關(guān)于厚壁焊縫TOFD 檢測分區(qū)的討論

周鳳革，牟乃智，趙振南

用TOFD 檢測厚壁焊縫時(shí)，應(yīng)采用多對TOFD探頭分區(qū)檢測。在JB/T 4730 標(biāo)準(zhǔn)、CEN/TS 14751標(biāo)準(zhǔn)中，對于厚度大于50 mm 的焊縫，TOFD 檢測應(yīng)至少分2 個(gè)檢測區(qū)；同時(shí)，由于在JB/T 4730 和ASME 2235 中明確規(guī)定焊縫檢測區(qū)域應(yīng)包括焊縫、熱影響區(qū)及鄰近的一部分母材，這就對TOFD 檢測系統(tǒng)的有效檢測寬度提出要求。

1 焊縫深度上的分區(qū)方法

關(guān)于厚壁焊縫TOFD 檢測中的分區(qū)檢測問題，國內(nèi)、外標(biāo)準(zhǔn)提出兩種思路：第一種是等深度分區(qū)法。即不考慮探頭尺寸、頻率、波束擴(kuò)散和盲區(qū)等，所分區(qū)域的厚度均相同，根據(jù)厚度和強(qiáng)制性的檢測區(qū)域覆蓋等因素去選擇探頭參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)全深度的檢測，這種方法的代表有CEN/TS 14751；第二種是不等深度分層法。即在確定分層的深度時(shí)考慮探頭參數(shù)、聲束擴(kuò)散和表面盲區(qū)的影響，所分區(qū)的厚度逐漸變化，一般是第一對探頭檢測深度較小，即采用較小的PCS，后面探頭檢測的深度范圍逐漸增大，這種方法的代表為最新版NB/T 47013.10-2015、ASTM2373 和ENV583-6。采用第一種方法分區(qū)計(jì)算及試塊設(shè)計(jì)比較簡單，充分考慮探頭檢測缺陷的深度范圍，檢測效果較好。經(jīng)試塊驗(yàn)證，這種分區(qū)方法在試塊上檢測時(shí)每個(gè)通道的檢測效果都能達(dá)到令人滿意的水平，對各檢測區(qū)間的覆蓋也能被很好地驗(yàn)證。但是采用此分區(qū)方法檢測厚壁焊縫時(shí)需要較大的PCS，此時(shí)近表面區(qū)的直通波一般較弱，有時(shí)上表面的盲區(qū)很大，需要采用其它檢測手段補(bǔ)充檢測。

采用第二種方法在分區(qū)計(jì)算時(shí)需要考慮的因素比較全面，由于第一對探頭的檢測深度范圍較小（一般為40 mm），PCS 較小，上表面的盲區(qū)小，對近表面缺陷的檢測靈敏度高，缺點(diǎn)是其它探頭需要覆蓋的深度范圍較大，在聲束邊緣區(qū)域的檢測范圍內(nèi)信噪比低，檢測厚壁焊縫時(shí)可能出問題。因此，需要調(diào)整探頭參數(shù)，并在試塊上驗(yàn)證。如果對焊縫質(zhì)量的要求是從表面到內(nèi)部越來越嚴(yán)格（如采用AWS 標(biāo)準(zhǔn)電鏟產(chǎn)品），采用這種分區(qū)方法效果較好。

2 深度上分區(qū)的依據(jù)

以確定擴(kuò)散角向固定方向輻射超聲波的特性稱為波束指向性。由于半擴(kuò)散角限定波束范圍，超聲波的能量主要集中在主波束，即2 倍半擴(kuò)散角范圍內(nèi)，只有當(dāng)缺陷位于主波束范圍內(nèi)時(shí)才可以被發(fā)現(xiàn)。

筆者以40 mm 厚工件為例，選用5 MHz、70°、晶片尺寸?6 mm 的縱波探頭，將檢測深度設(shè)置在工件厚度的2/3 處，計(jì)算PCS（見圖1）。

以厚90 mm 工件為例，選用5 MHz、70°、晶片尺寸?6 mm 的縱波探頭及5 MHz、60°、晶片尺寸?10 mm 的縱波探頭，將檢測深度設(shè)置在需檢測區(qū)域的厚度2/3 處，計(jì)算PCS（見圖2）。

圖2 90 mm 厚工件檢測示意圖

以此類推，工件厚度越大，需要的通道數(shù)越多。因此設(shè)定各對探頭中心間距，即檢測深度范圍時(shí)，應(yīng)確保每對TOFD 探頭所檢測區(qū)域與相鄰分區(qū)的檢測區(qū)域，在主聲束-12 dB 的聲束覆蓋深度范圍重疊25%以上，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)深度的有效檢測。

3 工藝參數(shù)的選擇

經(jīng)過計(jì)算可知，按照上表選用極限情況，則不符合-12 dB 的選用要求。因此，每次編制工藝時(shí)應(yīng)根據(jù)各對探頭的有效檢測區(qū)域計(jì)算并用試塊驗(yàn)證。

