班 峰 王家航

（山東濟(jì)華燃?xì)庥邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 前言

在聚乙烯管道中的電熔接頭中存在的金屬絲信號(hào)會(huì)直接影響超聲檢測(cè)結(jié)果，因?yàn)榻饘俳z就在熔合區(qū)的上方，所以一旦熔合區(qū)出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)直接遮住部分入射超聲波。并且熔合區(qū)故障聲程和金屬絲的反射回波的聲程非常接近，這也會(huì)導(dǎo)致金屬絲聚乙烯界面不斷重復(fù)反射回波，進(jìn)而降低檢測(cè)結(jié)果精度，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)聚乙烯電熔接頭。因此，必須在檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行特殊信號(hào)處理，通常用超聲聚焦等技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而確保檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度。

1 檢測(cè)原理

1.1 相控陣超聲探頭

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，在檢測(cè)過(guò)程中主要是借助電子控制系統(tǒng)換能器陣列中的各個(gè)陣元，根據(jù)相應(yīng)的延遲時(shí)間來(lái)接收與發(fā)出超聲波，進(jìn)而實(shí)時(shí)控制超聲波束在各個(gè)陣元件當(dāng)中的聚焦與偏轉(zhuǎn)來(lái)完成材料無(wú)損檢測(cè)的一種檢測(cè)方式。相控陣可以效仿100種以上的斜聚焦探頭工作，完成動(dòng)態(tài)聚焦與電子掃描，不需要進(jìn)行探頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)速度非?？?，將探頭放在一個(gè)位置能夠?qū)⒈粰z測(cè)物體的完整圖像進(jìn)行展示，完成自動(dòng)檢查，同時(shí)還可以對(duì)形狀復(fù)雜的物體進(jìn)行檢測(cè)，較傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法有了明顯的提高。

1.2 相控陣偏轉(zhuǎn)

在對(duì)聚乙烯管道電熔接頭進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中利用控制探頭晶片的延時(shí)就可以轉(zhuǎn)變波束的偏轉(zhuǎn)角度。波束偏轉(zhuǎn)在控制時(shí)具有3點(diǎn)特征。1）運(yùn)用一種探頭能夠從多個(gè)角度進(jìn)行檢測(cè)。2）采用一維陣列過(guò)程中，只能在一個(gè)平面上加強(qiáng)對(duì)波束的控制。3）能夠按照不對(duì)稱的聚焦檢測(cè)法。相控陣的波束在偏轉(zhuǎn)過(guò)程中和每個(gè)晶片的陣元數(shù)與寬度都有直接的聯(lián)系，通過(guò)使用帶角度的楔塊就能夠轉(zhuǎn)變相控陣偏轉(zhuǎn)的角度范圍[1]。

1.3 相控陣聚焦

在對(duì)聚乙烯管道中電熔接頭進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，使用探頭晶片的延時(shí)控制可以把波束能量聚焦在工件的某一點(diǎn)，進(jìn)而可以清楚地體現(xiàn)出那一點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)信息。波束聚焦具有4點(diǎn)特征。1）通過(guò)改變晶片的延時(shí)檢測(cè)法，就可以將波束聚集在工件的各個(gè)部位。2）在采用一維陣列過(guò)程中，只能將波束控制在一個(gè)平面上。3）波束聚焦在使用過(guò)程中需要遵循對(duì)稱的延時(shí)法則。4）波束不能在近場(chǎng)區(qū)之外聚焦。

1.4 聚焦形式

動(dòng)態(tài)深度聚焦、扇形聚焦、深度聚焦、線性環(huán)形聚焦以及靜態(tài)聚焦都屬于相控陣的聚焦方式。想要形成波束的多種多樣的聚焦方法，就需要設(shè)計(jì)探頭的偏轉(zhuǎn)角度與楔塊的偏移方向足夠精準(zhǔn)，才可以使波束精準(zhǔn)地照射在工件上需要檢測(cè)的位置[2]。

