焊縫典型缺陷的超聲相控陣檢測與評析

武 興,繆建成,鄭 凱,強天鵬,王海濤

(1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210036；2.海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100040；3.江蘇中特創業設備檢測有限公司，南京 211102；4.南京航空航天大學 自動化學院，南京 211106)

0 引言

當今社會，焊接技術廣泛應用于工業設備的制作，在焊接過程中容易造成夾渣、裂紋、未熔合、未焊透等各種缺陷的產生，這些對設備的運行安全造成巨大的隱患，所以焊縫是如今檢測的重點[1-3]。隨著無損檢測技術的發展，對于焊縫的檢測主要使用磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測與超聲檢測等檢測方法，相比于磁粉檢測與滲透檢測僅適用于檢測表面缺陷，射線可以檢測內部缺陷，但其對檢測人員有一定的輻射危害。常規超聲檢測理論上能實現對焊縫的檢測，但無法對建立工件模型并成像，容易造成誤檢與漏檢[4-7]。超聲相控陣技術是利用多聲束組對工件內部進行掃描成像，它可以通過改聲束的偏轉角度來實現快速對工件截面進行掃查[8-9]。相比于常規超聲技術，相控陣在提高檢測速度、降低檢測難度等方面都具有很大的優勢。 超聲相控陣常用的仿真軟件為法國原子能委員會開發設計的CIVA軟件，它是一款專門用于無損檢測仿真計算的軟件，可以對復雜的工件進行建模，模擬各種類型的探頭與檢測方法，對超聲檢測工藝的設計起到指導性的作用[10-13]。

目前，國內外學者在焊接結構件的超聲檢測及仿真方面做了大量的研究[14]。王飛[15]等針對航天薄壁鋁合金攪拌焊焊縫的高精度、高分辨率檢測應用需求，開展了陣列超聲全聚焦成像檢測技術研究。 吳家喜等[16]針對承壓設備插入式接管角焊縫容易出現的幾類典型缺陷，通過CIVA軟件仿真制定檢測工藝，同時采用以色列ISONIC 2009相控陣設備對模擬試塊進行檢測，并與CIVA仿真結果進行了比對。S.Kumar等人[17]研究兩種不同類型的相控陣探頭(線性陣列(LA)和雙矩陣陣列(DMA))，以提高奧氏體焊縫超聲檢測的可靠性，結合聲線追蹤模型和半分析模型的方法來模擬超聲波在焊縫中的傳播最終得出具有縱波的DMA探頭具有更好的可檢測性和精確的深度測量，更適合于評估奧氏體不銹鋼焊縫[18]。J.Fortunato等[19]為了驗證相控陣超聲測試結果，進行了顯微鏡觀察以及搭接剪切強度測試以量化接頭的質量。雖然超聲相控陣技術已在焊接件廣泛應用，但關于各種典型缺陷的檢測結果的可靠性以及穩定性還有待深入研究。

本文對多塊坡口形狀為“U”型、“X”型、“V”型的焊接試樣中的裂紋、夾雜、未熔合等典型缺陷進行CIVA仿真模擬以及超聲相控陣檢測。首先對16塊對焊接試板中多種不同典型缺陷進行多次試驗并統計檢測結果。 其次對各類漏檢缺陷從“絕對漏檢”、“相對漏檢”以及“漏評”進行分析評析，同時對檢測人員的誤判情況進行分析。最后對常規超聲、相控陣、射線檢測缺陷的測長結果進行了統計比較，分析了影響相控陣超聲測長結果的多個因素，從而為超聲相控陣在實際焊縫檢測中提供更大的可行性及可靠性[20]。

1 CIVA 軟件仿真

1.1 CIVA 建模

為分析相控陣超聲在焊縫區域的聲束覆蓋情況以及缺陷檢出能力，本試驗利用超聲專業仿真軟件CIVA對三種坡口形狀以及母材厚度不同的焊縫進行模擬檢測。仿真分別設置焊縫坡口形狀為“U”型、“V”型“X”型，“V”型及“X”型母材板厚為20 mm ，“U”型母材板厚為60 mm。根據實際焊縫中裂紋及未熔合形狀及產生位置，使用多面鋸齒形結構來模擬裂紋，模擬裂紋高度為3 mm，長為40 mm，鋸齒高度為0.1～2.5 mm，且位于焊縫的中部。使用矩形缺陷來模擬未熔合，未熔合缺陷高為3 mm，長為20 mm，寬為1 mm，且位于焊縫側面的中部。坡口形狀以及母材厚度不同的含缺陷的試樣建模結果如圖1所示。

