衍射時(shí)差檢測技術(shù)（TOFD）由英國國家無損檢測中心的Mauric Silk博士于1977年率先提出，是借助超聲衍射信號(hào)進(jìn)行檢測的方法。
當(dāng)超聲入射波與不連續(xù)結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，在不連續(xù)表面會(huì)產(chǎn)生波的反射，同時(shí)在不連續(xù)的兩端點(diǎn)處發(fā)生衍射，且其衍射信號(hào)無明顯指向性，這使得該技術(shù)對缺陷或不連續(xù)邊界極為敏感。
然而，由金屬晶粒邊界噪聲、帶狀組織或擇優(yōu)取向等因素引起的TOFD非相關(guān)顯示，和由母材分層和偏析（見圖1）、非金屬夾雜物等引起的相關(guān)顯示，在TOFD檢測圖譜上均會(huì)形成明顯顯示，上述顯示與焊縫缺陷或不連續(xù)形成的相關(guān)顯示混疊，檢測人員難以對其進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分及評定。
圖1 焊縫TOFD外表面檢測示意
尤其是TOFD的D掃圖譜缺少缺陷或不連續(xù)在焊縫寬度方向的位置信息，增加了TOFD評定人員對線狀顯示（偏析）評定的難度。
TOFD檢測方法不是基于反射回波幅度進(jìn)行檢測的，其檢測時(shí)，手工超聲雙探頭串列法檢測示意如圖2所示，通常采用一對晶片尺寸和頻率相近的探頭，分置于焊縫兩側(cè)，并配合半自動(dòng)或全自動(dòng)掃查裝置，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與位置信息形成檢測圖譜，后期對圖譜進(jìn)行評定從而得出檢測結(jié)論。
圖2 TOFD檢測中的手工超聲雙探頭串列法檢測示意
其基本原理遵循惠更斯原理，檢測時(shí)使用一對或多對縱波探頭，相對于焊縫對稱分布，間距固定，采用一發(fā)一收模式，聲束覆蓋檢測區(qū)域，發(fā)射探頭發(fā)出超聲脈沖后，接收探頭先接收到直通波，然后是缺陷或不連續(xù)衍射回波、底面反射波以及波形轉(zhuǎn)換波。
TOFD技術(shù)可彌補(bǔ)射線與手工超聲檢測的不足，兼具綠色環(huán)保、檢測高效等優(yōu)勢，已成超大、超重、超長容器現(xiàn)場制造的無損檢測首選方法之一。其可靠性佳、定量精度高、操作成本低、現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)、無輻射污染，能全程記錄信號(hào)并長久保存，獲容規(guī)與GB 150認(rèn)可。
當(dāng)下壓力容器因超大等特性或場內(nèi)輻射作業(yè)限制（如無曝光場地、交貨期緊等），多以TOFD組合檢測代替射線檢測用于現(xiàn)場檢測。
筆者公司自2011年于壓力容器制造及現(xiàn)場安裝中應(yīng)用TOFD檢測技術(shù)以來，發(fā)現(xiàn)諸多母材不連續(xù)影響TOFD數(shù)據(jù)、圖譜評判的案例，給數(shù)據(jù)評定帶來較大負(fù)面影響，甚至導(dǎo)致錯(cuò)判或漏判。
TOFD檢測筒節(jié)縱焊縫超標(biāo)顯示案例
2020年5月，某廠生產(chǎn)制造一批PTA冷凝器，主要材料為SA516 Gr70\SA266 Gr2，筒節(jié)規(guī)格φ3800×δ（44+3）（SA516 Gr70 δ=44 mm，SA266 Gr2 δ=3 mm)。
