衍射时差法采用的探头由一发一收的配对探头组成，通常对称布置在焊缝两侧，如图10-1所示。一般采用倾斜楔块产生纵波，因为纵波波速快，首先到达接收探头，不会引起结果解释的混乱。
图10-1 衍射时差法检测典型设置示意图
在发射探头于工件无缺陷部位发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是沿工件以最短路径到达的直通波，然后是从发射探头经底面反射到接收探头的底面反射波。当缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波或反射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，一般会迟于地面反射波到达接收探头。内部缺陷的A扫描信号（含相位变化）如图10-2所示。
图10-2 内部缺陷的A扫描信号（含相位变化）
由图10-1可知，除了发现缺陷衍射能量的变化以外，衍射时差法也可检测到一个直接穿过两个探针的横波和到达试块底部（测试对面）没有受到缺陷干涉的底部反射波。横波和底面反射波信号提供了简单的参照。由于大部分应用场合并不使用缺陷造成的波型转换，因此缺陷指示通常被认为发生在横波和底面反射波之间。为表征衍射时差法检出的缺陷，需确定该缺陷端部产生的衍射波信号的相位。表征相位与侧向波相同的信号可视为由缺陷下端部产生；表征相位与底波相同的信号可视为由缺陷上端部产生，或由无可测高度的缺陷产生。
传统的超声波检测主要依靠从缺陷上反射的能量大小来判断缺陷。衍射时差法克服了常规超声波检测的一些固有缺点，缺陷的检出和定量不受声束角度、检测方向、缺陷表面粗糙度、试件表面状态及探头压力等因素的影响。
1.衍射时差法扫查方式
衍射时差法扫查方式一般分为非平行扫查、偏置非平行扫查和平行扫查三种主要扫查方式。
（1）非平行扫查（Non-parallel Scan） 非平行扫查是探头的运动方向与声束方向垂直的扫查方式，是指探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向（X轴）的扫查方式，如图10-3所示。
（2）偏置非平行扫查（Offset Scan） 偏置非平行扫查是探头对称中心与焊缝中心线保持一定偏移距离的非平行扫查方式，如图10-4所示。
图10-3 非平行扫查
图10-4 偏置非平行扫查
（3）平行扫查（Parallel Scan） 平行扫查是探头运动方向与声束反向平行的扫查方式，如图10-5所示。
当采用衍射时差法检测时，非平行扫查一般作为初始的扫查方式，用于缺陷的快速检测以及缺陷长度、缺陷自身高度的测定，可大致测定缺陷深度。必要时，应增加偏置非平行扫查作为初始的扫查方式，并明确此时探头对称中心相对于焊缝中心的偏移方向和偏移量。检测前应根据探头对设置初始扫查方式和实测声束宽度值，在检测工艺中注明检测覆盖区域。
图10-5 平行扫查
平行扫查一般检测已发现的缺陷，可精确测定缺陷自身高度和缺陷深度以及缺陷相对于焊缝中心线的偏移量，并为缺陷定性提供更多信息。
在满足检测目的的前提下，根据需要的不同，也可采用其他适合的扫查方式。
2.缺陷参数的确定
衍射时差法对垂直方向缺陷的定量运算基于声程和一些重要的参数（PCS、壁厚、楔块延时、波速和耦合材料）。操作人员利用从B扫描中提取的A扫描信号对缺陷的垂直高度和位置进行分析，使用编码器定位系统沿焊缝或穿过焊缝（或参考轴）进行定位。
从检测平面到缺陷上尖端的深度根据显示的到达时间和设置参数来确定。为方便起见，引入射线途径来表示超声波能量的路线，并假设缺陷对称位于探头之间，这样就将其转换成了简单模型，如图10-6所示。一般假定超声波能量在探头下面的固定点进入和离开试块，其相距2S的距离。超声能量到达裂纹尖端，相互作用后又回到工件表面的时间为t，超声波速度为c。这是实际情况的简化，但能达到多种要求的足够精度。
图10-6 衍射时差法检测简化模型
缺陷对称地位于探头之间的假设会产生一些误差，但这对缺陷深度的估算精度影响很小。实验表明，经简化后用衍射时差法测量的绝对深度的最大误差低于壁厚的10%，被检件内部（小）缺陷的高度估计误差是可以忽略的。利用高级计算机，可以非常快地评定得到的信号。
当用衍射时差法进行缺陷的定量时，一般需要缺陷长度、缺陷深度和缺陷自身高度三个基本指标，如图10-7所示。
（1）缺陷长度及位置的确定 缺陷长度是指缺陷在X轴上的投影距离，可由扫查探头移动量直接测出。由缺陷产生的信号传播时间也可用于判定缺陷位置。由图10-6可以看出，波束从发射探头到缺陷，然后反射被接收探头接收所需的总
图10-7 缺陷长度、缺陷深度和缺陷自身高度
传播时间t为
式中 t——传播时间（s）；
S——两探头中心间距的1/2（mm）；
d——衍射点深度（mm）；
c——传播速度（mm/s）；
t0——波束在楔块材料中的传播时间（s）。
超声波检测时，可根据传感器定位系统对缺陷沿X轴位置进行测定。由于声束的扩散，TOFD图像趋向于将缺陷长度放大。一般推荐采用拟合弧形光标法确定缺陷沿X轴的端点位置。即对于点状显示，可采用拟合弧形光标与相关显示重合时所代表的X轴数值；对于其他显示，应分别测定其左右端点位置，可采用拟合弧形光标与相关显示端点重合时所代表的X轴数值。
