钢结构件焊接接头超声相控阵实际探伤条件的研讨
苗玲玉 李 衍(1. 沈阳铁路机械学校,辽宁沈阳 110036 ;2. 无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会,江苏无锡 214026)
探伤条件1 钢结构件焊接接头相控阵UT 的必要性大型钢结构件,其构成大梁的厚板焊接接头总长达几千米。对这些焊接接头的质量进行超声检测,有提速要求。大梁焊缝一般主要用超声探伤专业标准规定的超声自动探伤,对所有焊缝断面进行100 % 探伤,探头要结合左右和前后进行锯齿形扫查,探伤颇费时间。为提高探伤效率,有时要将数个探头并排进行多通道探伤。探伤时要对各探头一一进行灵敏度校正和波形处理,操作较繁杂。近年来,为提高超声探伤中数据处理速度,推出了用多晶片组成的阵列探头进行探伤的所谓相控阵超声探伤技术。相控阵UT如图1 所示,是通过电子控制多晶阵列探头来形成合成波面的,它能任意设定探伤角度和超声波聚焦位置。因为是电子控制,扫查速度很快。为用电子扫查取代探头对焊缝的机械前后扫查,以提高检验速度,使相控阵U T 电子控制的线扫查方式更为实用,本文根据常用超声探伤标准要求,主要探讨有关T 型接头组合焊缝的相控阵超声探伤条件和控制处理条件。
2 检测对象的结构特点和相控阵UT 系统钢结构件焊接接头主要有图2 所示的对接接头和T 型接头。超声波应能检出未熔合、夹渣、凝固裂纹、气孔、根部裂纹等内部缺陷。图3 表示可用电子控制的线扫查方式对对接接头和T 型接头进行探伤的实例。该图表明,对这两种焊接接头,按一般超声探伤标准要求,超声波束至少要从两个方向进行探伤,即:对对接接头对接焊缝,要将横波斜探头布置在焊缝两侧,用一次波和二次波进行探伤(图3(a) ) ;而对T 型接头组合焊缝,可将横波斜探头置于腹板上,用一次波和二次波进行探伤(图3 ( b)左) ,也可将纵波直探头和横波斜探头置于翼板上从三个方向进行探伤(图3 (b) 右) 。
如图4 所示,整个探伤系统由相控阵探伤仪、相控阵探头、扫查器和编码器等组成。为模拟间距为1mm 的方形扫查, 系统应能沿焊缝长度方向按1mm 间距采集探伤数据。试验中使用的相控阵探头规格见表1 。阵列探头晶片(阵元) 间距与焊缝长度方向的探伤步进间距一样,也是1mm。
使用的相控阵直探头共有128 阵元,斜探头共有64 阵元,楔块材质为丙稀酸脂。
3 探伤条件的研讨为满足探伤要求,对以下六个关键事项进行研讨:
(1) 校验试块的设计;
(2) 有效探伤条件;
(3) 噪声分析和对策;
(4) 适用探伤范围的评价;
(5) 适用探伤速度;
(6) 数据压缩性能。
3. 1 校验试块灵敏度校验用对比试块的设计和制作如图5 所示。检测对象最大厚度100mm ,试块厚度125mm ,基准孔径<3mm。试块长度满足最大折射角70°的灵敏度校验,试块宽度由下式求出:
式中 W —试块宽度;
λ—波长(假设纵波斜角也用) ;
S —最大声程;
D —探头宽度。
3. 2 由声场解析评价声束聚焦位置为对超声波束有效聚焦条件进行评价,用惠更斯原理作声场解析,对两种探头的声场特性作了比较:常规单晶探头(直探头5MHz ,<10mm ; 斜探头5MHz ,<10mm ×10mm) ; 相控阵探头( 16mm ×1mm ,即同时激励16 阵元,单个阵元1mm ,或者说虚拟探头长16mm) 。通常,作垂直探伤时,相控阵U T 用的聚焦直探头要比常规直探头尺寸大,聚焦效果一直可持续到较深位置(见图6) 。如声束聚焦深度设定为20mm ,实际可延伸到30mm ;聚焦深度设定为40mm ,实际可延伸到50mm。超声波束的聚焦位置一般设定在约2/ 3 的探测深度位置,声束聚焦后一定距离范围内因受扩散影响较小,也能进行探伤。
