王 森，吳鳳錦，丁 杰，莊志強(qiáng)，姜 煒，張文杰

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.天津大無縫鋼管廠，天津 300300）

由于焊接工藝的原因，直邊坡口厚壁窄間隙焊縫，時(shí)常在焊縫與母材之間產(chǎn)生未熔合等垂直于探測(cè)面的焊接缺陷，由于這類缺陷特殊的方向性，用常規(guī)的檢測(cè)方法難以檢出來。

因此在GB／T 11345－89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》和JB／T 4730.3－2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 超聲檢測(cè)》等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)窄間隙焊縫除了用常規(guī)斜探頭檢測(cè)外，還應(yīng)增加針對(duì)窄間隙焊縫母材與焊縫未熔合類缺陷的輔助檢測(cè)方法［1］，除通常采用的斜探頭前后串列式的方法外，筆者通過使用橫波與縱波的波形轉(zhuǎn)換來檢測(cè)此類缺陷可以比較方便地檢測(cè)出窄間隙焊縫中的未熔合與裂紋等面積性缺陷。

1 TL串列式方法檢測(cè)原理

TL串列式檢測(cè)即橫波－縱波組合檢測(cè)法［2］。該檢測(cè)方法是橫波斜射到固體后反射到缺陷，在缺陷表面產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，變成縱波被直探頭接收，最終完成對(duì)缺陷的檢測(cè)，如圖1所示。

圖1 TL串列式超聲波檢測(cè)法原理

根據(jù)臨界角的概念，當(dāng)橫波入射到固體／空氣界面時(shí)，αs為橫波入射角；α11為縱波反射角；αs1為橫波反射角；在同一介質(zhì)中Cs＜C1，所以αs＜α11，如圖2所示。

當(dāng)αs數(shù)值達(dá)到某一數(shù)值時(shí)就可使α11＝90°產(chǎn)生橫波全反射現(xiàn)象。

圖2 橫波斜入射示意

當(dāng)固體介質(zhì)為鋼／空氣時(shí)，第三臨界角αsk3為：

如圖3所示，圖中L為縱波聲束；S為橫波聲束。從圖中可以看出當(dāng)超聲波以33.2°入射到缺陷表面時(shí)產(chǎn)生的變形波縱波的反射角為90°，正好垂直入射到工件的底面，經(jīng)底面反射后被直探頭接收，在90°時(shí)縱波的反射聲壓很高，所以檢測(cè)靈敏度也很高。

圖3 利用橫波全反射現(xiàn)象檢測(cè)焊縫與母材間的未熔合缺陷模擬圖

2 檢測(cè)前準(zhǔn)備

采用TL串列方法檢測(cè)時(shí)需要2.5P，12×14，R1.5的斜探頭和2.5P，φ20的直探頭各一只，經(jīng)計(jì)量檢驗(yàn)合格的超聲波檢測(cè)儀器一臺(tái)。

圖4 TL串列式檢測(cè)對(duì)比試塊尺寸示意圖

使用對(duì)比試塊，采用的材料與被檢工件同材質(zhì)的坯料經(jīng)鍛壓并進(jìn)行正火處理后加工而成。所選用的材料經(jīng)超聲縱波直射技術(shù)檢測(cè)時(shí)，在不大于距檢測(cè)面20mm 處，不應(yīng)存在大于φ2mm 平底孔反射回波幅度1／4的缺陷回波，表面粗糙度不大于6.3μm。

3 檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

探頭調(diào)試時(shí)，測(cè)量探頭的前沿和探頭的K值，并保證探頭K值在1.4～1.5之間，K值不能大于1.5。

超波儀器調(diào)整為雙晶探頭的工作方式，并且把聲速Cs設(shè)為橫波聲速3 230m／s。如果用一次波掃查，設(shè)置垂直掃查范圍大于工件厚度。用二次波掃查時(shí)，設(shè)置垂直掃查范圍大于2倍工件厚度。

靈敏度的調(diào)整。將直探頭放在距試塊端面50 mm 處，直徑為φ3的平底孔上方，斜探頭和直探頭在同一探測(cè)面上，并且斜探頭和直探頭連線應(yīng)垂直于試塊的端面，即垂直于平底孔的底面。斜探頭垂直于試塊端面前后運(yùn)動(dòng)找到φ3平底孔底面的反射回波，用不同深度的φ3平底孔繪制出DAC曲線。

