AWS D1.1標準中焊縫相控陣超聲檢測要求的解讀

金 磊，黃 軍，王國村，張 健 ，丁 兵

(1.上海冠域檢測科技有限公司，上海 201802；2.漢正檢測技術有限公司，德陽 618300；3.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，煙臺 264000；4.中興海陸工程有限公司，大連 116000；5.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

美國焊接學會(American Welding Society，AWS)成立于1919年，是一個非營利性組織,致力于推動焊接技術發展及行業進步。該學會工作涉及的領域廣泛，包括釬焊、焊接和熱噴涂等，涉及機械、造船、石油管道、壓力容器、軌道交通、軍用武器乃至家居日用品等的制造。AWS還主導制定了很多法規、規范、推薦指南，出版了300多本焊接行業的技術書籍。

早在1928年，美國焊接協會就編制出版了 《建筑結構熔焊和氣割規范》。1936年，出版了 《公路和鐵路橋梁焊接規范》。1972年，《建筑結構熔焊和氣割規范》與 《公路和鐵路橋梁焊接規范》合并，被命名為AWS D1.1 《鋼結構焊接規范》。

1 AWS D1.1中相控陣檢測的相關內容

20世紀80年代，相控陣技術開始應用于工業檢測，21世紀初隨著數字電子和數字信號處理技術的發展，相控陣技術的發展尤為迅速。

2008年，AWS出版的AWS D1.1第21版在第6章G部分 《其他檢測方法》中首次提出了高級超聲系統，將其作為常規檢測的替代。高級超聲系統包括但不局限于多探頭、多通道系統、自動檢測、衍射時差技術和相控陣技術等。規范中提出了規程編制中所需的重要變量要求、規程鑒定要求和人員要求，但是只提供了一個框架，未具體規定相控陣檢測如何實施，也未明確檢測重要變量的要求。

AWS D1.1在 2010年和2015年進行了兩次升版，仍未對相控陣檢測提出更多的具體要求。

2020年，AWS出版了AWS D1.1第24版。該版標準在正文焊縫超聲檢測部分正式提出相控陣檢測可作為常規超聲檢測的一種替代，在規范性附錄H中給出了相控陣檢測的具體要求，在其條文說明中也提到相控陣檢測可以替代射線檢測。筆者將對該標準2020版中相控陣焊縫檢測的各項具體要求進行解讀。

2 焊縫相控陣檢測要求的解讀

2.1 適用范圍

AWS D1.1標準適用于板厚不小于3 mm，屈服強度不大于690 MPa的碳鋼或低合金鋼的制造及安裝過程的檢測。對相控陣檢測而言，AWS D1.1允許的檢測厚度為5200 mm。相控陣檢測除需符合AWS D1.1規范性附錄H的要求外，還需符合AWS D1.1正文超聲檢測部分相應的強制性要求。其附錄H中介紹了使用相控陣檢測時應適用的強制性要求，并提出替代的技術需要提供書面規程以及相控陣檢測特有的校準方法，同時要求高級人員應經過培訓和資格鑒定。

2.2 人員要求

檢測人員的要求是每個檢測技術標準的基本要求。AWS D1.1要求實施相控陣檢測數據采集和數據分析的二級和三級人員應根據美國無損檢測學會無損檢測人員資格鑒定和認證的要求進行認可。基于AWS D1.1的檢測要求，人員實踐考試至少應包括2個有缺陷的試樣。這些試樣應代表要檢測的接頭類型，每個試樣至少包含2個缺陷。此外，相控陣檢測人員應至少有320 h相控陣檢測實踐工作時間的經驗記錄。不符合上述要求的個人，可以在經鑒定合格的相控陣檢測人員的直接監督下，協助采集相控陣檢測數據。

2.3 設備要求

2.3.1 儀器要求

應使用符合AWS D1.1要求的超聲脈沖回波相控陣檢測儀器進行檢測。

相控陣檢測超聲儀器應至少配備16個脈沖發生器和16個通道。如果要使用電子掃描，儀器的脈沖發生器數最低要求為16個，最低通道數為64個。儀器應配備足夠的顯示選項，包括A掃描、B掃描、C掃描和S掃描視圖，以及能提供整個掃查長度和所有波束完整數據分析的編碼掃查。

2.3.2 探頭要求

相控陣檢測探頭類型應是線性陣列探頭，至少有16個晶片，頻率范圍至少在1 MHz6 MHz之間。相控陣檢測用斜探頭應由換能器和楔塊組成，以產生所需的折射角。角度楔塊應具有足夠的入射角，可在材料中產生40°70°之間的橫波，楔塊應在制造商指定的角度范圍內使用。

