超声TOFD法(Time of Flight Diffraction，即衍射时差法)能够对焊缝缺陷进行高效快速的成像检测，是焊缝质量及焊接件结构安全性能评价的重要技术手段。目前，超声TOFD检测技术主要应用于平板对接焊缝和管道环向对接焊缝为主的规则几何形状构件的焊接接头检测。以直通波和底波为参考基准波，具有一套完整的计算公式对焊缝缺陷进行定量、定位分析。然而，工业无损检测中还有大量非规则几何形状构件，其焊缝结构形式各异。对该类结构的焊缝进行超声TOFD检测时，参考基准波的选取及缺陷定位、定量分析有很大的不同，传统的规则几何形状焊缝超声TOFD检测方法不再完全适用。本文主要以不等厚板对接焊缝、板T型焊缝和厚壁圆管环焊缝为研究对象，研采用几何声学理论分析有限元数值模拟和试验检测的方法研究其相对应的超声TOFD检测方法。在分析现有的平板对接焊缝超声TOFD检测原理和方法的基础上，对超声TOFD检测接收信号的A型回波波形、缺陷定位定量数学模型进行了分析，介绍了基于信号的灰度成像原理和B扫、D扫成像方式，并对超声TOFD检测工艺优化进行了讨论。重点讨论了TOFD检测的精度、探头参数的选取、探头间距的设定和如何减小盲区等问题。对不等厚板焊缝，基于ABAQUS软件建立了该类焊接接头的简化有限元模型，以一定角度力源激发模拟发射声波，有限元模拟波场快照显示，从厚板一侧激发的纵波传播至焊缝台阶拐角时，会以该拐角点为新的波源产生沿薄板上表面传播的新的直通波，利用此组合直通波和底面反射回波为基准波，即可对不等厚板焊缝进行超声TOFD检测。厚板与薄板板厚比为4:1、3:1和2:1的有限元数值模拟波场快照和A型回波信号进一步表明了该方法的有效性。参照有限元模型，加工制作了带人工竖孔缺陷的不等厚板焊缝试样，并采用45°、60°和70°探头进行了TOFD检测实验，数值模拟和实验结果符合和得很好。对不等厚板焊缝，根据厚板厚度选用45°和60°探头较为适宜。对于板T型焊缝超声超声TOFD检测时，提出了发射和接收探头同时放置于翼板的对称扫查方式。并针对翼板和腹板连接处的缺陷检测开展了实验研究，在确定参考波后结合对称和非对称扫查检测方式，能有效实现T型焊缝的全面检测。针对厚壁管道焊缝，当厚壁管曲率和壁厚对直通波的影响不大时，与现有平板对接焊缝TOFD检测方法一致，否则需要根据直通波路径重新选取参考波信号。对于厚壁管道环焊缝，由于TOFD法盲区的问题，难以识别管焊缝表面的缺陷，但对于内部缺陷可作有效的探查。本文的研究工作将对推动超声TOFD检测技术的应用和发展提供有益参考。