T形焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)方法研究

姜學(xué)平 李傳玉 孫 磊 余新海 余世宏 朱 琪 楊 訓(xùn)

1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程有限公司 安徽 合肥 230088；

2. 河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 江蘇 常州 213022

中厚板T形焊接接頭廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備、海洋平臺(tái)和建筑結(jié)構(gòu)中，如工字鋼、環(huán)板、吊點(diǎn)、半圓管等受力結(jié)構(gòu)件。由于其結(jié)構(gòu)特殊、幾何形狀復(fù)雜等原因，施焊較困難，在焊接過(guò)程中常出現(xiàn)未焊透、坡口未熔合等缺陷，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用安全，所以對(duì)檢測(cè)提出了更高的要求。表面和近表面檢測(cè)技術(shù)不能檢出內(nèi)部缺陷，射線檢測(cè)受幾何結(jié)構(gòu)的限制，也較難有效檢測(cè)出這些內(nèi)部缺陷，尤其是危害性較大的面積狀缺陷。為此，人們發(fā)展了各種超聲檢測(cè)技術(shù)。如NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》在附錄M中對(duì)采用常規(guī)超聲檢測(cè)的參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，GB/T 11345—2013《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》附錄A中規(guī)定了不同厚度的該類焊縫檢測(cè)中，探頭及其位置的選擇。姚志忠[1]從檢測(cè)靈敏度、特殊波形、典型缺陷探傷等方面進(jìn)行了深入探討。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)由于檢測(cè)靈活可靠、檢測(cè)結(jié)果可記錄等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，被越來(lái)越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中[4-5]。鄭紅霞等[6]采用斜入射橫波從翼板和腹板位置進(jìn)行檢測(cè)，孫萬(wàn)紅等[7]在焊縫中制造刻槽和通孔等標(biāo)準(zhǔn)人工反射體，然后從腹板側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，可以很好地檢測(cè)出缺陷。這些研究為相控陣超聲檢測(cè)T形焊接接頭提供了依據(jù)。

本文根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求，制作模擬缺陷試塊，進(jìn)行檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)和仿真，采用按幾何結(jié)構(gòu)顯示檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)合理設(shè)計(jì)檢測(cè)探頭，從翼板背側(cè)采用縱波直探頭進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)接收衍射回波進(jìn)行缺陷定量，與斜入射橫波檢測(cè)結(jié)果吻合，進(jìn)一步發(fā)展了相控陣超聲檢測(cè)T形焊接接頭的技術(shù)。本文的研究對(duì)T形焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)方法研究和工藝設(shè)計(jì)提供了重要參考。

1 待檢測(cè)工件情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求，研制T形接頭模擬試塊，其中有埋藏裂紋和坡口未熔合缺陷。坡口和腹板、翼板厚度等如圖1所示，缺陷布置如圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)制作的T形角焊縫坡口示意

圖2 T形焊接接頭缺陷布置

2 檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)和仿真

對(duì)該焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，從3個(gè)位置采用不同的方法檢測(cè)：從翼板正面進(jìn)行相控陣超聲扇形掃描檢測(cè)；從腹板側(cè)進(jìn)行相控陣超聲扇形掃描檢測(cè)；從翼板背面利用縱波直射脈沖反射法進(jìn)行電子掃描檢測(cè)。

在翼板上進(jìn)行相控陣超聲扇形掃描（圖3），掃描角度范圍為42°～60°，角度步進(jìn)0.5°。相控陣超聲探頭有32個(gè)陣元，中心頻率5 MHz，陣元間距0.5 mm，楔塊傾角36°，縱波聲速2 337 m/s，檢測(cè)中所用陣元數(shù)9～24個(gè)。

圖3 在翼板上進(jìn)行扇形掃描仿真

由圖3可見(jiàn)，采用一次反射波，42°～60°范圍進(jìn)行扇形掃描，聲束可以有效覆蓋接頭焊縫部分。

從腹板側(cè)進(jìn)行扇形掃描得到仿真圖（圖4）。由圖4可見(jiàn)，在腹板上采用直射波和一次反射波，38°～74°范圍進(jìn)行扇形掃描，聲束可以有效覆蓋接頭焊縫部分。

圖4 在腹板上進(jìn)行扇形掃描仿真

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 中間裂紋缺陷設(shè)計(jì)和檢測(cè)

中間裂紋缺陷A設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5所示，缺陷長(zhǎng)35 mm。在翼板正面進(jìn)行相控陣超聲扇形掃描可以得到明顯的缺陷回波信號(hào)，如圖6所示，從檢測(cè)圖像上測(cè)量缺陷長(zhǎng)35.5 mm。

圖5 中間裂紋缺陷

圖6 中間裂紋缺陷檢測(cè)結(jié)果

采用扇形掃描，聲束從多個(gè)角度經(jīng)反射與缺陷相互作用，缺陷延伸方向與聲束所成角度偏離90°，較大；缺陷在聲束的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍，因聲束有一定的擴(kuò)散角，而缺陷高度又相對(duì)較小，約為檢測(cè)聲波波長(zhǎng)的0.7倍，所以扇形掃描圖上看到缺陷的尺寸大于實(shí)際尺寸，使得缺陷高度的定量存在偏差。但因缺陷較小，當(dāng)聲束軸偏轉(zhuǎn)至缺陷中心時(shí)，反射聲波能量最大，對(duì)應(yīng)波幅最高，所以缺陷中心的定位比較準(zhǔn)確。在檢測(cè)中建議對(duì)缺陷進(jìn)行定量、定位和定性時(shí)，結(jié)合缺陷掃描等多種信息給出最終結(jié)果。掃描過(guò)程中，因探頭移動(dòng)方向與缺陷的長(zhǎng)度延伸方向一致，所以通過(guò)幅度濾波測(cè)量缺陷長(zhǎng)度，其結(jié)果為35.5 mm，與設(shè)計(jì)尺寸吻合。

