超聲爬波技術檢測薄壁焊縫的試驗研究

張永杰，廉德良

（1.沈陽市特種設備檢測研究院，沈陽 110035；2.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016）

1 橫波技術檢測薄壁焊縫的難點

1.1 橫波技術檢測難點

薄板（＜8mm）焊縫的超聲波檢測一般推薦采用橫波斜探頭，如標準JB 4730和GB 11345中規定采用K值為3.0～2.0的探頭［1－2］。袁建國開展的薄板焊縫超聲波探傷可靠性工作的研究結果如圖1和2所示［3］。結果表明，薄板焊縫探傷可靠性除受K值影響外，還受缺陷分布的影響。當K＝2時，探傷最可靠，大于或小于此值都使可靠性下降；孔在板厚中部附近差不多都可探出，孔離表面越近，被探出的越少，離表面2～3mm 難以探出。焊縫表層附近區域，缺陷難以探出，探傷可靠性接近于零。

1.2 原因分析

（1）由于橫波探頭指向性的原因，即使選取了大角度、短前沿的探頭，一次波主聲束也不可能掃查到焊縫的表層區域。要檢測表層的缺陷，需前后移動探頭，利用二次和三次反射波掃查。聲波隨著傳播距離的增大，聲能會逐漸衰減，導致了檢測靈敏度的下降。

（2）超高焊道波紋或者突出、回縮的根部，導致在裂紋部位出現形狀回波，使超聲波辨識困難。

2 爬波檢測技術應用的可行性分析

從爬波探頭的指向特性［4］可見（圖3），爬波的主聲束在折射角為85°的方向，而且在表面也有很大的分量，因此，可以滿足薄壁焊縫，包括表面和近表面在內的，不同深度缺陷的檢測要求。

圖3 爬波探頭的聲場指向性

3 試驗

3.1 模擬缺陷的制作

為試驗爬波探頭對薄板對接焊縫各個部位缺陷的檢測效果，在8 mm薄板對接焊縫上的不同位置加工制作人工缺陷。現行的國家及行業標準，如GB 11345和JB 4730中，焊縫的檢測均采用長橫孔作為人工缺陷。筆者按照圖4所示，選用了4塊110mm×60mm×8mm 的焊接試板，加工位于焊縫中心和邊緣的φ1 mm×20mm的橫孔各4個，其距試板上表面分別為1，2，3，4mm。為測試探頭對焊縫加強高處裂紋的檢測能力，采用電火花的方法加工長度為5mm 的刻槽4條，刻槽深度分別為0.5，1，1.5，2mm。

圖4 人工缺陷位置示意圖

3.2 試驗條件

儀器為USIP12型超聲波探傷儀，檢測方法為接觸法，耦合劑為機油，采用探頭緊貼焊縫邊緣雙面雙側平行掃查。所選探頭為特制爬波探頭，結構為雙晶并列式，晶片尺寸為25 mm×7 mm，頻率為2.5 MHz。

3.3 試驗結果

（1）爬波探頭雙面雙側平行掃查可檢出8mm薄板對接焊縫中整個焊縫寬度上不同埋深的φ1mm長橫孔類缺陷，最低檢測靈敏度可達到φ1mm－9dB，滿足JB 4730中定量線規定的要求。其中，焊縫中心橫孔缺陷的部分檢測波形如圖5所示，近探頭端橫孔缺陷的部分檢測波形如圖6所示，遠探頭端橫孔缺陷的部分檢測波形如圖7所示。

（2）爬波探頭單面單側（與刻槽同面）掃查可檢出焊縫加強高上1.0～2.0mm 深的刻槽類缺陷，不能檢出中心正面0.5mm 深的刻槽。當爬波探頭在相對的一側掃查時，可以檢出中心正面0.5mm 深的刻槽。可以從理論上解釋這種現象：爬波的表面分量在近場的范圍內平行于表面，只有當刻槽的深度大于加強高的高度時，才能有超聲束作用在刻槽上，因此對于與探頭同側的深度為0.5mm 的刻槽，小于焊縫加強高的高度，爬波探頭不能夠檢出。焊縫中心刻槽類缺陷的部分檢測波形如圖8和9。

4 結論

所用特制爬波探頭在8mm 薄板對接焊縫人工缺陷試樣上的檢測結果表明，靈敏度滿足不同深度缺陷的檢出要求，并且對表面和近表面缺陷表現出良好的檢出能力。

5 討論

爬波探頭對表層和近表層缺陷具有較好的檢測能力，這是由爬波指向特性決定的。而其它部位缺陷的檢測，與爬波探頭的多波型特征有關。缺陷回波的波形特點可以解釋這一說法，缺陷回波的波形是由幾個單峰組成的，這幾個單峰是不同波型波束與缺陷相互作用的結果。隨探頭位置的移動，缺陷回波的最高峰是變化的，說明不同波型的靈敏度高點是不一樣的。爬波探頭這種多波型特征不利于缺陷的定位與定量，建議將爬波探頭與橫波探頭相結合以作綜合的評定。

［1］ JB 4730—2005 承壓設備無損檢測［S］.

［2］ GB11345 鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級［S］.

［3］ 袁建國.薄板對接焊縫超聲波探傷可靠性探討［J］.無損檢測，1995，17（2）：36－37.

［4］ 廉德良，魏天陽.超聲爬波探頭聲場指向特性的實驗研究［J］.無損檢測，2005，27（9）：479－481.