鋁合金板材焊接接頭的相控陣超聲檢測(cè)

李小欣，趙利軍，鄭延召，王曉貞

(1.平高電氣股份有限公司，平頂山 467001；2.平高集團(tuán)焊接技術(shù)及壓力容器實(shí)驗(yàn)室，平頂山 467001)

鋁合金材料被廣泛應(yīng)用在GIS(氣體絕緣金屬封閉開關(guān))、GIL(氣體絕緣輸電線路)等電氣設(shè)備的外殼中，焊接類外殼的焊接接頭質(zhì)量是保證設(shè)備安全運(yùn)行的重要因素之一，因此接頭的檢測(cè)尤為重要。目前，GIS、GIL用殼體焊接接頭的檢測(cè)一般采用X射線和常規(guī)超聲波檢測(cè)，而X射線有輻射，對(duì)人體有害,常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果不直觀，主觀性較強(qiáng)。而相控陣超聲檢測(cè)以其安全、準(zhǔn)確、直觀等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于電力領(lǐng)域[1-2]。近幾年,國(guó)內(nèi)一些科研院所、企業(yè)單位紛紛開展了相控陣方面的相關(guān)研究，如：胡棟等[3]研究了奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣檢測(cè)，其結(jié)果表明，對(duì)10 mm深缺陷來說，相控陣檢測(cè)的信噪比遠(yuǎn)高于常規(guī)超聲的；肖武華等[4]發(fā)現(xiàn)相控陣的定位和定量的準(zhǔn)確性較高；梁世蒙等[5]對(duì)相控陣探頭的聚焦位置、陣元數(shù)量、晶片面積等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，驗(yàn)證了其對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響；原可義等[6]對(duì)相控陣近場(chǎng)聚焦和遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)靈敏度、分辨率進(jìn)行了量化分析；余亮等[7]采用5L64探頭對(duì)母材厚度為10 mm以下的攪拌摩擦焊焊縫進(jìn)行檢測(cè)，定量準(zhǔn)確，靈敏度高。GIS、GIL等設(shè)備用鋁合金外殼的厚度主要有10 mm和16 mm，由于目前焊接外殼的無損檢測(cè)方法存在不足，所以基于相控陣檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，為了探索相控陣檢測(cè)能否代替現(xiàn)有的檢測(cè)手段，筆者以母材厚度為10 mm和16 mm的鋁合金焊接接頭為對(duì)象，采用自聚焦探頭和常規(guī)探頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)精度、缺陷檢測(cè)率進(jìn)行了綜合分析，評(píng)價(jià)了相控陣檢測(cè)的可行性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)方案

選擇高壓開關(guān)常用鋁合金(5052板材)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)分兩組，第一組采用厚度為10 mm的鋁板進(jìn)行對(duì)接焊，第二組采用厚度為16 mm的鋁板進(jìn)行對(duì)接焊,兩組試件中分別預(yù)制缺陷。采用兩種不同型號(hào)的探頭進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)用底面1次反射法(2次波)，使聲束能全面覆蓋整個(gè)焊縫截面，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 試件制備

第一組焊接試件采用10 mm×125 mm×800 mm(高×長(zhǎng)×寬)的5052鋁合金板材進(jìn)行對(duì)接焊，第二組焊接試件采用16 mm×125 mm×800 mm的5052鋁合金板材進(jìn)行對(duì)接焊，焊接方法采用MIG(熔化極惰性氣體保護(hù)焊)，采用單面焊雙面成形工藝，焊接接頭形式及坡口尺寸示意如圖1所示。

圖1 焊接接頭形式及坡口尺寸

針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際情況，鋁合金焊接過程中產(chǎn)生的缺陷主要是氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等，在試件上預(yù)制上述缺陷。預(yù)制缺陷深度和尺寸如表1所示。

表1 預(yù)制缺陷深度和尺寸 mm

試件制作完成后，清除試件上的焊接飛濺，并使用砂紙將探頭移動(dòng)區(qū)域打磨平整，表面粗糙度不大于12.5 μm。

2 相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)選擇及設(shè)置

2.1 探頭選擇

表2為GB/T 32563-2016《無損檢測(cè)超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》對(duì)探頭的選擇要求。由表2(表中T為檢測(cè)厚度)可以看出，隨著檢測(cè)厚度的增加，探頭頻率逐漸降低，孔徑逐漸增大。從提高檢測(cè)精度方面考慮，結(jié)合表2對(duì)探頭頻率等參數(shù)的選擇，試驗(yàn)擬采用自聚焦探頭和常規(guī)探頭檢測(cè)。自聚焦探頭型號(hào)為D10(7.5S16-0.5×10-D10)，常規(guī)探頭型號(hào)為D2(5L32-0.5-10)。

