如何用TOFD对非平面工件对接焊缝进行工艺检测

导读

本文主要介绍非平面工件对接焊缝TOFD检测工艺的设置，针对特种设备行业比较常见的不等厚工件组焊时，厚的一侧会进行削边处理，对TOFD检测时探头的放置及声束角度都会产生影响。

本文通过仿真软件模拟探头声场对被检工件的覆盖及计算，对不同形状的非平面工件，总结了2个简单实用的计算公式，帮助现场检测人员快速方便地对这类工件的对接焊缝进行TOFD检测。

TOFD检测的应用在深化

TOFD（衍射时差法）超声检测技术近年来在国内各行业发展很快，包括检测人员的培训交流、检测仪器的研究开发、检测标准的颁布实施等，特别是在特种设备行业，许多大的压力容器制造单位、检验检测机构都陆续开始应用此项检测技术。

随着TOFD检测技术应用的越来越广泛，一些TOFD检测技术的难点也突出出来，有些是属于技术的局限性带来的难点，如检测面的盲区、横向裂纹的检测等，也有一些是属于检测人员数据分析的经验不足带来的，如缺陷的定性、定量、定位等，还有一些是由于工件结构相对复杂给TOFD检测带来的，如非平面工件的对接焊缝、管座的对接焊缝等。

非平面工件对接焊缝坡口型式

非平面工件包括不等厚工件的对接、锥体与筒节的对接、法兰与筒节/直管的对接以及管道或筒节的纵缝（此类一般称之为曲面工件，本文中不予讨论）等，其中比较常见的是压力容器中的不等厚工件的对接焊缝，如封头与筒体的焊缝，经常焊缝两侧母材是不等厚的，厚的一侧母材一般都会削边处理，其结构有以下两种形式：

单面削边(图1)和双面削边(图2)：

其它的类似结构还有法兰与筒节/直管(图3)、锥体与筒节(图4)等部位。

声场覆盖的仿真及计算

目前大多TOFD检测仪器的设置和测量计算都是基于探头是在同一水平面对称放置的条件进行的，在此条件下，一般将发射和接收探头的中心线对准焊缝的中心线即可完成非平行扫查，此时PCS 的设置、探头、楔块等按照相关标准的推荐方法设置[1]就可以。

但是在图1或图2类似的两侧不等厚的焊缝进行TOFD检测时，如按相关标准推荐方法以及常用的工艺设置[2] [3]，探头在焊缝中心线两侧对称放置时，探头中心声束交点则会偏离焊缝中心线位置，对检测结果会造成探头声束覆盖不足甚至漏检的可能。

本文根据笔者多年从事TOFD现场检测的经验，通过仿真软件模拟探头声场对被检工件的覆盖及计算，根据实际情况总结了一些经验和计算公式，希望在类似工件的检测中能帮助到更多的相关人员。

(1) 探头声场的仿真计算

采用超声仿真软件进行超声检测模拟计算可以减少很多加工试块等成本，还可以帮助相关人员更直观地了解检测过程及结果[4]。

CSSP diffraction simulator 是一款简单的超声声场模拟软件，可以进行普通超声探头、相控阵超声探头的声场模拟计算，其应用界面如图 5。

为了显示更直观和便于计算， 本文设定一个焊缝工件，左侧母材厚度80mm，右侧母材厚度50mm，坡口角度50°，削边坡口角度一种为30°，一种为16°。

用CSSP diffraction simulator分别模拟5Mφ6mm60°纵波楔块和5Mφ6mm70°纵波楔块的声场(图6a、图6b)覆盖该检测区域，见图7a~图7e。

图7a~图7d楔块角度全部都是60°，图7e左侧楔块角度为70°。

图6a~6b及图7a~7e中黄色虚线是理论计算所得-12dB下扩散角值（扩散因子取0.8，楔块声速 2.4mm/us），与软件仿真结果相比，该下扩散角值略微偏大，覆盖区域则会偏小。

表1是5Mφ6用60°和70°纵波楔块理论计算时-12dB声束扩散角的范围以及声束所覆盖下边缘宽度，和仿真软件的声场覆盖范围相比略微偏小一些。

表1声束扩散角及声束覆盖下边缘宽度