合同規(guī)定筒體焊縫可選射線或TOFD檢測，因設(shè)備現(xiàn)場制作，射線檢測對交貨期、工序銜接要求高，且對環(huán)境不友好，故冷凝器焊縫采用NB/T 47013.10—2015中的TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)。
TOFD檢測筒節(jié)縱焊縫時(shí)，一臺(tái)設(shè)備多個(gè)筒節(jié)縱焊縫出現(xiàn)大面積異常缺陷或不連續(xù)需返修，多次返修后超標(biāo)顯示仍存在于后續(xù)圖譜中，兩道環(huán)焊縫經(jīng)手工超聲復(fù)驗(yàn)定位，缺陷或不連續(xù)在焊縫邊緣臨近母材（復(fù)合板基材）。
對異常筒節(jié)，依據(jù)ASME SA578/SA578M和NB/T 47013.3—2015的5.3節(jié)，用單晶直探頭對復(fù)合板基材邊緣進(jìn)行超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)超ASME鋼板標(biāo)準(zhǔn)SA578 C級及NB/T 47013.3—2015的5.3節(jié)Ⅱ級允許缺陷或不連續(xù)，按照NB/T 47013.3—2015第6節(jié)用橫波單晶斜探頭檢測復(fù)合板焊縫臨近基材，該批筒節(jié)復(fù)合板基材鋼板母材及焊縫亦未發(fā)現(xiàn)超國標(biāo)允許缺陷或不連續(xù)，但依現(xiàn)場組合檢測TOFD+UT+MT+PT綜合評定，復(fù)合板基材鋼板坡口邊緣有大量線狀顯示（偏析）且其相對于探頭檢測面呈面積分布，嚴(yán)重影響后期焊接質(zhì)量。
經(jīng)多次TOFD檢測及可達(dá)滲透檢測，證實(shí)復(fù)合板基材鋼板邊緣存在線狀顯示（偏析）類危害性缺陷（超過滲透檢測及TOFD檢測標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量等級）。
綜上依據(jù)TOFD應(yīng)用檢測數(shù)據(jù)，選擇母材偏析影響TOFD的典型圖譜（TOFD一次合格率異常），剖析常見案例與線狀顯示（偏析）圖譜典型特點(diǎn)及影響，為后期TOFD檢測數(shù)據(jù)評判提供指引與借鑒。
母材偏析概念及圖譜影響分析
母材偏析即均勻成分的液態(tài)合金凝固時(shí)，高熔點(diǎn)的組分先行結(jié)晶，造成合金組元的濃度和雜質(zhì)分布不均勻的現(xiàn)象。
一般而言，中心偏析在應(yīng)力較大時(shí)可致板中產(chǎn)生中心線裂紋，無應(yīng)力時(shí)偏析區(qū)碳濃度會(huì)突增，熱軋等加工條件下，此處會(huì)發(fā)生馬氏體相變，或因相變溫度與淬透性的差異，成為淬火開裂、軟點(diǎn)和異常變形的源頭，且偏析帶中硫、磷等雜質(zhì)或非金屬夾雜物較多，可引發(fā)其他缺陷或不連續(xù)。
嚴(yán)重的母材偏析在應(yīng)力（拉應(yīng)力或應(yīng)力集中）下易形成母材分層。
焊縫偏析方面，因母材有線狀偏析原生缺陷或不連續(xù)，焊接熔池一次結(jié)晶時(shí)釋放出結(jié)晶潛熱，達(dá)到一定程度則結(jié)晶暫停，散熱降溫后又重新結(jié)晶，如此反復(fù)形成周期性結(jié)晶，液體金屬中雜質(zhì)濃度也隨之周期性變化產(chǎn)生周期性偏析，即層狀偏析（相對聲束傳播方向），相對坡口面則是線狀偏析。
