張永杰,廉德良
(1.沈陽市特種設備檢測研究院,沈陽 110035;2.中國科學院金屬研究所,沈陽 110016)
薄板(<8mm)焊縫的超聲波檢測一般推薦采用橫波斜探頭,如標準JB 4730和GB 11345中規(guī)定采用K值為3.0~2.0的探頭[1-2]。袁建國開展的薄板焊縫超聲波探傷可靠性工作的研究結果如圖1和2所示[3]。結果表明,薄板焊縫探傷可靠性除受K值影響外,還受缺陷分布的影響。當K=2時,探傷最可靠,大于或小于此值都使可靠性下降;孔在板厚中部附近差不多都可探出,孔離表面越近,被探出的越少,離表面2~3mm 難以探出。焊縫表層附近區(qū)域,缺陷難以探出,探傷可靠性接近于零。
(1)由于橫波探頭指向性的原因,即使選取了大角度、短前沿的探頭,一次波主聲束也不可能掃查到焊縫的表層區(qū)域。要檢測表層的缺陷,需前后移動探頭,利用二次和三次反射波掃查。聲波隨著傳播距離的增大,聲能會逐漸衰減,導致了檢測靈敏度的下降。
(2)超高焊道波紋或者突出、回縮的根部,導致在裂紋部位出現(xiàn)形狀回波,使超聲波辨識困難。
從爬波探頭的指向特性[4]可見(圖3),爬波的主聲束在折射角為85°的方向,而且在表面也有很大的分量,因此,可以滿足薄壁焊縫,包括表面和近表面在內(nèi)的,不同深度缺陷的檢測要求。
圖3 爬波探頭的聲場指向性
為試驗爬波探頭對薄板對接焊縫各個部位缺陷的檢測效果,在8 mm薄板對接焊縫上的不同位置加工制作人工缺陷?,F(xiàn)行的國家及行業(yè)標準,如GB 11345和JB 4730中,焊縫的檢測均采用長橫孔作為人工缺陷。筆者按照圖4所示,選用了4塊110mm×60mm×8mm 的焊接試板,加工位于焊縫中心和邊緣的φ1 mm×20mm的橫孔各4個,其距試板上表面分別為1,2,3,4mm。為測試探頭對焊縫加強高處裂紋的檢測能力,采用電火花的方法加工長度為5mm 的刻槽4條,刻槽深度分別為0.5,1,1.5,2mm。
圖4 人工缺陷位置示意圖
儀器為USIP12型超聲波探傷儀,檢測方法為接觸法,耦合劑為機油,采用探頭緊貼焊縫邊緣雙面雙側平行掃查。所選探頭為特制爬波探頭,結構為雙晶并列式,晶片尺寸為25 mm×7 mm,頻率為2.5 MHz。
(1)爬波探頭雙面雙側平行掃查可檢出8mm薄板對接焊縫中整個焊縫寬度上不同埋深的φ1mm長橫孔類缺陷,最低檢測靈敏度可達到φ1mm-9dB,滿足JB 4730中定量線規(guī)定的要求。其中,焊縫中心橫孔缺陷的部分檢測波形如圖5所示,近探頭端橫孔缺陷的部分檢測波形如圖6所示,遠探頭端橫孔缺陷的部分檢測波形如圖7所示。
(2)爬波探頭單面單側(與刻槽同面)掃查可檢出焊縫加強高上1.0~2.0mm 深的刻槽類缺陷,不能檢出中心正面0.5mm 深的刻槽。當爬波探頭在相對的一側掃查時,可以檢出中心正面0.5mm 深的刻槽??梢詮睦碚撋辖忉屵@種現(xiàn)象:爬波的表面分量在近場的范圍內(nèi)平行于表面,只有當刻槽的深度大于加強高的高度時,才能有超聲束作用在刻槽上,因此對于與探頭同側的深度為0.5mm 的刻槽,小于焊縫加強高的高度,爬波探頭不能夠檢出。焊縫中心刻槽類缺陷的部分檢測波形如圖8和9。
所用特制爬波探頭在8mm 薄板對接焊縫人工缺陷試樣上的檢測結果表明,靈敏度滿足不同深度缺陷的檢出要求,并且對表面和近表面缺陷表現(xiàn)出良好的檢出能力。
爬波探頭對表層和近表層缺陷具有較好的檢測能力,這是由爬波指向特性決定的。而其它部位缺陷的檢測,與爬波探頭的多波型特征有關。缺陷回波的波形特點可以解釋這一說法,缺陷回波的波形是由幾個單峰組成的,這幾個單峰是不同波型波束與缺陷相互作用的結果。隨探頭位置的移動,缺陷回波的最高峰是變化的,說明不同波型的靈敏度高點是不一樣的。爬波探頭這種多波型特征不利于缺陷的定位與定量,建議將爬波探頭與橫波探頭相結合以作綜合的評定。
[1] JB 4730—2005 承壓設備無損檢測[S].
[2] GB11345 鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級[S].
[3] 袁建國.薄板對接焊縫超聲波探傷可靠性探討[J].無損檢測,1995,17(2):36-37.
[4] 廉德良,魏天陽.超聲爬波探頭聲場指向特性的實驗研究[J].無損檢測,2005,27(9):479-481.