焊缝超声相控阵检测工艺参数的选择

,,

(海洋石油工程股份有限公司，青岛 266520)

焊缝超声相控阵检测工艺参数的选择

刘贵吉,于德军,李江

(海洋石油工程股份有限公司，青岛 266520)

指出在焊缝检测时传统检测方法的优缺点，以及使用超声波相控阵方法代替传统方法检测焊缝的优势。介绍了超声波相控阵检测系统的组成、相控阵技术的参数，以及正确选择超声波相控阵检测工艺参数的重要性。通过对某焊缝进行超声相控阵检测的实践经验，说明在实际应用中检测工艺参数的选择对检测结果的影响。

焊缝检测；超声波相控阵；工艺参数

目前,国内船舶建造中的检测大多仍采用传统的超声波与X射线检测方法，虽然这些技术已较为成熟，但耗费时间较长，过程相对复杂。此外，射线的电离辐射对人体存在一定的危害性，并且在船体合拢后,部分焊口由于空间有限需要缩短拍片焦距，从而会导致底片质量下降,影响缺陷的检出率。相比之下，超声相控阵检测方法则方便灵活、无辐射、不影响周边施工，可检测大壁厚材料，遇到构架也不需开孔和封孔，在作业现场可单面操作，并可定位缺陷深度，返修方便，从而可以有效降低检测成本、加快施工进度。同时，采用超声相控阵检测方法检测时，只需将检测设备与电脑连接即可获得检测结果，该方法更为及时、快捷[1]。但在检测开始前，正确地选择检测参数是成功使用超声相控阵检测的基础,否则可能会出现漏检、误判等现象，给质量和施工带来不便。笔者通过对某焊缝进行超声相控阵检测，说明在实际应用中检测工艺参数的选择对检测结果具有很大影响。

1 超声相控阵检测系统组成部件的选择

超声相控阵检测系统主要包括由探伤仪、探头、楔块等组成的硬件及由激发晶片、聚焦范围、扫查角度范围、角度步进等组成聚焦法则的软件部分[2]。检测系统参数的选择主要指硬件和软件系统参数的选择，正确地选择其参数对于有效地发现缺陷并对缺陷定位、定量甚至定性都是至关重要的，实际检测中要根据被检工件的结构形状、尺寸、加工工艺和技术要求来选择。

1.1仪器的选择

目前国内外相控阵仪器品牌种类较多，不同仪器性能各有特点，应根据检测要求和现场条件来选择检测仪器。

(1) 应选择水平线性和波幅线性较好的仪器，以更准确地对缺陷定位及定量。测定方法及最大误差要求可参考标准ASTM SE-2491StandGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicofPhasedArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystem。

(2) 实际工程检测应用环境多以车间或室外为主，宜选择轻巧便携、屏幕光亮度好、操作系统简便的仪器。

(3) 超声相控阵系统有一系列的发射器和接收器，并且其数量通常为16的倍数，这是仪器施加一组聚焦法则对激发探头晶片最多数量的限制。比如对于一个32/128的相控阵系统，有32通道的发射器和32通道的接收器，并且能够切换到支持128通道的探头，但在单个聚焦法则中，任意一次激发的晶片最大数量为32，对于未用的通道可以用作单晶探头的某些检测，比如一对TOFD探头的检测。

1.2探头和楔块的选择

(1) 探头晶片阵列：探头阵列可分为很多种形式，如线性阵列、矩形阵列、环形阵列等[3]。目前焊缝检测中比较常用的为线性阵列探头，对于某些需要一发一收装置的可用双线性阵列探头，如DMA探头。

(2) 探头频率：频率的高低对检测有较大的影响。频率越高，灵敏度和分辨力越高，对检测有利；但频率越高，衰减越大，又对检测不利。实际检测中要全面分析各方面因素，合理选择频率。一般对于晶粒稍细的碳钢焊缝，常用频率范围为2.5 MHz～5 MHz，对于一些薄壁焊缝，频率可以为7.5 MHz；对于晶粒粗大的不锈钢焊缝，宜选用较低的频率，一般选用频率范围为1 MHz～2.5 MHz；如果是纵波检测，可用频率范围为2 MHz～4 MHz。如果频率过高，就会引起严重的衰减，信噪比下降，甚至造成无法检测。

