T型焊缝相控阵检测

2014-10-25郑红霞商振强

无损检测 2014年3期

郑红霞，商振强

（1.天津诚信达金属检测技术有限公司，天津 300384；2.神华国能大港发电厂，天津 300272）

1 概述

T型焊缝是一种较为常见的焊缝结构形式，利用常规超声检验时最大的难题是较难判断回波位置，尤其是当焊缝金属高出扫查面时，更是难以判断出缺陷回波与焊缝表面回波。而相控阵技术可以利用电子扫描使声束对焊缝区域进行全覆盖，且通过模拟焊缝形式可以较直观地分析回波位置，相控阵形成的各种视图可以对焊缝中的异常回波一目了然。国内外已有多篇文献针对利用相控阵对T型焊缝及复杂结构焊缝进行检测的报道［1－2］。但这些报道都没有对T型焊缝检验的最佳位置进行详细探讨。笔者通过试验及理论分析，讨论了从不同的扫查面对T型焊接接头进行相控阵检测时的缺陷的检出情况。

2 试验内容及试验方案

2.1 试验内容

试验内容是利用相控阵技术解决常规超声波难以全面检验的T型焊缝问题。探讨利用相控阵方法对T型焊缝检验时的最佳检验位置，以及最佳参数。

2.2 试验方案

2.2.1 试验条件

试验制作了两块T型焊缝试件，一是腹板厚度10mm＋翼板厚度10mm，单V坡口的T型焊缝；另一是腹板厚度30mm＋翼板厚度30mm，K型坡口的T型焊缝。每块试件中均包含了多个不同类型的缺陷。

选用Omniscan MX2相控阵设备，SA11－5L32（频率5MHz、32晶片、晶片间距0.6mm）相控阵探头。

2.2.2 检测工艺的制定

加装横波斜楔块时，相控阵TCG校准参照JB／T 4730.3《承压设备无损检测第3部分：超声检测》标准，采用CSK－ⅢA试块进行。对每个试件从不同位置进行检测（图1），以确定T型焊缝相控阵检验的最佳位置。其中①、②位置使用折射角55°的横波斜楔块，采用扇扫描进行检测，位置③使用0°直楔块进行纵波检测。

图1 T型焊缝相控阵检测位置示意

用Esbeam tool软件对不同检测位置，声束对焊缝的覆盖情况进行模拟，以找到最佳的探头位置。

通过对加装横波斜楔块的声场的测试试验［4］，发现当激发8～16个晶片时，探头适用于厚度小于10mm的工件直射波及二次波检测；当工件厚度大于20mm时，视情况激发16～32个晶片。

试验发现，当设置的聚焦深度在近场区范围内时，将产生真正的“聚焦”，声束在工件内的声场形状为“X”型，且偏离焦点位置的声束迅速扩散，这样不利于焊缝检测时大范围扫查［3］。当设置的焦点深度在近场区范围外时，声束在工件中间产生“聚束”效果，此时没有真正的焦点；声场形状为“V”型，且设置焦点深度越小，“聚束”效果越好。因此，为避免在工件中产生X型声场，且使工件中的声束得到最好的“聚束”效果，检测时考虑将聚焦深度设置为所利用声场的最大深度处，如使用直射波检测，则聚焦深度设置为T，使用一次波及一次反射波检测则聚焦深度设置为2T等等。

基于以上讨论，对该两个试件不同检验位置的工艺参数设置如表1，检测位置示意图见图1。

表1 试件的检测工艺设置

对如表1所示的不同试件不同位置，声束对焊缝金属的覆盖情况如图2，3所示。

图2 10mm×10mmT型焊缝腹板与翼板检测示意图

图3 30mm×30mmT型焊缝腹板与翼板检测示意图

3 试验结果及分析

3.1 模拟试件缺陷情况

对制作的模式焊缝依照JB／T 4730.2《承压设备无损检测第2部分：射线检测》标准及JB／T 4730.3进行常规超声及射线检测，并对结果进行综合分析，力求接近真实地反映试件中的缺陷情况。检测结果如表2所示。

表2 模拟试件缺陷情况表

3.2 相控阵检测结果及分析

相控阵检测结果如表3所示，表中90°，270°为检测位置，可参考图1。

（1）翼板横波检测情况分析

从表3的相控阵试验结果看，无论是对K型坡口还是单侧V型坡口的T型焊缝，利用横波在工件翼板进行扇形扫查时具有最好的检出率。且该位置检测可对焊缝形式进行较好的模拟，使缺陷回波显示在真实的位置（图4（a））。

然而，声束方向与缺陷反射面的垂直程度会影响缺陷回波的高低，这是所有脉冲反射法超声检测所不能避免的问题。图4（b）为10mm×10mmT型焊缝的未焊透缺陷的90°扫查图像，比较图4（a）与4（b）可以看出，在相同的灵敏度下对同一缺陷，从不同方向扫查得到回波高度相差15dB。

另外，该位置检测回波情况较为简单，部分直射波没有进入焊接金属，而被翼板底面反射的回波（小角度部位）又进入了翼板母材，而母材中一般不会出现缺陷；部分直射波进入焊缝金属；对侧的焊缝外表面反射波回到焊缝金属遇到缺陷形成的回波，其回波位置会显示在焊缝覆盖图像之外，因此不会干扰缺陷位置判断。

表3 相控阵检测结果

图4 10mm×10mmT型焊缝未焊透缺陷翼板相控阵检测图像

（2）腹板横波检测情况分析

从表3看，腹板检测时，对10mm×10mmT型焊缝的未焊透缺陷在单侧检测时出现漏检，而检出的扫查位置的缺陷信号也不是很直观（图5）。

图5 10mm×10mmT型焊缝未焊透缺陷相控阵检测图像（腹板270°扫查）

从图2（b）中可以看出，单侧V型坡口在腹板检测时，很难对焊缝有较好的覆盖。且回波声束路径较复杂，图像中缺陷信号与非缺陷信号较难区分。另外，由于扫查路径与预设路径有一定的偏离，因此对于厚度较小的焊缝，扫查路径的偏离对缺陷位置的显示有较大影响（图5中即是由于扫查偏离预设路径，导致未焊透缺陷并未显示到焊缝根部）。

对于K型坡口，由于其两侧对称，较容易对焊缝进行模拟声束覆盖，缺陷回波较容易判断。然而从试验结果可见，检测腹板时，同一缺陷的回波高度差别较小，这是由于腹板从两面进行扫查时，焊缝中同一位置覆盖的声束夹角较小（参考图2（b），3（b）），对于回波指向性较强的缺陷两侧扫查会得到大致相同的反射情况。这不利于对不同方向性的缺陷的检出。

（3）翼板纵波检测情况分析

从检测结果中看，采用纵波对翼板进行检测时，漏检率较高。由于未熔合缺陷方向性较强，而单方向的扫查很难使声束与坡口的角度垂直，因此这种检测方式不利于未熔合类缺陷。

而纵波波长较长，声波在裂纹尖端一般产生衍射而非反射；而衍射信号较弱，脉冲回波的方式较难接收到，因此，纵波扫查方式不利于裂纹类缺陷的检出。

未焊透类缺陷的反射面与检测面平行，其回波指向性较强；当用纵波扇形扫查进行检测时，偏转角度较大的位置若有未焊透缺陷，则很难接收到反射信号，因此，工艺10－Z－Y未能有效地检出严重的未焊透缺陷（图2（c））。