基于相控陣技術(shù)的焊接接頭超聲檢測技術(shù)研究

基于相控陣技術(shù)的焊接接頭超聲檢測技術(shù)研究

1相控陣超聲探傷技術(shù)大鋼框架，大厚板連接連接總面積約1000米。對這些焊接接頭的質(zhì)量進(jìn)行超聲檢測時有速度要求。大梁焊縫一般主要用超聲探傷專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的超聲自動探傷,對所有焊縫斷面進(jìn)行100%探傷。探頭要結(jié)合左右掃查和前后掃查,進(jìn)行鋸齒形掃查,探傷頗費(fèi)時間。為提高探傷效率,有時要將數(shù)個探頭并排一起,進(jìn)行多通道探傷。探傷時,要對各探頭一一進(jìn)行靈敏度校正和波形處理,操作較繁復(fù)。近年來,為提高超聲探傷中數(shù)據(jù)處理速度,推出了用多晶片組成的陣列探頭進(jìn)行探傷的所謂相控陣超聲探傷技術(shù),即相控陣UT。相控陣UT原理如圖1所示,是通過電子控制多晶陣列探頭來形成合成波陣面,能任意設(shè)定探傷角度和超聲波聚焦位置。因?yàn)槭请娮涌刂?所以掃查速度很快。為用電子掃查取代探頭對焊縫的機(jī)械前后掃查,以提高對焊縫的檢驗(yàn)速度,從而使相控陣UT電子控制的線掃查方式更為實(shí)用,筆者根據(jù)常用超聲探傷標(biāo)準(zhǔn)要求,主要探討有關(guān)T型接頭組合焊縫的相控陣超聲探傷條件和控制處理條件。2探傷系統(tǒng)的組成鋼結(jié)構(gòu)件焊接接頭主要有圖2所示的對接接頭和T型接頭。超聲波需要檢出的缺陷有未熔合、夾渣、凝固裂紋、氣孔和根部裂紋等。圖3表示可用電子控制的線掃查方式對對接接頭和T型接頭進(jìn)行探傷的實(shí)例。圖3表明,對這兩種焊接接頭,按一般超聲探傷標(biāo)準(zhǔn)要求,超聲波束至少要從兩個方向進(jìn)行探傷,即:對對接接頭對接焊縫要將橫波斜探頭布置在焊縫兩側(cè),用一次波和二次波進(jìn)行探傷(圖3(a));對T型接頭組合焊縫,可將橫波斜探頭置于腹板上,用一次波和二次波進(jìn)行探傷(圖3(b)左),也可將縱波直探頭和橫波斜探頭置于翼板上從三個方向進(jìn)行探傷(圖3(b)右)。用相控陣UT進(jìn)行檢測的設(shè)備系統(tǒng)組成如圖4所示。整個探傷系統(tǒng)由相控陣探傷儀、相控陣探頭、掃查器和編碼器等組成。為模擬間距為1mm的方形掃查,系統(tǒng)應(yīng)能沿焊縫長度方向按1mm間距采集探傷數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中使用的相控陣探頭規(guī)格見表1。陣列探頭晶片(陣元)間距與焊縫長度方向的探傷步進(jìn)間距一樣,也是1mm。使用的相控陣直探頭共有128陣元,斜探頭共有64陣元,楔塊材質(zhì)為丙烯酸脂。3大關(guān)鍵事項討論為使相控陣UT能適用于鋼結(jié)構(gòu)件焊縫探傷,以下對六個關(guān)鍵事項進(jìn)行研討,即校驗(yàn)試塊的設(shè)計、有效探傷條件、噪聲分析和對策、適用探傷范圍的評價、適用探傷速度以及數(shù)據(jù)壓縮性能。3.1測定對象及試塊寬度相控陣UT中靈敏度校驗(yàn)用對比試塊的設(shè)計和制作要求如圖5所示。檢測對象最大厚度100mm,試塊厚度125mm,基準(zhǔn)孔徑Φ3mm。試塊長度滿足最大折射角70°的靈敏度校驗(yàn),試塊寬度W由下式求出:式中λ為波長(假設(shè)縱波斜角也用);S為最大聲程;D為探頭寬度。3.2表面活性劑的選擇為對相控陣UT中的超聲波束有效聚焦條件進(jìn)行評價,用惠更斯原理作聲場解析。對兩種探頭的聲場特性作了比較:常規(guī)單晶探頭(直探頭5MHz,Φ10mm;斜探頭5MHz,10mm×10mm);相控陣探頭(16陣元×1mm,即同時激勵16陣元,單個陣元1mm,或者說虛擬探頭長16mm)。通常,作垂直探傷時,相控陣UT用的聚焦直探頭要比常規(guī)直探頭尺寸大,聚焦效果一直可持續(xù)到較深位置(圖6)。