角焊縫裂紋類缺陷相控陣超聲檢測工藝

左延田，方　雨，劉晴巖，薛利杰

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院， 上海 200333；2.華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200237)

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角焊縫裂紋類缺陷相控陣超聲檢測工藝

左延田1，方雨2，劉晴巖2，薛利杰1

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院， 上海 200333；2.華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200237)

角焊縫是工程中較為常見的焊縫形式，與對(duì)接焊縫相比，其特殊的結(jié)構(gòu)和焊縫形式增加了超聲檢測的難度和工藝的復(fù)雜性。在分析角焊縫常規(guī)檢測工藝的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用超聲相控陣檢測工藝的方案，并以Y型焊縫為例制定了相控陣超聲檢測方案并進(jìn)行了檢測試驗(yàn)。檢測結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性，為相控陣超聲技術(shù)在角焊縫檢測中的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。

角焊縫；裂紋；相控陣超聲檢測

角焊縫是工程結(jié)構(gòu)中較為常見的焊縫形式。帶缺陷的角焊縫，尤其是危害性極大的裂紋類缺陷，容易導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生失效;因此,對(duì)角焊縫的質(zhì)量檢測顯得極為重要。角焊縫特殊的結(jié)構(gòu)特征，不僅使超聲檢測聲束的可達(dá)性受到限制而且限制了檢測時(shí)探頭布置和移動(dòng)的空間。因此，優(yōu)化角焊縫裂紋類缺陷超聲檢測的方法，對(duì)加強(qiáng)角焊縫的質(zhì)量控制具有重要意義。

非超聲方法對(duì)角焊縫的無損檢測有許多局限，現(xiàn)今對(duì)角焊縫主要采用常規(guī)超聲脈沖反射法進(jìn)行檢測。但常規(guī)超聲方法需要對(duì)工件多角度、多探頭、多位置、多方向進(jìn)行檢測，檢測效率較低，尤其是現(xiàn)場在役檢測的操作難度更大;而且,檢測結(jié)果也不夠直觀，不易檢出與探頭聲束不垂直的面狀缺陷。

超聲相控陣檢測技術(shù)通過控制晶片陣列中各個(gè)晶片的延遲來激發(fā)和接收超聲波，可以得到多角度的聚焦聲束，進(jìn)而得到一定角度范圍的聲束覆蓋面，因此比常規(guī)超聲檢測的檢測效率高，聲束覆蓋面大；而且，相控陣超聲掃查的成像結(jié)果可以以S視圖、D視圖和B視圖等多種形式呈現(xiàn)出來，信息更豐富，顯示更直觀。同時(shí)，通過不同的聚焦法則，還能實(shí)現(xiàn)變孔徑、動(dòng)態(tài)聚焦、甚至全深度聚焦等，這也給實(shí)際檢測提供了極大的便利。

推廣超聲相控陣技術(shù)在角焊縫檢測中的應(yīng)用有重大意義，但國內(nèi)還沒有相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。筆者在分析常規(guī)超聲檢測方法的基礎(chǔ)上，探討了角焊縫相控陣超聲檢測工藝的制訂要點(diǎn)，并結(jié)合Y型焊縫裂紋類缺陷相控陣超聲檢測的應(yīng)用實(shí)例，闡述了角焊縫裂紋類缺陷超聲相控陣檢測的工藝制定方法及其優(yōu)越性。

1　角焊縫主要缺陷及常規(guī)超聲檢測方法

1.1角焊縫缺陷類型角焊縫有多種形式，焊接工藝也是多種多樣。角接接頭在焊接中常見的缺陷有裂紋、未焊透、未熔合、氣孔和夾渣等[1]。圖1以Y型焊縫(腹板與翼板的焊接)為例列出常見的角焊縫缺陷類型。平面型缺陷一直是檢測中的重點(diǎn),其中，又以裂紋對(duì)焊縫的危害性最大。有研究表明，在焊趾處最容易出現(xiàn)裂紋[2]。因此，在掃查時(shí)，要重點(diǎn)注意坡口、焊趾等部位。

圖1　角焊縫常見缺陷類型

1.2常規(guī)超聲檢測方法及其局限

角焊縫檢測應(yīng)從焊縫特征著手，針對(duì)待檢工件和缺陷的特點(diǎn)，按照檢測要求選取儀器和探頭，進(jìn)而設(shè)計(jì)探頭布置方案和設(shè)置檢測參數(shù)，在相應(yīng)的檢測區(qū)域進(jìn)行掃查，并對(duì)缺陷進(jìn)行記錄和評(píng)判。最后完成檢測操作，得到檢測結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行分析總結(jié)，按規(guī)定對(duì)焊縫的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。