缺陷的定位如圖5所示，水平位置L為入射點(diǎn)到熔合線的距離，一次波高度為h＝L／1.5，二次波高度為h＝2T－L／1.5。

圖5 缺陷定位示意圖

4 檢測(cè)實(shí)例

使用儀器PXUT260B，型號(hào)為2.5Pφ20的直探頭，2.5P14×16，K1.5的斜探頭，檢測(cè)前在試塊上制作DAC曲線。

工件為液壓缸桶壁對(duì)接焊縫，液壓缸桶直徑為800mm，壁厚為200mm，坡口為直邊坡口，屬于窄間隙焊縫。要求在焊縫兩側(cè)450 mm 范圍打磨光亮。用TL串列式方法檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)在熔合線位置深度100mm 處有一回波出現(xiàn)，用6dB法測(cè)量其缺陷的長(zhǎng)度為15mm，再采用單斜探頭的探傷方法多角度檢測(cè)時(shí)，在此深度并未發(fā)現(xiàn)有缺陷的存在，因此判斷此缺陷為未熔合缺陷，解剖后發(fā)現(xiàn)此缺陷確為未熔合缺陷，如圖6所示。

圖6 焊縫未熔合缺陷剖面宏觀形貌

5 TL串列式檢測(cè)法與橫波前后串列式和TOFD檢測(cè)法的比較

TL串列式方法與橫波前后串列式的比較：

（1）TL串列式方法掃查時(shí)，縱波直探頭沿焊縫指定截面在工件表面移動(dòng)，斜探頭沿垂直于焊縫截面方向移動(dòng)，并保持直探頭和斜探頭在同一直線上就可以；而橫波前后串列的兩個(gè)探頭如果以固定間距在工件表面移動(dòng)時(shí)，只能掃查一定深度的檢測(cè)區(qū)域，要檢測(cè)其它深度，需要調(diào)整探頭間距檢測(cè)到，要覆蓋整個(gè)深度截面，需要多次調(diào)整探頭間距［3］。

（2）TL串列式方法掃查不需要確定串列基準(zhǔn)線和參考線，只要確定檢測(cè)截面即可，而橫波前后串列的兩個(gè)探頭如果兩個(gè)探頭同時(shí)移動(dòng)必須確定串列基準(zhǔn)線、參考線以及探傷截面，才能進(jìn)行檢測(cè)，操作起來十分不便。TL串列式方法與TOFD 比較：

（1）TL串列式方法不要購(gòu)買專門的設(shè)備，原有的普通設(shè)備就可以使用，而TOFD 需要購(gòu)買專門的設(shè)備，成本較高。

（2）TL串列式是利用橫波和縱波的轉(zhuǎn)換的方式來檢測(cè)焊縫中的缺陷，TOFD 是利用超聲衍射技術(shù)檢測(cè)焊縫中的缺陷，它們都存在近表面的缺陷難以有效檢出的局限性。

6 結(jié)論

TL 串列式超聲波檢測(cè)法對(duì)于檢測(cè)窄間隙焊縫未熔合和裂紋等面積性缺陷靈敏度高，操作方法簡(jiǎn)單。直探頭只要沿著焊縫熔合線移動(dòng)，并保持與斜探頭的聲束水平方向經(jīng)過直探頭且垂直于焊縫，然后讓斜探頭在探測(cè)面上掃查，就可以一次檢測(cè)覆蓋整個(gè)焊縫截面，檢測(cè)速度快。TL 串列式方法探測(cè)焊縫未熔合類缺陷深度定位準(zhǔn)確，但是存在近表面的缺陷難以有效檢出的局限性。

［1］張并生，陳國(guó)瑞，步先超.窄間隙焊縫坡口角度對(duì)超聲波串列掃查影響研究［J］.無損檢測(cè)，1996，18（2）：33－36.

［2］胡汝舜，吳根華.串列式超聲波探傷的缺陷定位［J］.無損檢測(cè)，1995，17（1）：5－9，19.

［3］孫立巍，解應(yīng)龍，鄒晶，等.大厚度窄間隙焊縫超聲波自動(dòng)串列掃查［J］.焊接，1998（2）：19－22.