沈成業(yè),洪 朝,黃海軍,錢盛杰,王 杜
(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 寧波 315048)
焊縫中的裂紋、坡口未熔合等面積型缺陷的存在會(huì)減少焊縫的有效承載面積,削弱焊縫的性能,甚至引起焊縫斷裂,造成壓力容器、壓力管道失效,影響其安全性能。相控陣超聲技術(shù)具有檢測(cè)靈敏度高、效率高、缺陷可定位等優(yōu)勢(shì),目前已在壓力容器、壓力管道等設(shè)備的對(duì)接焊縫無損檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)由于掃描聲束有限,聚焦點(diǎn)固定,使得聚焦點(diǎn)及附近位置的成像效果較好,遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的位置成像分辨率較低[2],而基于全矩陣捕捉的全聚焦成像(TFM)相比于常規(guī)相控陣成像方法具有更高的檢測(cè)分辨率和更大的檢測(cè)區(qū)域。通過全矩陣采集,對(duì)N陣元的陣列換能器,每個(gè)陣元單獨(dú)激發(fā),全陣列接收,共記錄N行N列個(gè)陣元間的脈沖響應(yīng),通過虛擬延時(shí)疊加聚焦,使成像區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)都獲得最優(yōu)的空間分辨率。該算法可檢測(cè)常規(guī)相控陣超聲技術(shù)無法探測(cè)的尺寸為半波長(zhǎng)的缺陷,能精確判斷其類型、大小和位置[2]。劉釗等[3]通過試驗(yàn)證明了全聚焦成像算法可以利用多次波對(duì)焊縫進(jìn)行成像,并定位焊縫上的缺陷。于朋等[4]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了FSTFM算法可對(duì)對(duì)接焊縫的上表面微小裂紋進(jìn)行有效成像,并測(cè)量出裂紋的擴(kuò)展深度。
筆者以設(shè)計(jì)制作的一塊含表面裂紋和坡口未熔合缺陷的人工試塊為研究對(duì)象,利用CIVA軟件的缺陷響應(yīng)模塊進(jìn)行仿真,比較了常規(guī)相控陣技術(shù)和全聚焦相控陣技術(shù)的成像效果。在仿真的基礎(chǔ)上,采用上述兩種相控陣檢測(cè)方法并結(jié)合常規(guī)無損檢測(cè)對(duì)人工試塊開展檢測(cè)。完成了人工試塊的線切割解剖,結(jié)合缺陷部位的截面形貌和尺寸,對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究,驗(yàn)證了TFM對(duì)于焊縫上表面裂紋和坡口未熔合缺陷檢測(cè)的有效性和測(cè)量精確性。
通過CIVA軟件仿真,分別模擬TFM和常規(guī)PAUT對(duì)焊縫上表面裂紋和坡口未熔合缺陷的響應(yīng)情況。仿真對(duì)象為一對(duì)接焊縫試板,坡口類型為V型,坡口角度為60°,試板厚度為10 mm。焊縫坡口處設(shè)置1處未熔合缺陷S1,規(guī)格(長(zhǎng)X深X自身高度)為15 mmX5 mmX2 mm。焊縫上表面設(shè)置1處裂紋缺陷S2,長(zhǎng)度為15 mm,自身高度為2 mm。根據(jù)上述兩種缺陷的尺寸和位置,在CIVA軟件中建立模型,如圖1所示。
圖1 CIVA缺陷響應(yīng)模型
