焊縫缺陷的全聚焦相控陣成像檢測

沈成業,洪 朝,黃海軍,錢盛杰,王 杜

(寧波市特種設備檢驗研究院, 寧波 315048)

焊縫中的裂紋、坡口未熔合等面積型缺陷的存在會減少焊縫的有效承載面積，削弱焊縫的性能，甚至引起焊縫斷裂，造成壓力容器、壓力管道失效，影響其安全性能。相控陣超聲技術具有檢測靈敏度高、效率高、缺陷可定位等優勢，目前已在壓力容器、壓力管道等設備的對接焊縫無損檢測中得到了廣泛應用[1]。常規相控陣超聲檢測(PAUT)由于掃描聲束有限，聚焦點固定，使得聚焦點及附近位置的成像效果較好，遠離焦點的位置成像分辨率較低[2]，而基于全矩陣捕捉的全聚焦成像(TFM)相比于常規相控陣成像方法具有更高的檢測分辨率和更大的檢測區域。通過全矩陣采集，對N陣元的陣列換能器，每個陣元單獨激發，全陣列接收，共記錄N行N列個陣元間的脈沖響應，通過虛擬延時疊加聚焦，使成像區域內每一點都獲得最優的空間分辨率。該算法可檢測常規相控陣超聲技術無法探測的尺寸為半波長的缺陷，能精確判斷其類型、大小和位置[2]。劉釗等[3]通過試驗證明了全聚焦成像算法可以利用多次波對焊縫進行成像，并定位焊縫上的缺陷。于朋等[4]通過試驗驗證了FSTFM算法可對對接焊縫的上表面微小裂紋進行有效成像，并測量出裂紋的擴展深度。

筆者以設計制作的一塊含表面裂紋和坡口未熔合缺陷的人工試塊為研究對象，利用CIVA軟件的缺陷響應模塊進行仿真，比較了常規相控陣技術和全聚焦相控陣技術的成像效果。在仿真的基礎上，采用上述兩種相控陣檢測方法并結合常規無損檢測對人工試塊開展檢測。完成了人工試塊的線切割解剖，結合缺陷部位的截面形貌和尺寸，對成像結果進行對比研究，驗證了TFM對于焊縫上表面裂紋和坡口未熔合缺陷檢測的有效性和測量精確性。

1 CIVA軟件仿真

通過CIVA軟件仿真，分別模擬TFM和常規PAUT對焊縫上表面裂紋和坡口未熔合缺陷的響應情況。仿真對象為一對接焊縫試板，坡口類型為V型，坡口角度為60°，試板厚度為10 mm。焊縫坡口處設置1處未熔合缺陷S1，規格(長X深X自身高度)為15 mmX5 mmX2 mm。焊縫上表面設置1處裂紋缺陷S2,長度為15 mm，自身高度為2 mm。根據上述兩種缺陷的尺寸和位置，在CIVA軟件中建立模型，如圖1所示。

圖1 CIVA缺陷響應模型

焊縫上表面裂紋的CIVA仿真結果如圖2所示，TFM和常規PAUT都可以識別出焊縫上表面裂紋信號。利用TFM法檢測得到了垂直于焊縫表面的裂紋信號，該裂紋的形貌與仿真模型中的裂紋缺陷一致，而利用常規PAUT法檢測僅得到了裂紋兩端的衍射波信號，無法得到真實的缺陷形貌。坡口未熔合的CIVA仿真結果如圖3所示，TFM和常規PAUT都可以檢測得到坡口未熔合信號。利用TFM法檢測得到了沿著坡口方向的整體未熔合信號(未熔合面上的回波信號連續，未斷開，分布均勻)，未熔合面的形貌與仿真模型中設置的未熔合缺陷基本一致。當采用PAUT扇形掃查進行坡口未熔合仿真時，坡口未熔合的仿真檢測結果與焊縫坡口的角度有很大關系。圖3(b)中的焊縫坡口與工件底面所成角度為60°，到達坡口面的模擬聲束角度為45°，仿真得到的未熔合信號與真實缺陷形貌存在一定的差異(未熔合面上的回波信號不連續，中間斷開，分布不均勻)。當到達坡口面的模擬聲束角度接近30°時(聲束方向垂直于坡口面)，獲得的未熔合仿真圖像越接近缺陷的真實形貌，此時未熔合面上可以得到連續的回波信號。但未熔合面兩端的衍射波信號依然會存在，導致缺陷的定量變大。