焊接結(jié)晶過程不平衡，熔池多次結(jié)晶時(shí)冷卻速度快，使得已凝固焊縫金屬中化學(xué)元素來不及擴(kuò)散致分布不均，從而產(chǎn)生焊縫偏析。
母材線狀偏析會(huì)使有害元素在金屬半厚度位置集結(jié)成異質(zhì)界面，遇焊接熱輸入，焊后形成次生或不連續(xù)缺陷。
焊縫與母材交界的熔合區(qū)，化學(xué)成分更不均勻，有害元素富集且呈層片狀，焊接時(shí)熔合區(qū)化學(xué)元素快速擴(kuò)散，尤其是硫、磷等有害元素，更易形成偏析通道或裂紋源，所以母材偏析出現(xiàn)后，缺陷或不連續(xù)返修難以一次性去除至合格，甚至多次返修也較難去除至合格。
01檢測器材及參數(shù)
對焊縫及熔合區(qū)及鄰近母材進(jìn)行了TOFD、UT、可達(dá)表面滲透檢測：
TOFD
檢測設(shè)備：Isonic 2007，5 MHz φ6 mm探頭對（60°楔塊），半自動(dòng)手動(dòng)掃查架
檢測部位：焊縫及熔合區(qū)及鄰近母材
檢測方向：沿焊縫縱向非平行掃查+垂直焊縫平行掃查（余高磨平）
檢測時(shí)機(jī)：焊縫成型后、返修后
UT
檢測設(shè)備：PXUT-330，2.5P20或2.5P14縱波單晶直探頭或橫波斜探頭
檢測部位：焊縫及熔合區(qū)及鄰近母材
檢測方向：沿焊縫縱向+ 垂直焊縫方向（橫向）
檢測時(shí)機(jī)：焊縫成型后、返修后
PT
檢測部位：缺陷或不連續(xù)部位及氣刨可達(dá)表面
檢測時(shí)機(jī)：焊縫成型后、返修后
02組合檢測方法及試驗(yàn)結(jié)果
超聲檢測工藝試驗(yàn)中，用2.5 MHz，φ20 mm縱波單晶直探頭，依被檢復(fù)合板基材鋼板厚度在CSK-IIA對比試塊上制作一組φ2 mm側(cè)孔、深度超80 mm的DAC曲線。
完成后將評定線調(diào)為φ2×60-20 dB、定量線調(diào)為φ2×60-14 dB，判廢線調(diào)為φ2×60-4 dB（也可用φ2母線作基準(zhǔn)曲線，波幅超φ2×60-20 dB為Ⅰ區(qū)），且將檢測最大聲程處評定線高度不低于熒光屏滿刻度20%作為掃查靈敏度。
縱波單晶直探頭檢測時(shí)，若坡口或焊縫臨近基材30 mm寬區(qū)域處檢出特殊缺陷或不連續(xù)，需精確定量、定位，如圖3和圖4所示。記錄缺陷或不連續(xù)后向焊接工藝部門反饋，為后期評定做準(zhǔn)備。
圖3 超聲波縱波單晶檢測（近滿屏40%）
圖4 超聲波縱波單晶檢測（超滿屏40%）
由上圖可知，縱波單晶直探頭檢測波形中的一次底波顯著，始波與底波間存在探頭雜波及疑似缺陷或不連續(xù)波。
圖3所示疑似缺陷或不連續(xù)波波高近滿屏的40%，當(dāng)量約φ2-17.5 dB，波底寬、波形略尖，深度約33.1 mm；圖4所示疑似缺陷或不連續(xù)波波高超滿屏的40%，當(dāng)量約φ2-14.8 dB，波形與圖3相似，深度約27.9 mm，以上兩處缺陷當(dāng)量均不超焊縫超聲檢測驗(yàn)收水平，應(yīng)視為合格指示。
手工超聲檢測出缺陷或不連續(xù)時(shí)，可直接讀取缺陷或不連續(xù)當(dāng)量值。若缺陷或不連續(xù)當(dāng)量超評定線φ2×60-20 dB（或掃查靈敏度下波高超15%），且顯示長度超過板厚的1/3或20 mm（取較小值），則視為疑似超標(biāo)缺陷或不連續(xù)，需測長記錄，并采用MT/PT/TOFD等檢測方法驗(yàn)證，表面檢測驗(yàn)證情況如圖5和圖6所示。注意滲透檢測需延時(shí)評定，依現(xiàn)場條件，顯像劑未干前，延時(shí)復(fù)評時(shí)間至少為12小時(shí)。