1.5 線性掃查

線性掃查指的是在不同時(shí)段產(chǎn)生不同組的晶片，進(jìn)而逐漸構(gòu)成電子掃查。線性掃查還可以稱之為E掃查與電子掃查。通過(guò)高頻電脈沖多路進(jìn)行傳輸，根據(jù)相同的聚焦律與延時(shí)律激發(fā)同一組晶片，聲束就會(huì)按照恒定角度沿著相控陣探頭長(zhǎng)度的方向展開(kāi)掃描。聚乙烯電熔套筒經(jīng)常使用線性掃查。

1.6 扇形掃查

扇形掃查是通過(guò)使用探頭的波束偏轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。由于每個(gè)晶片觸發(fā)的時(shí)間存在差別，進(jìn)而就會(huì)出現(xiàn)不同角度的波束偏移。扇形掃查還可以稱之為S掃查。通過(guò)陣列中同一種鏡片發(fā)射出來(lái)的聲束，可以將某一種聚焦深度控制在掃描范圍中進(jìn)行移動(dòng)，對(duì)于其他不同的聚焦深度，可以拓展其掃查范圍，扇形掃查區(qū)的大小同樣能夠發(fā)生改變。

2 正常焊接圖像

電熔接頭中的電阻絲在正常焊接的情況下能夠整齊地排列，不會(huì)出現(xiàn)明顯的錯(cuò)位情況。電熔套筒內(nèi)壁和管材外壁會(huì)混合成為一體，熔合面不存在孔洞與間隙[3]。超聲圖可以良好地展現(xiàn)出接頭內(nèi)容中的具體狀況，除了電阻絲之外，還可以清楚地顯示出內(nèi)、外冷汗區(qū)頁(yè)面和管材當(dāng)中壁面的圖像信號(hào)，在對(duì)成像進(jìn)行掃描時(shí)，一根金屬絲不能構(gòu)成整個(gè)影像，而是由上到下，從強(qiáng)度變?nèi)醯囊淮跋?，圖1為正常焊接成像。

根據(jù)超聲波理論對(duì)以上情況進(jìn)行深入分析，電熔接頭當(dāng)中的金屬可以當(dāng)作是一種反射率的長(zhǎng)橫孔，長(zhǎng)橫孔的反射面是柱面，當(dāng)超聲波發(fā)射到柱面時(shí)，其反射出的波可以當(dāng)作從焦軸發(fā)出的柱面波，然后傳輸?shù)教筋^，產(chǎn)生第一處金屬絲影像，超聲波通過(guò)聚乙烯金屬絲界面之后，構(gòu)成透射波，在界面中透射波會(huì)出現(xiàn)反射與透射，反射的超聲波還可以重新返回到金屬絲當(dāng)中，從上一個(gè)界面中還可以一次構(gòu)成反射與投射，透射波傳輸?shù)教筋^，構(gòu)成第二種金屬絲影像，在不全面考量界面的聚焦和發(fā)散效應(yīng)時(shí)，第二處金屬絲影像的回波聲壓和第一處回波聲壓之間的比值經(jīng)過(guò)重復(fù)往返，就會(huì)構(gòu)成很多次金屬絲聚乙烯界面的反射回波，然后傳輸?shù)教筋^，構(gòu)成第三、第四等一串金屬絲影像，直到回波聲壓太小不能出現(xiàn)影像。

圖1 焊接超聲圖像

3 典型缺項(xiàng)圖像

經(jīng)過(guò)金屬絲形成的圖像，包括金屬絲的錯(cuò)位、排列狀況。金屬絲和特征線之間的距離，能夠間接地體現(xiàn)出電熔接頭的焊接狀況，合理地判斷接頭是不是具有過(guò)焊、冷焊等問(wèn)題。由于超聲波在聚乙烯金屬絲界面沒(méi)有形成透射波，從而使金屬絲只有一處影像，金屬絲上表面存在氣隙時(shí)，第一次反射形成的信號(hào)強(qiáng)度大于界面無(wú)氣隙時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，如圖2 所示。