(3) 探头尺寸：探头的尺寸由各晶片尺寸(横截面积)、晶片间的距离及晶片数量等决定。尺寸大的探头通常包含数量多的晶片或尺寸大的单个晶片，可以一次性通过多种聚焦法则激发形成多组功能不同的声束，通过一次性扫查就可以覆盖焊缝不同的区域，宜适用于相对壁厚较大的焊缝。但对于某些小型工件，扫查空间或几何形状受限、扫查面不太平整的情况，宜选用尺寸较小的探头[4]。

(4) 楔块：和常规超声波不同，相控阵波形种类和波束偏转不是固定的，而是通过聚焦法则和楔块来实现的。楔块的选择首先是和探头相互匹配，然后再根据聚焦法则选择波型种类，对于有曲率的工件，可以选择跟工件曲率相同或相近的楔块。

2 超声相控阵检测的工艺参数

通过相控阵系统激发出声束的参数需要综合考虑多方面因素,声束扫描方式、激发的晶片数量及位置、声束波型、探头偏移、声束角度、聚焦范围等都影响着检测结果。工艺参数的选择应遵循以下基本原则：

(1) 声束能够覆盖被检焊缝所有体积、热影响区及其以外6 mm的区域。

(2) 所设置的参数经仪器调校后，应在认证试块上认证成功。

(3) 符合标准规范的其他要求。

2.1声束扫描方式

在焊缝检测中，通常使用扇形扫描(S扫)，但在某些特殊情况下，为发现某特定区域的缺陷，可辅以线性扫查(E扫)方式，如针对坡口未熔合缺陷，设置一组与坡口垂直的线性扫查是非常有效的(见图1)，利用蓝色扇扫覆盖焊缝内部、根部及热影响区，而红色的线扫则是专门针对坡口区域而设定的。但对于大部分标准来说，这并非是强制要求。

图1 相控阵检测线性扫查方式示意

2.2声束类型

在检测焊缝时，通常采用横波声束以及一次反射法来扫查焊缝，但对于晶粒相对粗大的不锈钢焊缝， 有时即使采用低频的横波，依然存在着衰减严重、信噪比差的情况。此时，采用纵波角度入射不失为一种好的解决方法，如某公司为检测不锈钢而设计开发的DMA探头，就是利用纵波一发一收的原理。

2.3声束角度范围

声束角度范围的选定则应综合考虑选择的楔块及焊缝尺寸， 任一楔块都有其中心角度，选择的角度范围宜在楔块厂家推荐值的范围内，以保证声束的可靠性和可控性。声束角度范围越小，覆盖焊缝体积越有限，这样一组声束可能不能完全覆盖被检区域，所以应在厂家推荐值的范围内，尽量选择大范围的声束。但对于大壁厚焊缝的检测或其他情况下，当一组声束设置成最大范围后，仍不能有效覆盖被检区域时，则应增加一组或多组声束。

2.4探头偏移和晶片激发起始位置

探头偏移一般指焊缝中心到探头前沿的距离，其和晶片激发起始位置同时影响着探头、声束和焊缝的相对位置。在焊缝存在余高的情况下，应保证有足够的探头偏移，避免探头前沿压在焊缝余高上而导致无法耦合，通常在保证覆盖被检区域的前提下，调节探头偏移使得被激活晶片处于探头的中间位置(见图2)。

图2 探头偏移原理示意

2.5激发晶片数量

被激发晶片的数量越多，有效晶片的尺寸就越大，辐射超声波的能量也就越大，发现远距离缺陷的能力越强。同时，近场区也随着晶片尺寸的增大而增大，可聚焦的范围广，对检测有利。但过多的激发晶片对相控阵系统也提出了更高的要求，如需要激发32晶片时，16/128的设备则不能实现，至少需要使

用32/128的设备；另外增加激发晶片数量会影响扫查速度，还会加重数据存储的负担。一般材料检测时推荐激发16晶片即可，对于厚壁或声波衰减系数稍大的材料可适当增加晶片数量。