如聲束聚焦深度設(shè)定為20mm,實(shí)際可延伸到30mm;聚焦深度設(shè)定為40mm,實(shí)際可延伸到50mm。超聲波束的聚焦位置一般設(shè)定在約2/3的探測深度位置,聲束聚焦后一定距離范圍內(nèi)因受擴(kuò)散影響較小,也能進(jìn)行探傷。作斜角探傷時,相控陣UT用的聚焦斜探頭的聚焦范圍也較大,可用于厚板的長聲程探傷(圖7)。3.3激勵的陣元數(shù)n相控陣UT中,為形成圖1所示合成波陣面而同時激勵的陣元尺寸不同,會使產(chǎn)生超聲波的虛擬探頭的尺寸也不同,從而影響對缺陷的可檢性。為此,需用圖5所示對比試塊(橫孔深度位置10～70mm),測出垂直探傷和斜角探傷中同時激勵的陣元數(shù)n與橫孔回波信噪比(S/N)的關(guān)系,測試結(jié)果見圖8。另外,假設(shè)探測最大板厚為100mm,聲束焦深位置設(shè)定在2/3深度即70mm的位置。對垂直探傷,取各深度位置的信噪比平均值。則由圖可見,當(dāng)同時激勵陣元數(shù)n=8～24時,S/N≈30dB,但n≤12時,深度位置70mm的S/N值相對較低。因此,作厚板探傷時,宜同時激勵16～24陣元為好。對70°斜角探傷,由于超聲波的衰減效應(yīng),孔深位置越大,則橫孔回波S/N越低;從平均值來看,則同時激勵陣元數(shù)n≥16時S/N較高(≥20dB)。綜上所述,相控陣UT中同時激勵陣元數(shù)為16以上,直接相關(guān)于缺陷可檢性的S/N值較高。因此,以下所述驗(yàn)證試驗(yàn)中,同時激勵的相控陣元數(shù)均取16以上。3.4雜波波高的原因相控陣UT中,探頭尺寸大了,楔塊尺寸也相應(yīng)增大,因此要根據(jù)探傷位置來設(shè)計楔塊。用市售40°斜角楔塊時,在探頭后部的入射波會先在楔塊底面產(chǎn)生反射,而后又在探頭前角部產(chǎn)生反射回波,成為噪聲雜波,如圖9所示。當(dāng)靈敏度調(diào)整為滿屏高80%時,噪聲雜波波高達(dá)13%,這雖未超過規(guī)定的評定線(L線),即20%線高度,但按鋼結(jié)構(gòu)件焊縫UT標(biāo)準(zhǔn),已超過了L/2線(10%),有可能誤判為缺陷信號。為避免探頭前角部引起的噪聲雜波,需特意增高楔塊高度H。能明顯降低噪聲雜波的有效楔塊高度H,以聲束不入射到探頭前角部為條件,可由下式求出:式中E為陣元總長;α為楔內(nèi)入射角。對60°斜角楔塊,在楔塊厚度60mm處,發(fā)現(xiàn)有高度為12%的雜亂反射波出現(xiàn),如圖10所示。因超聲波擴(kuò)散,入射到阻尼塊側(cè)面,又在阻尼塊護(hù)體前面產(chǎn)生反射回波,故探頭楔塊前緣設(shè)計了V形槽,可使噪聲雜波明顯減少。3.5耦合水層噪聲直探頭探傷中的噪聲雜波如圖11所示,主要有兩種:①由換能器背襯材料(阻尼塊)內(nèi)反射引起遲到入射的探測面回波。②由水層引起的多次反射回波。圖12表示用5MHz直探頭探測40mm板厚時,所得A掃描射頻波形和經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)的處理結(jié)果。除在多次回波的5MHz附近出現(xiàn)峰值外,在約10MHz處還出現(xiàn)換能器阻尼塊的高頻波,為此用低通濾波器(衰減5MHz以上的波)降噪。圖13表示校驗(yàn)試塊的探測波形和頻率經(jīng)濾波器的處理結(jié)果。通過濾波處理,能去除換能器阻尼材料的噪聲回波,與處理前相比,總體噪聲降低,因而缺陷回波顯示明顯清晰。圖14表示垂直探傷中,耦合水層為0.4mm時的盲區(qū)情況,以及耦合水層厚度與盲區(qū)的關(guān)系?？梢?隨著耦合水層的增大,盲區(qū)也會增大,因而近表面區(qū)無法探傷。實(shí)際探傷過程中,需根據(jù)探測范圍,調(diào)整自動探傷中的耦合水層厚度。