T型焊縫相控陣檢測

鄭紅霞，商振強

（1.天津誠信達金屬檢測技術(shù)有限公司，天津 300384；2.神華國能大港發(fā)電廠，天津 300272）

1 概述

T型焊縫是一種較為常見的焊縫結(jié)構(gòu)形式，利用常規(guī)超聲檢驗時最大的難題是較難判斷回波位置，尤其是當(dāng)焊縫金屬高出掃查面時，更是難以判斷出缺陷回波與焊縫表面回波。而相控陣技術(shù)可以利用電子掃描使聲束對焊縫區(qū)域進行全覆蓋，且通過模擬焊縫形式可以較直觀地分析回波位置，相控陣形成的各種視圖可以對焊縫中的異?；夭ㄒ荒苛巳?。國內(nèi)外已有多篇文獻針對利用相控陣對T型焊縫及復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫進行檢測的報道［1－2］。但這些報道都沒有對T型焊縫檢驗的最佳位置進行詳細探討。筆者通過試驗及理論分析，討論了從不同的掃查面對T型焊接接頭進行相控陣檢測時的缺陷的檢出情況。

2 試驗內(nèi)容及試驗方案

2.1 試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容是利用相控陣技術(shù)解決常規(guī)超聲波難以全面檢驗的T型焊縫問題。探討利用相控陣方法對T型焊縫檢驗時的最佳檢驗位置，以及最佳參數(shù)。

2.2 試驗方案

2.2.1 試驗條件

試驗制作了兩塊T型焊縫試件，一是腹板厚度10mm＋翼板厚度10mm，單V坡口的T型焊縫；另一是腹板厚度30mm＋翼板厚度30mm，K型坡口的T型焊縫。每塊試件中均包含了多個不同類型的缺陷。

選用Omniscan MX2相控陣設(shè)備，SA11－5L32（頻率5MHz、32晶片、晶片間距0.6mm）相控陣探頭。

2.2.2 檢測工藝的制定

加裝橫波斜楔塊時，相控陣TCG校準參照JB／T 4730.3《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準，采用CSK－ⅢA試塊進行。對每個試件從不同位置進行檢測（圖1），以確定T型焊縫相控陣檢驗的最佳位置。其中①、②位置使用折射角55°的橫波斜楔塊，采用扇掃描進行檢測，位置③使用0°直楔塊進行縱波檢測。

圖1 T型焊縫相控陣檢測位置示意

用Esbeam tool軟件對不同檢測位置，聲束對焊縫的覆蓋情況進行模擬，以找到最佳的探頭位置。

通過對加裝橫波斜楔塊的聲場的測試試驗［4］，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激發(fā)8～16個晶片時，探頭適用于厚度小于10mm的工件直射波及二次波檢測；當(dāng)工件厚度大于20mm時，視情況激發(fā)16～32個晶片。

試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)置的聚焦深度在近場區(qū)范圍內(nèi)時，將產(chǎn)生真正的“聚焦”，聲束在工件內(nèi)的聲場形狀為“X”型，且偏離焦點位置的聲束迅速擴散，這樣不利于焊縫檢測時大范圍掃查［3］。當(dāng)設(shè)置的焦點深度在近場區(qū)范圍外時，聲束在工件中間產(chǎn)生“聚束”效果，此時沒有真正的焦點；聲場形狀為“V”型，且設(shè)置焦點深度越小，“聚束”效果越好。因此，為避免在工件中產(chǎn)生X型聲場，且使工件中的聲束得到最好的“聚束”效果，檢測時考慮將聚焦深度設(shè)置為所利用聲場的最大深度處，如使用直射波檢測，則聚焦深度設(shè)置為T，使用一次波及一次反射波檢測則聚焦深度設(shè)置為2T等等。

基于以上討論，對該兩個試件不同檢驗位置的工藝參數(shù)設(shè)置如表1，檢測位置示意圖見圖1。

表1 試件的檢測工藝設(shè)置

對如表1所示的不同試件不同位置，聲束對焊縫金屬的覆蓋情況如圖2，3所示。

圖2 10mm×10mmT型焊縫腹板與翼板檢測示意圖

圖3 30mm×30mmT型焊縫腹板與翼板檢測示意圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 模擬試件缺陷情況

對制作的模式焊縫依照JB／T 4730.2《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》標準及JB／T 4730.3進行常規(guī)超聲及射線檢測，并對結(jié)果進行綜合分析，力求接近真實地反映試件中的缺陷情況。檢測結(jié)果如表2所示。

