宋綿，邢濤

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

焊縫橫向裂紋TOFD檢測(cè)研究

宋綿，邢濤*

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

林業(yè)機(jī)械大多承擔(dān)繁重的任務(wù)，且涉及到人身安全。對(duì)這些機(jī)械中的損傷與缺陷進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀況，能降低維修成本，提高林業(yè)機(jī)械的使用效率和使用安全性，提高林業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。焊接作為制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝和技術(shù)，在林業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)中也應(yīng)用廣泛，而焊縫的質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命。超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是缺陷檢出率高，定量精度高，操作方便快捷，檢測(cè)成本低，但易出現(xiàn)橫向裂紋漏檢。針對(duì)焊縫中橫向裂紋D掃描圖像的顯示特征與點(diǎn)狀缺陷相似，難以準(zhǔn)確判斷和識(shí)別，容易漏檢的問題，通過研究TOFD檢測(cè)時(shí)橫向裂紋漏檢的的原因，改進(jìn)傳統(tǒng)的TOFD檢測(cè)方法，提出一種對(duì)邊斜向非平行掃查方法。為檢驗(yàn)該方法的實(shí)用性，提高檢測(cè)效率，設(shè)計(jì)了專用的多通道斜向掃查架。采用設(shè)計(jì)的多通道斜向掃查架對(duì)橫向裂紋缺陷模擬試塊進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：多通道斜向掃查架的偏斜角設(shè)置在30° ～60°時(shí)，可以有效識(shí)別橫向裂紋缺陷。該方法原理簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的多通道斜向掃查架實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)減少焊縫中橫向裂紋的漏檢，確保林業(yè)設(shè)備安全運(yùn)行具有重大意義。

TOFD；焊接缺陷；橫向裂紋

0 引言

林業(yè)機(jī)械是林業(yè)建設(shè)的重要組成部分，它與其它行業(yè)機(jī)械一樣，大多承擔(dān)繁重的任務(wù)，且涉及到人身安全。對(duì)這些機(jī)械中的損傷與缺陷進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀況，能降低維修成本，提高林業(yè)機(jī)械的使用效率和使用安全性，提高林業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[1]。焊接作為制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝和技術(shù)，在林業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)中也應(yīng)用廣泛，而焊縫的質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命[2]。其中，裂紋是焊縫中危害性最大的焊接缺陷，尤其在一些圓周或環(huán)向焊縫中，由于周向拘束大，容易產(chǎn)生橫向裂紋[3]。并且設(shè)備的厚度越大焊縫中橫向裂紋產(chǎn)生的幾率越大。

現(xiàn)有的各種無損檢測(cè)方法在橫向裂紋檢測(cè)方面都有些不足之處[4-9]。射線檢測(cè)中缺陷檢測(cè)率的關(guān)鍵是底片對(duì)影像細(xì)節(jié)的顯示能力，但有些橫向裂紋的尺寸很小，在底片上沒有裂紋影像，裂紋容易漏檢[10]。超聲波檢測(cè)具有一定的優(yōu)勢(shì)，尤其適于裂紋的檢測(cè)[11]。常規(guī)的超聲波檢測(cè)技術(shù)(脈沖反射法)是利用超聲波在缺陷表面的反射波來檢測(cè)缺陷的[12]，對(duì)于橫向裂紋，由于探頭垂直于焊縫檢測(cè)時(shí)，主聲束的方向平行于橫向缺陷面，無法提供足夠的信號(hào)反射面，導(dǎo)致缺陷反射回波非常低甚至無回波，而使用單探頭進(jìn)行焊縫斜向平行掃查時(shí)，缺陷信號(hào)被橫向裂紋反射到焊縫另一側(cè)，檢測(cè)信號(hào)無法沿原路返回到探頭，這樣就造成了橫向裂紋的漏檢[13]。

