窄翼板鈦合金T型焊縫的相控陣超聲檢測

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(洛陽船舶材料研究所，洛陽 471000)

T型焊接結構常用于某些重要的鈦合金承壓結構中，除部分本體結構包含T型設計外，大多數T型焊接結構主要起加強支撐作用。T型結構焊接時，通常在腹板上開坡口，根據質量要求的不同，分為熔透型和非熔透型兩種，且TIG(非熔化極惰性氣體保護焊)與MIG(熔化極惰性氣體保護焊)是其較為常用的焊接方法。這些焊縫容易出現氣孔和未熔合缺陷，對于全熔透結構，鈍邊部位還可能會出現未焊透缺陷。T型焊縫中的未焊透和未熔合不僅降低了對接部位的有效截面積，且在使用時容易造成應力集中，影響結構壽命。

窄翼板鈦合金T型焊接接頭是一種特殊的T型結構，具有缺陷空間分布方向各異、幾何尺寸窄小的特點。對該型結構如采用射線法檢測，存在厚度差大、布片困難、透照角度難以確定等不利因素，且現場射線檢測存在效率低的問題，故T型焊接結構一般不采用射線法檢測，通常在翼板、腹板厚度超過10 mm時盡量選擇超聲檢測。但受限于翼板寬度，常規超聲檢測難以進行多角度、多位置掃查，更不可能在翼板上采用TOFD進行掃查，缺陷的檢出率可能會降低。針對上述問題，筆者研究了相控陣超聲的檢測工藝，對各種掃查條件下缺陷檢出情況進行了對比。

1 檢測工藝分析

試驗用鈦合金T型焊接結構的翼板與腹板厚度均為26 mm，翼板寬度為45 mm，腹板寬度為120 mm。其采用MIG焊雙面焊接，腹板坡口角度為45°，鈍邊寬度為2 mm，試板實物與尺寸示意如圖1所示。

圖1 T型試板實物及尺寸示意

圖2 腹板相控陣超聲直射波掃查示意

該試板的腹板寬度較大，可進行多位置掃查，根據其幾何結構確定合適的掃查參數，能夠檢測出坡口未熔合與氣孔缺陷。圖2所示為利用直射波在腹板上進行相控陣超聲扇形掃查的示意，雖然扇形掃查的聲束角度范圍可調，但考慮到不同聲束角之間的能量差異，試驗的角度范圍設置為40°～70°[1]。T型結構焊接的余高通常都較大，采用直射波能夠保證對圖2中B面對應半個焊接接頭的聲束全覆蓋，此時大部分聲束會透射到翼板中，而A面對應的焊接接頭無法得到聲束覆蓋，屬于檢測盲區。

為保證對焊接接頭的全覆蓋，應補充一次掃查，利用腹板的B面反射波實現對A面對應焊接接頭的聲束覆蓋。圖3所示為腹板的反射波扇形掃查示意，調整掃查位置使腹板反射波能夠全覆蓋A面對應的焊接接頭，此時角度較大的聲束依然能直射到B面對應的部分焊接接頭，但無法完全覆蓋余高部分，故圖2中的直射波掃查是不可缺少的。為了減少漏檢，應至少保證超聲波聲束能夠有效覆蓋焊接接頭部位不少于2次，實際檢測時應在腹板A面和B面分別掃查。

圖3 腹板相控陣超聲反射波掃查示意

圖4 翼板相控陣超聲掃查示意

由于焊接時難以控制腹板鈍邊與翼板的間隙，故該處產生的未焊透缺陷形態可能為體積型或面積型，當其為平行于翼板的面積型缺陷時，上述兩種掃查方式的超聲波束無法垂直入射到該部位，檢測效果很差，故應在翼板補充掃查。圖4所示為翼板相控陣超聲掃查示意，其采用-45°～45°的角度范圍，聲束面垂直于T型焊縫，為了提高未焊透缺陷的檢測效果，應使S掃描0°角聲束與鈍邊垂直，且焦點的位置設置在翼板厚度附近。90°的聲束角度范圍能完全覆蓋整個焊縫，不僅能檢測出未焊透缺陷，對氣孔也較為敏感。為了提高焊縫橫向缺陷的檢出率，在設置參數不變的條件下，應使聲束面平行于焊縫，額外做一次橫向掃查。

根據上述分析，應采用“扇形掃描+沿線掃查”的方式對腹板和翼板分別進行檢測，才能保證對整個焊接接頭部位的多角度覆蓋，而且扇形掃描的角度應根據腹板和翼板的厚度來選擇，避免焊縫余高存在聲束覆蓋盲區。