3.2 腹板側(cè)坡口未熔合

腹板側(cè)坡口未熔合缺陷B設(shè)計(jì)參數(shù)如圖7所示，長(zhǎng)30 mm，自身高度3 mm。在翼板正面進(jìn)行相控陣超聲扇形掃描（圖8），測(cè)量缺陷實(shí)際尺寸：深度－8.1 mm，范圍為177.3～209.9 mm，長(zhǎng)32.6 mm，與設(shè)計(jì)吻合。這是因?yàn)椴捎脵M波檢測(cè)過(guò)程中，聲束和缺陷角度接近垂直，因此可以有效檢測(cè)出缺陷。而當(dāng)探頭置于另一側(cè)時(shí)，由于聲束和缺陷夾角過(guò)小，故不能有效檢測(cè)出缺陷。

圖7 腹板側(cè)坡口未熔合

圖8 翼板側(cè)坡口未熔合檢測(cè)結(jié)果

在腹板上進(jìn)行相控陣超聲扇形掃描（圖9），測(cè)量缺陷實(shí)際尺寸：深度－8.1 mm，范圍為177.3～208.5 mm，長(zhǎng)31.2 mm，與在腹板正面的檢測(cè)結(jié)果、設(shè)計(jì)尺寸及位置一致。這時(shí)，一次波與反射波在缺陷處的回波信號(hào)相互疊加，使得缺陷的輪廓更加清晰，方便缺陷的精確定量，這也體現(xiàn)了采用幾何結(jié)構(gòu)顯示比較直觀的優(yōu)越性。若采用聲程法顯示，則顯示缺陷的尺寸會(huì)比較大，需要檢測(cè)人員綜合其他信息進(jìn)行綜合判斷。

圖9 腹板側(cè)坡口未熔合檢測(cè)結(jié)果

最后，在翼板背面用相控陣超聲電子掃描，縱波聲束垂直入射，相控陣超聲探頭晶片數(shù)量64個(gè)，中心頻率5 MHz，陣元間距0.8 mm，單次激發(fā)20個(gè)陣元，聚焦在22 mm深度處，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10 T形接口的背面電子掃描

在圖10中，中部邊上2條粗黑線是聲束輻照在焊縫外面的底面反射回波，從這2條線可以確定焊縫位置。其中圖10（a）為裂紋的檢測(cè)結(jié)果，由于裂紋較小，所以回波信號(hào)比較??；圖10（b）為坡口未熔合的檢測(cè)結(jié)果，缺陷的2個(gè)回波信號(hào)為衍射信號(hào)，由于聲波和缺陷有一定的角度，探頭接收不到反射波。測(cè)量坡口未熔合的長(zhǎng)度為31 mm，與橫波檢測(cè)結(jié)果吻合。由此可見(jiàn)，采用縱波直入射法檢測(cè)，當(dāng)缺陷垂直于聲束時(shí)，可以明顯看到缺陷的反射波，而當(dāng)缺陷與聲束角度不垂直甚至偏差較大時(shí)，可以通過(guò)接收缺陷的衍射波檢出缺陷。所以通過(guò)合理設(shè)計(jì)檢測(cè)探頭和相關(guān)參數(shù)，在翼板背面對(duì)應(yīng)焊縫的位置采用縱波直探頭進(jìn)行缺陷檢測(cè)，可以有效檢測(cè)出缺陷。

綜上所述，對(duì)T形焊縫的檢測(cè)，可以綜合橫波斜入射和縱波直入射法進(jìn)行檢測(cè)?？v波檢測(cè)可以接收到反射波和衍射波，提高缺陷的檢出率，但對(duì)缺陷定性、定位和定量則需要結(jié)合橫波斜入射的檢測(cè)結(jié)果。所以對(duì)于T形焊縫的檢測(cè)，建議先采用縱波直入射法進(jìn)行初次掃描，探測(cè)是否存在缺陷及其位置，然后采用橫波扇形掃描對(duì)缺陷進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)和評(píng)判，在提高缺陷檢出率的同時(shí)，提高檢測(cè)效率，減少檢測(cè)工作量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文制作T形焊接接頭的模擬缺陷試塊，分別從腹板和翼板正面采用相控陣超聲斜探頭橫波扇形掃描檢測(cè)，對(duì)聲束覆蓋檢測(cè)區(qū)域情況進(jìn)行仿真，繼而進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)和缺陷定量，這2種檢測(cè)方法得到的結(jié)果與缺陷設(shè)計(jì)尺寸吻合。最后創(chuàng)新性地采用縱波聚焦聲束電子掃描法從翼板背面進(jìn)行檢測(cè)和缺陷定量，發(fā)現(xiàn)采用縱波電子掃描可以提高缺陷的檢出率。建議檢測(cè)中先進(jìn)行縱波電子掃描檢測(cè)找到缺陷及其位置，再采用扇形掃描等方法進(jìn)行缺陷的定量、定位和定性。同時(shí)，采用按照幾何結(jié)構(gòu)顯示的檢測(cè)結(jié)果，可以使反射波和直射波檢測(cè)信號(hào)在缺陷位置疊加，使缺陷更加直觀、缺陷輪廓更加清晰，有利于缺陷定量和定性。所以，采用相控陣成像方式可以確定缺陷的位置、大小等，幫助檢測(cè)人員對(duì)缺陷進(jìn)行定性。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用線性掃描，檢測(cè)效率高。電子掃描可以明顯看出焊縫位置，有助于檢測(cè)人員確定缺陷情況。