超聲TOFD 檢測(cè)是利用雙探頭一發(fā)一收跨在焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查，兩探頭之間有一定的空間，且超聲TOFD 檢測(cè)是利用缺陷上下尖端處的衍射信號(hào)來發(fā)現(xiàn)并測(cè)量缺陷的，衍射信號(hào)沒有明顯的指向性，所以焊縫另一側(cè)的接收探頭也可以接收到橫向裂紋缺陷尖端產(chǎn)生的衍射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)缺陷。但實(shí)際應(yīng)用中，橫向裂紋漏檢的情況仍很普遍。

筆者通過研究超聲TOFD檢測(cè)橫向裂紋漏檢的原因，提出了一種對(duì)邊斜向非平行掃查方法，并自主設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)節(jié)偏斜角的多通道斜向掃查架，通過試驗(yàn)對(duì)采用不同傾斜角掃查時(shí)模擬試塊焊縫中橫向裂紋的缺陷定量能力進(jìn)行了探討。該方法原理簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，能有效減少橫向裂紋的漏檢，保證林業(yè)機(jī)械安全運(yùn)行。

1 TOFD檢測(cè)橫向裂紋漏檢的原因

衍射時(shí)差法超聲波檢測(cè)(Time Of Flight Diffraction，簡(jiǎn)稱TOFD)，超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是缺陷檢出率高、定量精度高、操作方便快捷、檢測(cè)成本低[14]。但TOFD技術(shù)一般多用于縱向裂紋的檢測(cè)[15-17]，對(duì)于初始檢查(非平行掃查，D掃)來說，橫向裂紋并不是難以檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，而是因?yàn)樵诜瞧叫袙卟橹校瑱M向裂紋缺陷信號(hào)沒有足夠的長(zhǎng)度，其D掃描圖像特征看起來與點(diǎn)狀缺陷(如氣孔、夾渣等)的顯示特征相似[18]，難以準(zhǔn)確判斷和識(shí)別，定性困難。超聲TOFD實(shí)際檢測(cè)中出現(xiàn)的近表面橫向裂紋D掃描圖像如圖1所示，及圖2中所示的典型單個(gè)氣孔缺陷D掃描圖像，二者顯示特征均為比較拋物線弧形，難以區(qū)分辨別。

圖1 橫向裂紋D掃描圖像Fig.1 D-scan image of transverse crack

圖2 典型氣孔缺陷圖像Fig.2 Typical image of pore defect

在缺陷圖像中出現(xiàn)疑似橫向裂紋的特征、相同的工件或設(shè)備在以往的檢驗(yàn)中出現(xiàn)過橫向裂紋、文件或用戶要求對(duì)橫向裂紋進(jìn)行檢測(cè)等情況下，需要進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)對(duì)橫向裂紋篩查確認(rèn)[19]?？裳刂缚p方向在疑似橫向裂紋位置進(jìn)行一系列的平行掃查(B掃)，來精確測(cè)量缺陷高度，獲取缺陷橫截面上深度、傾斜角度等更多信息，為缺陷定性定量提供依據(jù)。但B掃時(shí)探頭會(huì)越過焊縫，這就需要將所有疑似橫向缺陷處的焊縫余高磨平再進(jìn)行掃查，會(huì)額外增加很大現(xiàn)場(chǎng)工作量[20-21]。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中，焊縫內(nèi)部存在的氣孔或小夾渣等點(diǎn)狀缺陷數(shù)量遠(yuǎn)大于橫向裂紋，標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.10-2010中又規(guī)定焊縫中一定數(shù)量的點(diǎn)狀缺陷是允許的，因此為了篩查少量的橫向裂紋而對(duì)大量的疑似點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行B掃檢測(cè)很不現(xiàn)實(shí)又影響工作效率。大多數(shù)情況下，為了降低成本或者盡快完成檢測(cè)工作，檢測(cè)人員只進(jìn)行非平行掃查，橫向裂紋就被視作點(diǎn)狀缺陷而漏檢。