圖5 筒節(jié)焊縫返修后MT檢測顯示不明顯
圖6 筒節(jié)坡口PT檢測延時(shí)評定發(fā)現(xiàn)疑似偏析缺陷或不連續(xù)
復(fù)合板鋼板基材焊縫TOFD檢測圖譜如圖7所示，其為手工超聲發(fā)現(xiàn)疑似偏析缺陷或不連續(xù)的焊縫TOFD檢測圖譜。
圖7 復(fù)合板鋼板基材焊縫TOFD檢測圖譜
圖譜中第一缺陷或不連續(xù)連續(xù)存在，顯示長度長，自身高度?。ㄐ∮? mm或TOFD探頭在該深度的最小分辨力）。在臨近母材進(jìn)行TOFD檢測時(shí)，線狀偏析有較弱顯示。需注意與復(fù)合板基材條狀?yuàn)A雜（見后文的圖10）區(qū)分，避免混淆。
對上述檢測情況進(jìn)行分析可知，TOFD檢測可發(fā)現(xiàn)母材線狀顯示（偏析類或分層類），且該顯示在圖譜評定當(dāng)中較明顯，易與探頭耦合不良（探頭與工件或楔塊間耦合劑太多）引起的非相關(guān)顯示相混淆。
圖6所示的PT復(fù)驗(yàn)情況為：顯像10~60分鐘時(shí)無明顯顯示，將顯像復(fù)評時(shí)間延長至12小時(shí)后，焊縫解剖區(qū)域出現(xiàn)微弱紅色顯示，其厚度截面呈現(xiàn)類似分層的線性顯示，這意味著復(fù)合板基材鋼板存在對后期焊接有危害的特殊缺陷或不連續(xù)。
手工超聲檢測可勉強(qiáng)發(fā)現(xiàn)該母材偏析類缺陷或不連續(xù)指示，但不超過對應(yīng)檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定質(zhì)量等級（如NB/T 47013.3—2015的5.3節(jié)中鋼板Ⅱ級）。
經(jīng)分析TOFD圖譜并查詢文獻(xiàn)可知，多數(shù)TOFD與超聲人員對母材分層、偏析、非金屬夾雜缺乏直觀認(rèn)識(shí)，?；煜雠c分層；TOFD檢測人員缺乏母材偏析圖譜特征分析經(jīng)驗(yàn)；母材與焊縫缺陷或不連續(xù)在圖譜上難以區(qū)分，需借助其他檢測方法判別。
對實(shí)際檢測及圖譜進(jìn)行分析和總結(jié)后，發(fā)現(xiàn)對于TOFD圖譜中母材偏析引發(fā)的線狀顯示（偏析）焊接缺陷或不連續(xù)，具有如下特征：
1.TOFD的D掃圖譜中，缺陷或不連續(xù)常呈單個(gè)線性連續(xù)或多個(gè)斷續(xù)顯示，如圖8~10所示，深度相同且自身高度小，約一周半（黑白黑），圖譜較平直。因掃查工藝參數(shù)（如PCS和靈敏度）不同，顯示或明或暗，有清晰黑白條紋，易從背景噪聲中識(shí)別，與探頭耦合不良時(shí)的顯示相近，兩端無拋物線，與直通波相位相同。
圖8 母材缺陷或不連續(xù)焊縫掃查圖例
圖9 母材缺陷或不連續(xù)母材掃查圖例
圖10 復(fù)合板鋼板基材焊縫TOFD檢測圖譜（PCS為160/80 mm）條狀?yuàn)A雜
2.TOFD的A掃圖譜中，母材偏析回波幅度低于直通波幅度（母材分層回波幅度常高于直通波幅度，如圖11所示，圖中白色箭頭所示分層及紅框所示為偏析，也可通過觀察母材分層的變型波進(jìn)一步相互驗(yàn)證）。普通A掃檢測時(shí)，母材偏析直探頭在2~5 MHz φ5 mm-DAC基準(zhǔn)靈敏度下難以檢出，需提高至少20 dB才有少許顯示，而母材分層缺陷或不連續(xù)在該基準(zhǔn)靈敏度下較易檢出。