2.3.3 試塊要求

用于建立標準靈敏度水平(SSL)的標準反射體是IIW試塊上直徑為1.5 mm的橫孔。調試使用的標準試塊溫度與被測工件溫度差在±14 ℃以內。

除標準試塊外，還應使用一個補充參考試塊。對所有設置的角度，在掃查計劃指定的范圍內，該參考試塊應至少有3個點來建立時間增益修正曲線(TCG)。該試塊應由碳鋼制成，并具有足夠的厚度和長度，以便設置校準反射體。每個參考試塊應在一定深度范圍內至少有3個橫孔，以覆蓋待測材料的整個范圍。每個孔應由根據掃查計劃配置的相控陣檢測系統來檢測，靈敏度應視需要進行調整，以提供不小于標準靈敏度水平的靈敏度。該試塊的結構示例見圖1(圖中括號內的數值單位為mm,括號外的數值單位為in.,1 in.=25.4 mm)，但任何符合要求的試塊都可以使用，包括定制的人工對比試塊。

當材料厚度超過50 mm或工程師要求時，以及在相控陣檢測人員的選擇下，應在模擬試塊或產品工件上驗證標準反射體1.5 mm橫孔的可探性。當使用焊縫模擬試塊和產品焊縫部分時，反射體應位于聲束難以到達的位置，從而確保檢測到所有關注區域的不連續。模擬反射體應放置在距離熔合面邊緣至少1.5 mm處。標準靈敏度反射體在模擬試塊或產品部件中的位置示例如圖2所示。

當使用此驗證塊檢測標準靈敏度反射體時，其波幅應高于忽略水平DRL(SSL-6 dB)。如果以DRL為基準實施檢測，無法檢測到標準反射體時，則應調整掃查計劃，直到獲得足夠的可探性為止。

2.3.4 其他配件要求

編碼器通常采用數字編碼器，并能進行沿線掃查。應使用半自動或自動掃查架進行編碼掃查。

圖1 補充參考試塊結構示例

圖2 標準反射體在焊縫模擬試塊中的位置示例

在探頭和檢測材料之間應使用耦合材料，以保證透聲性。在進行校準和檢測時，可以使用任何商用耦合劑、水或油等，但是校準和檢測時必須使用相同的耦合劑。

2.3.5 設備鑒定要求

設備鑒定要求包含了系統線性驗證、內反射、分辨率要求和探頭晶片核查等4方面內容。

系統線性驗證包括了時基線性(水平線性)、屏高線性和波幅控制線性的驗證。在標準中給出了詳細的驗證過程和驗收要求。以最多不超過12個月的時間間隔進行系統線性驗證并記錄在表格中。驗證應由相控陣檢測二級或三級人員執行，或送交設備制造商進行。

每個探頭的最大內反射應由相控陣檢測人員在儀器與探頭初始組合、儀器使用最大時間間隔40 h內驗證，按照AWS D1.1中第8.28.3條要求進行核查并記錄。

探頭和儀器組合的分辨率檢測應根據AWS D1.1中第8.22.3條的要求，使用RC分辨率試塊上的三個橫孔進行核查并記錄。

在初始校準、使用之前以及每周，相控陣檢測人員應對每個探頭進行一次晶片核查，以確定是否存在失效(不活動)晶片或有缺陷的晶片。晶片核查應使用儀器自動驗證功能或手動掃描每個晶片，將探頭放在IIW試塊或任何參考試塊的一側，觀察后壁信號。在給定的孔徑內不應超過10%的晶片失效以及不應有相鄰晶片的失效。這一核查也應在每8 h的使用期間進行。此外，探頭內每個晶片都應進行評估，以核查整個孔徑是否有可比的波幅響應。整個孔徑內每個晶片的波幅應在平均響應±6 dB以內，否則該晶片失效。

2.4 掃查計劃

掃查計劃設置是指為要檢測的焊縫制定掃查計劃，是相控陣檢測中最重要的步驟。掃查計劃應提供實現檢測覆蓋所需的特定特征，包括那些在通用規程中未涉及的受被檢材料和結構幾何形狀變化影響的變量。掃查計劃內容應考慮以下重要變量：聚焦法則使用的晶片數量；扇掃描的角度范圍；制造商文件記錄的允許的楔塊角度范圍；被檢焊縫布局，包括厚度尺寸和母材產品形式(管，板等)；沿步進軸的表面彎曲(如管件的縱縫)；進行檢測的表面(如上表面，底面)；技術(縱波、橫波、接觸法)；探頭類型、頻率、晶片尺寸和形狀；相控陣檢測儀器類型、制造商和型號包括采集軟件;手動/自動/半自動掃查;區分幾何形狀和焊縫缺陷指示的方法;掃查重疊區域的減少;如果不是機載設備算法，應明確產生聚焦/延遲法則的方法，包括指定的軟件版本;采集或分析軟件;探頭制造商和型號;任何掃查速度的增加;使用未在AWS D1.1第8.25.4條中列出的耦合劑;計算機增強數據分析。