圖2　T型焊縫的常規(guī)超聲檢測

圖2為NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第三部分:超聲檢測》中T型角焊縫常規(guī)超聲檢測的要求。圖中，A、B、C、D、E、F、G、W、X、Y、Z為探頭位置；a、b、c、d、e、f、g為探頭移動(dòng)范圍；t為工件厚度。

由圖2可以看出，對(duì)角焊縫的常規(guī)超聲檢測,需要在多個(gè)位置布置不同K值的探頭，各探頭的檢測范圍較小，因此需要探頭移動(dòng)的范圍也較大。這使得檢測效率較低，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且操作也比較復(fù)雜，需要檢測人員具有豐富經(jīng)驗(yàn)。此外，常規(guī)超聲檢測時(shí),需要在檢測面上作鋸齒形或者光柵形掃查，掃查路徑較長，這是造成檢測效率低的另一個(gè)原因。并且，在掃查過程中也只能提供A掃結(jié)果而無法提供實(shí)時(shí)的二維成像結(jié)果。而相控陣超聲檢測技術(shù)則能夠克服這些缺點(diǎn)。

2　相控陣超聲檢測方案要點(diǎn)及工藝設(shè)計(jì)

參照NB/T 47013.3中T型角焊縫檢測的內(nèi)容和ASME V(2013)中的相關(guān)內(nèi)容[3]，T型角焊縫的相控陣超聲檢測可采用四種方案：① 腹板橫波一次波檢測方案;② 翼板縱波一次波檢測方案;③ 翼板橫波二次波檢測方案;④ 腹板橫波二次波檢測方案。腹板和翼板的縱波一次波檢測方案的參數(shù)設(shè)置相對(duì)簡單，而腹板橫波二次波檢測方案與翼板橫波二次波方案類似。

雖然Y型角焊縫的檢測沒有標(biāo)準(zhǔn)可以參考，但其檢測方案與工藝的設(shè)計(jì)原則與T型角焊縫是相同的。而且，Y型角焊縫更加典型，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。因此，以Y型焊縫翼板橫波二次波檢測方案設(shè)計(jì)為例,闡述角焊縫相控陣超聲檢測探頭布置及檢測參數(shù)設(shè)置。

2.1人工試塊

選取普通鋼材料的Y型焊縫作為人工試塊，試塊翼板尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，腹板尺寸為150 mm×300 mm×30 mm，翼板平面與腹板平面成45°夾角。焊縫表面與腹板平面接近平行，焊縫坡口形式為K形剖口，采用埋弧焊工藝焊接。腹板上表面焊縫寬度為35 mm，腹板下表面焊縫寬度為15 mm。尺寸如圖3所示。

圖3　Y型焊縫人工試塊尺寸示意

2.2探頭和儀器選擇

選擇某便攜式超聲相控陣檢測儀進(jìn)行檢測，其采樣頻率為100 MHz，脈沖重復(fù)頻率為20 kHz，使用與儀器配套的5 MHz探頭。該探頭為16晶片一維線性陣列探頭，陣元芯距為0.6 mm，陣元長度為10 mm，最大探頭孔徑為9.6 mm。楔塊的角度為45°，材料為有機(jī)玻璃。

2.3探頭布置及檢測參數(shù)設(shè)置

角焊縫的相控陣超聲檢測既應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)穆暿秶允箳呙杪暿采w整個(gè)焊縫區(qū)域，又要避免聲束偏轉(zhuǎn)角度太大而產(chǎn)生柵瓣和旁瓣。同時(shí)，針對(duì)焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要缺陷特征，聲束應(yīng)盡可能地垂直于重點(diǎn)關(guān)注的缺陷[4]。

基于以上原則，并考慮到聲束范圍的設(shè)置是檢測方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，下面著重介紹Y型焊縫翼板橫波二次波檢測方案的探頭布置及聲束范圍計(jì)算(其幾何關(guān)系示意見圖4)。

圖4　Y型焊縫翼板橫波二次波檢測方案幾何關(guān)系示意

由圖4的幾何關(guān)系可知，扇掃聲束角度滿足下式：

(1)

S=2Ttanβ1-X1

(2)

亦即：

(3)

同理有：

(4)

(5)

(6)

為了能夠采用更多的角度對(duì)焊縫進(jìn)行掃查，同時(shí)也減小聲束偏轉(zhuǎn)和聲程增加引起的衰減，S的值一般應(yīng)盡量小些。另外，為加強(qiáng)對(duì)坡口和焊趾處裂紋的檢測，在不影響檢測結(jié)果的情況下，可使聲束角度與焊縫坡口角度盡量接近或略小于焊縫坡口角度。