圖1 不同類型的焊縫建模

1.2 掃查方式的選擇及角度設置

超聲相控陣線掃描由于探頭晶片總數量的限制，其電子掃查的范圍有限，單次掃查能夠覆蓋焊縫的區域較小。如圖2所示，線掃描聲束角度與被檢缺陷垂直，即便是改變探頭位置也能得到較好的回波，但圖中很明顯，線掃描聲束覆蓋范圍很小。而扇形掃查由于在其所形成的角度范圍內聲束成扇面擴散，因此在焊縫檢測時聲束覆蓋范圍較大，但焊縫中每一個位置的聲束角度都是不一樣的。如單次掃查扇掃描聲束對焊縫有較大比例的覆蓋，然而當改變探頭位置時，會使方向性較強的缺陷回波情況發生較大變化。所以在進行焊縫初始檢測的時候，使用的是裝有楔塊的探頭進行扇掃描，掃查路徑是沿平行于焊縫的方向，確保在焊縫的不同側進行不小于2次的掃查。對于初始掃查發現的有方向性的缺陷可利用線掃描進行針對性檢測。

圖2 掃描示意圖

本次試驗除需考慮不同角度的聲束是否滿足擴散尺寸的要求，還應考察各個角度的聲束是否滿足靈敏度的要求。隨偏轉角度的不同聲束經過楔塊的聲程不同以及不同角度的聲壓往復透射率不同，因此會產生各個角度的靈敏度不同。檢測前進行角度增益補償時也同時增加了噪聲的水平，因此，推薦以自然入射角度為基準，補償不超過6 dB的角度聲束可用于檢測。參考圖3，推薦焊縫橫波檢測時可用的聲束角度范圍為35～75°。

圖3 帶角度楔塊角度偏轉極限測試結果

1.3 探頭的選擇及孔徑大小的設置

當加裝橫波斜楔塊時影響可偏轉方向上聲束截面尺寸的因素有：激發晶片數量、偏轉角度及聚焦設置。當進行焊縫檢測時，為保證聲束在檢測區域內有較好的分辨力，應對不同厚度工件檢測時的激發孔徑大小進行規定。根據CIVA仿真試驗結果，當聚焦深度設置為200 mm時(可認為不聚焦)，以-6 dB的聲束截面尺寸≤10 mm為基準，假設50 mm以下可以使用一次反射波，則可以得到的結果如表1所示。

表1 不同工件厚度推薦的激發晶片數量

偏轉角度大于聲束自然角度時，角度越大聲束擴散隨深度的增加越嚴重，因此，利用表1進行相控陣檢測工藝設計時，應盡量縮短大角度聲束的聲程，即在保證對焊縫良好覆蓋的前提下，盡量縮短探頭前沿離開焊縫中心的距離。然而表1數據是基于某一特定規格的探頭及楔塊組合的試驗結果，如果變換不同的探頭參數，如使用32晶片探頭(頻率、陣元間距等參數不變)，由于與其匹配的橫波斜楔塊的規格差異，會導致激發相同數量的晶片經過楔塊的聲程不同，從而聲束在工件中的-6 dB截面尺寸不同。

為保證焊縫檢驗時用于覆蓋被檢區域的聲束有較好的分辨力，應對擬使用的儀器及探頭組合進行測試并繪制曲線，利用該曲線輔助進行工藝設計。推薦曲線的繪制方法如下：利用不同深度的Φ2 mm長橫孔，對儀器及探頭加楔塊組合的-6 dB聲束擴散情況進行測試。測試時不做聚焦設置，分別激發常用的晶片數量(如4、8、16、32等)，并在常用的角度范圍內變換不同的角度進行測試(建議角度間距不大于5°)。將測試結果填入表中，可直接在表中用平滑曲線描繪處不同角度滿足聲束擴散尺寸小于10 mm的最大深度和最小深度(如圖4)，也可用更精確的坐標進行繪制。