2 試樣檢測

2.1 工藝參數

根據檢測工藝，綜合鈦合金T型焊接試件厚度和設備性能選擇合適的工藝參數。選擇GE Phasor XS型便攜式相控陣超聲檢測儀作為試驗設備，該設備最大激發通道為16通道，具有A、S、C型顯示功能。由于鈦合金的聲學性能較差，超聲散射雜波幅度很高，相控陣檢測時應適當增大激發孔徑，并根據試件的厚度選擇合適的頻率，表1匯總了可供選擇的工藝范圍。

表1 相控陣檢測工藝參數

2.2 試樣腹板檢測

按照選擇的工藝參數設置并校準設備，分別在腹板A、B面各進行兩次沿線掃查，共獲得4組數據。圖5為典型缺陷的扇掃描顯示，可見扇掃描顯示能夠精確定位缺陷，而C型顯示可完整地顯示整個焊縫的質量狀況，通常采用二者結合的方式綜合評定。

圖5 腹板典型缺陷的扇掃描顯示

圖6 腹板檢測的C型顯示

圖6為腹板檢測的4組數據對應的C型顯示結果，可見部分 C型顯示圖中，聲束最大角附近存在異常成像顯示，經過分析確定該異常顯示是翼板端角處的反射造成的，且反射波的強弱與掃查位置、端角結構有關，缺陷評判時應結合扇掃描視圖綜合判定，避免誤差。

各組數據的C型顯示中缺陷個數存在差別，筆者采用手動扇掃描+沿線掃查的方式確定各次掃查中的具體缺陷情況。設置T型焊縫的某一側、A面端面和翼板端面為0點，分別用于表征缺陷的位置、深度和偏移，各組掃查檢出的缺陷信息如表2所示。

表2 檢測出的腹板缺陷信息 mm

圖7 翼板垂直掃查結果

2.3 試樣翼板檢測

根據扇形掃描聲束面與焊縫的夾角關系，分別按垂直和平行方向掃查，掃查時應保證0°角聲束位于焊縫中心線。圖7(a)為垂直掃查時的缺陷扇掃視圖，可見缺陷深度略大于翼板厚度，且缺陷位于焊縫中心部位，具有明顯的鈍邊未焊透特征；圖7(b)為整條焊縫的C型顯示，由圖中可明顯發現多處鈍邊未焊透和坡口未熔合缺陷。結合扇掃描視圖進行分析，得到各缺陷的基本信息，如表3所示。

表3 翼板垂直掃查得到的缺陷信息 mm

圖8所示為翼板平行掃查的檢測結果，由于平行掃查時，0°角聲束依然位于焊縫中心線，故能夠檢測出部分鈍邊未焊透缺陷，但C型顯示結果并不能指示缺陷的長度信息。在掃查時，結合實時扇形掃描圖示進行判斷，未發現橫向缺陷。

圖8 翼板平行掃查結果

3 結果驗證

3.1 試樣缺陷情況

對T型焊接接頭直接進行射線檢測的缺陷檢出率很低，故為更準確地顯示焊縫內部缺陷的分布情況，筆者對T型焊接結構進行了機加工，將翼板寬度縮短到接近于腹板厚度，然后再進行射線檢測。

圖9 加工后的T型焊接板

圖9為機加工后的T型焊接試板，實際上其相當于一個單側坡口的平板焊接件。通過對焊接接頭部位的多次射線透照，對比分析底片確定了缺陷分布情況，如圖10所示。圖10中，A、E和G為鈍邊未焊透，B、C、D為腹板坡口未熔合，F為氣孔，共7個缺陷，各個缺陷的詳細信息見表4。

圖10 缺陷分布示意(射線檢測)

表4 焊接接頭內部缺陷信息 mm

3.2 相控陣超聲檢測結果對比

根據射線檢測確定的焊接接頭缺陷的分布情況，對比分析相控陣超聲各次掃查的缺陷檢出率，表5為各掃查條件下的缺陷檢出情況。對比結果表明，采用制定的腹板、翼板結合掃查工藝能夠檢測出各缺陷，同時也驗證了缺陷檢出受方向性影響的推斷，故應分別在腹板兩面和翼板上進行檢測，避免缺陷的漏檢。

表5 相控陣超聲檢測結果各掃查條件下的

4 結語

對窄翼板鈦合金T型焊接接頭進行相控陣超聲“扇形掃描+沿線掃查”工藝試驗，結果表明：采用腹板與翼板面結合掃查的方式能夠實現對整個焊縫的全覆蓋檢測，對未熔合、未焊透和氣孔缺陷均有良好的檢測效果。雖然相控陣超聲的聲束覆蓋角度較大，但由于缺陷的方向并不單一，為避免單面檢測時的缺陷漏檢，應分別在腹板兩面進行檢測，且翼板檢測時鈍邊未焊透缺陷的檢測效果要優于腹板檢測時的，必要時也可在翼板平行掃查檢測橫向缺陷。

參考文獻:

[1] 鄭紅霞,商振強.T型焊縫相控陣檢測[J].無損檢測,2014,36(3):47-50.