焊縫上表面裂紋的CIVA仿真結(jié)果如圖2所示,TFM和常規(guī)PAUT都可以識(shí)別出焊縫上表面裂紋信號(hào)。利用TFM法檢測(cè)得到了垂直于焊縫表面的裂紋信號(hào),該裂紋的形貌與仿真模型中的裂紋缺陷一致,而利用常規(guī)PAUT法檢測(cè)僅得到了裂紋兩端的衍射波信號(hào),無法得到真實(shí)的缺陷形貌。坡口未熔合的CIVA仿真結(jié)果如圖3所示,TFM和常規(guī)PAUT都可以檢測(cè)得到坡口未熔合信號(hào)。利用TFM法檢測(cè)得到了沿著坡口方向的整體未熔合信號(hào)(未熔合面上的回波信號(hào)連續(xù),未斷開,分布均勻),未熔合面的形貌與仿真模型中設(shè)置的未熔合缺陷基本一致。當(dāng)采用PAUT扇形掃查進(jìn)行坡口未熔合仿真時(shí),坡口未熔合的仿真檢測(cè)結(jié)果與焊縫坡口的角度有很大關(guān)系。圖3(b)中的焊縫坡口與工件底面所成角度為60°,到達(dá)坡口面的模擬聲束角度為45°,仿真得到的未熔合信號(hào)與真實(shí)缺陷形貌存在一定的差異(未熔合面上的回波信號(hào)不連續(xù),中間斷開,分布不均勻)。當(dāng)?shù)竭_(dá)坡口面的模擬聲束角度接近30°時(shí)(聲束方向垂直于坡口面),獲得的未熔合仿真圖像越接近缺陷的真實(shí)形貌,此時(shí)未熔合面上可以得到連續(xù)的回波信號(hào)。但未熔合面兩端的衍射波信號(hào)依然會(huì)存在,導(dǎo)致缺陷的定量變大。
圖2 焊縫上表面裂紋的CIVA仿真結(jié)果
圖3 坡口未熔合的CIVA仿真結(jié)果
根據(jù)上述仿真結(jié)果可得,受端點(diǎn)衍射信號(hào)的影響,PAUT法會(huì)使缺陷的定量變大,而TFM法能直觀、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)上表面裂紋和坡口未熔合兩類缺陷的仿真成像,缺陷的定位和定量均較為準(zhǔn)確,具有很高的檢測(cè)分辨率。其中,表1為缺陷定位和定量比對(duì),由表1中的缺陷長(zhǎng)度、埋藏深度以及自身高度的測(cè)量數(shù)據(jù)可得,TFM法的缺陷定位和定量精度更高。由表1中的缺陷上端點(diǎn)幅值、缺陷中點(diǎn)幅值以及缺陷下端點(diǎn)幅值(該幅值為相對(duì)聲壓幅值,單位:dB)的測(cè)量數(shù)據(jù)可得,TFM法的缺陷回波信號(hào)更連續(xù)、分布更均勻,缺陷回波信號(hào)的定量更準(zhǔn)確,缺陷的檢出率大大提高。
表1 缺陷定位和定量比對(duì)表
根據(jù)CIVA仿真工件設(shè)計(jì)制作的對(duì)接焊縫試塊如圖4所示。試塊材料為20鋼,規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高,下同)為300 mm×400 mm×10 mm,焊縫為V型坡口,坡口角度為60°,焊縫中設(shè)置2處缺陷。一處為坡口未熔合缺陷S1,其尺寸(長(zhǎng)×深×自身高度)為15 mm×5 mm×2 mm,另一處為焊縫中心上表面開口裂紋缺陷S2,其尺寸(長(zhǎng)×高)為15 mm×2 mm。分別對(duì)上述兩種缺陷進(jìn)行常規(guī)相控陣和全聚焦相控陣檢測(cè),并分析比較這兩種相控陣檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)效果。
圖4 人工試塊結(jié)構(gòu)示意