2 對(duì)邊斜向非平行掃查

TOFD是一種采用雙探頭一發(fā)一收相向?qū)ΨQ放置，通過缺陷上下尖端的衍射信號(hào)來發(fā)現(xiàn)并測(cè)量缺陷的檢測(cè)技術(shù)。對(duì)邊斜向非平行掃查(如圖3所示)就是探頭組中心連線與焊縫中心線不再保持垂直而是偏斜一定的角度(角α)布置，這樣就可以增大橫向缺陷界面與聲束波陣面的反射和衍射，探頭能夠接收到較多的波束能量，使橫向裂紋在TOFD圖像上顯示出一點(diǎn)的長(zhǎng)度，達(dá)到有效篩查和準(zhǔn)確辨別焊縫內(nèi)部點(diǎn)狀缺陷和橫向裂紋缺陷的目的，減少焊縫中橫向裂紋的漏檢。

圖3 對(duì)邊斜向非平行掃查示意圖Fig.3 The diagram of oblique non-parallel scanning

3 可行性研究

為了驗(yàn)證對(duì)邊斜向非平行掃查檢測(cè)方法的可行性，根據(jù)焊縫模擬試塊的聲學(xué)和材料特性，利用仿真軟件CIVA 11.0建立了如圖4所示的不同傾角裂紋TOFD檢測(cè)模擬模型。模型材料選用合金鋼，模型中的縱波聲速為5.9 mm/μs，長(zhǎng)度為500 mm，厚度為45 mm。在模型中建立了10個(gè)深30 mm、長(zhǎng)20 mm的底面開口槽，開口槽呈一定的傾斜角度，與焊縫中心線的夾角分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°。

圖4 不同傾角裂紋模擬模型Fig.4 The simulation model of different inclination crack

TOFD檢測(cè)非平行掃查模擬時(shí)，檢測(cè)參數(shù)設(shè)置是探頭頻率為5 MHz，楔塊角度為60°，晶片尺寸為6 mm，探頭中心間距為104 mm，探頭聚焦深度在30 mm。對(duì)模型進(jìn)行整體非平行掃查，得到的D掃描圖像如圖5所示。

由D掃描圖像可以看出：當(dāng)裂紋與焊縫中心線的夾角小于50°時(shí)，傾斜裂紋缺陷與點(diǎn)狀缺陷在D掃描圖像中是可以明顯辨別區(qū)分的；但當(dāng)夾角大于50°時(shí)，傾斜裂紋在D掃描圖像中的缺陷特征逐漸表現(xiàn)為點(diǎn)狀缺陷拋物線特征，無法判斷缺陷性質(zhì)也難以定量缺陷長(zhǎng)度。因此，用斜向非平行掃查來增大TOFD探頭接收到的波束能量，檢測(cè)橫向裂紋是可行的。

4 對(duì)邊斜向非平行掃查試驗(yàn)

4.1 試樣制備

模擬缺陷試樣材料為合金鋼，尺寸為200 mm×120 mm×45 mm，焊接方法為埋弧焊、坡口型式為X型。按照TOFD檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用電火花加工工藝在試樣掃查面上制備了一個(gè)長(zhǎng)20 mm、寬6 mm、深4 mm的人工窄槽模擬橫向缺陷1，為了避免缺陷尖端衍射波相互干涉降低衍射波波幅，在試樣下表面焊縫中心線上制備了一個(gè)長(zhǎng)25 mm、寬6 mm、深4 mm的人工窄槽模擬縱向缺陷2，試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示。

圖6 試樣結(jié)構(gòu)尺寸Fig.6 The size of test sample

4.2 多通道斜向掃查架設(shè)計(jì)

由于目前市場(chǎng)上大量應(yīng)用的TOFD掃查裝置無法滿足實(shí)驗(yàn)要求，自主設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)節(jié)偏斜角的多通道斜向掃查架，如圖7 所示。本多通道斜向掃查架整體呈“工”字型，主要包括探頭支架4、帶編碼器的行走輪5、滾輪6、把手7、滑塊8、螺栓組件3和編碼器12，還包括豎梁1和兩個(gè)橫梁2。豎梁1和橫梁2通過螺栓組件3鉸接在一起，并可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)兩者間夾角，探頭支架4通過手?jǐn)Q螺絲9安裝在滑塊8上，滑塊8可沿橫梁2上的燕尾槽滑動(dòng)，調(diào)節(jié)探頭中心間距，帶有編碼器的行走輪5和滾輪6安裝在橫梁2上，可調(diào)整行走方向。與之配套的帶編碼器的行走輪5和滾輪6均為可轉(zhuǎn)向的磁性輪機(jī)構(gòu)，如圖8所示。所設(shè)計(jì)的多通道斜向掃查架可同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行非平行掃查和對(duì)邊斜向非平行掃查，提高檢測(cè)工作效率，減少橫向裂紋缺陷的漏檢。