与其他超声波检测法一样，由于超声波束有一定宽度，因此衍射时差法测量结果也可能偏大。当缺陷长度小于所用探头晶片尺寸的1.5倍时，用一般衍射时差法测量结果很不准确。
（2）缺陷深度的确定 缺陷深度是指缺陷最上端和检测面的距离。由式（10-1）可知，缺陷深度d为
式中 c——超声波速度（mm/s）；
t——传播时间（s）；(www.daowen.com)
t0——声束在楔块材料中的传播时间（s）；
S——两探头中心间距的1/2（mm）。
在平行扫查的TOFD检测显示中，缺陷端点距扫查面最近处所反映的位置为缺陷在Y轴的位置，也可采用脉冲反射法或其他有效方法进行测定。
（3）缺陷高度的测量 缺陷高度是指缺陷上最接近扫查面的位置和最远离扫查面的位置之间的距离。定量缺陷自身高度或垂直范围可以对缺陷下尖端使用同一个公式，从而提供d2和d1两个深度。用大的深度d2减去小的深度d1得到缺陷的自身高度h如图10-8所示。
h=d2-d1 （10-3）
图10-8 用衍射时差法检测缺陷自身高度
当采用衍射时差法进行检测时，一般根据从TOFD图像缺陷显示中提取的A扫描信号对缺陷的深度位置进行测定。
1）对于表面开口形缺陷显示，应测定其上（或下）端点的深度位置。通常该缺陷显示的上（或下）端点的衍射波与直通波反相（或同相）。
2）埋藏式缺陷显示
①对于点状或线状缺陷显示，其深度位置即为Z轴位置。
②对于条状缺陷显示，应分别测定其上、下端点的位置。该缺陷显示的上（或下）端点产生的衍射波与直通波反相（或同相）。测定时，首先应辨别缺陷端点的衍射波信号，然后根据相位相反关系确定缺陷另一端点的位置。
在平行扫查的TOFD显示中，缺陷距扫查面最近处的上（或下）端点所反应的位置为缺陷在Z轴的精确位置。
由于衍射时差法是一种不基于波幅响应的无损检测技术，计算自身高度只需要测量时间，所以垂直方向定量会很准确。然而，为了识别信号，仍要求足够的灵敏度。
3.衍射时差法缺陷典型信号
当采用衍射时差法检测时，信号主要分为A扫描信号（A-scan Signal）和TOFD图像（TOFD Image）。A扫描信号以超声波的波形显示，水平轴表示超声波的传播时间，垂直轴表示波幅，如图10-9a所示。TOFD图像数据的二维显示是将扫查过程中采集的A扫描信号连续拼接而成的，一个轴代表探头移动距离，另一个轴代表深度，一般用灰度表示A扫描信号的幅度，如图10-9b所示。
图10-9 侧孔的TOFD图像
a）A扫描信号 b）TOFD图像
检测结果的显示分为相关显示和非相关显示。由缺陷引起的显示为相关显示，由工件结构（如焊缝域高或者根部）或者材料冶金成分的偏析（如铁素体基材和奥氏体覆盖层的界面）引起的显示为非相关显示。对确认为相关显示的缺陷显示，应进行分类。
衍射时差法检测标准对缺陷的评定不同于我国已有的其他无损检测标准。衍射时差法标准一般只对缺陷形状、尺寸和位置等参数进行定量评定，而并不细分缺陷的性质。目前，各国常用衍射时差法标准对缺陷的分类见表10-1。
表10-1 各国常用衍射时差法标准对缺陷的分类
根据NB/T 47013.10—2010《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》，衍射时差法相关显示的检测缺陷可分为表面开口缺陷、埋藏缺陷和难以分类的缺陷三大类。衍射时差法缺陷的判定主要通过D扫描信号波形结合A扫描信号波形进行综合评定，当缺陷介于两个通道共同覆盖区域时，通过多个通道综合评定效果会更加理想。
（1）表面开口缺陷 表面开口缺陷又可细分为扫查面开口缺陷、底面开口缺陷和穿透缺陷三类。在进行数据分析时，应注意离直通波和底面反射波最近的缺陷信号的相位，初步判断缺陷的上、下端点是否埋藏于表面盲区或在工件表面。
扫查面开口缺陷通常显示为直通波信号的减弱、消失或变形，仅可观察到一个端点（缺陷的下端点）产生的衍射信号，且与直通波同位，如图10-10所示。
图10-10 扫查面开口缺陷显示
底面开口缺陷通常显示为底面反射波信号的减弱、消失、延迟或变形，仅可观察到一个端点（缺陷上端点）产生的衍射信号，且与直通波反相位，如图10-11所示。经现场核查，该处缺陷为底面未焊透。
图10-11 底面开口缺陷显示
穿透缺陷显示为直通波和底面反射波信号同时减弱或消失，可沿壁厚方向产生多处衍射信号。
（2）埋藏缺陷 埋藏缺陷可分为点状缺陷、线状缺陷和条状缺陷三类。埋藏缺陷一般不影响直通波或底面反射波的信号。
点状缺陷显示为双曲线弧状，与拟合弧形光标重合，无可测量长度和高度，如图10-12所示。
图10-12 局部放大的点状缺陷显示
线状缺陷显示为细长状，无可测量高度，如图10-13所示。
图10-13 线状缺陷显示
条状缺陷显示为长条状，可见上、下两端产生的衍射信号，且靠近底面处端点产生的衍射信号与直通波同相，靠近扫查面处端点产生的信号与直通波反相，如图10-14所示。
图10-14 条状缺陷显示
（3）难以分类的缺陷 另外还有些缺陷难以按以上表面开口缺陷和埋藏缺陷进行分类，应结合其他有效方法进行综合判定。
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