圖4 焊縫檢測可用聲程范圍測試示意圖

1.4 缺陷響應

使用中心頻率為5 MHz的相控陣探頭改變楔塊角度以及陣元數量對20 mm深鋼板“V”型坡口焊縫裂紋缺陷進行檢測，檢測結果如圖5所示。圖5(a)、5(b)顯示，當斜探頭K值為1.2時，聲束覆蓋范圍較大，在焊縫中下部的聲束能量較高。圖5(c)、5(d)顯示，當陣元數目為32時，檢測靈敏度雖有提高但由于焊縫區域的粗晶結構背景噪聲同時提高。因此當被檢焊縫母材的板厚較薄時應選擇陣元數較少配置大角度楔塊進行檢測， 當被檢焊縫母材的板厚較厚時選擇陣元數較多配置小角度楔塊進行檢測。

圖5 T=20 mmV型坡口，中部裂紋

確定不同厚度的母材板厚檢測參數后，對焊縫母材的板厚為20 mm坡口形狀為“V”型和“X”型以及焊縫母材的板厚為60 mm坡口形狀為“U”型、“X”型和雙“U”型的焊縫裂紋以及未熔合兩種典型缺陷進行仿真分析。本試驗表中紅色數據為相控陣探頭仿真檢測波幅當量，藍色數據為波幅當量低于定量線。對于20 mm厚度的焊縫，常規超聲和相控陣都能很好地檢測出裂紋缺陷，未熔合缺陷的常規超聲檢測效果要比相控陣好。在對60 mm厚度的焊縫進行檢測的時候，兩種檢測的大致檢測效果相同，但在檢測U型坡口焊縫時，常規超聲的兩個K值探頭都在檢測未熔合缺陷時出現了漏檢。綜合檢測結果可以發現，對于像未熔合這類面狀缺陷，相控陣的檢出率大于常規超聲，總體檢出率也較高，而且對于厚度較大的工件，超聲相控陣的優勢就更加明顯。

表2 CIVA模擬焊縫缺陷檢測數據

2 檢測試驗

2.1 檢測工藝選擇

本試驗的試件選擇16塊含有不同缺陷的對焊接試板，對其分別進行3次常規超聲檢測試驗、5次超聲相控陣檢測試驗，使用的儀器包括Omniscan-MX、Omniscan-MX2及Isonic-2009設備。對試驗結果的評判，缺陷性質及長度以射線檢驗結果為基準。如表3所示，對于5次超聲相控陣的檢測，本試驗制定了不同的檢測工藝。

2.2 檢測結果

表4是對16塊對焊接試板多種不同典型缺陷的檢測結果統計。由于相控陣超聲具有較高的聲束能量以及偏轉聚焦的優勢，檢測結果直觀可視，因此相控陣超聲對不同典型缺陷的檢出率高于常規超聲。圖6顯示除對夾渣類缺陷外，相控陣檢測對缺陷的檢出率整體情況略高于常規超聲波檢測， 而對于氣孔以及橫向裂紋這兩類缺陷，常規超聲與相控陣對其的漏檢率都較高。在對所有缺陷的兩次檢測中，常規超聲的檢驗總共121人次，其中僅有1人次的缺陷誤判，誤判率為0.83%，超聲相控陣的檢驗總共182人次，其中有1人次的缺陷誤判，誤判率為0.55%。