對(duì)人工試塊分別采用常規(guī)PAUT法和TFM法進(jìn)行檢測(cè),其中,PAUT法采用扇形掃查方法,掃查角度范圍為35°70°,角度步進(jìn)為0.5°,聚焦點(diǎn)設(shè)置在焊縫上表面。TFM法采用超聲檢測(cè)與時(shí)域信號(hào)相結(jié)合的相控陣超聲全矩陣捕捉技術(shù),無需設(shè)置掃查角度、角度步進(jìn)和聚焦點(diǎn)等檢測(cè)參數(shù)。以工件邊緣為起始點(diǎn),探頭與焊縫邊緣保持一定距離,使相控陣檢測(cè)聲束覆蓋整個(gè)焊縫,分別在焊縫的兩側(cè)各進(jìn)行一次掃查,取較理想的一側(cè)檢測(cè)結(jié)果為研究對(duì)象。坡口未熔合的兩種相控陣檢測(cè)成像結(jié)果如圖5所示,PAUT法和TFM法的界面均可顯示S掃(扇掃圖)、A掃、C掃(俯視圖)和D掃(側(cè)視圖)。兩種檢測(cè)方法均可呈現(xiàn)出完整清晰的檢測(cè)圖像,TFM法相比PAUT法具有更高的檢測(cè)分辨率和信噪比,對(duì)于微小缺陷的檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)回波的識(shí)別更具優(yōu)勢(shì)。TFM法可以清晰地檢測(cè)出焊縫上下表面余高回波,而PAUT法僅能發(fā)現(xiàn)焊縫的根部余高回波。
圖5 坡口未熔合的兩種相控陣檢測(cè)成像結(jié)果
相控陣超聲檢測(cè)圖像的顯示有兩類,一類是按幾何結(jié)構(gòu)成像,另一類是按聲程顯示成像,兩種成像方式的具體優(yōu)缺點(diǎn)詳見參考文獻(xiàn)[5]。在圖5(a)中,缺陷按幾何結(jié)構(gòu)成像,畫圈處為未熔合S1,從S掃可以看出該未熔合在坡口處被二次波所發(fā)現(xiàn),通過S和D掃描成像視圖可確定該缺陷深度約為4.4 mm,通過C和D掃描成像視圖可確定缺陷自身高度為3.2 mm,長(zhǎng)度為22.9 mm。在圖5(b)中,缺陷按聲程顯示成像,畫圈處為未熔合S1,從S掃可以看出該缺陷出現(xiàn)在三次波中,缺陷延伸方向與坡口面角度基本一致,符合未熔合缺陷的特征。通過S和D掃描成像視圖可確定該缺陷深度約為3.7 mm,通過C和D掃描成像視圖可確定缺陷自身高度為1.3 mm,長(zhǎng)度為15.2 mm。
上表面裂紋的相控陣成像結(jié)果如圖6所示,利用TFM和常規(guī)PAUT分別進(jìn)行焊縫中心外表面裂紋的檢測(cè)。TFM法相比PAUT法具有更高的檢測(cè)分辨率,成像更為直觀。真實(shí)裂紋應(yīng)該是彎曲的或者是有分支的,TFM法的圖譜表現(xiàn)為多處集中的缺陷信號(hào),更加符合裂紋的真實(shí)形貌。從聲波對(duì)缺陷的方向性來看,TFM法克服了聲束方向性的缺點(diǎn),回波信號(hào)的分布更接近缺陷的真實(shí)位置。在圖6(a)中,畫圈處為裂紋S2,從S掃可以看出該裂紋在上表面被二次波所發(fā)現(xiàn),通過S掃和D掃描成像視圖可確定該缺陷自身高度為3.1 mm,通過C掃和D掃描成像視圖可確定其長(zhǎng)度為25.1 mm。在圖6(b)中,畫圈處為裂紋S2,從S掃可以看出該缺陷出現(xiàn)在二次波和三次波中,考慮到余高的存在,缺陷高度測(cè)量應(yīng)該從二次波上端開始到三次波的下端。通過S掃和D掃描成像視圖可確定該缺陷自身高度為2.6 mm,通過C掃和D掃描成像視圖可確定其長(zhǎng)度為23.2 mm。
圖6 上表面裂紋的相控陣成像結(jié)果