圖2 焊縫上表面裂紋的CIVA仿真結果

圖3 坡口未熔合的CIVA仿真結果

根據上述仿真結果可得，受端點衍射信號的影響，PAUT法會使缺陷的定量變大，而TFM法能直觀、有效地實現對上表面裂紋和坡口未熔合兩類缺陷的仿真成像，缺陷的定位和定量均較為準確，具有很高的檢測分辨率。其中，表1為缺陷定位和定量比對，由表1中的缺陷長度、埋藏深度以及自身高度的測量數據可得，TFM法的缺陷定位和定量精度更高。由表1中的缺陷上端點幅值、缺陷中點幅值以及缺陷下端點幅值(該幅值為相對聲壓幅值，單位：dB)的測量數據可得，TFM法的缺陷回波信號更連續、分布更均勻，缺陷回波信號的定量更準確，缺陷的檢出率大大提高。

表1 缺陷定位和定量比對表

2 試驗研究

2.1 相控陣檢測研究

根據CIVA仿真工件設計制作的對接焊縫試塊如圖4所示。試塊材料為20鋼，規格(長×寬×高,下同)為300 mm×400 mm×10 mm，焊縫為V型坡口，坡口角度為60°，焊縫中設置2處缺陷。一處為坡口未熔合缺陷S1，其尺寸(長×深×自身高度)為15 mm×5 mm×2 mm，另一處為焊縫中心上表面開口裂紋缺陷S2，其尺寸(長×高)為15 mm×2 mm。分別對上述兩種缺陷進行常規相控陣和全聚焦相控陣檢測，并分析比較這兩種相控陣檢測技術的檢測效果。

圖4 人工試塊結構示意

對人工試塊分別采用常規PAUT法和TFM法進行檢測，其中，PAUT法采用扇形掃查方法，掃查角度范圍為35°70°，角度步進為0.5°，聚焦點設置在焊縫上表面。TFM法采用超聲檢測與時域信號相結合的相控陣超聲全矩陣捕捉技術，無需設置掃查角度、角度步進和聚焦點等檢測參數。以工件邊緣為起始點，探頭與焊縫邊緣保持一定距離，使相控陣檢測聲束覆蓋整個焊縫，分別在焊縫的兩側各進行一次掃查，取較理想的一側檢測結果為研究對象。坡口未熔合的兩種相控陣檢測成像結果如圖5所示，PAUT法和TFM法的界面均可顯示S掃(扇掃圖)、A掃、C掃(俯視圖)和D掃(側視圖)。兩種檢測方法均可呈現出完整清晰的檢測圖像，TFM法相比PAUT法具有更高的檢測分辨率和信噪比，對于微小缺陷的檢測以及結構回波的識別更具優勢。TFM法可以清晰地檢測出焊縫上下表面余高回波，而PAUT法僅能發現焊縫的根部余高回波。

圖5 坡口未熔合的兩種相控陣檢測成像結果

相控陣超聲檢測圖像的顯示有兩類，一類是按幾何結構成像，另一類是按聲程顯示成像，兩種成像方式的具體優缺點詳見參考文獻[5]。在圖5(a)中，缺陷按幾何結構成像，畫圈處為未熔合S1，從S掃可以看出該未熔合在坡口處被二次波所發現，通過S和D掃描成像視圖可確定該缺陷深度約為4.4 mm，通過C和D掃描成像視圖可確定缺陷自身高度為3.2 mm，長度為22.9 mm。在圖5(b)中，缺陷按聲程顯示成像，畫圈處為未熔合S1，從S掃可以看出該缺陷出現在三次波中，缺陷延伸方向與坡口面角度基本一致，符合未熔合缺陷的特征。通過S和D掃描成像視圖可確定該缺陷深度約為3.7 mm，通過C和D掃描成像視圖可確定缺陷自身高度為1.3 mm，長度為15.2 mm。

