焊縫橫向裂紋TOFD檢測研究

宋綿，邢濤

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

焊縫橫向裂紋TOFD檢測研究

宋綿，邢濤*

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

林業機械大多承擔繁重的任務，且涉及到人身安全。對這些機械中的損傷與缺陷進行檢測，及時監測其運行狀況，能降低維修成本，提高林業機械的使用效率和使用安全性，提高林業經濟效益。焊接作為制造業的基礎工藝和技術，在林業機械產業中也應用廣泛，而焊縫的質量直接關系到設備整體結構的強度和使用壽命。超聲TOFD檢測技術的顯著優點是缺陷檢出率高，定量精度高，操作方便快捷，檢測成本低，但易出現橫向裂紋漏檢。針對焊縫中橫向裂紋D掃描圖像的顯示特征與點狀缺陷相似，難以準確判斷和識別，容易漏檢的問題，通過研究TOFD檢測時橫向裂紋漏檢的的原因，改進傳統的TOFD檢測方法，提出一種對邊斜向非平行掃查方法。為檢驗該方法的實用性，提高檢測效率，設計了專用的多通道斜向掃查架。采用設計的多通道斜向掃查架對橫向裂紋缺陷模擬試塊進行試驗。試驗結果表明：多通道斜向掃查架的偏斜角設置在30° ～60°時，可以有效識別橫向裂紋缺陷。該方法原理簡單，設計的多通道斜向掃查架實用性強，對減少焊縫中橫向裂紋的漏檢，確保林業設備安全運行具有重大意義。

TOFD；焊接缺陷；橫向裂紋

0 引言

林業機械是林業建設的重要組成部分，它與其它行業機械一樣，大多承擔繁重的任務，且涉及到人身安全。對這些機械中的損傷與缺陷進行檢測，及時監測其運行狀況，能降低維修成本，提高林業機械的使用效率和使用安全性，提高林業經濟效益[1]。焊接作為制造業的基礎工藝和技術，在林業機械產業中也應用廣泛，而焊縫的質量直接關系到設備整體結構的強度和使用壽命[2]。其中，裂紋是焊縫中危害性最大的焊接缺陷，尤其在一些圓周或環向焊縫中，由于周向拘束大，容易產生橫向裂紋[3]。并且設備的厚度越大焊縫中橫向裂紋產生的幾率越大。

現有的各種無損檢測方法在橫向裂紋檢測方面都有些不足之處[4-9]。射線檢測中缺陷檢測率的關鍵是底片對影像細節的顯示能力，但有些橫向裂紋的尺寸很小，在底片上沒有裂紋影像，裂紋容易漏檢[10]。超聲波檢測具有一定的優勢，尤其適于裂紋的檢測[11]。常規的超聲波檢測技術(脈沖反射法)是利用超聲波在缺陷表面的反射波來檢測缺陷的[12]，對于橫向裂紋，由于探頭垂直于焊縫檢測時，主聲束的方向平行于橫向缺陷面，無法提供足夠的信號反射面，導致缺陷反射回波非常低甚至無回波，而使用單探頭進行焊縫斜向平行掃查時，缺陷信號被橫向裂紋反射到焊縫另一側，檢測信號無法沿原路返回到探頭，這樣就造成了橫向裂紋的漏檢[13]。

超聲TOFD 檢測是利用雙探頭一發一收跨在焊縫兩側進行掃查，兩探頭之間有一定的空間，且超聲TOFD 檢測是利用缺陷上下尖端處的衍射信號來發現并測量缺陷的，衍射信號沒有明顯的指向性，所以焊縫另一側的接收探頭也可以接收到橫向裂紋缺陷尖端產生的衍射信號，發現缺陷。但實際應用中，橫向裂紋漏檢的情況仍很普遍。

筆者通過研究超聲TOFD檢測橫向裂紋漏檢的原因，提出了一種對邊斜向非平行掃查方法，并自主設計了一個可調節偏斜角的多通道斜向掃查架，通過試驗對采用不同傾斜角掃查時模擬試塊焊縫中橫向裂紋的缺陷定量能力進行了探討。該方法原理簡單，可操作性強，能有效減少橫向裂紋的漏檢，保證林業機械安全運行。