3.6聲程與噪聲波高的關(guān)系通常的UT方法標(biāo)準(zhǔn)(A級)規(guī)定:探傷范圍<150mm時,用頻率5MHz;探傷范圍≥150mm時,用頻率2.5MHz。為確定相控陣UT探傷范圍,必須先確認(rèn)材料噪聲波高與聲程的關(guān)系。頻率5和2MHz時,材料噪聲與超聲聲程的關(guān)系如圖15所示。一般,A級檢測的基準(zhǔn)靈敏度是將Φ3mm橫孔反射波調(diào)整為滿屏高80%。此時,即使聲程200mm,噪聲波高也不會超過規(guī)定的評定線(E線),即20%滿屏高。但對某些重要結(jié)構(gòu)件,要求焊縫采用B級檢測,規(guī)定以E線的1/2為作評定線時,就要明確實(shí)際探傷有效范圍,即當(dāng)頻率5MHz,聲程S≯120mm;頻率2MHz,聲程S≯150m時,否則噪聲波高會超過評定線。3.7發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率用電子控制的線掃查法,在某一斷面上,是以一定的重復(fù)頻率激勵多個脈沖,來獲取各脈沖回波以不同色調(diào)顯示的探傷斷面圖像。因此,要提高探傷速度,就要提高發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率。對T型接頭探傷時,無論是從翼板或腹板探測,都可能收到翼板端部等產(chǎn)生的形狀回波,遲到出現(xiàn)在顯示屏上。此時,若過度提高重復(fù)頻率,則上一個發(fā)射脈沖引起的形狀反射等遲到回波,會出現(xiàn)在下一個發(fā)射脈沖的探測范圍內(nèi),成為幻象波(重影)。以下探討采用適當(dāng)步驟排除幻象波的方法,以評價實(shí)際探傷速度。3.7.1所見表1b圖16表示腹板厚度26mm、翼板厚度40mm(焊腳高度25mm)的T型接頭焊接試樣的探測布置和探傷波形,其中圖16(a)表示直探頭從翼板側(cè)作縱波垂直探傷;圖16(b)表示斜探頭從腹板側(cè)作橫波斜角探傷(45°～70°扇形掃查)。顯示的聲程距離要有足夠長度,以能識別遲到回波。直探頭從翼板側(cè)作垂直探傷時,顯示屏上會出現(xiàn)下列干擾回波:①楔內(nèi)多次反射波。②翼板底面回波。③焊縫形狀回波。④腹板底面回波。其中,①,③,④的寬度方向位置會與焊縫重合,產(chǎn)生重影。斜探頭從腹板側(cè)作斜角探傷時得到的波形,能看到由翼板端角反射產(chǎn)生的遲到波。3.7.2脈沖重復(fù)頻率prf的確定如圖16所示,直探頭從翼板側(cè)對焊縫作垂直探傷時,需要顯示的聲程約100mm。但由于上述干擾回波①,③,④會出現(xiàn)在聲程520mm以內(nèi),為避開探傷范圍內(nèi)幻象波的干擾,必須通過相當(dāng)于聲程距離在520mm以外的時間延遲,再激發(fā)下一個發(fā)射脈沖。此時脈沖重復(fù)頻率PRF的最大限值PRFeff可由式(3)求出為5.7kHz。式中c為鋼中聲速,當(dāng)斜角探傷時指鋼中橫波聲速,垂直探傷時指鋼中縱波聲速;S為最大聲程。斜探頭從腹板側(cè)進(jìn)行斜角探傷時,在折射角45°的聲程600～750mm處,以及折射角70°的聲程500～800mm處,可見翼板的端角回波。為避開這些干擾回波(即令其不出現(xiàn)在顯示屏上),采用的脈沖重復(fù)頻率同樣可由式(3)求出,得45°時為2.1kHz;70°時為2kHz。即最低在2kHz以下。3.7.3探傷條件及掃查方式相控陣UT中的探傷速度可用式(4)表示。換言之,先算出探測某一斷面的頻率,即發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率(PRF),除以該斷面上的脈沖重復(fù)數(shù)(PRC);而后再將此頻率數(shù)乘上焊縫長度方向的探傷步進(jìn)間距P,即可算出探頭在焊縫長度方向上的移動速度vα為:式中Et為探頭陣元總數(shù);Ea為同時激勵的陣元數(shù)。表2表示對T型接頭,按從翼板和腹板兩種探傷條件,為避開干擾回波,根據(jù)發(fā)射脈沖重復(fù)數(shù),求出實(shí)際探傷速度的示例。