焊接接头的相控阵超声检测

汪雪梅，陈 超,2，舒 俊

(1.泸州市特种设备监督检验所，泸州 646000;2.四川化工职业技术学院，泸州 646000)

压力容器是石油化工行业的重要设备，其安全性关系着人民的生命财产安全。焊接接头由于存在焊接缺陷、残余应力等潜在危害，是压力容器构造中比较薄弱的部位，因此对其缺陷的检测至关重要。目前，对压力容器焊接接头缺陷的检测方法主要有磁粉检测、渗透检测、射线检测和脉冲反射超声波检测等。渗透检测和磁粉检测只能检测表面或近表面缺陷；射线检测需要设置隔离区，检测人员有辐射风险，且不能精确确定缺陷的埋藏深度；脉冲反射超声波检测不可记录，声束角度单一，缺陷显示不直观[1]。而相控阵超声检测技术无需锯齿扫查，声束角度不单一，缺陷显示直观，是一种可记录的检测方法[2-3]。笔者通过对含焊接缺陷试板的焊接接头进行相控阵超声检测，并与其他检测方法进行对比，研究了相控阵超声检测技术在焊接接头缺陷检测中的应用。

1 相控阵超声检测原理

相控阵超声检测技术是指通过计算机控制多芯片探头中各芯片的激励(振幅和延时)，产生超声波聚焦波束，并通过软件调整声束参数，如角度、焦距、焦点等的一种超声波缺陷检测方法[4]。由于声束角度单一和移动范围受限，单晶探头比较难检出偏离垂直方向较大的缺陷和远离声束轴线的缺陷，而相控阵超声检测可以通过改变阵列单元芯片的延时值，从而改变聚焦深度和声束角度，以便检出远离声束轴线和方向不利的缺陷，可用于检测形状复杂的物体，检测灵敏度、分辨率、信噪比均优于常规超声技术的[5]。相控阵超声检测的扫描模式有线扫描、动态聚焦扫描和扇扫描3种，有A、B(横断面)、C(水平面)、S(扇面)等形式的结果显示，缺陷显示更直观。

2 相控阵超声检测工艺

2.1 检测设备及检测试板

笔者采用的相控阵超声检测设备为OLYMPUS公司Omni Scan MX2 32:128PR相控阵检测仪器。用于检测试验的含焊接缺陷的试板有两块，分别编号为1#，2#，尺寸(长×宽×厚)均为400 mm×400 mm×24 mm，焊缝沿长度方向居中分布，坡口类型为V型，材料为20钢。考虑试板厚度、楔块角度偏转范围及楔块与试板表面耦合程度，选用型号为5L64-A12型探头，型号为SA12-N55S型楔块，检测所用的耦合剂为机油。

2.2 检测及校准步骤

检测前首先在相控阵检测仪器中对含焊接缺陷试板的材料、厚度和焊缝类型等参数进行设置。然后设置聚焦法则，晶片数量设置为16，采用横波扇扫描，检测角度范围设置为40°～70°，角度步进为1°；聚焦深度设置为两倍板厚(48 mm)；步进偏移设置为15 mm(见图1)，以便楔块前沿在与焊脚不干涉的情况下使声束能完全覆盖焊缝和热影响区。聚焦法则设置完毕，采用CSK-IIA-1试板上深度为10 mm的φ2 mm横通孔进行灵敏度校准(ACG修正/角度增益修正)，修正后同一反射体波幅显示与检测角度无关；采用CSK-IIA-2试板上深度为10 mm/20 mm/50 mm的φ2 mm横通孔进行TCG校准(时间增益修正)，修正后不同深度处同一大小反射体的波幅显示基本一致。校准完毕即开始对含焊接缺陷的试板进行相控阵超声检测，扫查方式为沿线扫查+扇扫描，在试板单面双侧进行检测。

2.3 检测注意事项

由于超声波相控阵检测受探头与试板表面的耦合效果影响，所以检测前应保证探头移动区域表面平整、光滑，去除焊接飞溅、污垢等影响耦合效果的表面覆盖物；相控阵检测前还应对编码器进行校准，以免对检测出的平行于焊缝方向缺陷的定位不准；检测时楔块前沿至焊缝中心的距离应保证为步进偏移15 mm，否则垂直于焊缝方向缺陷的定位不准，步进偏移设置如图1所示。

图1 步进偏移设置示意

3 检测结果分析

使用相控阵超声检测设备对含焊接缺陷的试板进行检测。对1#，2#含焊接缺陷的试板进行相控阵超声检测，由于耦合效果影响检测质量，所以分析判读数据前要筛选出合格有效的检测数据。1#，2#试板检测图谱结果如图2所示，观察及分析A，C，S扫描显示，试板1中出现两处疑似缺陷，表示为缺陷1、2，试板2中出现一处疑似缺陷，表示为缺陷3。分别移动闸门光标，找到缺陷信号的最大波幅位置和最大波幅值，在S扫和C扫中移动角度光标和测量光标，采用-6 dB法，得到缺陷的深度、高度、长度和偏离焊缝中心位置等数据。最后得到的检测数据如表1所示(由于扫查车放置问题，扫查的起始位置为试板25 mm处，因此表中缺陷实际位置为根据检测数据往后移动了25 mm之后的值)。为了验证相控阵超声检测结果的可靠性，将此结果与脉冲反射超声波检测和射线检测做对比，脉冲反射超声波检测结果如表2所示，表中SL为超声波定量判定式;波高取值为正负偏差。射线检测结果如图2所示。

图2 1#，2#试板相控阵超声检测图谱

表1 含焊接缺陷试板的焊接接头相控阵超声检测结果

表2 含焊接缺陷试板的焊接接头脉冲反射超声波检测结果

通过分析表1中相控阵检测数据可知，1#,2#试板中3个缺陷的水平位置、长度、深度以及距焊缝中心的距离与表2中脉冲反射超声波检测的数据大致相同，可以认为两种检测方法得到的是同一缺陷。由图2(a)、(b)、(c)中A扫显示可知,波形起伏时间短，且为单峰值，因此可估计3个缺陷均为面状缺陷。由图2(a)、(b)的S扫显示可知，缺陷图谱的外观干净锋利，呈扁平的椭圆状，中心亮度高，观察S扫显示还可以直观地了解缺陷在焊缝中的分布位置，从S扫可知两个缺陷皆在坡口位置，且沿坡口面分布。结合各种焊接缺陷的形成原因及分布特征分析，判断试板1中两缺陷性质可能为坡口未融合，根据图3射线检测结果可知，该两处缺陷性质确实为坡口未融合。由图2(c)的S扫显示可知，该缺陷有上下尖端衍射回波显示，结合A扫显示，判断2#试板中缺陷的性质可能为裂纹。根据图3射线检测结果可知，此处缺陷性质确为裂纹。由此可知，相控阵超声波检测技术的检测结果可靠，可以实现对缺陷的定位，也可根据检测出的缺陷图谱对部分缺陷进行初步定性。

图3 射线检测底片

4 结语

通过对含焊接缺陷试板的焊接接头进行相控阵超声检测，并将脉冲反射超声波检测和射线检测结果作对比，证明相控阵超声检测可以对焊缝缺陷进行较准确的定位，且检测结果可靠，检测效率比普通超声检测的高，可根据检测出的缺陷图谱结合A扫显示和缺陷形成原因及分布特征、形状特征，对缺陷进行初步定性，具有一定的准确性。研究从含焊接缺陷试板的焊接接头检测着手，对相控阵超声检测技术在实际检测中的应用进行了探索性的研究，可望为相关从业人员提供一定的参考。