當材料厚度超過50 mm或工程師要求時，應使用一個模擬試塊來演示相控陣檢測的有效靈敏度和焊縫體積覆蓋。

應通過繪圖或計算機軟件來模擬演示掃查計劃，對于坡口焊縫的幾何形狀和關注區域，掃查計劃應包含檢測中所用的適當折射角。演示掃查計劃時，需記錄規范要求的檢測體積覆蓋范圍。應通過校準來驗證性能掃查計劃(如波束入射點和波束角度驗證)。

在制定掃查計劃時，應確定2.4節中所述的重要變量，并與初始校準一起記錄。初始校準應由相控陣檢測二級或三級人員進行操作，以確認在整個設置的檢測范圍內有足夠的聲波覆蓋。

聚焦法則的設置應提供必要的焊縫體積覆蓋要求。扇掃描應用作為主要掃描方式，以優化覆蓋范圍，掃描角度步進配置應不大于1°。電子掃描可用于扇掃描的補充，但不得作為唯一的檢測技術。

應配置足夠數量的聲束入射點位置以完成全覆蓋的要求。這些可能是多個自然入射點位置，或者多個電子入射點位置(分組)，或者兩者的組合。掃描應包含足夠的重疊，以保證全覆蓋。

在檢測8 mm及以下厚度的材料時，應使用真實深度聚焦方式，聚焦深度應是聲波進入焊縫體積的深度。在檢測厚度大于8 mm的材料時，只要所有TCG校準用反射體顯示的信噪比不小于4…1，就可以進行聚焦。

電子掃描可用于扇掃描的補充。當使用電子掃描時，應在掃查計劃中規定設置，每個虛擬孔徑之間應至少有50%的重疊。

可以通過分組功能，組合多個扇掃描或組合扇掃描與電子掃描，來實現焊接接頭的全覆蓋。當組合時，每次掃描之間應確保有最小10%的覆蓋重疊。

確定和批準掃查計劃后，對2.4節中的重要變量的任何更改，需要重新制定掃查計劃、重新校準，并在適用的情況下通過模擬驗證試塊重新演示。

檢測焊縫時，超聲波通過的母材應使用符合要求的直探頭來檢測分層反射體。如果母材金屬的任何區域顯示背面回波反射的完全損失或有一個大于等于原始背面回波反射的指示，應進行評估。

掃查計劃應利用規定的陣列配置，在焊縫兩側演示超聲對檢測區域的全覆蓋。熱影響區扇掃描波束角度應在40°60°間。扇掃描應覆蓋全焊縫體積，對于焊縫熔合面，波束應垂直于熔合面±10°。當可行時，在垂直焊縫熔合面±5°范圍內進行補充電子掃描。應使用符合要求的相控陣檢測探頭對焊縫和熱影響區進行檢測。

當可接近時，所有對接接頭焊縫的相控陣檢測都應從母材同一表面焊縫軸線兩側進行。角接和T型焊縫應主要從焊縫軸線的一側進行檢測。所有焊縫應使用適用的沿線掃查或其他掃查模式進行檢測，以檢測縱向和橫向的缺欠。

在編碼采集相控陣檢測中，如果邊緣和端角不可接近或受到其他限制，這些區域可以通過探頭向邊緣的相反方向移動來進行掃查，或者通過使用手動掃查模式進行非編碼相控陣檢測。使用非編碼相控陣檢測應在檢測報告中注明。

當使用角度聲束技術不能從焊縫軸線的兩側檢測對接接頭坡口焊縫時，應在可能的情況下從其他面進行掃查，以確保焊縫和熱影響區的完全覆蓋。這些情況應使用修改后的掃查計劃加以解決，并在檢測報告中注明。