上表面裂紋的相控陣成像結果如圖6所示，利用TFM和常規PAUT分別進行焊縫中心外表面裂紋的檢測。TFM法相比PAUT法具有更高的檢測分辨率，成像更為直觀。真實裂紋應該是彎曲的或者是有分支的，TFM法的圖譜表現為多處集中的缺陷信號，更加符合裂紋的真實形貌。從聲波對缺陷的方向性來看，TFM法克服了聲束方向性的缺點，回波信號的分布更接近缺陷的真實位置。在圖6(a)中，畫圈處為裂紋S2，從S掃可以看出該裂紋在上表面被二次波所發現，通過S掃和D掃描成像視圖可確定該缺陷自身高度為3.1 mm，通過C掃和D掃描成像視圖可確定其長度為25.1 mm。在圖6(b)中，畫圈處為裂紋S2，從S掃可以看出該缺陷出現在二次波和三次波中，考慮到余高的存在，缺陷高度測量應該從二次波上端開始到三次波的下端。通過S掃和D掃描成像視圖可確定該缺陷自身高度為2.6 mm，通過C掃和D掃描成像視圖可確定其長度為23.2 mm。

圖6 上表面裂紋的相控陣成像結果

2.2 常規無損檢測及缺陷部位解剖研究

試塊設計制作時存在一定的誤差，為了較準確地確定坡口未熔合的長度、自身高度和深度，裂紋的擴展深度、長度，對該試塊進行了RT(射線)檢測、MT(磁粉)檢測以及缺陷部位的線切割解剖。圖7為未熔合和表面裂紋的射線檢測底片，經測量得到未熔合長度為17 mm，未熔合自身高度為1.5 mm；表面裂紋長度為22 mm。圖8為表面裂紋的MT檢測結果，測量得到裂紋長度為21 mm。

圖7 未熔合和表面裂紋射線檢測底片

圖8 表面裂紋MT檢測結果

對接焊縫試板沿焊縫橫向進行線切割后觀察缺陷的形貌，并對缺陷的自身高度和埋藏深度進行測量。切割后經測量得到未熔合缺陷的自身高度為1.2 mm，埋藏深度為4.0 mm；表面裂紋缺陷的自身高度為2.8 mm。切割后截面為缺陷的橫截面，無法測量缺陷的長度，因此裂紋、未熔合的實際長度可以近似采用RT或MT檢測結果。圖9為試板焊縫表面裂紋缺陷處切割后的橫截面照片，圖10為試板焊縫坡口未熔合缺陷切割后的橫截面照片。如圖9所示，裂紋按一定角度向焊縫深度方向延伸，缺陷形貌與TFM法成像結果較為吻合。如圖10所示，未熔合沿著坡口方向延伸，缺陷形貌與TFM和常規PAUT成像結果較為吻合。

圖9 試板焊縫表面裂紋處切割后照片

圖10 試板焊縫坡口未熔合切割后照片

2.3 試驗結果比對分析

為了方便檢測結果的比對，將上述檢測結果及解剖后的測量結果進行匯總，如表2所示。結果表明，RT檢測方法測量的未熔合S1的長度接近未熔合的真實長度；RT或MT方法測量的裂紋S2結果長度接近裂紋的真實長度；解剖后可以精確測量出未熔合S1的自身高度、深度以及裂紋S2的自身高度。以此為缺陷的參考尺寸，將相控陣檢測的結果與之進行定量比對分析，可得如下結論。

表2 4種無損檢測方法及解剖結果 mm

(1)PAUT法會使缺陷定量變大，TFM法對缺陷的定量準確性較高，誤差較小。

(2)從缺陷長度的測量情況來看，TFM法檢測的準確性略高于PAUT法。

(3)從缺陷自身高度的測量情況來看，TFM法檢測結果更加接近真實缺陷的自身高度，誤差控制在7.2%以內。PAUT法對自身高度的定量誤差較大，在檢驗過程中可能會影響對缺陷的定級。

(4)從缺陷埋藏深度的測量情況來看，這兩種相控陣檢測方法的檢測誤差較小，與缺陷真實埋藏深度較為接近。

3 結語

(1)相控陣技術能發現焊縫中表面缺陷和埋藏缺陷的信號，通過多種成像方式可以直觀地表述缺陷的形貌。

(2)從成像效果來看，TFM法比PAUT法具有更高的檢測分辨力和信噪比，對微小缺陷的檢測以及結構回波的識別更具優勢，更有利于缺陷的定性研究。

(3)從缺陷定量來看，TFM法相比PAUT法具有更高的精度，尤其是缺陷自身高度的測量，TFM法檢測結果更加接近真實缺陷的自身高度。