筆者給出實(shí)際檢測厚度350 mm 以下焊縫時(shí)經(jīng)常使用的設(shè)置參數(shù)（見表2）。

表2 檢測350 mm 以下焊縫時(shí)TOFD 探頭分布情況

雖然實(shí)際檢測參數(shù)與推薦值不符，但無論在理論計(jì)算還是試塊驗(yàn)證均能滿足檢測區(qū)域重復(fù)覆蓋要求。鑒于表1 的分區(qū)數(shù)量在試塊驗(yàn)證時(shí)有時(shí)滿足不了要求，實(shí)際檢測中的分區(qū)通常會(huì)比推薦值多一個(gè)。

表1 推薦采用的TOFD 探頭設(shè)置

4 上、下表面盲區(qū)

TOFD 檢測的上表面盲區(qū)可以在試塊上測試。由于影響上表面盲區(qū)的主要是探頭頻率和PCS，一般在試塊上通過變換探頭頻率和改變聚焦法則（即改變PCS） 就可以調(diào)整上表面盲區(qū)大小。如果選擇高頻探頭（如10 MHz） 和較小的PCS（40～50 mm），可以發(fā)現(xiàn)1 mm 深的表面刻槽，直通波上會(huì)有微弱下沉，此時(shí)可以認(rèn)為盲區(qū)小于1 mm。但該數(shù)據(jù)對實(shí)際檢測沒有意義，原因是工件表面狀況與試塊相差很大，實(shí)際檢測中直通波的變化很劇烈也很頻繁，根本無從確定是否是缺陷造成的。對于近表面的埋藏缺陷，由于脈沖寬度的原因，直通波信號和缺陷的衍射信號必然會(huì)混在一起，即使能發(fā)現(xiàn)缺陷，對缺陷高度測量也會(huì)有很大誤差。因此，筆者認(rèn)為對于表面區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充檢測是必要的。

為解決上表面盲區(qū)的問題，可以按照J(rèn)B/T 4730 利用交流磁軛磁粉檢測和雙晶斜探頭超聲檢測，交流磁軛可以檢出最深2.5 mm 處的?1 mm×6 mm 的短橫孔，雙晶斜探頭可以檢出最淺1.5 mm處的?1 mm×6 mm 的短橫孔，采取這兩種方式進(jìn)行補(bǔ)充檢測，就可以解決因?yàn)镻CS 增大造成的上表面盲區(qū)問題。

TOFD 檢測的下表面盲區(qū)可以用橢圓方程解釋。橢圓之內(nèi)所有點(diǎn)的衍射信號傳播時(shí)間小于2 t，信號可以出現(xiàn)在底波和直通波之間；橢圓之外的所有點(diǎn)的信號傳播時(shí)間大于2 t，信號會(huì)出現(xiàn)在底波之后，即為盲區(qū)。理論計(jì)算的盲區(qū)很小。正常來說，在兩探頭垂直平分面上的缺陷一定能發(fā)現(xiàn)，但實(shí)際測量時(shí)很淺的下表面刻槽也不能檢出。對此，可以用不同深度的刻槽來檢測下表面盲區(qū)。

實(shí)際檢測時(shí)，可以利用偏置掃查方法測量焊縫寬度范圍內(nèi)的下表面盲區(qū)。一般來講，大厚度焊縫均采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊，焊縫下表面很窄，即使不用偏置掃查，下表面盲區(qū)也是可以忽略的。

5 檢測試塊設(shè)計(jì)

對需要分區(qū)掃查的厚壁焊縫，設(shè)置工藝參數(shù)需要在試塊上驗(yàn)證。TOFD 檢測的試塊主要起到以下幾個(gè)方面的作用：調(diào)整檢測的靈敏度，調(diào)整儀器的線性，驗(yàn)證相鄰深度區(qū)域的掃查是否有重復(fù)覆蓋，通過偏置掃查確定檢測是否在焊縫寬度方向上覆蓋，驗(yàn)證檢測工藝的有效性。

試塊應(yīng)依據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮下列因素：

1） 試塊寬度應(yīng)使各對探頭的PCS 達(dá)到要求的聚焦深度，同時(shí)還留有余量；

2） 同一檢測區(qū)內(nèi)的側(cè)孔應(yīng)盡量在試塊的一側(cè)，以便能夠同時(shí)觀察一個(gè)區(qū)域的檢測效果，也方便比較各區(qū)域的覆蓋效果；

3） 由于TOFD 掃查器一般很大（尤其對于多通道設(shè)備），所以試塊一般應(yīng)裝焊引導(dǎo)板，保證邊緣區(qū)側(cè)孔的檢測效果，減輕試塊的重量；

4） 模擬試塊（驗(yàn)證試塊） 可以和對比試塊做在一起，方便比較和設(shè)備調(diào)試，節(jié)約成本；

5） 模擬試塊（驗(yàn)證試塊） 可以采用焊接結(jié)構(gòu)，方便加工人工缺陷；

6） 人工缺陷可以預(yù)埋鎢絲，便于控制缺陷的高度和長度，或者制作出坡口未熔合，還能同時(shí)驗(yàn)證偏置掃查的效果。

6 靈敏度設(shè)置

①檢測前應(yīng)設(shè)置檢測通道的靈敏度。

②靈敏度設(shè)置可在靈敏度調(diào)節(jié)試塊上進(jìn)行調(diào)試。

③當(dāng)采用靈敏度調(diào)節(jié)試塊上的標(biāo)準(zhǔn)反射體設(shè)置靈敏度時(shí)，需要將較弱的衍射信號波幅設(shè)置為滿屏高的40%～80%。