表2 模擬試件缺陷情況表

3.2 相控陣檢測結(jié)果及分析

相控陣檢測結(jié)果如表3所示，表中90°，270°為檢測位置，可參考圖1。

（1）翼板橫波檢測情況分析

從表3的相控陣試驗結(jié)果看，無論是對K型坡口還是單側(cè)V型坡口的T型焊縫，利用橫波在工件翼板進行扇形掃查時具有最好的檢出率。且該位置檢測可對焊縫形式進行較好的模擬，使缺陷回波顯示在真實的位置（圖4（a））。

然而，聲束方向與缺陷反射面的垂直程度會影響缺陷回波的高低，這是所有脈沖反射法超聲檢測所不能避免的問題。圖4（b）為10mm×10mmT型焊縫的未焊透缺陷的90°掃查圖像，比較圖4（a）與4（b）可以看出，在相同的靈敏度下對同一缺陷，從不同方向掃查得到回波高度相差15dB。

另外，該位置檢測回波情況較為簡單，部分直射波沒有進入焊接金屬，而被翼板底面反射的回波（小角度部位）又進入了翼板母材，而母材中一般不會出現(xiàn)缺陷；部分直射波進入焊縫金屬；對側(cè)的焊縫外表面反射波回到焊縫金屬遇到缺陷形成的回波，其回波位置會顯示在焊縫覆蓋圖像之外，因此不會干擾缺陷位置判斷。

表3 相控陣檢測結(jié)果

圖4 10mm×10mmT型焊縫未焊透缺陷翼板相控陣檢測圖像

（2）腹板橫波檢測情況分析

從表3看，腹板檢測時，對10mm×10mmT型焊縫的未焊透缺陷在單側(cè)檢測時出現(xiàn)漏檢，而檢出的掃查位置的缺陷信號也不是很直觀（圖5）。

圖5 10mm×10mmT型焊縫未焊透缺陷相控陣檢測圖像（腹板270°掃查）

從圖2（b）中可以看出，單側(cè)V型坡口在腹板檢測時，很難對焊縫有較好的覆蓋。且回波聲束路徑較復(fù)雜，圖像中缺陷信號與非缺陷信號較難區(qū)分。另外，由于掃查路徑與預(yù)設(shè)路徑有一定的偏離，因此對于厚度較小的焊縫，掃查路徑的偏離對缺陷位置的顯示有較大影響（圖5中即是由于掃查偏離預(yù)設(shè)路徑，導(dǎo)致未焊透缺陷并未顯示到焊縫根部）。

對于K型坡口，由于其兩側(cè)對稱，較容易對焊縫進行模擬聲束覆蓋，缺陷回波較容易判斷。然而從試驗結(jié)果可見，檢測腹板時，同一缺陷的回波高度差別較小，這是由于腹板從兩面進行掃查時，焊縫中同一位置覆蓋的聲束夾角較?。▍⒖紙D2（b），3（b）），對于回波指向性較強的缺陷兩側(cè)掃查會得到大致相同的反射情況。這不利于對不同方向性的缺陷的檢出。

（3）翼板縱波檢測情況分析

從檢測結(jié)果中看，采用縱波對翼板進行檢測時，漏檢率較高。由于未熔合缺陷方向性較強，而單方向的掃查很難使聲束與坡口的角度垂直，因此這種檢測方式不利于未熔合類缺陷。

而縱波波長較長，聲波在裂紋尖端一般產(chǎn)生衍射而非反射；而衍射信號較弱，脈沖回波的方式較難接收到，因此，縱波掃查方式不利于裂紋類缺陷的檢出。

未焊透類缺陷的反射面與檢測面平行，其回波指向性較強；當(dāng)用縱波扇形掃查進行檢測時，偏轉(zhuǎn)角度較大的位置若有未焊透缺陷，則很難接收到反射信號，因此，工藝10－Z－Y未能有效地檢出嚴重的未焊透缺陷（圖2（c））。

4 結(jié)論

（1）對于T型焊縫中的各類缺陷，最有效的相控陣檢測方式是采用橫波斜入射對翼板進行掃查。

（2）對于T型焊縫，在腹板進行相控陣扇形掃查時，由于兩側(cè)掃查聲束夾角較小，對特定方向的缺陷易產(chǎn)生漏檢。

（3）與常規(guī)縱波直探頭不同，用縱波相控陣對T型焊縫，在翼板進行扇形掃查時，對偏離0°角位置的較大的未焊透缺陷，易產(chǎn)生漏檢。

［1］ 范光錢，劉麗川.油罐T型角焊縫的超聲相控陣檢測技術(shù)［J］.石油化工設(shè)備，2008，37（6）：16－19.

［2］ 劉婧.超聲相控陣T型焊縫缺陷檢測技術(shù)的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［3］ 孫忠波，強天鵬.超聲相控陣系統(tǒng)的聚焦特性研究［J］.無損檢測，2012，34（10）：26－30.