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(洛陽船舶材料研究所,洛陽 471000)
T型焊接結(jié)構(gòu)常用于某些重要的鈦合金承壓結(jié)構(gòu)中,除部分本體結(jié)構(gòu)包含T型設(shè)計外,大多數(shù)T型焊接結(jié)構(gòu)主要起加強支撐作用。T型結(jié)構(gòu)焊接時,通常在腹板上開坡口,根據(jù)質(zhì)量要求的不同,分為熔透型和非熔透型兩種,且TIG(非熔化極惰性氣體保護焊)與MIG(熔化極惰性氣體保護焊)是其較為常用的焊接方法。這些焊縫容易出現(xiàn)氣孔和未熔合缺陷,對于全熔透結(jié)構(gòu),鈍邊部位還可能會出現(xiàn)未焊透缺陷。T型焊縫中的未焊透和未熔合不僅降低了對接部位的有效截面積,且在使用時容易造成應(yīng)力集中,影響結(jié)構(gòu)壽命。
窄翼板鈦合金T型焊接接頭是一種特殊的T型結(jié)構(gòu),具有缺陷空間分布方向各異、幾何尺寸窄小的特點。對該型結(jié)構(gòu)如采用射線法檢測,存在厚度差大、布片困難、透照角度難以確定等不利因素,且現(xiàn)場射線檢測存在效率低的問題,故T型焊接結(jié)構(gòu)一般不采用射線法檢測,通常在翼板、腹板厚度超過10 mm時盡量選擇超聲檢測。但受限于翼板寬度,常規(guī)超聲檢測難以進行多角度、多位置掃查,更不可能在翼板上采用TOFD進行掃查,缺陷的檢出率可能會降低。針對上述問題,筆者研究了相控陣超聲的檢測工藝,對各種掃查條件下缺陷檢出情況進行了對比。
試驗用鈦合金T型焊接結(jié)構(gòu)的翼板與腹板厚度均為26 mm,翼板寬度為45 mm,腹板寬度為120 mm。其采用MIG焊雙面焊接,腹板坡口角度為45°,鈍邊寬度為2 mm,試板實物與尺寸示意如圖1所示。
圖1 T型試板實物及尺寸示意
圖2 腹板相控陣超聲直射波掃查示意
該試板的腹板寬度較大,可進行多位置掃查,根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)確定合適的掃查參數(shù),能夠檢測出坡口未熔合與氣孔缺陷。圖2所示為利用直射波在腹板上進行相控陣超聲扇形掃查的示意,雖然扇形掃查的聲束角度范圍可調(diào),但考慮到不同聲束角之間的能量差異,試驗的角度范圍設(shè)置為40°~70°[1]。T型結(jié)構(gòu)焊接的余高通常都較大,采用直射波能夠保證對圖2中B面對應(yīng)半個焊接接頭的聲束全覆蓋,此時大部分聲束會透射到翼板中,而A面對應(yīng)的焊接接頭無法得到聲束覆蓋,屬于檢測盲區(qū)。
為保證對焊接接頭的全覆蓋,應(yīng)補充一次掃查,利用腹板的B面反射波實現(xiàn)對A面對應(yīng)焊接接頭的聲束覆蓋。圖3所示為腹板的反射波扇形掃查示意,調(diào)整掃查位置使腹板反射波能夠全覆蓋A面對應(yīng)的焊接接頭,此時角度較大的聲束依然能直射到B面對應(yīng)的部分焊接接頭,但無法完全覆蓋余高部分,故圖2中的直射波掃查是不可缺少的。為了減少漏檢,應(yīng)至少保證超聲波聲束能夠有效覆蓋焊接接頭部位不少于2次,實際檢測時應(yīng)在腹板A面和B面分別掃查。
圖3 腹板相控陣超聲反射波掃查示意
圖4 翼板相控陣超聲掃查示意
由于焊接時難以控制腹板鈍邊與翼板的間隙,故該處產(chǎn)生的未焊透缺陷形態(tài)可能為體積型或面積型,當其為平行于翼板的面積型缺陷時,上述兩種掃查方式的超聲波束無法垂直入射到該部位,檢測效果很差,故應(yīng)在翼板補充掃查。圖4所示為翼板相控陣超聲掃查示意,其采用-45°~45°的角度范圍,聲束面垂直于T型焊縫,為了提高未焊透缺陷的檢測效果,應(yīng)使S掃描0°角聲束與鈍邊垂直,且焦點的位置設(shè)置在翼板厚度附近。90°的聲束角度范圍能完全覆蓋整個焊縫,不僅能檢測出未焊透缺陷,對氣孔也較為敏感。為了提高焊縫橫向缺陷的檢出率,在設(shè)置參數(shù)不變的條件下,應(yīng)使聲束面平行于焊縫,額外做一次橫向掃查。
根據(jù)上述分析,應(yīng)采用“扇形掃描+沿線掃查”的方式對腹板和翼板分別進行檢測,才能保證對整個焊接接頭部位的多角度覆蓋,而且扇形掃描的角度應(yīng)根據(jù)腹板和翼板的厚度來選擇,避免焊縫余高存在聲束覆蓋盲區(qū)。