文中取S=23 mm，代入式(1)～(6)中計(jì)算可得β1=40°，β2=58.7°。同時(shí)，考慮到測量和計(jì)算誤差的影響，令β1=35°，β2=60°。設(shè)置聚焦深度為85 mm，探頭孔徑為9.6 mm，角度步進(jìn)設(shè)為0.5°，聲束方向正對(duì)焊縫，聲束覆蓋截面為焊縫橫截面，掃查沿焊縫方向進(jìn)行。

3　檢測結(jié)果舉例

按照上述檢測方案進(jìn)行掃查，即可得到Y(jié)型焊縫翼板橫波一次反射波檢測方案的結(jié)果。其檢測聲像如圖5所示。

在圖5中，紅色虛線代表工件表面的對(duì)稱鏡像，可幫助檢測人員識(shí)別工件輪廓回波和缺陷回波，快速地從圖中找出缺陷的位置;在輔助線的幫助下，還能較準(zhǔn)確地讀出缺陷埋深和當(dāng)量等定位定量信息。圖中的缺陷尺寸計(jì)算未考慮人工刻槽的角度與聲束在腹板內(nèi)表面的反射，所以測量的誤差偏大。由圖5(a),(b)可看出，h=2 mm槽的回波強(qiáng)度要大于h=1 mm槽的回波強(qiáng)度，且與槽平面垂直的聲束獲得最強(qiáng)回波。由圖5(b),(c)可看出，相同大小缺陷在相同聲束角度下所成聲像中，其回波幅度隨缺陷距離增大而減小。圖5(d)中,自然缺陷試塊中未熔合缺陷的聲像則很好地驗(yàn)證了此方案的實(shí)用性與可靠性。相控陣超聲以多角度的聚焦聲束掃查，對(duì)發(fā)現(xiàn)不同取向的裂紋類缺陷是極其有利的。

圖5　翼板橫波二次波檢測聲像

4　結(jié)論

以Y型焊縫為例,制定了角焊縫裂紋類缺陷的相控陣超聲檢測工藝方案，并進(jìn)行了相控陣超聲檢測試驗(yàn)，從檢測結(jié)果可得到以下結(jié)論：

(1) 相控陣超聲檢測方案的檢測聲像，結(jié)果顯示直觀，定位定量有較高的準(zhǔn)確性。

(2) 相控陣超聲檢測的聲束覆蓋范圍大，檢測效率高，且無需探頭的前后移動(dòng)，有利于在如角焊縫等檢測空間受限的特殊結(jié)構(gòu)焊縫中的應(yīng)用。

(3) 不同角度、不同深度的裂紋，其聲像結(jié)果不同，裂紋自身高度越大，回波響應(yīng)越強(qiáng)，且與裂紋平面垂直的聲束有最強(qiáng)回波。采用該方法可避免常規(guī)超聲單一聲束對(duì)裂紋類缺陷的漏檢。

[1]范光錢，劉麗川，肖賢軍,等.油罐 T 型角焊縫的超聲相控陣檢測技術(shù)[J].石油化工設(shè)備，2008，37(6)：10-13.

[2]王守明，李衛(wèi)都.電焊工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989：161-166.

[3]ASME BPVC ( 2013 ) Section VArticle 4 Use of manual phased array ultrasonic examination[S].

[4]GB/T 11345-2013鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)[S].

Phased Array Ultrasonic Testing Procedure for Cracks in Fillets Weld

ZUO Yan-tian1, FANG Yu2, LIU Qing-yan2, XUE Li-jie1

(1.Shanghai Institute of Special Equipment Inspection & Technical Research, Shanghai 200333, China;2.Key Lab of Safety Science of Pressurized System, Ministry of Education,East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Fillet weld is a common form of welding in engineering. However, comparison to butt weld, its special structure and welding type increase the difficulty and complexity of its testing. Based on the analysis of traditional ultrasonic testing, this paper comes up with phased array ultrasonic testing for fillets, and takes T and Y weld joint as example to throw light on the procedure to make testing plan for fillet. The results of the phased array ultrasonic testing of cracks in T and Y weld joints are also displayed to verify the testing plan. This research would provide experience to the application of phased array ultrasonic testing for fillet.

Fillet weld; Crack; Phased array ultrasonic testing

2015-12-01

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局資助項(xiàng)目(2013-54)

左延田(1980-),碩士,高級(jí)工程師,主要從事壓力管道檢驗(yàn)檢測工作。

方雨, E-mail: sanrazi@163.com。

10.11973/wsjc201606002

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0006-04