鋼板焊接密集氣孔的無損檢測方法分析

馮云國，劉廣興

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南　250003）

鋼板焊接密集氣孔的無損檢測方法分析

馮云國，劉廣興

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南250003）

使用X射線、普通超聲A波、衍射時差法（TOFD）、相控陣4種無損檢測方法分別檢測同一鋼板焊接接頭的密集氣孔，對檢測結(jié)果從定性、定量、定位方面進行比較和分析。闡述4種方法在檢測焊接接頭密集氣孔的應(yīng)用中各自優(yōu)缺點和互補性以及TOFD和相控陣作為新型檢測技術(shù)在實踐檢驗中的優(yōu)勢所在。

密集氣孔；X射線；衍射時差法；相控陣

0　引言

在焊接過程中和焊接接頭成型后出現(xiàn)的鋼板缺陷中，氣孔占了相當(dāng)大一部分比例，其中有一部分氣孔成群出現(xiàn)，稱為密集氣孔。密集氣孔對焊接接頭產(chǎn)生了諸多不利影響，大致有以下幾方面：降低了焊接接頭的致密性，包括氣密性和水密性；減小了焊縫有效截面積；造成應(yīng)力集中，顯著降低焊接接頭的強度和韌性，對結(jié)構(gòu)動載強度也有明顯影響。在一些由鋼板焊接構(gòu)成的設(shè)備和重要部件中，密集氣孔是不允許存在或者需要重點監(jiān)控的缺陷，因此對缺陷的準確定位、定量、定性是十分重要的工作。對于鋼板焊接接頭存在的密集氣孔缺陷，RT（X射線）、UT（普通超聲A波）、MT（磁粉）、PT（滲透）、ECT（渦流）等常用無損檢測方法中，MT、PT、ECT只適用于檢測焊接接頭表面和近表面缺陷，對于鋼板焊接接頭內(nèi)部密集氣孔缺陷，使用RT、UT方法有較好檢測效果。與UT、RT兩種方法比較，TOFD和相控陣檢測技術(shù)在實際檢測中得到了越來越廣泛的認可，國內(nèi)外相關(guān)檢測標準已經(jīng)頒布。為比較不同無損檢測方法檢測鋼板焊接接頭存在密集氣孔缺陷的實際效果，使用射線、超聲、TOFD和相控陣4種無損檢測方法對同一密集氣孔缺陷分別進行檢測，通過分析不同的檢測方法得到的數(shù)據(jù)，得到初步檢驗結(jié)論，TOFD和相控陣的成像技術(shù)在檢測鋼板焊接接頭密集氣孔缺陷中表現(xiàn)出優(yōu)勢。

1　檢驗過程

1.1檢測工件

檢測工件為人工制作的含密集氣孔缺陷的鋼板對接接頭。鋼板材質(zhì)為20鋼，規(guī)格為400 mm× 300mm×20mm；焊縫坡口形式為X型坡口，焊縫寬度為10 mm、余高2 mm；工件表面光潔度符合標準要求。

1.2檢測方法

對于鋼板焊接接頭密集氣孔缺陷，依次用RT、UT、TOFD和相控陣4種方法檢測。射線檢測使用設(shè)備為XT2505D型X射線機；超聲檢測使用設(shè)備為CTS9001超聲波探傷儀；對于另外兩種檢測方法，使用的設(shè)備均為以色列 SonotronNDT公司生產(chǎn)的ISONIC2009多功能超聲相控陣成像檢測系統(tǒng)。檢測設(shè)備見表1。

表1　檢測設(shè)備說明

2　檢測數(shù)據(jù)及分析

2.1各種方法檢測數(shù)據(jù)

RT檢測使用格林III型全自動洗片機，工藝參數(shù)為：使用鉛箔增感屏，像質(zhì)計指數(shù)為11、靈敏度AB級、管電壓185 kV、曝光時間大于3 min、焦距700 mm、透照角度0°、底片黑度及其他工藝參數(shù)符合JB/T 4730.2的相關(guān)要求。射線底片在觀片燈下的效果見圖1。