另外,采用線掃查方式時,對某一斷面的脈沖重復(fù)數(shù),可按式(5)求出。假定斜探頭從翼板面進(jìn)行的斜探傷,因一次兩側(cè)探傷,故脈沖重復(fù)數(shù)為兩倍。T型接頭從翼板面進(jìn)行探傷的實(shí)際可用速度約為3m/min。從腹板面進(jìn)行探傷,采用64陣元一個折射角的線掃查方式,還不能使聲束覆蓋整個探測范圍,為此采用45°,50°,60°,70°四種角度進(jìn)行組合掃查,脈沖重復(fù)數(shù)應(yīng)為49×4=196。此時實(shí)際可用探傷速度約為0.6m/min。3.8探傷數(shù)據(jù)的壓縮相控陣UT過程中,要保存聲程方向的所有數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量特大。為切合實(shí)際使用,探傷數(shù)據(jù)必須進(jìn)行壓縮。但數(shù)據(jù)壓縮一般要在取樣頻率100MHz的探傷數(shù)據(jù)中進(jìn)行,有可能引起以下問題:①遠(yuǎn)距離分辨力降低。②最大回波漏檢。③耦合校正性能減弱。因此,為保持斜探頭在探傷過程中的檢測性能正常,有必要對壓縮限值進(jìn)行評價。3.8.1超聲檢測系統(tǒng)分辨力測試結(jié)果斜探頭遠(yuǎn)距離分辨力用半圓階梯試塊測試評價。半圓階梯厚度差有7,5,4,3和2mm五種。將斜探頭置于試塊平面上相應(yīng)部位,測出各階梯厚度差相鄰半圓階梯的底面回波波谷屏高(%),按超聲檢測系統(tǒng)分辨力專用測試標(biāo)準(zhǔn)要求,以能分辨3%以下為滿足要求。按不同的數(shù)據(jù)壓縮率,階梯厚度差分別為3和5mm時,相鄰圓弧面的底面回波波谷屏高的測試結(jié)果見圖17。按一般焊縫超聲檢測方法標(biāo)準(zhǔn),頻率5MHz時要求測5mm的階梯厚度差,此時不論哪種折射角,數(shù)據(jù)壓縮率在1/100以下,相鄰圓弧面的底面回波波谷屏高≤3%,遠(yuǎn)距離分辨力已能滿足要求。但考慮到大板梁T型接頭焊縫的疲勞強(qiáng)度,要求最小檢出缺陷高度為3mm時,遠(yuǎn)距離分辨力要求達(dá)到3mm,此時數(shù)據(jù)壓縮率應(yīng)確認(rèn)在1/40以下才有效。3.8.2最大回波高度當(dāng)數(shù)據(jù)壓縮率在1//10～1/80之間變化時,測出對比試塊中的橫孔回波高度,發(fā)現(xiàn)最大回波高度始終不變。3.8.3橫孔回波高度與噪聲波高的關(guān)系用對比試塊特意調(diào)整耦合劑的厚度,測出耦合不良而橫孔回波高度降低時的噪聲波高與數(shù)據(jù)壓縮率變化的對應(yīng)情況。數(shù)據(jù)壓縮率為1//10～1/80時,測出的橫孔回波高度與噪聲波高的關(guān)系如圖18所示。當(dāng)數(shù)據(jù)壓縮率為1/10時,橫孔波高80%時的噪聲波高為1.1%,而橫孔波高降為10%時的噪聲波高為0.9%,兩者波高僅差0.2%;當(dāng)數(shù)據(jù)壓縮率為1/80時,橫孔波高80%時的噪聲波高為1.8%,而橫孔波高降為10%時的噪聲波高為1.2%,兩者波高差增大為0.6%。換言之,即使數(shù)據(jù)壓縮率在1/80以下,探頭耦合不好(橫孔波高較低),噪聲波高也較低,可認(rèn)為性能基本滿足要求。4探傷目的及效果分析為提高大梁T型接頭焊縫超聲波探傷的效率,對與相控陣UT法的線掃查方式(陣元排列方向電子掃描)有關(guān)的實(shí)際探傷條件作了研討,得出如下結(jié)論:(1)由聲場解析得知,不受聲束聚焦后聲束擴(kuò)散影響而能進(jìn)行探傷的聲束聚焦位置,約為探測范圍的2/3位置。(2)從直接相關(guān)于缺陷檢出性的信噪比來看,直探頭與斜探頭探傷中同時可有效激勵的晶片(陣元)數(shù)均為16。(3)根據(jù)斜探頭斜探傷的噪聲分析,探討了楔塊形