2.6聚焦范围

和常规超声波不同，超声相控阵系统能实现声束的动态聚焦，而众所周知，在聚焦区域，声波能量越集中，灵敏度和分辨力越高，所以正确设定聚焦区域尤为重要。对于尺寸相对较小的焊缝，将聚焦区域设置在焊缝的中间即可，但随着壁厚的增加，可将焊缝划分为几个区域，分别用不同的声束聚焦来检测。另外，如果要精确发现某一区域的缺陷，可将聚焦点设置在这一区域。

3 工艺参数的选择实例

对某LNG(液化天然气)平台建造过程中管线对接焊缝进行相控阵检测,被检材料为A333钢(低温碳钢)，焊接工艺为氩弧焊，坡口形式为“V”型，管径为200 mm，壁厚为12.7 mm。采用的检测设备为OMNISCAN MX1或MX2，探头型号为5L32-A11，楔块型号为SA11-N55S-AOD8.625。相控阵系统与探头的参数选择如表1所示。

表1 相控阵系统与探头的参数选择

检测时最多一次激发16个晶片，超声相控阵设备应至少含16通道，MX1为16/128，MX2为32/128。被检材料为普通碳钢，为非高衰减系数材料，为得到更好的灵敏度和分辨力，选用5 MHz探头即可；同时A11探头比A12探头小，对于直径为200 mm的管线耦合效果更好。A11探头匹配的楔块为SA11系列，根据工艺模拟采用横波检测，即采用中心角度为55°的横波楔块，同时为达到更好的耦合效果，楔块宜带有和被检工件接近的曲率(楔块直径应稍大于被检工件，否则楔块中心处无法与工件紧密接触)。

被检焊缝的壁厚和体积都相对较小，使用一组扇扫就能够使声束有效覆盖被检体积，同时对于高危险性的坡口未熔合缺陷，则使用和坡口相垂直的线扫加以辅助。波束类型则都使用横波一次反射法。被检焊缝表面宽度为18 mm，则探头偏移至少是9 mm。扇扫的波束范围覆盖了焊缝及其热影响区，同时也在厂家推荐范围内。聚焦范围设置在焊缝中心处。

探头偏移、激发晶片及波束范围均由被检焊缝本身决定，但都不是一个绝对的固定数值，这些数值可以通过声束模拟软件模拟、修改和确认，工艺的模拟结果如图3所示。

图3 某焊缝相控阵检测工艺模拟结果示意

图4 某焊缝的超声相控阵与射线检测结果示意

利用此工艺进行焊缝检验，经过扫查并分析数据，发现长度为7 mm的根部缺陷。特对此焊缝进行射线检测，结果与超声相控阵检测结果相符(见图4)。

4 结语

超声相控阵检测系统有明显的优越性，但其系统相对于传统超声检测略复杂，在制定其检测工艺时，应综合考虑各项因素，并且一定要通过试验来验证其检测效果，若在试验过程中发现漏检、信噪比太差等不利因素，应对工艺参数进行调整。

[1] 单宝华,喻言，欧进萍,等. 海洋平台结构超声波相控阵技术的发展及应用[J]. 海洋工程，2005, 23 (2) :104-107.

[2] 周琦,刘方军，李志军,等.超声相控阵成像技术与应用[J].兵器材料科学与工程，2002,25 (3) :34-37.

[3] 牟彦春,朱晓智, 金南辉.超声相控阵检测技术在电站锅炉厚壁管道检测中的应用[J].无损检测,2014,36(9):59-61.

[4] 李阳,唐创基, 李男,等.相控阵超声检测技术在海洋工程小管径对接焊缝检验中的应用[J].无损检测,2013,35(9):41-44.

SelectionofTechnologicalParametersforPhasedArrayUltrasonicTestingofWeld

LIU Guiji, YU Dejun, LI Jiang

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Qingdao 266520, China)

This paper indicated the advantage and disadvantage of traditional testing for weld inspection, and showed the benefit of using ultrasonic phased array instead of RT, but this should be based on the correct parameter setting up. The content introduces the system of phased array ultrasonic testing and its parameters & essential variable,and it is important to select these parameters as they may affect the test result.

weld inspection; ultrasonic phased array; technological parameter

2017-03-22

刘贵吉(1986-),男,工程师,主要从事无损检测工艺开发研究

刘贵吉,luigj@mail.cooec.com.cn

10.11973/wsjc201711016

TG115.28

B

1000-6656(2017)11-0068-03