量缺陷深度位置，可以減小部分誤差值，如果再能考慮實際 PCS 中心與焊縫中心線位置的偏移量，重新人工計算缺陷深度位置，還能減小部分誤差值，測量結果會更接近實際值。

5 實際應用案例

某公司制造的一臺產品，其中一條焊縫兩側母材分別是 42mm 和 24mm，坡口參數滿足圖 6 探頭放置的條件，因此采用公式(1)很快就可以算出實際 PCS 應該為：

（42-24）*tg60°+24*2*2*tg60°/3=86mm

其中左側（厚壁側）探頭到焊縫中心線的距離應該為 58mm，右側探頭到到焊縫中心線的距離應該為 28mm。按照上述 PCS 設置進行掃查結果如下圖 10，缺陷的檢測效果與其它對接焊縫的檢測效果看不出差別。

參考文獻：

[1] 林樹青,壽比南,鄭暉等. NB/T 47013.10-2010 承壓設備無損檢測 第10 部分 衍射時差法超聲檢測[S]. 北京：新華出版社出版 2010 年.

[2] 孔令昌. TOFD 檢測技術及其工藝參數設置[J]. 無損檢測，2010, 07: 549-550.

[3] 劉紅霞.TOFD 檢測中相關工藝參數計算[J]. 技術與市場，2012, 04:23.

[4] 強天鵬,肖雄,李智軍等. TOFD 技術的檢測盲區計算和分析[J]. 無損檢測，2008, 10: 738-741.

[5] 萬林青,毛民. TOFD 檢測中心線偏離對檢測結果的影響分析[J]. 中國化工裝備,2011, 05: 23~25.