作斜角探伤时,相控阵U T 用的聚焦斜探头其聚焦范围也较大,可用于厚板的长声程探伤(见图7) 。
3. 3 同时激励阵元数的评价相控阵UT中,为形成图1 所示合成波阵面而同时激励的阵元尺寸不同,会使产生超声波的虚拟探头的尺寸也不同,从而影响对缺陷的可检性。为此,需用图5 所示对比试块(横孔深度位置10mm～70mm) ,测出垂直探伤和斜角探伤中同时激励的阵元数n 与横孔回波信噪比( S/ N ) 的关系。测试结果见图8 。另外,假设探测最大板厚为100mm ,声束焦深位置设定在2/ 3 深度即70mm 的位置。
对垂直探伤,取各深度位置的信噪比平均值,由图可见同时激励阵元数n = 8 ～ 24 时, S/ N ≈30dB ,但n ≤12 时,深度位置70mm 的S/ N 值相对较低。因此作厚板探伤时,宜同时激励16 ～ 24 阵元为好。对70°斜角探伤, 由于超声波的衰减效应, 孔深位置越大,则横孔回波S/ N 越低;从平均值来看,则同时激励阵元数n ≥16 , S/ N 较高( ≥20dB) 。综上所述,相控阵UT中同时激励阵元数为16以上,直接相关于缺陷可检性的S/ N 值较高。因此,以下所述验证试验中,同时激励的相控阵元数均取16 以上。
3. 4 斜探头探伤信噪比分析与降噪对策相控阵UT 中,探头尺寸大则楔块尺寸也相应增大,因此要根据探伤位置来设计楔块。用市售40°斜角楔块时,在探头后部的入射波,会先在楔块底面产生反射,而后又在探头前角部产生反射回波,成为噪声杂波(图9) 。当灵敏度调整为满屏高80 %时,噪声杂波波高达13 %,这虽未超过规定的评定线( L 线) ,即20 %线高度,但按钢结构件焊缝UT 标准,已超过了L/ 2 线(10 %) ,有可能误判为缺陷信号。为避免探头前角部引起的噪声杂波,需特意增高楔块高度H。可明显降低噪声杂波的有效楔块高度H ,以声束不入射到探头前角部为条件,可由下式求出:
对60°斜角楔块,在楔块厚度60mm 处,发现有高度为12 %的乱反射波出现(图10) 。因超声波扩散入射到阻尼块侧面,又在阻尼块护体前面产生反射回波,故探头楔块前缘设计了V 形槽,可使噪声杂波明显减少。
3. 5 直探头探伤信噪比分析与降噪对策直探头探伤中的噪声杂波(图11)
主要有两种:
(1) 由换能器背衬材料(阻尼块) 内反射引起迟到入射的探测面回波;
(2) 由水层引起的多次回波。
图12 表示用5MHz 直探头探测40mm 板厚时,所得A 扫描射频波形和经快速傅里叶变换(FFT) 的处理结果。除在多次回波的5MHz 附近出现峰值外,在约10MHz 处还出现换能器阻尼块的高频波,为此用低通滤波器(衰减5MHz 以上的波) 除噪。图13 表示校验试块的探测波形和频率滤波器的处理结果。通过滤波处理,能去除换能器阻尼材料的噪声回波,与处理前相比,总体噪声降低,因而缺陷回波显示明显清晰。
图14 表示垂直探伤中,耦合水层为0. 4mm 时的盲区及耦合水层厚度与盲区的关系。随着耦合水层的增大盲区也会增大,因而近表面区无法探伤。实际探伤过程中需根据探测范围,调整自动探伤中的耦合水层厚度。
