姜學平 李傳玉 孫 磊 余新海 余世宏 朱 琪 楊 訓

1. 中國能源建設集團安徽電力建設第一工程有限公司 安徽 合肥 230088；

2. 河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院 江蘇 常州 213022

中厚板T形焊接接頭廣泛應用于特種設備、海洋平臺和建筑結構中，如工字鋼、環(huán)板、吊點、半圓管等受力結構件。由于其結構特殊、幾何形狀復雜等原因，施焊較困難，在焊接過程中常出現(xiàn)未焊透、坡口未熔合等缺陷，嚴重影響設備的使用安全，所以對檢測提出了更高的要求。表面和近表面檢測技術不能檢出內部缺陷，射線檢測受幾何結構的限制，也較難有效檢測出這些內部缺陷，尤其是危害性較大的面積狀缺陷。為此，人們發(fā)展了各種超聲檢測技術。如NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》在附錄M中對采用常規(guī)超聲檢測的參數(shù)進行了規(guī)定，GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測技術、檢測等級和評定》附錄A中規(guī)定了不同厚度的該類焊縫檢測中，探頭及其位置的選擇。姚志忠[1]從檢測靈敏度、特殊波形、典型缺陷探傷等方面進行了深入探討。

相控陣超聲檢測技術由于檢測靈活可靠、檢測結果可記錄等優(yōu)點[2-3]，被越來越多地應用于實際工程中[4-5]。鄭紅霞等[6]采用斜入射橫波從翼板和腹板位置進行檢測，孫萬紅等[7]在焊縫中制造刻槽和通孔等標準人工反射體，然后從腹板側進行檢測，可以很好地檢測出缺陷。這些研究為相控陣超聲檢測T形焊接接頭提供了依據(jù)。

本文根據(jù)實際檢測需求，制作模擬缺陷試塊，進行檢測工藝設計和仿真，采用按幾何結構顯示檢測結果，同時合理設計檢測探頭，從翼板背側采用縱波直探頭進行檢測，通過接收衍射回波進行缺陷定量，與斜入射橫波檢測結果吻合，進一步發(fā)展了相控陣超聲檢測T形焊接接頭的技術。本文的研究對T形焊接接頭相控陣超聲檢測方法研究和工藝設計提供了重要參考。

1 待檢測工件情況

根據(jù)現(xiàn)場檢測需求，研制T形接頭模擬試塊，其中有埋藏裂紋和坡口未熔合缺陷。坡口和腹板、翼板厚度等如圖1所示，缺陷布置如圖2所示。

圖1 設計制作的T形角焊縫坡口示意

圖2 T形焊接接頭缺陷布置

2 檢測工藝設計和仿真

對該焊縫進行相控陣超聲檢測，從3個位置采用不同的方法檢測：從翼板正面進行相控陣超聲扇形掃描檢測；從腹板側進行相控陣超聲扇形掃描檢測；從翼板背面利用縱波直射脈沖反射法進行電子掃描檢測。

在翼板上進行相控陣超聲扇形掃描（圖3），掃描角度范圍為42°～60°，角度步進0.5°。相控陣超聲探頭有32個陣元，中心頻率5 MHz，陣元間距0.5 mm，楔塊傾角36°，縱波聲速2 337 m/s，檢測中所用陣元數(shù)9～24個。

圖3 在翼板上進行扇形掃描仿真

由圖3可見，采用一次反射波，42°～60°范圍進行扇形掃描，聲束可以有效覆蓋接頭焊縫部分。

從腹板側進行扇形掃描得到仿真圖（圖4）。由圖4可見，在腹板上采用直射波和一次反射波，38°～74°范圍進行扇形掃描，聲束可以有效覆蓋接頭焊縫部分。

圖4 在腹板上進行扇形掃描仿真

3 檢測結果分析

3.1 中間裂紋缺陷設計和檢測

中間裂紋缺陷A設計參數(shù)如圖5所示，缺陷長35 mm。在翼板正面進行相控陣超聲扇形掃描可以得到明顯的缺陷回波信號，如圖6所示，從檢測圖像上測量缺陷長35.5 mm。

圖5 中間裂紋缺陷

圖6 中間裂紋缺陷檢測結果

采用扇形掃描，聲束從多個角度經反射與缺陷相互作用，缺陷延伸方向與聲束所成角度偏離90°，較大；缺陷在聲束的遠場范圍，因聲束有一定的擴散角，而缺陷高度又相對較小，約為檢測聲波波長的0.7倍，所以扇形掃描圖上看到缺陷的尺寸大于實際尺寸，使得缺陷高度的定量存在偏差。但因缺陷較小，當聲束軸偏轉至缺陷中心時，反射聲波能量最大，對應波幅最高，所以缺陷中心的定位比較準確。在檢測中建議對缺陷進行定量、定位和定性時，結合缺陷掃描等多種信息給出最終結果。掃描過程中，因探頭移動方向與缺陷的長度延伸方向一致，所以通過幅度濾波測量缺陷長度，其結果為35.5 mm，與設計尺寸吻合。