圖7 多通道斜向掃查架Fig.7 Multi-channel oblique scan frame

圖8 可轉(zhuǎn)向的磁性輪機(jī)構(gòu)Fig.8 Steerable magnetic wheel

4.3 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)采用漢威HS810便攜式超聲TOFD檢測(cè)儀對(duì)試樣進(jìn)行掃查，第1通道為非平行掃查通道，第2通道為對(duì)邊斜向非平行掃查通道，兩通道均選取探頭頻率為5MHz，晶片尺寸為6mm，楔塊角度為60°的縱波斜探頭，探頭中心距設(shè)置為104mm。為了驗(yàn)證此方法及設(shè)計(jì)的多通道斜向掃查架對(duì)橫向裂紋缺陷定量能力，偏斜角α設(shè)置為以5°為間隔，從30°到90°(因焊縫余高的影響，當(dāng)α<30°時(shí)，探頭組易與焊縫發(fā)生干涉，因此不予考慮)，非平行掃查通道測(cè)量縱向缺陷長(zhǎng)度，對(duì)邊斜向非平行掃查通道測(cè)量橫向缺陷長(zhǎng)度。由對(duì)邊斜向非平行掃查通道得到的掃描圖像如圖9所示。

圖9 不同偏斜角時(shí)對(duì)邊斜向非平行D掃描圖像Fig.9 The D-scan image of oblique non-parallel scanning with different tilting angle

因缺陷圖像上存在明顯的甩弧現(xiàn)象，利用SAFT技術(shù)提高缺陷定量精度，最后得到缺陷圖像顯示長(zhǎng)度測(cè)量值及與實(shí)際值的相對(duì)誤差(見表1)。

表1 缺陷圖像顯示長(zhǎng)度測(cè)量值及與實(shí)際值的相對(duì)誤差

由圖9中可以看出，偏斜角α由30°逐漸增加到90°時(shí)，偏斜角α在30°～70°內(nèi)，橫向裂紋缺陷在TOFD圖像上具有一定的顯示長(zhǎng)度，與點(diǎn)狀缺陷規(guī)則的拋物線弧狀明顯不同，可以準(zhǔn)確區(qū)分辨別；當(dāng)偏斜角α>70°時(shí)，橫向裂紋缺陷在TOFD圖像上的的顯示長(zhǎng)度減小，又逐漸變?yōu)轭愃泣c(diǎn)狀缺陷，難以準(zhǔn)確判斷。

由表1中可以看出，當(dāng)偏斜角α=30°時(shí)，橫向裂紋缺陷圖像顯示長(zhǎng)度測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差為1.5%，最接近真實(shí)值；偏斜角α在30°～60°范圍時(shí)，橫向裂紋缺陷圖像顯示長(zhǎng)度測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差小于40%，缺陷長(zhǎng)度測(cè)量比較符合要求；在偏斜角α>60°時(shí)，相對(duì)誤差急劇增大，缺陷長(zhǎng)度難以測(cè)量；從非平行掃查通道得到的縱向缺陷圖像顯示長(zhǎng)度測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差始終低于2%，接近真實(shí)值，不受偏斜角α的影響。

上述結(jié)果表明，TOFD對(duì)邊斜向非平行掃查在一定的偏斜角范圍內(nèi)可以對(duì)橫向裂紋缺陷進(jìn)行有效的檢測(cè)識(shí)別，減少橫向裂紋的漏檢。綜合考慮橫向裂紋缺陷在 TOFD 圖譜上的顯像效果、顯示長(zhǎng)度測(cè)量值與實(shí)際值間的相對(duì)誤差大小等諸多因素，可以認(rèn)為采用對(duì)邊斜向非平行掃查時(shí)，30°～60°是一個(gè)可以采用的區(qū)間。