表2 GB/T 32563-2016推薦采用的探頭參數(shù)

2.2 楔塊選擇

根據(jù)探頭型號(hào)，匹配合適的楔塊型號(hào)。自聚焦探頭型號(hào)為D10(7.5S16-0.5×10-D10)，匹配楔塊型號(hào)為SD10(SD10-N60S-IH)，常規(guī)探頭型號(hào)為D2(5L32-0.5×10-10)，匹配楔塊型號(hào)為SD2(SD2-N55S)。

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

試驗(yàn)采用PHASCAN便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀檢測(cè)，建立4套配置文件，基本參數(shù)見表3。

表3 配置文件基本參數(shù)

3 檢測(cè)結(jié)果及分析

在試件上沿焊縫軸線標(biāo)記步進(jìn)偏置絕對(duì)值，沿設(shè)置的掃查方向開始掃查焊縫，掃查過程中保持勻速前進(jìn)，耦合良好，對(duì)兩組試件進(jìn)行檢測(cè)，得到某個(gè)缺陷的A-S掃視圖，使用-6 dB法對(duì)該缺陷進(jìn)行定性、定量分析。

3.1 板厚為10 mm試件的檢測(cè)結(jié)果分析

兩種探頭檢測(cè)的典型缺陷圖像如圖2，3所示，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

圖2 10 mm厚試件的缺陷自聚焦探頭檢測(cè)圖像

圖3 10 mm厚試件的缺陷常規(guī)探頭檢測(cè)圖像

表4 10 mm厚試件的檢測(cè)結(jié)果

由表4可以看出，自聚焦探頭將預(yù)制的8處缺陷全部檢出。常規(guī)探頭檢出預(yù)制的6處缺陷，有兩處預(yù)制缺陷未檢出，缺陷檢出率是自聚焦探頭的75%。

自聚焦探頭檢出的缺陷尺寸分析及其與預(yù)制缺陷位置尺寸的相對(duì)誤差如表5所示。

表5 10 mm厚試件的自聚焦探頭檢出缺陷尺寸

常規(guī)探頭檢出的缺陷尺寸分析及其與預(yù)制缺陷位置尺寸的相對(duì)誤差如表6所示(√表示檢出，×表示未檢出)。

表6 10 mm厚試件的常規(guī)探頭檢出缺陷尺寸

缺陷深度與長(zhǎng)度相對(duì)誤差曲線如圖4所示。

圖4 10 mm厚試件的缺陷深度與長(zhǎng)度相對(duì)誤差曲線

從圖2可以看出，自聚焦探頭的檢測(cè)精度高于常規(guī)探頭的。波束直徑影響檢測(cè)靈敏度和精度，超聲相控陣探頭波束直徑計(jì)算公式如式(1)所述。

DB-6 dB=0.256 8DF/N

(1)

式中：D為探頭直徑(主動(dòng)孔徑)，mm；D=n·p，n為晶片數(shù)量，p為晶片中心間距，mm；F為焦距，mm；N為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，mm。

近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算公式如式(2)所示。

N=K矩形D2f/(4c)

(2)

式中：K矩形為近場(chǎng)修正系數(shù)；f為探頭頻率，MHz；c為材料橫波聲速，m·s-1。

由式(2)得到自聚焦探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為54 mm，常規(guī)探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為102 mm；由式(1)得到自聚焦探頭的波束直徑約為2.4 mm，常規(guī)探頭的波束直徑約為1.6 mm，波束直徑越小，被某個(gè)特定位置的缺陷反射的能量越多，缺陷越清晰。自聚焦探頭近場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)小于常規(guī)探頭的，且頻譜更寬，諧波聲壓的疊加更加明顯，能使聲壓-距離關(guān)系變得更為平滑，也有利于檢測(cè)，綜上分析，自聚焦探頭檢測(cè)精度高于常規(guī)探頭的。