3.2 腹板側坡口未熔合

腹板側坡口未熔合缺陷B設計參數(shù)如圖7所示，長30 mm，自身高度3 mm。在翼板正面進行相控陣超聲扇形掃描（圖8），測量缺陷實際尺寸：深度－8.1 mm，范圍為177.3～209.9 mm，長32.6 mm，與設計吻合。這是因為采用橫波檢測過程中，聲束和缺陷角度接近垂直，因此可以有效檢測出缺陷。而當探頭置于另一側時，由于聲束和缺陷夾角過小，故不能有效檢測出缺陷。

圖7 腹板側坡口未熔合

圖8 翼板側坡口未熔合檢測結果

在腹板上進行相控陣超聲扇形掃描（圖9），測量缺陷實際尺寸：深度－8.1 mm，范圍為177.3～208.5 mm，長31.2 mm，與在腹板正面的檢測結果、設計尺寸及位置一致。這時，一次波與反射波在缺陷處的回波信號相互疊加，使得缺陷的輪廓更加清晰，方便缺陷的精確定量，這也體現(xiàn)了采用幾何結構顯示比較直觀的優(yōu)越性。若采用聲程法顯示，則顯示缺陷的尺寸會比較大，需要檢測人員綜合其他信息進行綜合判斷。

圖9 腹板側坡口未熔合檢測結果

最后，在翼板背面用相控陣超聲電子掃描，縱波聲束垂直入射，相控陣超聲探頭晶片數(shù)量64個，中心頻率5 MHz，陣元間距0.8 mm，單次激發(fā)20個陣元，聚焦在22 mm深度處，檢測結果如圖10所示。

圖10 T形接口的背面電子掃描

在圖10中，中部邊上2條粗黑線是聲束輻照在焊縫外面的底面反射回波，從這2條線可以確定焊縫位置。其中圖10（a）為裂紋的檢測結果，由于裂紋較小，所以回波信號比較??；圖10（b）為坡口未熔合的檢測結果，缺陷的2個回波信號為衍射信號，由于聲波和缺陷有一定的角度，探頭接收不到反射波。測量坡口未熔合的長度為31 mm，與橫波檢測結果吻合。由此可見，采用縱波直入射法檢測，當缺陷垂直于聲束時，可以明顯看到缺陷的反射波，而當缺陷與聲束角度不垂直甚至偏差較大時，可以通過接收缺陷的衍射波檢出缺陷。所以通過合理設計檢測探頭和相關參數(shù)，在翼板背面對應焊縫的位置采用縱波直探頭進行缺陷檢測，可以有效檢測出缺陷。

綜上所述，對T形焊縫的檢測，可以綜合橫波斜入射和縱波直入射法進行檢測?？v波檢測可以接收到反射波和衍射波，提高缺陷的檢出率，但對缺陷定性、定位和定量則需要結合橫波斜入射的檢測結果。所以對于T形焊縫的檢測，建議先采用縱波直入射法進行初次掃描，探測是否存在缺陷及其位置，然后采用橫波扇形掃描對缺陷進行進一步的檢測和評判，在提高缺陷檢出率的同時，提高檢測效率，減少檢測工作量。

4 結語

本文制作T形焊接接頭的模擬缺陷試塊，分別從腹板和翼板正面采用相控陣超聲斜探頭橫波扇形掃描檢測，對聲束覆蓋檢測區(qū)域情況進行仿真，繼而進行試驗檢測和缺陷定量，這2種檢測方法得到的結果與缺陷設計尺寸吻合。最后創(chuàng)新性地采用縱波聚焦聲束電子掃描法從翼板背面進行檢測和缺陷定量，發(fā)現(xiàn)采用縱波電子掃描可以提高缺陷的檢出率。建議檢測中先進行縱波電子掃描檢測找到缺陷及其位置，再采用扇形掃描等方法進行缺陷的定量、定位和定性。同時，采用按照幾何結構顯示的檢測結果，可以使反射波和直射波檢測信號在缺陷位置疊加，使缺陷更加直觀、缺陷輪廓更加清晰，有利于缺陷定量和定性。所以，采用相控陣成像方式可以確定缺陷的位置、大小等，幫助檢測人員對缺陷進行定性。相控陣超聲檢測技術應用線性掃描，檢測效率高。電子掃描可以明顯看出焊縫位置，有助于檢測人員確定缺陷情況。