對于接頭布置中包含襯墊并保留的，掃查計劃應考慮襯墊的影響。

打磨平齊的焊縫應使用平行掃查進行橫向缺欠的檢測。非平行掃查可用于有余高的焊縫。檢測橫向缺欠時不需要編碼采集。

掃查計劃參數應配置在相控陣檢測系統上，并以允許后續檢測可重復的方式進行存儲。

2.5 檢測校準

當更換探頭、電池、電源、同軸電纜以及儀器發生故障時，掃查計劃中的相控陣檢測配置應按如下所述進行驗證。

縱波校準包括兩部分，即檢測范圍和靈敏度。探頭的檢測范圍調整時，需使用設置的0°電子掃描(或使用傳統的縱波直探頭)，使其在顯示器上產生至少等效兩倍板厚的厚度范圍。靈敏度應在沒有缺欠的位置進行調整，將一次反射回波調至全屏的80%±5%。考慮到表面粗糙度，可以進行輕微的靈敏度調整。

橫波校準包括波束角度驗證、水平掃描范圍設置、時間增益校正(TCG) 、各個靈敏度水平的設置和編碼器校準等。

相控陣檢測人員應驗證扇掃描配置的最小和最大角度，角度偏差應在±2°范圍內。或驗證電子掃描配置的第一個和最后一個虛擬孔徑的角度，偏差應在±2°范圍內。

對所有設置的角度，使用IIW試塊或其他替代試塊，將水平掃描調整為實際材料的聲程距離。屏幕范圍應設置為在A掃和S掃顯示中可見整個被檢測的關注區域。

通過使用規定的補充參考試塊，在所有設置的角度中建立時間增益校正，在整個被檢材料范圍內至少有3個點。對所有校準點而言， TCG應平衡校準點的波幅，波幅波動在±5%內。

AWS D1.1標準中有3個靈敏度水平，分別是標準靈敏度水平(SSL)、自動拒收水平(ARL)和忽略水平(DRL)。標準靈敏度水平應使用IIW試塊中的φ1.5 mm橫孔來建立，波幅為(50±5)%滿屏高度。在動態沿線掃查中，考慮數據采集過程中的聲能損失，應增加4 dB作為主參考靈敏度水平。ARL應定義為SSL+5dB，等于89%滿屏高度。DRL定義為SSL-6 dB，等于25%滿屏高度。靈敏度水平示意如圖3所示。靈敏度水平對于手動補充掃查，不需要額外的靈敏度補償。

圖3 靈敏度水平示意

編碼器應由相控陣檢測人員通過日常過程核查來進行驗證，校準距離至少為掃查總長度的一半，誤差在測量長度的1%以內，編碼器分辨率的設置應使數據采集步進為1 mm或更小。

2.6 檢測規程

應在掃描之前建立坐標系標識，以便確定掃查范圍和進行定位缺欠。

整個聲束經過的母材區域必須使用相控陣檢測電子掃描或傳統的超聲0°縱波探頭進行檢測。 如果存在層狀反射體，部分焊縫無法按照掃查計劃的要求進行檢測時，應使用一個或多個替代規程進行檢測，以實現檢測體積的全覆蓋。這些替代規程包括焊縫表面打磨平齊、從其他表面進行檢測、附加的掃描類型(電子掃描)或增加入射點。這些替代規程應在掃查計劃中說明，并在檢測報告中注明。 任何被評估為母材中層狀反射體的指示，如干擾檢測體積的掃查，則要求修改波束角度，以便實現最大的可檢測體積，并在檢測記錄中注明修改的情況。如果母材金屬的任何區域顯示背面回波反射的完全損失或存在大于等于原始背面反射高度的指示，則應確定這些干擾正常焊縫掃查的指示的位置及其大小，在超聲報告上列出，并使用替代的焊縫掃查規程。

橫波波束的掃查應采用沿線掃查方式，沿著每個焊縫的軸向長度進行，自動記錄超聲波數據。應按照批準的掃查計劃進行數據采集。如果在評估期間使用軟增益或調色板更改來協助檢測，數據采集可在主參考靈敏度水平下進行。如果采集在標準靈敏度水平進行，當評估焊縫數據時，軟增益應增加6 dB或將彩色調色板調整到端部50%屏幕高度。如果無法使用調色板調整或軟增益增加，則數據采集應在主參考靈敏度水平上增加6 dB的附加增益。對于手動補充檢測，例如橫向缺欠檢測，掃查應至少超過標準靈敏度水平6 dB。除橫向指示掃查外，應使用編碼器進行數據采集。數據采集時，應使用機械夾具或裝置進行編碼沿線掃查，限制探頭沿步進軸的移動。

對于給定的設置，儀器確定了采集速度，掃查不得超過此速度。如果注意到有數據丟失，則不得有超過記錄數據的1%數據丟失，并且不得連續丟失兩個數據。相控陣檢測人員應確保超聲檢測數據以未處理的形式記錄。完整的、帶有接收器帶通的、無閘門和濾波的A掃描數據應包括在數據記錄中。