圖6 常規超聲與相控陣對缺陷的檢出情況對比

圖7為常規超聲、相控陣超聲以及射線檢測3種方法對16塊焊接試板中的氣孔、夾雜、未熔合、未焊透、縱向裂紋等典型缺陷進行長度測量對比。缺陷的底片數據有射線檢測得出，對相同缺陷的射線底片測量長度相加得到各個缺陷的底片總長。對于常規超聲與超聲相控陣的檢測數據，也是同樣將同類型的缺陷測長相加，將所有檢測人次對于同一缺陷的測量長度處于檢測人員數目，以此來表示該測量方法對于這類缺陷的測量總長。例如在常規超聲檢測中，對于第一個未熔合缺陷有3人次參與檢測，其中有2人檢測出缺陷并能進行測長，測長結果分別為8 mm與10 mm，在對與這個缺陷記錄長度為(8+10)/2=9 mm，然后對每個未熔合缺陷進行長度記錄，相加得到常規超聲對于未熔合缺陷的測長結果。從圖7可以看出，對于氣孔類缺陷，超聲相控陣的檢測結果與射線結果相差不大，二者的測長結果都比常規超聲檢測結果大；對于焊縫夾渣這類缺陷，常規超聲檢測結果與射線相當，相控陣的測長結果比它們都大；對于焊縫未熔合，常規超聲、相控陣、射線檢測的測長結果成階梯狀依次上升，射線檢測的測長結果最高；對于焊縫未焊透，三者檢測結果差異較小，常規超聲及相控陣測長結果略小于射線測長的結果；對于焊縫的縱向裂紋，常規超聲與相控陣的測長結果都比射線的測長結果大，其中常規超聲的測長結果小于相控陣的。

表3 工藝參數的選擇

表4 板對接焊縫缺陷檢出情況統計

圖7 不同檢測方法對缺陷長度測量對比

3 檢測結果分析

3.1 漏檢情況分析

超聲相控陣對于焊縫缺陷檢測存在大量的漏檢情況，造成缺陷在檢測人員進行檢測的過程中未進行記錄的原因有很多種，本文對于漏檢情況分成3類進行研究：

1)絕對漏檢。絕對漏檢是指缺陷部位在相控陣圖像上沒有缺陷的顯示。

2)相對漏檢。相對漏檢是指缺陷部位在相控陣圖像上有顯示，但是其波幅和長度均不超標(依據JB/T4730.3-2005，Ⅰ級合格)。

3)漏評。漏評是指由于檢測人員的主觀原因導致在評圖的過程中沒有對缺陷進行評定。

根據上述對于缺陷漏檢的分類，對于不同類型的缺陷超聲相控陣檢測漏檢情況如表5所示。

表5 缺陷漏檢情況分類統計

(1)點狀缺陷漏檢情況分析：本次試驗的試板中有兩種點狀缺陷，一種是多點聚集的氣孔，一種是在焊接中加入短圓柱的異物。對于群孔缺陷，本次試驗中相對漏檢居多，圖8為相對漏檢實例，其回波幅度不高，寬度較大，與常規超聲檢測結果一致。并且由于氣孔表面光滑，所以對各個方面檢測的回波值基本一致，而對于加入的短圓柱異物，由于柱面表面與檢測面垂直或平行，所以聲束很難有反射面，從而造成了多次絕對漏檢。

圖8 群孔相對漏檢實例

(2)條狀缺陷漏檢情況分析：本次試驗對于條狀缺陷的漏檢情況主要是對于條狀夾渣的漏檢， 從檢測結果可以看出，由于對某一缺陷的兩人次的漏檢，導致相控陣的檢出率低于常規超聲。此處缺陷的掃查圖像如圖9所示，從圖中可以看出缺陷位置處的回波信號較低低于評定定量線。

圖9 相控陣對夾渣類缺陷漏檢實例

(3)未熔合缺陷漏檢情況分析：對于未熔合缺陷，本次試驗存在兩人次的缺陷漏評，主要原因是因為未熔合缺陷為面狀缺陷，檢測角度會對其檢測效果造成很大的影響，如圖10所示，對于此類缺陷的檢測需要多角度掃查，因為它一般只有在一側有明顯的缺陷回波。

圖10 未熔合缺陷漏檢實例

(4)縱向裂紋漏檢情況分析：對于縱向裂紋，本試驗僅有一次漏評，漏評位置的掃查圖像如圖11所示，從圖中可以看出缺陷僅在單側掃查明顯，造成這個缺陷被漏檢的主要原因是評圖人員的疏忽。

圖11 縱向裂紋漏檢實例

(5)橫向裂紋漏檢情況分析：對于橫向裂紋缺陷，從表5可以看出本次試驗對于其的漏檢率比較高，主要原因是裂紋缺陷的延伸方向不固定，在進行超聲相控陣掃查時，聲波沒有固定的反射面，在圖像上顯得比較松散，與群孔類缺陷類似，在實際檢中更應著重進行分類。如圖12所示，對于同個缺陷，不同角度對其進行的掃查呈現的掃描圖像不一致，并且缺陷波幅都不高，達不到判別為缺陷的標準。