圖2 氣隙反射圖像

3.1 金屬絲上表面存在氣隙

如果在金屬絲表層出現(xiàn)氣隙時(shí)，就好比非均勻介質(zhì)當(dāng)中的薄層，因?yàn)槌暡ㄔ诰垡蚁┙饘俳z界面不能構(gòu)成透射波，所以金屬絲僅能現(xiàn)實(shí)一種影像，金屬絲上表層如果出現(xiàn)氣隙時(shí)，第一次反射構(gòu)成的信號(hào)強(qiáng)度高于界面沒(méi)有氣隙時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，按照顏色進(jìn)行表示。

3.2 冷焊

冷焊在聚乙烯管道接頭中的危險(xiǎn)率最高，同時(shí)還是當(dāng)前無(wú)損檢測(cè)方法中很難找到問(wèn)題的一種情況。在對(duì)電熔焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，聚乙烯電熔接頭當(dāng)中包括一條特征線，電阻絲和特征線兩者之間的距離和冷焊程度具有鮮明的對(duì)應(yīng)聯(lián)系。

在研究過(guò)程中將型號(hào)為DN90與PE80的電熔接頭作為案例，在不同焊接熱量的狀況下，比較金屬絲和特征線的距離，利用軟件能夠檢測(cè)出金屬絲和特征線之間的距離，檢測(cè)的金屬絲和特征線的距離和輸入的焊接熱量具有相似的線性關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的冷焊程度和實(shí)際數(shù)值的偏差低于5%，精準(zhǔn)度可以滿足工程使用的要求。

3.3 過(guò)焊

如果電熔接頭輸入熱量的時(shí)間太長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致過(guò)焊，和虛焊具有相同的性質(zhì)，過(guò)焊不能夠在熔合面上表現(xiàn)出問(wèn)題，但是如果在過(guò)焊時(shí)熔接區(qū)受到熱量太多，就會(huì)導(dǎo)致熔接區(qū)大多數(shù)的聚乙烯在高溫情況下表現(xiàn)出熔體狀，使聚乙烯熔體出現(xiàn)流動(dòng)的情況，再加上熔區(qū)當(dāng)中的壓力不穩(wěn)定，導(dǎo)致電阻絲出現(xiàn)位置偏移，所以憑借金屬絲的錯(cuò)位狀況能夠合理地判斷電熔接頭是否出現(xiàn)過(guò)焊現(xiàn)象。除此之外，與冷焊相同，過(guò)焊同樣能夠使用金屬絲與特征線距離進(jìn)行表示。

3.4 承插不到位

焊接時(shí)管材插入管件位置沒(méi)有達(dá)到焊接前的畫(huà)線位置，即插入位置不到位，這樣一部分電阻線不與管材接觸而裸露在空氣中，導(dǎo)致焊接時(shí)裸露的電熱絲通電后受熱不均而出現(xiàn)冒煙甚至短路現(xiàn)象，造成焊接失敗。

3.5 單側(cè)熔漿外冒

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)有電熔套筒出現(xiàn)單側(cè)熔漿外冒情況，屬于局部過(guò)熔現(xiàn)象，后經(jīng)過(guò)破壞性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，脆性剝離超過(guò)1/3熔合面，不合格?？赡茉斐稍?yàn)?點(diǎn)。1）刮削不勻，套筒空隙不均導(dǎo)致。2）管材不圓度影響。3）焊接時(shí)未使用夾具，受力不勻?qū)е隆?/p>

4 結(jié)論

超聲相控陣技術(shù)對(duì)聚乙烯管道電熔接頭的檢測(cè)取得了良好的效果，對(duì)焊頭部位的缺陷如金屬絲表面存在氣隙、冷焊、過(guò)焊、承插不到位、單側(cè)熔漿外冒均能清晰的表現(xiàn)出來(lái)。在此基礎(chǔ)上，山東科捷工程檢測(cè)有限公司與山東濟(jì)華燃?xì)庥邢薰具M(jìn)行合作，對(duì)濟(jì)華部分聚乙烯管道電熔接頭進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)破壞性實(shí)驗(yàn)做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)超聲波相控陣檢測(cè)對(duì)聚乙烯管道電熔接頭有較高的檢出率，取得了良好的效果。