TL串列式超聲檢測法在窄間隙焊縫檢測中的應用

王 森，吳鳳錦，丁 杰，莊志強，姜 煒，張文杰

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.天津大無縫鋼管廠，天津 300300）

由于焊接工藝的原因，直邊坡口厚壁窄間隙焊縫，時常在焊縫與母材之間產生未熔合等垂直于探測面的焊接缺陷，由于這類缺陷特殊的方向性，用常規的檢測方法難以檢出來。

因此在GB／T 11345－89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》和JB／T 4730.3－2005《承壓設備無損檢測 超聲檢測》等標準中規定對窄間隙焊縫除了用常規斜探頭檢測外，還應增加針對窄間隙焊縫母材與焊縫未熔合類缺陷的輔助檢測方法［1］，除通常采用的斜探頭前后串列式的方法外，筆者通過使用橫波與縱波的波形轉換來檢測此類缺陷可以比較方便地檢測出窄間隙焊縫中的未熔合與裂紋等面積性缺陷。

1 TL串列式方法檢測原理

TL串列式檢測即橫波－縱波組合檢測法［2］。該檢測方法是橫波斜射到固體后反射到缺陷，在缺陷表面產生波型轉換，變成縱波被直探頭接收，最終完成對缺陷的檢測，如圖1所示。

圖1 TL串列式超聲波檢測法原理

根據臨界角的概念，當橫波入射到固體／空氣界面時，αs為橫波入射角；α11為縱波反射角；αs1為橫波反射角；在同一介質中Cs＜C1，所以αs＜α11，如圖2所示。

當αs數值達到某一數值時就可使α11＝90°產生橫波全反射現象。

圖2 橫波斜入射示意

當固體介質為鋼／空氣時，第三臨界角αsk3為：

如圖3所示，圖中L為縱波聲束；S為橫波聲束。從圖中可以看出當超聲波以33.2°入射到缺陷表面時產生的變形波縱波的反射角為90°，正好垂直入射到工件的底面，經底面反射后被直探頭接收，在90°時縱波的反射聲壓很高，所以檢測靈敏度也很高。

圖3 利用橫波全反射現象檢測焊縫與母材間的未熔合缺陷模擬圖

2 檢測前準備

采用TL串列方法檢測時需要2.5P，12×14，R1.5的斜探頭和2.5P，φ20的直探頭各一只，經計量檢驗合格的超聲波檢測儀器一臺。

圖4 TL串列式檢測對比試塊尺寸示意圖

使用對比試塊，采用的材料與被檢工件同材質的坯料經鍛壓并進行正火處理后加工而成。所選用的材料經超聲縱波直射技術檢測時，在不大于距檢測面20mm 處，不應存在大于φ2mm 平底孔反射回波幅度1／4的缺陷回波，表面粗糙度不大于6.3μm。

3 檢測參數設置

探頭調試時，測量探頭的前沿和探頭的K值，并保證探頭K值在1.4～1.5之間，K值不能大于1.5。

超波儀器調整為雙晶探頭的工作方式，并且把聲速Cs設為橫波聲速3 230m／s。如果用一次波掃查，設置垂直掃查范圍大于工件厚度。用二次波掃查時，設置垂直掃查范圍大于2倍工件厚度。

靈敏度的調整。將直探頭放在距試塊端面50 mm 處，直徑為φ3的平底孔上方，斜探頭和直探頭在同一探測面上，并且斜探頭和直探頭連線應垂直于試塊的端面，即垂直于平底孔的底面。斜探頭垂直于試塊端面前后運動找到φ3平底孔底面的反射回波，用不同深度的φ3平底孔繪制出DAC曲線。

缺陷的定位如圖5所示，水平位置L為入射點到熔合線的距離，一次波高度為h＝L／1.5，二次波高度為h＝2T－L／1.5。

圖5 缺陷定位示意圖

4 檢測實例

使用儀器PXUT260B，型號為2.5Pφ20的直探頭，2.5P14×16，K1.5的斜探頭，檢測前在試塊上制作DAC曲線。

工件為液壓缸桶壁對接焊縫，液壓缸桶直徑為800mm，壁厚為200mm，坡口為直邊坡口，屬于窄間隙焊縫。要求在焊縫兩側450 mm 范圍打磨光亮。用TL串列式方法檢測時發現在熔合線位置深度100mm 處有一回波出現，用6dB法測量其缺陷的長度為15mm，再采用單斜探頭的探傷方法多角度檢測時，在此深度并未發現有缺陷的存在，因此判斷此缺陷為未熔合缺陷，解剖后發現此缺陷確為未熔合缺陷，如圖6所示。

圖6 焊縫未熔合缺陷剖面宏觀形貌

5 TL串列式檢測法與橫波前后串列式和TOFD檢測法的比較

TL串列式方法與橫波前后串列式的比較：

（1）TL串列式方法掃查時，縱波直探頭沿焊縫指定截面在工件表面移動，斜探頭沿垂直于焊縫截面方向移動，并保持直探頭和斜探頭在同一直線上就可以；而橫波前后串列的兩個探頭如果以固定間距在工件表面移動時，只能掃查一定深度的檢測區域，要檢測其它深度，需要調整探頭間距檢測到，要覆蓋整個深度截面，需要多次調整探頭間距［3］。

（2）TL串列式方法掃查不需要確定串列基準線和參考線，只要確定檢測截面即可，而橫波前后串列的兩個探頭如果兩個探頭同時移動必須確定串列基準線、參考線以及探傷截面，才能進行檢測，操作起來十分不便。TL串列式方法與TOFD 比較：

（1）TL串列式方法不要購買專門的設備，原有的普通設備就可以使用，而TOFD 需要購買專門的設備，成本較高。

（2）TL串列式是利用橫波和縱波的轉換的方式來檢測焊縫中的缺陷，TOFD 是利用超聲衍射技術檢測焊縫中的缺陷，它們都存在近表面的缺陷難以有效檢出的局限性。

6 結論

TL 串列式超聲波檢測法對于檢測窄間隙焊縫未熔合和裂紋等面積性缺陷靈敏度高，操作方法簡單。直探頭只要沿著焊縫熔合線移動，并保持與斜探頭的聲束水平方向經過直探頭且垂直于焊縫，然后讓斜探頭在探測面上掃查，就可以一次檢測覆蓋整個焊縫截面，檢測速度快。TL 串列式方法探測焊縫未熔合類缺陷深度定位準確，但是存在近表面的缺陷難以有效檢出的局限性。

［1］張并生，陳國瑞，步先超.窄間隙焊縫坡口角度對超聲波串列掃查影響研究［J］.無損檢測，1996，18（2）：33－36.

［2］胡汝舜，吳根華.串列式超聲波探傷的缺陷定位［J］.無損檢測，1995，17（1）：5－9，19.

［3］孫立巍，解應龍，鄒晶，等.大厚度窄間隙焊縫超聲波自動串列掃查［J］.焊接，1998（2）：19－22.