試塊設(shè)計(jì)制作時(shí)存在一定的誤差,為了較準(zhǔn)確地確定坡口未熔合的長(zhǎng)度、自身高度和深度,裂紋的擴(kuò)展深度、長(zhǎng)度,對(duì)該試塊進(jìn)行了RT(射線)檢測(cè)、MT(磁粉)檢測(cè)以及缺陷部位的線切割解剖。圖7為未熔合和表面裂紋的射線檢測(cè)底片,經(jīng)測(cè)量得到未熔合長(zhǎng)度為17 mm,未熔合自身高度為1.5 mm;表面裂紋長(zhǎng)度為22 mm。圖8為表面裂紋的MT檢測(cè)結(jié)果,測(cè)量得到裂紋長(zhǎng)度為21 mm。
圖7 未熔合和表面裂紋射線檢測(cè)底片
圖8 表面裂紋MT檢測(cè)結(jié)果
對(duì)接焊縫試板沿焊縫橫向進(jìn)行線切割后觀察缺陷的形貌,并對(duì)缺陷的自身高度和埋藏深度進(jìn)行測(cè)量。切割后經(jīng)測(cè)量得到未熔合缺陷的自身高度為1.2 mm,埋藏深度為4.0 mm;表面裂紋缺陷的自身高度為2.8 mm。切割后截面為缺陷的橫截面,無法測(cè)量缺陷的長(zhǎng)度,因此裂紋、未熔合的實(shí)際長(zhǎng)度可以近似采用RT或MT檢測(cè)結(jié)果。圖9為試板焊縫表面裂紋缺陷處切割后的橫截面照片,圖10為試板焊縫坡口未熔合缺陷切割后的橫截面照片。如圖9所示,裂紋按一定角度向焊縫深度方向延伸,缺陷形貌與TFM法成像結(jié)果較為吻合。如圖10所示,未熔合沿著坡口方向延伸,缺陷形貌與TFM和常規(guī)PAUT成像結(jié)果較為吻合。
圖9 試板焊縫表面裂紋處切割后照片
圖10 試板焊縫坡口未熔合切割后照片
為了方便檢測(cè)結(jié)果的比對(duì),將上述檢測(cè)結(jié)果及解剖后的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行匯總,如表2所示。結(jié)果表明,RT檢測(cè)方法測(cè)量的未熔合S1的長(zhǎng)度接近未熔合的真實(shí)長(zhǎng)度;RT或MT方法測(cè)量的裂紋S2結(jié)果長(zhǎng)度接近裂紋的真實(shí)長(zhǎng)度;解剖后可以精確測(cè)量出未熔合S1的自身高度、深度以及裂紋S2的自身高度。以此為缺陷的參考尺寸,將相控陣檢測(cè)的結(jié)果與之進(jìn)行定量比對(duì)分析,可得如下結(jié)論。
表2 4種無損檢測(cè)方法及解剖結(jié)果 mm
(1)PAUT法會(huì)使缺陷定量變大,TFM法對(duì)缺陷的定量準(zhǔn)確性較高,誤差較小。
(2)從缺陷長(zhǎng)度的測(cè)量情況來看,TFM法檢測(cè)的準(zhǔn)確性略高于PAUT法。
(3)從缺陷自身高度的測(cè)量情況來看,TFM法檢測(cè)結(jié)果更加接近真實(shí)缺陷的自身高度,誤差控制在7.2%以內(nèi)。PAUT法對(duì)自身高度的定量誤差較大,在檢驗(yàn)過程中可能會(huì)影響對(duì)缺陷的定級(jí)。
(4)從缺陷埋藏深度的測(cè)量情況來看,這兩種相控陣檢測(cè)方法的檢測(cè)誤差較小,與缺陷真實(shí)埋藏深度較為接近。
(1)相控陣技術(shù)能發(fā)現(xiàn)焊縫中表面缺陷和埋藏缺陷的信號(hào),通過多種成像方式可以直觀地表述缺陷的形貌。
(2)從成像效果來看,TFM法比PAUT法具有更高的檢測(cè)分辨力和信噪比,對(duì)微小缺陷的檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)回波的識(shí)別更具優(yōu)勢(shì),更有利于缺陷的定性研究。
(3)從缺陷定量來看,TFM法相比PAUT法具有更高的精度,尤其是缺陷自身高度的測(cè)量,TFM法檢測(cè)結(jié)果更加接近真實(shí)缺陷的自身高度。