UT檢測相關(guān)參數(shù)：靈敏度為Φ1×6-9 dB、機油耦合補償2 dB、探頭2.5P8×12K2、沿焊縫兩側(cè)做鋸齒型掃查，其他工藝參數(shù)符合JB/T 4730.3的相關(guān)要求。檢驗過程中可觀測到峰值不同、隨探頭移動而移動的一簇反射波，波高隨氣孔的大小而不同，靜態(tài)圖形見圖2。

圖1　缺陷射線底片

TOFD檢測靈敏度補償為2 dB、耦合劑同樣為機油、5MΦ6探頭、60°楔塊、使用掃查架做非平行掃查，設(shè)置PCS（探頭中心間距）由式（1）算出為46mm、掃查距離為300 mm、掃查時間為30 s。掃查圖像見圖3。

式中：L為探頭中心間距；T為工件厚度；θ為楔塊角度。

圖3　缺陷TOFD掃查圖像

相控陣檢測使用5 MHz頻率，32晶片線性陣列探頭，楔塊為有機玻璃，其聲速為2 340 m/s、角度為36°，機油做耦合劑、表面補償為2 dB。調(diào)節(jié)儀器為焊縫高級檢測專項掃查，根據(jù)檢測的焊口截面，設(shè)置參數(shù)為：下表面寬度10 mm、上表面寬度12 mm、掃查距離為300 mm、掃查時間為30 s。掃查圖像見圖4。

圖4　缺陷相控陣掃描圖像

2.2數(shù)據(jù)分析

檢測工件材質(zhì)為20鋼，規(guī)格為400mm×300mm× 20 mm的鋼板對接接頭，其焊接接頭內(nèi)部的密集氣孔缺陷，使用RT和UT方法均能有效檢出。對于RT檢測圖1中的底片，在觀片燈下可以清晰地觀察到四個氣孔位于焊縫中心線附近，同時缺陷的定性、定量也非常準確，分辨率也較高，但是在深度的測量上存在技術(shù)難點，通過射線底片測量孔深相對可行的一種方法是黑度測量法［1］，不過其效果和準確性還需要進一步分析和驗證。UT方法也可以清晰的觀察到缺陷反射波，移動探頭，信號時起時伏。單個回波，

式中：d為缺陷深度，mm；t為脈沖時間，μs；c為聲波聲速mm/μs；L為探頭中心間距，mm。

TOFD可以將密集氣孔作為一個整體缺陷在深度和長度方向上以成像的方式顯示出來，但TOFD在缺陷的定性上存在一定難度。相控陣掃查過程中，通過調(diào)節(jié)儀器模式的切換，可觀察到俯視圖、側(cè)視圖、扇形掃查圖均有缺陷存在，結(jié)合各種掃描成像圖，可以判斷缺陷性質(zhì)為密集氣孔。缺陷定量方面，可以參考成像的熱度圖或灰度圖，直接使用軟件測量上也十分方便，缺陷長度可以通過俯視圖測量；缺陷高度可以通過側(cè)視圖測量，具體位置可以通過扇形掃查的模擬焊縫圖觀測?；诔上裨聿煌?，相比X射線檢測，相控陣圖像在定量和分辨率上還存在差距，對于密集氣孔，分辨率是一項很重要的指標，實際檢測中對于給定位置的密集氣孔，改變焦距和探頭參數(shù)能夠很大程度上改善分辨率［4］，這在檢測中以氣孔位置為圓心，旋轉(zhuǎn)探頭，從各方向探測，反射波高大致相同。但前后、左右移動探頭，單個回波顯示點狀缺陷的特點，即波幅平滑地由零上升到最大，接著又平滑地下降到零。對比RT方法，UT方法對氣孔的定性相對困難、對檢測人員的技術(shù)水平有一定要求，定量也只能采取相對能量法，不能直觀地看出氣孔的大小，分辨率也不及射線底片高，其優(yōu)點是對單個缺陷的定位較為準確，尤其對于厚板，相比于射線檢測擁有絕對優(yōu)勢。