對(duì)常規(guī)探頭未檢出的缺陷進(jìn)行分析： 2處缺陷直徑為1 mm左右，根據(jù)上述波束直徑的討論，自聚焦探頭波束直徑小，更利于檢測(cè)出微小的缺陷，而常規(guī)探頭波束直徑大，是2#，4#缺陷漏檢的原因之一。另外，理論認(rèn)為自聚焦探頭是窄脈沖與寬頻帶超聲波探頭，諧波的頻率范圍寬(頻帶寬)，疊加而成的脈沖持續(xù)時(shí)間短，脈沖持續(xù)時(shí)間(脈沖寬度)比相同參數(shù)的普通超聲波探頭更短，脈沖寬度小，能獲得高的分辨力，也是自聚焦探頭檢出小缺陷的原因。

3.2 板厚為16 mm試件的檢測(cè)結(jié)果分析

兩種探頭的典型缺陷檢測(cè)圖像如圖5，6所示，檢測(cè)結(jié)果如表7所示。

圖5 16 mm厚試件的缺陷自聚焦探頭檢測(cè)圖像

圖6 16 mm厚試件的缺陷常規(guī)探頭檢測(cè)圖像

由表7可以看出，自聚焦探頭檢出預(yù)制的7處缺陷，1處缺陷未檢出。常規(guī)探頭對(duì)預(yù)制的8處缺陷全部檢出，自聚焦探頭的缺陷檢出率是常規(guī)探頭的87.5%。

表7 16 mm厚試件的檢測(cè)結(jié)果

自聚焦探頭檢出的缺陷尺寸分析及其與預(yù)制缺陷尺寸的相對(duì)誤差見表8。

表8 自聚焦探頭檢出的缺陷尺寸及其與預(yù)制缺陷尺寸的相對(duì)誤差

常規(guī)探頭檢出的缺陷尺寸分析及其與預(yù)制缺陷尺寸的相對(duì)誤差見表9。

表9 常規(guī)探頭檢出的缺陷尺寸及其與預(yù)制缺陷尺寸的相對(duì)誤差

對(duì)缺陷深度和長(zhǎng)度的檢測(cè)數(shù)值與真實(shí)值的相對(duì)誤差進(jìn)行比較，得到的誤差曲線如圖7所示。

圖7 16 mm厚試件的缺陷長(zhǎng)度和深度相對(duì)誤差曲線

從圖7可以看出，常規(guī)探頭的檢測(cè)精度稍高于自聚焦探頭的。這是因?yàn)槎尾z測(cè)16 mm左右厚度的焊縫時(shí)，可達(dá)到的深度約為32 mm，超過了自聚焦探頭的聚焦區(qū)域。

(3)

式中：SF為歸一化焦距。

由式(3)得到自聚焦探頭的聚焦區(qū)域?yàn)?2.7 mm，常規(guī)探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為24.4 mm，聚焦區(qū)域內(nèi)聲束能量集中，檢測(cè)靈敏度高，且超出聚焦區(qū)域，聲波發(fā)散，檢測(cè)靈敏度低。這是常規(guī)探頭檢測(cè)靈敏度高于自聚焦探頭檢測(cè)靈敏度的原因。

對(duì)自聚焦探頭未檢出的2#缺陷進(jìn)行分析：通過對(duì)該缺陷的定量測(cè)量發(fā)現(xiàn)其位于自聚焦探頭的聚焦區(qū)域外，檢測(cè)靈敏度低，因此自聚焦探頭未檢測(cè)出該缺陷。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)母材厚度為10 mm左右的鋁合金對(duì)接接頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，自聚焦探頭(7.5S16-0.5×10-D10)能檢出全部預(yù)制缺陷，檢測(cè)小缺陷的分辨力高，缺陷檢出率明顯高于常規(guī)探頭的；缺陷的定量精度受波束直徑影響，波束直徑小，定量精度高。

(2) 對(duì)母材厚度為16 mm左右的鋁合金對(duì)接接頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，常規(guī)探頭(5L32-0.5×10-10)能檢出全部預(yù)制缺陷，自聚焦探頭(7.5S16-0.5×10-D10)受聚焦區(qū)域的影響，未能檢出全部預(yù)制缺陷，檢出率和缺陷的定量精度均低于常規(guī)探頭的。

(3) 采用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)鋁合金焊接接頭時(shí)，當(dāng)主筒體厚度為10 mm的板材選用自聚焦探頭檢測(cè)，16 mm的板材選用常規(guī)探頭檢測(cè)時(shí),檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、缺陷定量精度高，且該技術(shù)可作為主要檢測(cè)手段，射線檢測(cè)作為輔助檢測(cè)手段，主要用于GIS、GIL等設(shè)備焊接外殼的檢測(cè)，以提高檢測(cè)效率、降低射線檢測(cè)帶來的輻射危害。