相控陣和TOFD在焊縫裂紋檢測中的應用

劉廣興，馮云國，陳 聰，劉 文

（國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250003）

相控陣和TOFD在焊縫裂紋檢測中的應用

劉廣興，馮云國，陳 聰，劉 文

（國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250003）

使用相控陣和TOFD兩種方法對焊縫中的裂紋缺陷進行檢測，并對不同的檢測方法所得出的結果進行分析和比較，總結TOFD和相控陣作為新型無損檢測方法在焊縫裂紋檢測中的技術優勢，提出綜合選用各種檢測方法的建議。

相控陣；TOFD；裂紋檢測

0 引言

相控陣和TOFD作為兩種先進的無損檢測方法，近年來越來越受到關注。相控陣是指按照一定的規則和時序激發一組探頭晶片，通過調整激發晶片的序列、數量、時間來控制波束的形狀、軸線偏轉角度及焦點位置等參數的超聲波電子掃查方式［1］。相控陣檢測技術是一種特殊的超聲檢測技術，它利用精密復雜的相控陣和功能強大的軟件來控制超聲波束，使其覆蓋被檢測材料，并生成修正的材料內部結構圖像［2］。

衍射時差技術（Time-of-flight-diffraction tech nique，TOFD）是一種利用缺陷端部的衍射波傳播時間差來進行缺陷檢測與定量的方法。通常以一對晶片尺寸和頻率等參數相同或相近的探頭，分置于焊縫兩側來檢測。其基本原理依據惠更斯原理，入射波到達缺陷尖端后，缺陷尖端就是一系列新的衍射波源，同時儀器增益比超聲波脈沖反射法高 10～20 dB，因此接收探頭可以接收到來自各個方向的缺陷衍射波［3］。

在以前的文獻中有用相控陣方法和TOFD方法對缺陷試塊的檢測，但是那些試塊缺陷都是以人工刻槽來代替裂紋［4］。實際工作中發現，人工刻槽和自然裂紋的檢驗結果差別很大，所用焊接試板中的裂紋都是自然裂紋，這對掌握裂紋的圖像特點，對缺陷做出準確判斷有重要意義。

以裂紋缺陷為測試對象，采用相控陣和TOFD兩種方法進行檢測，通過對不同檢測方法得到的數據進行對比分析，得出各種檢測方法在焊縫裂紋檢測中的技術優勢 。

1 試驗設備及試板

試驗設備選用ISONIC2009多功能超聲相控陣成像檢測系統。該設備集相控陣、TOFD及A掃描、B掃描等多種功能于一身。本次試驗利用了其相控陣功能和TOFD功能。本設備相控陣可同時激發或接收64個相控陣單元，掃描圖像采用帶有一次壁厚的一次波或多次波的顯示模式，缺陷影像與焊縫坡口中的幾何位置真實對應。本設備TOFD掃描功能支持時基模式或步進模式下的掃描成像，通過波幅曲線圖與波峰位置條帶圖合成顯示，系統自帶數據分析軟件，可通過設置不同的增益以及修改值增加TOFD圖像的對比度。

采用兩種焊接試板，試板材質為20號鋼，規格為133 mm×260 mm×20 mm。試板A的裂紋位于焊縫中部位置，垂直試板表面，試板B的裂紋位于焊縫根部坡口附近。兩試板裂紋缺陷位置見圖1。

圖1 試板裂紋缺陷位置

2 試驗及結果分析

分別采用相控陣、TOFD、常規脈沖回波和射線4種檢測方法對這兩塊試板中的裂紋缺陷進行檢測，其中主要介紹相控陣和TOFD兩種檢測方法，常規脈沖回波檢測和射線檢測只是作為對這兩種檢測結果的補充和驗證，不做詳細介紹。

2.1 相控陣檢測試驗

2.1.1 試驗參數和檢測過程

采用一維陣列探頭，探頭型號5L32-0.5×10，共有32個晶片，晶片間的距離為0.5 mm，探頭的頻率為5 MHz；楔塊是SA2-N55S，其折射角度為60°；扇形掃查的角度為30°～70°，步進0.5 dB，聚焦深度設置在40 mm，同時激發晶片數32個，利用CSK-IA和CSK-IIIA試塊進行角度補償和靈敏度校準，校準后，設備增益為65 dB。

檢測過程，采用機油做耦合劑。先將探頭置于試板上，ISONIC2009設備可自動模擬探頭的聲束覆蓋范圍，調整探頭至焊縫的距離，使得探頭聲束的一次波和二次波100%覆蓋整個焊縫區域，見圖2。然后保持這個距離不變，探頭平行于焊縫向前移動直至掃查完整條焊縫。操作過程中，編碼器自動記錄了探頭移動的距離。為防止探頭至焊縫的距離發生變化，可采用磁性條粘貼在試板上面，探頭緊貼磁性條移動即可。