1 TOFD檢測橫向裂紋漏檢的原因

衍射時差法超聲波檢測(Time Of Flight Diffraction，簡稱TOFD)，超聲TOFD檢測技術的顯著優點是缺陷檢出率高、定量精度高、操作方便快捷、檢測成本低[14]。但TOFD技術一般多用于縱向裂紋的檢測[15-17]，對于初始檢查(非平行掃查，D掃)來說，橫向裂紋并不是難以檢測發現，而是因為在非平行掃查中，橫向裂紋缺陷信號沒有足夠的長度，其D掃描圖像特征看起來與點狀缺陷(如氣孔、夾渣等)的顯示特征相似[18]，難以準確判斷和識別，定性困難。超聲TOFD實際檢測中出現的近表面橫向裂紋D掃描圖像如圖1所示，及圖2中所示的典型單個氣孔缺陷D掃描圖像，二者顯示特征均為比較拋物線弧形，難以區分辨別。

圖1 橫向裂紋D掃描圖像Fig.1 D-scan image of transverse crack

圖2 典型氣孔缺陷圖像Fig.2 Typical image of pore defect

在缺陷圖像中出現疑似橫向裂紋的特征、相同的工件或設備在以往的檢驗中出現過橫向裂紋、文件或用戶要求對橫向裂紋進行檢測等情況下，需要進行補充檢測對橫向裂紋篩查確認[19]。可沿著焊縫方向在疑似橫向裂紋位置進行一系列的平行掃查(B掃)，來精確測量缺陷高度，獲取缺陷橫截面上深度、傾斜角度等更多信息，為缺陷定性定量提供依據。但B掃時探頭會越過焊縫，這就需要將所有疑似橫向缺陷處的焊縫余高磨平再進行掃查，會額外增加很大現場工作量[20-21]。由于在實際生產過程中，焊縫內部存在的氣孔或小夾渣等點狀缺陷數量遠大于橫向裂紋，標準JB/T 4730.10-2010中又規定焊縫中一定數量的點狀缺陷是允許的，因此為了篩查少量的橫向裂紋而對大量的疑似點狀缺陷進行B掃檢測很不現實又影響工作效率。大多數情況下，為了降低成本或者盡快完成檢測工作，檢測人員只進行非平行掃查，橫向裂紋就被視作點狀缺陷而漏檢。

2 對邊斜向非平行掃查

TOFD是一種采用雙探頭一發一收相向對稱放置，通過缺陷上下尖端的衍射信號來發現并測量缺陷的檢測技術。對邊斜向非平行掃查(如圖3所示)就是探頭組中心連線與焊縫中心線不再保持垂直而是偏斜一定的角度(角α)布置，這樣就可以增大橫向缺陷界面與聲束波陣面的反射和衍射，探頭能夠接收到較多的波束能量，使橫向裂紋在TOFD圖像上顯示出一點的長度，達到有效篩查和準確辨別焊縫內部點狀缺陷和橫向裂紋缺陷的目的，減少焊縫中橫向裂紋的漏檢。

圖3 對邊斜向非平行掃查示意圖Fig.3 The diagram of oblique non-parallel scanning

3 可行性研究

為了驗證對邊斜向非平行掃查檢測方法的可行性，根據焊縫模擬試塊的聲學和材料特性，利用仿真軟件CIVA 11.0建立了如圖4所示的不同傾角裂紋TOFD檢測模擬模型。模型材料選用合金鋼，模型中的縱波聲速為5.9 mm/μs，長度為500 mm，厚度為45 mm。在模型中建立了10個深30 mm、長20 mm的底面開口槽，開口槽呈一定的傾斜角度，與焊縫中心線的夾角分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°。

圖4 不同傾角裂紋模擬模型Fig.4 The simulation model of different inclination crack

TOFD檢測非平行掃查模擬時，檢測參數設置是探頭頻率為5 MHz，楔塊角度為60°，晶片尺寸為6 mm，探頭中心間距為104 mm，探頭聚焦深度在30 mm。對模型進行整體非平行掃查，得到的D掃描圖像如圖5所示。