圖12 縱向裂紋漏檢實例

3.2 誤判情況分析

本次試驗存在的唯一一次誤判情況是將焊縫根部的結構反射波誤判為點狀缺陷，如圖13所示。相控陣檢測對于回波信號的分析主要是基于聲束對焊縫模擬覆蓋，當掃查過程與預定的掃查軌跡有較大的偏離時，對造成對回波信號的誤判。

圖13 相控陣誤判情況實例

3.3 測長情況分析

3.3.1 與常規超聲檢測比較

與常規超聲檢測測長結果相比，無論對于哪種類型的缺陷，超聲相控陣的檢測結果都較大，分析得到兩個原因：

1)缺陷對聲束的反射情況：對于面狀型缺陷(如未熔合)，缺陷檢測情況受角度影響很大，如圖14所示，同一缺陷當探頭的擺放位置不同時，缺陷的回波信號差異較大，而對于相控陣測長是采用絕對靈敏度法，缺陷回波信號的差異會導致測長的誤差。相控陣相對于常規超聲的檢測角度多，所以測量的長度也較大。

圖14 不同的探頭擺放位置對缺陷回波的影響

2)非偏轉方向聲束擴散情況：超聲相控陣在檢測焊縫時均采用縱波直探頭配置上角度楔塊來實現，由于楔塊的存在所以聲束在楔塊中存在聲程，比常規超聲探頭有更長的聲程，聲程越長會導致其聲束的擴散范圍也越大。因此，在同樣-6 dB處相控陣的聲場擴散范圍要比常規超聲大，所以測長結果也大。

3.3.2 與射線檢測比較

與射線檢測相比，超聲相控陣對于縱向裂紋的測長結果較大，這是由于裂紋擴展的復雜性，裂紋尾部尖端的間隙較小，所以很難被射線檢測到，但是在用超聲進行檢測時，超聲波卻會在此處產生衍射回波，所以射線檢測的測長結果要小于超聲相控陣的。而對于未熔合這種面狀型缺陷，超聲相控陣對其的測長結果比射線檢測的結果要小，這是由于它是屬于方向性較強的面狀缺陷，聲束角度對缺陷回波影響較大，從而影響測長的結果。

4 結束語

本文對焊縫進行CIVA仿真及試驗，首先仿真研究了不同厚度的“V”型、“X”型與“U”型焊縫的缺陷檢測結果，研究發現應當使用扇掃對于焊縫檢測，聲束角度為35～75°，對于裂紋缺陷常規超聲與相控陣都能很好檢出，對于未熔合缺陷工件越厚相控陣的優勢越明顯。然后試驗檢測16塊不同的對焊試件，對比常規超聲檢測結果與超聲相控陣結果，得到以下結論：

1)對于對接焊縫缺陷的檢測，超聲相控陣的檢測漏檢率低于常規超聲的檢測結果。點狀缺陷是由于其分布分散，回波高度不高造成漏檢；未熔合缺陷是由于它是面狀方向性缺陷，所以當聲束與缺陷垂直程度較差則回波較低造成漏檢；縱向裂紋由于其擴展的復雜性，所以掃查時聲波沒有很好的反射面，回波幅度較低，所以容易造成漏檢。

2)通過檢測試驗的對比分析，超聲相控陣對于缺陷檢測的測長情況比常規檢測的結果大。超聲相控陣檢測中，探頭位置的不同會導致聲束覆蓋缺陷的位置不同，當聲束與缺陷垂直程度較差則回波較低，而本次比對試驗相控陣統一采用絕對靈敏度法測長，所以回波信號較低會導致測長誤差增大。而且超聲相控陣檢測使用楔塊，聲束在楔塊存在的聲程比常規超聲探頭的零偏大，所以在同樣的-6dB處超聲相控陣的聲場擴散范圍比常規超聲大，對缺陷的測長也更大。

3)在進行焊縫的超聲相控陣檢測時，應對焊縫進行兩側以上的掃查，對每個檢測區域實現至少兩次的聲束覆蓋，從而使聲束全覆蓋試件內部，并且實現對缺陷多方向的有效檢測，最終實現提高缺陷的檢出率，保障設備的使用安全。