根據(jù)檢測工藝,綜合鈦合金T型焊接試件厚度和設(shè)備性能選擇合適的工藝參數(shù)。選擇GE Phasor XS型便攜式相控陣超聲檢測儀作為試驗設(shè)備,該設(shè)備最大激發(fā)通道為16通道,具有A、S、C型顯示功能。由于鈦合金的聲學(xué)性能較差,超聲散射雜波幅度很高,相控陣檢測時應(yīng)適當增大激發(fā)孔徑,并根據(jù)試件的厚度選擇合適的頻率,表1匯總了可供選擇的工藝范圍。
表1 相控陣檢測工藝參數(shù)
按照選擇的工藝參數(shù)設(shè)置并校準設(shè)備,分別在腹板A、B面各進行兩次沿線掃查,共獲得4組數(shù)據(jù)。圖5為典型缺陷的扇掃描顯示,可見扇掃描顯示能夠精確定位缺陷,而C型顯示可完整地顯示整個焊縫的質(zhì)量狀況,通常采用二者結(jié)合的方式綜合評定。
圖5 腹板典型缺陷的扇掃描顯示
圖6 腹板檢測的C型顯示
圖6為腹板檢測的4組數(shù)據(jù)對應(yīng)的C型顯示結(jié)果,可見部分 C型顯示圖中,聲束最大角附近存在異常成像顯示,經(jīng)過分析確定該異常顯示是翼板端角處的反射造成的,且反射波的強弱與掃查位置、端角結(jié)構(gòu)有關(guān),缺陷評判時應(yīng)結(jié)合扇掃描視圖綜合判定,避免誤差。
各組數(shù)據(jù)的C型顯示中缺陷個數(shù)存在差別,筆者采用手動扇掃描+沿線掃查的方式確定各次掃查中的具體缺陷情況。設(shè)置T型焊縫的某一側(cè)、A面端面和翼板端面為0點,分別用于表征缺陷的位置、深度和偏移,各組掃查檢出的缺陷信息如表2所示。
表2 檢測出的腹板缺陷信息 mm
圖7 翼板垂直掃查結(jié)果
根據(jù)扇形掃描聲束面與焊縫的夾角關(guān)系,分別按垂直和平行方向掃查,掃查時應(yīng)保證0°角聲束位于焊縫中心線。圖7(a)為垂直掃查時的缺陷扇掃視圖,可見缺陷深度略大于翼板厚度,且缺陷位于焊縫中心部位,具有明顯的鈍邊未焊透特征;圖7(b)為整條焊縫的C型顯示,由圖中可明顯發(fā)現(xiàn)多處鈍邊未焊透和坡口未熔合缺陷。結(jié)合扇掃描視圖進行分析,得到各缺陷的基本信息,如表3所示。
表3 翼板垂直掃查得到的缺陷信息 mm
圖8所示為翼板平行掃查的檢測結(jié)果,由于平行掃查時,0°角聲束依然位于焊縫中心線,故能夠檢測出部分鈍邊未焊透缺陷,但C型顯示結(jié)果并不能指示缺陷的長度信息。在掃查時,結(jié)合實時扇形掃描圖示進行判斷,未發(fā)現(xiàn)橫向缺陷。
圖8 翼板平行掃查結(jié)果
對T型焊接接頭直接進行射線檢測的缺陷檢出率很低,故為更準確地顯示焊縫內(nèi)部缺陷的分布情況,筆者對T型焊接結(jié)構(gòu)進行了機加工,將翼板寬度縮短到接近于腹板厚度,然后再進行射線檢測。
圖9 加工后的T型焊接板
圖9為機加工后的T型焊接試板,實際上其相當于一個單側(cè)坡口的平板焊接件。通過對焊接接頭部位的多次射線透照,對比分析底片確定了缺陷分布情況,如圖10所示。圖10中,A、E和G為鈍邊未焊透,B、C、D為腹板坡口未熔合,F(xiàn)為氣孔,共7個缺陷,各個缺陷的詳細信息見表4。
圖10 缺陷分布示意(射線檢測)
表4 焊接接頭內(nèi)部缺陷信息 mm
根據(jù)射線檢測確定的焊接接頭缺陷的分布情況,對比分析相控陣超聲各次掃查的缺陷檢出率,表5為各掃查條件下的缺陷檢出情況。對比結(jié)果表明,采用制定的腹板、翼板結(jié)合掃查工藝能夠檢測出各缺陷,同時也驗證了缺陷檢出受方向性影響的推斷,故應(yīng)分別在腹板兩面和翼板上進行檢測,避免缺陷的漏檢。
表5 相控陣超聲檢測結(jié)果各掃查條件下的
對窄翼板鈦合金T型焊接接頭進行相控陣超聲“扇形掃描+沿線掃查”工藝試驗,結(jié)果表明:采用腹板與翼板面結(jié)合掃查的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對整個焊縫的全覆蓋檢測,對未熔合、未焊透和氣孔缺陷均有良好的檢測效果。雖然相控陣超聲的聲束覆蓋角度較大,但由于缺陷的方向并不單一,為避免單面檢測時的缺陷漏檢,應(yīng)分別在腹板兩面進行檢測,且翼板檢測時鈍邊未焊透缺陷的檢測效果要優(yōu)于腹板檢測時的,必要時也可在翼板平行掃查檢測橫向缺陷。
參考文獻:
[1] 鄭紅霞,商振強.T型焊縫相控陣檢測[J].無損檢測,2014,36(3):47-50.