由D掃描圖像可以看出：當裂紋與焊縫中心線的夾角小于50°時，傾斜裂紋缺陷與點狀缺陷在D掃描圖像中是可以明顯辨別區分的；但當夾角大于50°時，傾斜裂紋在D掃描圖像中的缺陷特征逐漸表現為點狀缺陷拋物線特征，無法判斷缺陷性質也難以定量缺陷長度。因此，用斜向非平行掃查來增大TOFD探頭接收到的波束能量，檢測橫向裂紋是可行的。

4 對邊斜向非平行掃查試驗

4.1 試樣制備

模擬缺陷試樣材料為合金鋼，尺寸為200 mm×120 mm×45 mm，焊接方法為埋弧焊、坡口型式為X型。按照TOFD檢測技術的相關標準，采用電火花加工工藝在試樣掃查面上制備了一個長20 mm、寬6 mm、深4 mm的人工窄槽模擬橫向缺陷1，為了避免缺陷尖端衍射波相互干涉降低衍射波波幅，在試樣下表面焊縫中心線上制備了一個長25 mm、寬6 mm、深4 mm的人工窄槽模擬縱向缺陷2，試樣結構尺寸如圖6所示。

圖6 試樣結構尺寸Fig.6 The size of test sample

4.2 多通道斜向掃查架設計

由于目前市場上大量應用的TOFD掃查裝置無法滿足實驗要求，自主設計了一個可調節偏斜角的多通道斜向掃查架，如圖7 所示。本多通道斜向掃查架整體呈“工”字型，主要包括探頭支架4、帶編碼器的行走輪5、滾輪6、把手7、滑塊8、螺栓組件3和編碼器12，還包括豎梁1和兩個橫梁2。豎梁1和橫梁2通過螺栓組件3鉸接在一起，并可相對轉動，調節兩者間夾角，探頭支架4通過手擰螺絲9安裝在滑塊8上，滑塊8可沿橫梁2上的燕尾槽滑動，調節探頭中心間距，帶有編碼器的行走輪5和滾輪6安裝在橫梁2上，可調整行走方向。與之配套的帶編碼器的行走輪5和滾輪6均為可轉向的磁性輪機構，如圖8所示。所設計的多通道斜向掃查架可同時對工件進行非平行掃查和對邊斜向非平行掃查，提高檢測工作效率，減少橫向裂紋缺陷的漏檢。

圖7 多通道斜向掃查架Fig.7 Multi-channel oblique scan frame

圖8 可轉向的磁性輪機構Fig.8 Steerable magnetic wheel

4.3 試驗與分析

試驗采用漢威HS810便攜式超聲TOFD檢測儀對試樣進行掃查，第1通道為非平行掃查通道，第2通道為對邊斜向非平行掃查通道，兩通道均選取探頭頻率為5MHz，晶片尺寸為6mm，楔塊角度為60°的縱波斜探頭，探頭中心距設置為104mm。為了驗證此方法及設計的多通道斜向掃查架對橫向裂紋缺陷定量能力，偏斜角α設置為以5°為間隔，從30°到90°(因焊縫余高的影響，當α<30°時，探頭組易與焊縫發生干涉，因此不予考慮)，非平行掃查通道測量縱向缺陷長度，對邊斜向非平行掃查通道測量橫向缺陷長度。由對邊斜向非平行掃查通道得到的掃描圖像如圖9所示。

圖9 不同偏斜角時對邊斜向非平行D掃描圖像Fig.9 The D-scan image of oblique non-parallel scanning with different tilting angle

因缺陷圖像上存在明顯的甩弧現象，利用SAFT技術提高缺陷定量精度，最后得到缺陷圖像顯示長度測量值及與實際值的相對誤差(見表1)。

表1 缺陷圖像顯示長度測量值及與實際值的相對誤差

由圖9中可以看出，偏斜角α由30°逐漸增加到90°時，偏斜角α在30°～70°內，橫向裂紋缺陷在TOFD圖像上具有一定的顯示長度，與點狀缺陷規則的拋物線弧狀明顯不同，可以準確區分辨別；當偏斜角α>70°時，橫向裂紋缺陷在TOFD圖像上的的顯示長度減小，又逐漸變為類似點狀缺陷，難以準確判斷。