對于ASTM A514、A517和A709級HPS 100W(HPS690W)等高強度鋼，相控陣檢測應在焊接完成后至少間隔48 h方可進行。

2.7 評估

進行數據分析時，應考慮上文中指出的掃查增益。對指示接收/拒收處置的評估應根據SSL水平進行。

指示長度的測量應使用6 dB法。對于無法獲得真正峰值波幅測量的飽和指示，當適用時，應對接近拒收長度的，或相鄰排列，或焊縫交界處的B類和C類指示，在較低增益水平上進行額外掃查，這些指示的長度可以從存儲的數據文件中確定。

根據表1，不連續應根據其最大波幅進行分類。如果焊縫中沒有平面指示，也沒有任何超過表2中根據施加載荷類型所確定的幅度或長度的指示，則該焊縫應是可接收的。

表1 不連續分類描述

表2 相控陣檢測驗收標準 mm

必要時，應使用手動補充相控陣檢測和/或其他無損檢測技術來驗證在采集數據中發現的可疑指示。

表征為裂紋的指示應被視為不可接收，不論其長度或波幅。

B級和C級指示之間應至少分開2L(L為較長指示的長度)。當兩個或兩個以上指示分開距離不是至少2L，但指示的組合長度及其分開的距離不大于B級或C級規定的最大允許長度時，該缺欠應被視為一個可接收的指示。對于受拉應力的焊縫，B類和C類指示始端位置距離焊縫端部不得小于2L(L為指示長度)。對于C類指示，不連續的深度應由產生最大信號波幅角度的所在位置決定。

對于每個拒收的不連續，應在焊縫的不連續上直接用一個標記以指示其整個長度。距離表面的深度和指示等級應在附近的母材上注明。

相控陣檢測發現的拒收焊縫應按照AWS D1.1中7.25條要求進行返修。返修區域應使用與原檢測使用的相同掃查計劃和技術進行重新檢測，除非掃查計劃不能提供返修區域的覆蓋范圍。在這種情況下，應為返修區域制定新的掃查計劃。返修后，重新檢測的最小長度應是返修區域的長度加上每一端50 mm。

2.8 數據分析

掃查完畢后，首先要進行覆蓋的確認。應評估記錄的數據，以確保在所需檢測的100%長度上，全面執行了掃查計劃。評估數據的要求如下所述：應使用閘門和可用指針分析掃查計劃所規定的整個檢測體積，以確定所有指示的來源、位置和性質。另外，手動作圖可用于儀器分析的補充，例如，焊縫錯邊或不一致的幾何形狀。應研究焊縫根部和焊縫蓋帽的幾何形狀引起的響應，并應在報告表格上注明這一分類的依據。應記錄任何指示的正當評估，以支持由此產生的處置。記錄的范圍應足以供審核人員和隨后的檢測人員重復檢測結果，并應單獨作為書面記錄。

拒收指示的報告應包括峰值波幅、指示額定值、指示長度、表面以下深度和相對位置，為返修提供足夠的信息。指針的放置、測量特征、注釋和意見應清楚地支持需要進行的處置。

2.9 數據管理

應有一套數據管理系統。系統應提供與工作要求和規模相一致的數據管理方案。文件的命名應使用系統性文件命名方案，以控制校準和設置文件、相控陣檢測數據文件和生成的數字化數據報表的數據管理。所有在檢測中收集的相控陣檢測數據應以原始未處理的A掃描格式保存。對相控陣檢測數據的任何審核和評估均不得改變或影響原始A掃描數據。

2.10 文件和報告

檢測報告應符合AWS D1.1中8.26條的要求。如果檢測儀器的輸出報告中包括規范要求的所有必要信息，則可使用儀器的報告功能。報告也可以是書面手工超聲的常規格式或由外部計算機生成。如果相控陣檢測用于替代射線檢測，則書面報告應至少包括編碼C掃描所檢測整個長度的涵蓋，以及所有需報告的指示的A掃描、B掃描、C掃描和S掃描視圖。替代射線檢測的相控陣檢測所有原始數據應與射線膠片所需的保留時間相同。對返修焊縫的相控陣檢測結果，應列在原始表格(如有)或附加的報告表格中，并應注明適當的返修號。檢測期間使用的掃查計劃應隨報告表一起。

3 結語

AWS D1.1對焊縫相控陣檢測提出了具體的可執行要求，操作性較強，便于檢測的實施，對相控陣檢測人員編制規程和現場操作具有指導意義。