④若工件厚度不大于50 mm 時(shí)，可以直接在工件上進(jìn)行靈敏度設(shè)置。

⑤直接在工件上進(jìn)行靈敏度設(shè)置時(shí)，一般將直通波的波幅設(shè)定到滿屏高的40%～80%；若因工件表面狀況不適合采用直通波或直通波不可見，可將底面反射波幅設(shè)定為滿屏高以上18～30 dB；若直通波和底面反射波均不可用，可將材料的晶粒噪聲設(shè)定為滿屏高的5%～10%作為靈敏度。

7 應(yīng)注意的問題

當(dāng)焊縫厚度較大時(shí)(特別是大于300 mm)，如果按照CEN/TS 14751 檢測的分區(qū)要求，通常檢測上表面第一區(qū)的探頭間距較大，此時(shí)距離上表面較近的缺陷容易被漏掉。如某反應(yīng)器的厚度為340 mm，筒體和焊縫內(nèi)表面有堆焊層，超聲波檢測只能從外表面進(jìn)行，當(dāng)嚴(yán)格按照CEN/TS 14751 的要求分區(qū)檢測時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，但在射線檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)有條狀缺陷顯示，后經(jīng)雙晶探頭手工超聲波檢測，在焊縫距外表面6 mm 處發(fā)現(xiàn)缺陷。經(jīng)過驗(yàn)證是由于第一對探頭的中心距較大，所選參數(shù)對近表面缺陷檢出率較低造成的。后通過在第一區(qū)增加一對高頻70°探頭，避免此類事情的發(fā)生。

故本文對上表面盲區(qū)采用5 MHz，晶片直徑?6 mm 的70°探頭。此外，當(dāng)一對TOFD 探頭的中心間距小于40 mm 時(shí)采用10MHz，晶片直徑?3 mm 的70°探頭，或者當(dāng)一對TOFD 探頭的中心間距小于50 mm 時(shí)，由于兩種情況下均能在試塊上清晰檢測出距表面3 mm，長度40 mm、孔徑?1.5 mm 的橫孔，所以不用對上表面盲區(qū)補(bǔ)充檢測。該設(shè)置參數(shù)的TOFD 探頭檢測與磁粉探傷相結(jié)合能夠消除表面及近表面盲區(qū)問題。但因該設(shè)置下探頭中心間距太近，在實(shí)際中由于焊縫兩側(cè)坡口邊緣蓋冒區(qū)域表面高低不平，如果探頭的耦合接觸效果不理想則難以實(shí)施檢測。

實(shí)際工作中，通常劃分檢測分區(qū)的數(shù)量和使用探頭的數(shù)量都多于標(biāo)準(zhǔn)要求。應(yīng)根據(jù)探頭中心距、頻率、晶片尺寸、角度參數(shù)計(jì)算聲束范圍和重復(fù)覆蓋區(qū)域編制檢測工藝，并通過試塊驗(yàn)證，以免在深度上出現(xiàn)漏檢區(qū)域。

由于一重產(chǎn)品厚度較大且內(nèi)表面都有堆焊層，進(jìn)行TOFD 檢測時(shí)底面波較亂。而在產(chǎn)品技術(shù)條件中要求對堆焊層和堆焊層表面下一定區(qū)域的母材進(jìn)行100%手工超聲波檢測，所以對于厚壁焊縫底面盲區(qū)問題沒有太多經(jīng)驗(yàn)。

在分區(qū)掃查圖像上，有時(shí)中間區(qū)域沒有直通波或底面反射波顯示。對此，在檢測中應(yīng)注意觀察噪聲信號，以免出現(xiàn)耦合不好等問題。

標(biāo)準(zhǔn)和檢測規(guī)程中對分區(qū)和探頭的配置要求僅是通用規(guī)定，實(shí)際檢測時(shí)應(yīng)根據(jù)需要有針對性地設(shè)置、掃查。

在試塊驗(yàn)證時(shí)，不僅驗(yàn)證深度區(qū)域的覆蓋，還應(yīng)進(jìn)行偏置掃查，以確定在焊縫寬度方向上的檢測也滿足要求。

在顯示不同分區(qū)時(shí)，時(shí)間軸上應(yīng)有足夠的重疊量。此時(shí)必須注意同一缺陷的上、下端點(diǎn)可能顯示在不同的區(qū)域。

8 結(jié) 語

TOFD 檢測能力強(qiáng)，缺陷定量精度高，實(shí)際檢測時(shí)，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)要求合理分區(qū)，應(yīng)注意表面盲區(qū)的補(bǔ)充檢測問題，在產(chǎn)品檢測之前應(yīng)在試塊上進(jìn)行靈敏度調(diào)校和驗(yàn)證，對檢測數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)儲(chǔ)存，方便調(diào)取。