5 結(jié)論

(1)利用CIVA仿真軟件模擬不同傾角裂紋的TOFD檢測(cè)，驗(yàn)證了當(dāng)裂紋與焊縫中心線的夾角小于50°時(shí)，橫向裂紋缺陷與點(diǎn)狀缺陷在D掃圖像中是可以辨別區(qū)分的。

(2)改進(jìn)了傳統(tǒng)的 TOFD 檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)的可調(diào)節(jié)偏斜角的多通道斜向掃查架，沿焊縫方向進(jìn)行掃查，實(shí)現(xiàn)了橫向裂紋缺陷的檢測(cè)。

(3)TOFD 檢測(cè)時(shí)，采用多通道TOFD 檢測(cè)儀，其中一個(gè)通道設(shè)置為非平行掃查通道，另一個(gè)通道設(shè)置為偏斜角在 30° ～60°內(nèi)的對(duì)邊斜向非平行掃查通道，可以提高檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)焊縫一次性覆蓋掃查，對(duì)橫向裂紋缺陷和點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行有效篩查和準(zhǔn)確辨別，減少橫向裂紋缺陷的漏檢，確保林業(yè)機(jī)械安全運(yùn)行。

(4)實(shí)際應(yīng)用中，利用多通道斜向掃查架對(duì)某個(gè)輥筒運(yùn)輸機(jī)焊縫進(jìn)行了TOFD檢測(cè)，得到的TOFD圖譜如圖10所示，缺陷在掃查方向及長(zhǎng)度的定量和非平行掃查有很好的對(duì)應(yīng)性，對(duì)邊斜向非平行掃查通道圖像中顯示的焊縫內(nèi)部橫向裂紋缺陷與點(diǎn)狀缺陷能夠清晰地區(qū)分辨別，但在存在缺陷較多的情況下難以定量。

圖10 實(shí)際缺陷TOFD掃查圖像Fig.10 TOFD image of actual defect

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Research on the TOFD Detection of Transverse Crack in Bult Weld

Song Mian，Xing Tao*

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Most of the forestry machinery undertake heavy tasks and involves personal safety.Detecting the damage and defect of these machines and monitoring the condition in time could reduce the maintenance cost，improve the efficiency and safety，and improve the economic benefit of the forest.As the basic process and technology of the manufacturing industry，welding is also widely used in the forestry machinery industry.The quality of the welding is directly related to the strength and service life of the overall structure of the equipment.Ultrasonic TOFD detection technology has some remarkable advantages of high detection rate，high precision，convenient operation and low detection cost，but it is easy to miss transverse crack.In view of the transverse crack in the weld，the display characteristics of the D-scan image are similar to the point defects，and it is difficult to accurately judge and identify the problem，and it is easy to miss the problem.Through the research of the cause of transverse crack’s miss in TOFD detection，the paper improved the traditional TOFD detection method，and proposed an oblique non-parallel scanning method.In order to test the practicability of the method，improve the detection efficiency，the paper designed a special multi channel oblique scanning frame.The experiment verification was made by using the designed multi-channel oblique scanning frame to the simulated test block of transverse crack defect.The test shows that the transverse crack defects can be effectively identified when the multi channel oblique scanning frame is set in the range of 30 degrees to 60 degrees.The method is simple and the designed multi channel oblique scanning frame is practical.It is of great significance to reduce the detection of transverse crack in bult weld and ensure the safe operation of the forestry machinery.

TOFD；weld defects；transverse crack

2017-03-20

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404319)

宋綿，碩士研究生。研究方向：無損檢測(cè)

*通信作者：邢濤，博士，副教授。研究方向：無損檢測(cè)。E-mail：xt_hit@126.com

宋綿，邢濤.焊縫橫向裂紋TOFD檢測(cè)研究[J].森林工程，2017，33(4)：65-69.

TE 973.3

A

1001-005X(2017)04-0065-05