圖11 鋼板TOFD檢測圖譜線狀顯示
3.母材偏析分布范圍廣，常于整個(gè)板面可檢出，一旦發(fā)現(xiàn)，焊縫多次返修后缺陷或不連續(xù)仍會(huì)存在，除非返修擴(kuò)大到整個(gè)PCS聲束覆蓋范圍。對此種情況，制造廠最好的處置方法是更換鋼板；極少數(shù)情況下可在出廠前對整個(gè)鋼板進(jìn)行恢復(fù)性能的熱處理，使得雜質(zhì)元素重新均衡分布，經(jīng)過專項(xiàng)檢測合格后，才能出廠。
線狀顯示（偏析）與條狀顯示（夾雜物）圖譜相比，最大差異是線狀顯示（偏析）圖譜較為干凈，不存在條狀?yuàn)A雜在自身高度上的彌散點(diǎn)狀分布。
結(jié)語
1.母材線狀偏析屬鋼板固有缺陷或不連續(xù)，出廠時(shí)超聲檢測難以檢出。后期焊縫TOFD檢測時(shí)，會(huì)引發(fā)次生缺陷或不連續(xù)，致檢測結(jié)果異常。其與分層、條狀?yuàn)A雜、復(fù)合板覆材轉(zhuǎn)換回波、探頭過耦合回波有時(shí)難區(qū)分，需使用多種方法互相驗(yàn)證，必要時(shí)采用便攜式金相顯微鏡對疑似鋼板進(jìn)行現(xiàn)場甄別。
2.手工超聲可甄別線狀偏析與分層缺陷或不連續(xù)，直探頭對分層敏感，對線狀顯示（偏析）不敏感。
3.線狀顯示（偏析）與條狀顯示（夾雜物）依據(jù)NB/T 47013. 10—2015相關(guān)條款評定，較易從圖譜區(qū)分。
4.線狀顯示（偏析）與復(fù)合板覆材轉(zhuǎn)換回波、探頭過耦合回波特征相似，需結(jié)合TOFD檢測工藝分析判斷，可通過換探頭或調(diào)工藝辨別。線狀顯示（偏析）分析和研究有利于后期TOFD圖譜典型缺陷特征研究，特別是儀器自動(dòng)智能評定軟件開發(fā)會(huì)具有較好的應(yīng)用前景。
5.線狀顯示（偏析）與晶粒噪聲無明顯關(guān)聯(lián)，能從焊縫或母材噪聲中識(shí)別，晶粒噪聲彌散于整個(gè)圖譜。
6.線狀顯示（偏析）源于鋼板母材原生缺陷或不連續(xù)，TOFD 檢測評定時(shí)是否返修存爭議。筆者認(rèn)為線狀顯示（偏析）危害性遠(yuǎn)大于條狀?yuàn)A雜，在工程檢測中如若遇到，應(yīng)如實(shí)按標(biāo)準(zhǔn)作出相關(guān)評定并反饋至設(shè)計(jì)、技術(shù)部門，由其綜合判定是否回用或者更換鋼板；若是在用、在役設(shè)備檢修過程中遇到該類缺陷或不連續(xù)，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格評定、定級，后期需要特別關(guān)注該缺陷或不連續(xù)的擴(kuò)展情況。
7.雖然鋼板超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)未明確線狀顯示（偏析）規(guī)定，但壓力容器用鋼板邊緣線狀顯示（偏析）影響后期焊接可焊性、TOFD檢測合格率，檢測人員需加以重視，謹(jǐn)防漏評、錯(cuò)評導(dǎo)致重大質(zhì)量損失。鋼板廠需強(qiáng)化成分偏析控制，采用線狀顯示（偏析）補(bǔ)充檢測法，如加強(qiáng)超聲、TOFD、PAUT等檢測對鋼板邊緣質(zhì)量的預(yù)檢與控制，滿足各方對產(chǎn)品質(zhì)量的需求。
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