圖2 聲束覆蓋范圍

2.1.2 檢測結果

檢測結果以相控陣扇形掃查（以下簡稱S掃）的圖形顯示，兩試板S掃圖像分別見圖3和圖4。

圖3 試板A的缺陷圖像

圖4 試板B的裂紋缺陷圖像

圖3、圖4中雙箭頭所指示的范圍代表焊縫區域，數字1處指示的是試板A中的裂紋圖像，數字2處指示的是試板B中的裂紋圖像。由圖可看出，裂紋的S掃圖像清晰，特征鮮明，并且裂紋在焊縫中的位置一目了然，這對檢測時的定性意義重大。對于這兩個相控陣圖像，采用設備自帶的分析軟件進行了高度、深度的測量，其結果分別見表1和表2。

2.2 TOFD檢測參數及結果分析

2.2.1 試驗參數和檢測過程

采用5MΦ6的直探頭一對，斜楔塊的縱波折射角度60°，PCS取46 mm。按NB／T 47013.10—2015《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》的要求測量探頭的前沿和延遲，合理設置A掃描的時間窗口，其起始位置為直通波到達接收探頭前0.5 μs以上，終止位置為底面一次波型轉換后0.5 μs以上。靈敏度取直通波波高的40%，此時設備的增益為78 dB。

采用非平行掃查的方式，將探頭對稱布置于焊縫中心線的兩側，沿焊縫長度方向移動。掃查過程中要注意速度均勻，不能過快，同時注意保證探頭和試板間耦合良好，避免檢測數據的遺失。

2.2.2 檢測結果

檢測結果以A掃和D掃的形式顯示。其中A掃是以射頻波的模式顯示，D掃是黑白灰度圖來顯示，見圖5和圖6。

圖5 試板A的TOFD圖像

圖6 試板B的TOFD圖像

圖5和圖6的D掃圖像中，其中數字“1”紅色圓圈處指示的是試板中裂紋缺陷的衍射回波圖形。

圖5中，裂紋圖像的上下端點衍射回波清晰，上端點、下端點衍射波的相位相反。圖6中，裂紋圖像只有上端點的衍射回波可見，下端點的衍射波被底面反射波覆蓋。對圖5、圖6中的裂紋缺陷衍射回波采用ISONIC2009設備自帶的分析軟件進行長度、高度、深度等參數的測量，其結果分別見表1和表2。

2.3 試驗結果對比

采用常規脈沖回波和射線檢測兩種方法對兩塊試板中的裂紋缺陷進行補充和驗證檢測，其中常規脈沖回波檢測對裂紋高度的測量采用端點的衍射波來測量。4種方法的檢測結果分別見表1和表2（表中UT指常規脈沖回波檢測，RT指射線檢測）。

表1 試板A中的裂紋定量對比

表2 試板B中的裂紋定量對比

由檢測結果可以看出，4種方法都能檢測出試板中的裂紋缺陷。利用相控陣檢測，可以直觀地顯示缺陷和焊縫間的相對位置關系；TOFD檢測對于缺陷的定量方面優勢明顯，但定性方面相對困難一些；TOFD和相控陣對于缺陷長度的測量取決于編碼器的精度，對高度的測量結果兩者差別不大，而TOFD是根據端點的衍射波測得，精度更高一些；而射線對于裂紋這種面積型的缺陷，能否檢出取決于射線與裂紋的角度，靈敏度不高；常規超聲檢測定性定量方面，更多取決于檢測人員本身的經驗和熟練程度。

3 結語

對裂紋的檢測過程中，各種方法都有其優勢和局限性。TOFD對缺陷定量精度高，而且容易檢出方向性不好的缺陷，但是存在近表面和底面盲區。相控陣檢測成像直觀，單個探頭可以實現多角度的檢測，覆蓋范圍廣，但是設備成本高。而常規超聲波對缺陷的定性方面更多取決于檢測人員的經驗。在今后檢測的過程中需要考慮缺陷檢出率、分辨力、定性、定量等各方面的要求，然后綜合運用各種檢測方法，取長補短，來達到最終的檢測目的。

［1］劉長福，張彥新，李中偉，等.超聲波相控陣技術原理及特點［J］.河北電力技術，2008，27（3）：29-31.

［2］劉正凡，劉麗川，舒丹，等.對接焊縫中超聲相控陣的檢測［J］.廣東化工，2008，35（12）：103-108.

［3］郝以運，劉晴巖，張儉，等.TOFD方法在薄壁堆焊層裂紋類缺陷檢測中的應用［J］.焊管，2009，32（6）：36-39.

［4］鐘文彬，肖永寧，陳世棟.相控陣超聲波檢測系統及其在工業無損檢測中的應用［J］.焊接技術，2006，35（S1）：41-43.

Application of Phased Array and TOFD in Welding Crack Testing

LIU Guangxing，FENG Yunguo，CHEN Cong，LIU Wen
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The welding crack was tested with two methods of phased array and TOFD.Results of different testing methods were analyzed and compared.Technical advantages of TOFD and phased array as new type nondestructive methods were discussed in testing welding crack.The suggestion for comprehensive selection of detection methods was put forward.

phased array；TOFD；crack detection

TG115.28

：B

：1007－9904（2017）04－0030－03

2016-11-23

劉廣興（1981），男，工程師，從事無損檢測工作。