密排小径管焊缝熔深超声检测研究

李宁　柴玉琨　刘彦明

摘 要：从密排小径管的结构特点以及焊缝形状出发，在理论上分析了采用超声检测的可行性，确定水浸双晶探头可以很好地解决密排小径管焊缝熔深的可靠检测。为了实现水浸双晶探头的检测，研制了专用双晶探头，在探头研制过程中，除了遵循常规的参数选择原则外，特采取了两个晶片倾斜的设计，成功消除表面波的影响。超声自动化系统采用三探头同时检测管板焊缝熔深，提高了检测效率，为后续研究提供了有效的技术保障。

关键词：小径管焊缝 超声检测 双晶探头

中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0082-02

密排小径管与板焊接形成管板，管板焊缝管口接头长期承受压差对管子产生的轴向载荷，多次反复加热、冷却，承受高压和介质腐蚀。因此，为了保证管板的质量，就必须对其焊接质量进行有效的检测。

由于密排小径管焊缝为多管密排的焊接结构，无法从单条焊缝的外部实施检测，只能从密排小径管内壁入射声波实现对焊缝熔深的检测。为此我们研制了专用的小尺寸水浸双晶接触式探头，设计了有效的检测工艺和各种检测附件，在以前手动检测系统的基础上，建立了自动检测系统，使得内径只有6 mm的多管密排管板焊缝熔深得以检测，且可以一次同时检测3根焊缝，大大提高了检测效率，为后续研究提供了有利的技术保障。

1 密排小径管焊缝缺陷超声检测方案的理论分析

1.1 密排小径管由钛合金管采用激光电子束焊接组成及其特点

密排小径管由钛合金管采用激光电子束焊接组成。其结构如图1所示。

其结构特点是：

（1）管子内直径小，仅6 mm。

（2）管子密集排列。

（3）管壁较薄，仅1.7 mm。

1.2 超声检测方法确定

被检工件结构如图1所示，从检测方案的制定考虑，由于密排小径管焊缝为多管密排的焊接结构，无法从单条焊缝的外部实时检测，只能从管材内壁入射声波实现对焊缝熔深的检测。综合考虑检测灵敏度和盲区的因素应采用双晶片一发一收的方式[1]。超声检测原理见图2。

从检测工艺的制定考虑，管材内径只有6 mm，因此应研制专用的小尺寸探头进入管材内部检测；由于管材名义壁厚只有1.725 mm，因此在探头制作时应考虑尽可能减小检测盲区，且采用高频。探头进入管材内部后只能对管与板的焊接情况进行检测，不能对熔深进行测量，因此应研制相应的附件对探头的检测部位定位。声波要实现从内壁入射，管材内壁必须要有声波的传导介质；长度1955 mm的组件，管内充满导波介质，组件必须纵向垂直放置。因此应设计可以使组件纵向垂直并有充水装置的检测安装台架。

2 超声检测探头和试块的研制

2.1 超声检测探头的研制

探头是超声探伤系统中的重要部件之一。在超声探伤中，超声波的发射和接收是通过探头来实现的。根据上一章的分析要检测出管板焊缝中的熔深，需采用水浸双晶探头进行检测，由于市场无适合的成品探头，因此需研制专用双晶探头。

2.2 探头参数选择

探头参数选择十分重要，如果参数选择不当会影响检测结果。总的选择原则是：要保证能够100%扫查工件，要有尽可能高的灵敏度。

2.2.1 频率

在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。

根据检测要求能够发现最小φ0.5mm当量的缺陷。而探伤灵敏度为λ/2。所以，λ为1 mm。

又因为钛合金的声速为6 070 m/s。所以得到频率为6.07×106 Hz，故选择频率为15 MHz。

2.2.2 晶片材料

见表1。

晶片的机电耦合系数K应较大，以便获得较高的转换效率；机械品质因子θm应较小，以便获得较高的分辨率和较小的盲区；压电应变常数d33和压电电压常数g33应较大，以便获得较高发射灵敏度和接收灵敏度；频率常数Nt应较大，以便获得较高的频率；居里温度Tc较高，声阻抗适当。表1是我们掌握的晶片材料主要性能参数，通过表1的数据，重点考虑获得较高的分辨率和较小的盲区，选择PZT-5作为晶片材料。

2.2.3 晶片间的干扰

在避免声波干扰和能接收到底面回波的情况下选择近可能小的晶片间距，其中隔声层为0.5 mm，隔声层的材料选用锡青铜（其避免声波干扰的性能较好）。

2.2.4 晶片的大小

在保证灵敏度和能接收到底面回波的前提下，尽可能小。由于管内径只有6 mm，确定探头外径Φ5 mm，晶片尺寸设计为：2×3 mm。

2.2.5 晶片的形状

以反射效率高为原则，设计中采用了方形晶片。

2.2.6 盲区的控制

晶片材料的选择已充分考虑了较小探头盲区，在此基础上将探头形式设计为双晶一发一收的形式，进一步减小盲区。在制作的校准试块上该探头清晰显示了1.425 mm厚度指示，证明盲区小于1.425 mm，达到了设计目的。

2.3 探头设计

按2.2探头参数选择原则，设计加工了探头，其结构见图3。

2.4 对比试块的制作

为了调整检验参数，绘制回波信号变化与探头相对熔化边界位置的关系曲线，测定探头的参数和工作特性。设计了校验试块，校验试块功能和结构，见图4。

3 检测系统

检测系统由超声波探伤仪、超声波探头、管板焊缝缺陷的超声自动检测系统组成，超声自动检测系统主要包括机械传动系统和数据处理系统两部分，机械传动系统主要包括伺服运动机构（探头架驱动系统）、三个超声探头旋转驱动装置、超声探头保护及手动装置、工作台固定与连接装置、激光定位装置等部分组成；数据处理系统主要包括自动控制定位子系统和检测数据自动处理子系统。检测系统总框图如图5所示。

4 方法验证

焊接工艺人员提供了两次共24个焊接样品，专门作为管板焊缝熔深检测技术研究的方法验证样品。超声检测的结果与金相解剖的结果吻合良好，该检测方法充分得到了工艺人员的信任。超声检测与金相检测结果对比如表2、表3所示。

5 结语

水浸双晶探头法可有效检测密集管板焊缝熔深及缺陷。

专用双晶探头可有效地消除表面波并且适用于管板缝焊接质量的检测。

专用管板焊缝熔深及缺陷自动化检测系统适用工件检测，检测效率得到提高。

超声检测结果和金相解剖结果吻合良好。

参考文献

[1] 郑晖，林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.