由表1中可以看出，當偏斜角α=30°時，橫向裂紋缺陷圖像顯示長度測量值與實際值的相對誤差為1.5%，最接近真實值；偏斜角α在30°～60°范圍時，橫向裂紋缺陷圖像顯示長度測量值與實際值的相對誤差小于40%，缺陷長度測量比較符合要求；在偏斜角α>60°時，相對誤差急劇增大，缺陷長度難以測量；從非平行掃查通道得到的縱向缺陷圖像顯示長度測量值與實際值的相對誤差始終低于2%，接近真實值，不受偏斜角α的影響。

上述結果表明，TOFD對邊斜向非平行掃查在一定的偏斜角范圍內可以對橫向裂紋缺陷進行有效的檢測識別，減少橫向裂紋的漏檢。綜合考慮橫向裂紋缺陷在 TOFD 圖譜上的顯像效果、顯示長度測量值與實際值間的相對誤差大小等諸多因素，可以認為采用對邊斜向非平行掃查時，30°～60°是一個可以采用的區間。

5 結論

(1)利用CIVA仿真軟件模擬不同傾角裂紋的TOFD檢測，驗證了當裂紋與焊縫中心線的夾角小于50°時，橫向裂紋缺陷與點狀缺陷在D掃圖像中是可以辨別區分的。

(2)改進了傳統的 TOFD 檢測方法，設計了用于檢測的可調節偏斜角的多通道斜向掃查架，沿焊縫方向進行掃查，實現了橫向裂紋缺陷的檢測。

(3)TOFD 檢測時，采用多通道TOFD 檢測儀，其中一個通道設置為非平行掃查通道，另一個通道設置為偏斜角在 30° ～60°內的對邊斜向非平行掃查通道，可以提高檢測效率，實現焊縫一次性覆蓋掃查，對橫向裂紋缺陷和點狀缺陷進行有效篩查和準確辨別，減少橫向裂紋缺陷的漏檢，確保林業機械安全運行。

(4)實際應用中，利用多通道斜向掃查架對某個輥筒運輸機焊縫進行了TOFD檢測，得到的TOFD圖譜如圖10所示，缺陷在掃查方向及長度的定量和非平行掃查有很好的對應性，對邊斜向非平行掃查通道圖像中顯示的焊縫內部橫向裂紋缺陷與點狀缺陷能夠清晰地區分辨別，但在存在缺陷較多的情況下難以定量。

圖10 實際缺陷TOFD掃查圖像Fig.10 TOFD image of actual defect

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Research on the TOFD Detection of Transverse Crack in Bult Weld

Song Mian，Xing Tao*

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Most of the forestry machinery undertake heavy tasks and involves personal safety.Detecting the damage and defect of these machines and monitoring the condition in time could reduce the maintenance cost，improve the efficiency and safety，and improve the economic benefit of the forest.As the basic process and technology of the manufacturing industry，welding is also widely used in the forestry machinery industry.The quality of the welding is directly related to the strength and service life of the overall structure of the equipment.Ultrasonic TOFD detection technology has some remarkable advantages of high detection rate，high precision，convenient operation and low detection cost，but it is easy to miss transverse crack.In view of the transverse crack in the weld，the display characteristics of the D-scan image are similar to the point defects，and it is difficult to accurately judge and identify the problem，and it is easy to miss the problem.Through the research of the cause of transverse crack’s miss in TOFD detection，the paper improved the traditional TOFD detection method，and proposed an oblique non-parallel scanning method.In order to test the practicability of the method，improve the detection efficiency，the paper designed a special multi channel oblique scanning frame.The experiment verification was made by using the designed multi-channel oblique scanning frame to the simulated test block of transverse crack defect.The test shows that the transverse crack defects can be effectively identified when the multi channel oblique scanning frame is set in the range of 30 degrees to 60 degrees.The method is simple and the designed multi channel oblique scanning frame is practical.It is of great significance to reduce the detection of transverse crack in bult weld and ensure the safe operation of the forestry machinery.

TOFD；weld defects；transverse crack

2017-03-20

林業公益性行業科研專項(201404319)

宋綿，碩士研究生。研究方向：無損檢測

*通信作者：邢濤，博士，副教授。研究方向：無損檢測。E-mail：xt_hit@126.com

宋綿，邢濤.焊縫橫向裂紋TOFD檢測研究[J].森林工程，2017，33(4)：65-69.

TE 973.3

A

1001-005X(2017)04-0065-05