TOFD和相控陣的最大優(yōu)勢在于能夠把缺陷以一定的方式通過圖像形式顯示出來［2］，相比較渦流氣孔三維仿真技術(shù)［3］，有著獨特優(yōu)勢。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，不但檢驗結(jié)果可以方便地存貯，而且保存的缺陷圖像可以使用儀器攜帶的軟件分析、測量。盡管成像技術(shù)還存在著一定局限性，TOFD和相控陣技術(shù)還是在很大程度上減少了人為因素造成的檢測結(jié)果誤差。從圖3 TOFD掃查圖像可觀察到密集氣孔缺陷完全混合到一起，單個缺陷無法分辨，這是由于存在深度分辨力：對于TOFD檢測、1個信號波形通常包括2～3個周期，識別2個信號所代表的最小距離就是分辨率。例如5 MHz探頭，持續(xù)2個全周期，即0.4 μs。對于5 MHz探頭TOFD圖像檢測，深度方向的分辨率為不存在任何操作困難。綜合這幾種方法，相控陣檢測在密集氣孔檢測中有著不可或缺的重要地位。以上4種無損檢測方法對密集氣孔測量結(jié)果比較見表2。

表2　不同檢測方法特點

由上分析可以看出，所選的幾種檢測密集氣孔的方法有各自優(yōu)缺點。X射線結(jié)果準確、分辨力強，但定位存在盲點，不適合厚板焊接接頭；傳統(tǒng)超聲A波定量上存在一定誤差、但對于厚板焊接接頭檢測方便可行；TOFD檢測密集氣孔雖然在分辨率和定性上存在一定困難，但是將密集氣孔作為一個整體缺陷，在深度定位上依舊具有一定參考價值；相控陣能直觀的顯示缺陷圖像，測量方法簡單，測量結(jié)果可靠、可信；選取合適的探頭并調(diào)節(jié)正確的參數(shù)能夠檢測到密集氣孔缺陷，是非常具有發(fā)展前景的一種檢測方法。

3　結(jié)語

對于鋼板焊接存在的密集氣孔缺陷，根據(jù)板厚的不同，應(yīng)當(dāng)選取合適的無損檢測檢測方法，RT結(jié)合相控陣檢測，能夠精確的檢出中、薄板焊接密集氣孔缺陷。對于中厚板焊接密集氣孔缺陷，TOFD和相控陣檢測的成像技術(shù)是無損檢測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

［1］林師一.射線探傷底片中深孔缺陷的評定［J］.機電技術(shù)，2010 （3）：93-95.

［2］施克仁，楊平，陳斌.基于二維陣列的相控陣超聲三維成像實現(xiàn)［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，46（11）：1 805-1 808.

［3］譚書濤，陳建鈞，潘紅良.渦流傳感器檢測薄板內(nèi)氣孔型缺陷的三維仿真［J］.無損檢測，2012，34（9）：19-22.

［4］楊平華，林莉，劉春偉，等.相控陣超聲檢測橫向分辨力實驗測試及分析［J］.儀器儀表學(xué)報，2011，32（6）：1 384-1 389.

Nondestructive Methods of Testing Steel Plate Welded Dense Porosities

FENG Yunguo，LIU Guangxing
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

Four nondestructive testing methods，namely X-rays，common ultrasonic A wave，TOFD（time of flight diffraction）and phased array were used in testing dense porosities of a steel plate welded joint.Measurement results were compared and analyzed according to quality，quantity and position.Merits，drawbacks and complementation of each method，and the superiority of TOFD and phased array as a new-type testing technology in applications of testing dense porosities of steel plate welded joint were expatiated.

dense porosities；X-rays；TOFD；phased array

TG115.28

B

1007-9904（2015）11-0060-03

2015-06-09

馮云國（1975），男，主要從事電力無損檢測工作。