3. 6 对实际有效探伤范围的评价通常的U T 方法标准(A 级) 规定:探伤范围<150mm 时,用频率5MHz ; 探伤范围≥150mm 时,用频率2. 5MHz。为确定相控阵U T 探伤范围,必须先确认材料噪声波高与声程的关系。
频率5MHz、2MHz 时,材料噪声与超声声程的关系如图15 所示。一般,A 级检测,基准灵敏度是将<3mm 横孔反射波调整为满屏高80 %。此时,即使声程200mm ,噪声波高也不会超过规定的评定线(E线) 即20 % 满屏高。但对某些重要结构件,要求焊缝采用B 级检测,规定以E2线作为评定线时, 就要明确实际探伤有效范围,即当频率5MHz、声程S≯120mm ;频率2MHz、声程S ≯150m 时,否则噪声波高会超过评定线。
3. 7 T 型接头探伤速度与重复频率的关系用电子控制的线扫查法,在某一断面上,是以一定的重复频率激励好多脉冲,来获取各脉冲回波以不同色调显示的探伤断面图像。因此要提高探伤速度,就要提高发射脉冲的重复频率。对T 型接头探伤时,无论是从翼板或腹板探测,都可能收到翼板端部等产生的形状回波,迟到出现在显示屏上。此时,若过高地提高重复频率,则上一个发射脉冲引起的形状反射等迟到回波,会出现在下一个发射脉冲的探测范围内,成为幻像波(重影) 。以下探讨采用适当步骤排除幻像波的方法,以评价实际探伤速度。
3. 7. 1 幻像波的主要原因分析图16 表示腹板厚度26mm、翼板厚度40mm(焊脚高度25mm) 的T 型接头焊接试样的探测布置和探伤波形,
(a) 表示直探头从翼板侧作纵波垂直探伤;
(b) 表示斜探头从腹板侧作横波斜角探伤(45°～70°扇形扫查) 。显示的声程距离要有足够长度,以能识别迟到回波。
直探头从翼板侧作垂直探伤时,显示屏上会出现下列干扰回波:
①楔内多次反射波;
②翼板底面回波;
③焊缝形状回波;
④ 腹板底面回波。
其中,①、③、④ 的宽度方向位置会与焊缝重合,产生重影。斜探头从腹板侧作斜角探伤时得到的波形,能看到由翼板端角反射产生的迟到波。
3. 7. 2 避开幻像波的脉冲重复频率如图16 所示,直探头从翼板侧对焊缝作垂直探伤时,需要显示的声程约100mm。但由于上述干扰回波①、③、④会出现在声程520mm 以内,为避开探伤范围内幻像波的干扰,必须通过相当于声程距离在520mm 以外的时间延迟,再激发下一个发射脉冲。此时脉冲重复频率的最大限值,可由式(3) 求出为5. 7kHz。
斜探头从腹板侧进行斜角探伤时,折射角45°的声程600mm ～ 750mm 处、折射角70°的声程500mm～800mm 处,可见翼板的端角回波。为避开这些干扰回波(即令其不出现在显示屏上) ,采用的脉冲重复频率, 同样可由式( 3 ) 求出: 45°时为211kHz ;70°时为2kHz ,即最低在2kHz 以下。注意:式(3) 中的声速C :斜角探伤是指钢中横波声速,垂直探伤是指钢中纵波声速。3. 7. 3 实际探伤速度的选定探伤速度可用式(4) 表示。换言之,先算出探测某一断面的频率,即发射脉冲的重复频率( PR F) 除以该断面上的脉冲重复数( PRC) ;再将此频率数乘上焊缝长度方向的探伤步进间距,即可算出探头在焊缝长度方向的移动速度。
表2 即表示对T 型接头,按从翼板和腹板两种探伤条件,为避开干扰回波,根据发射脉冲重复数求出实际探伤速度的示例。另外,采用线扫查方式时,对某一断面的脉冲重复数可按式(5) 求出。假定斜探头从翼板面进行的斜探伤,因一次两侧探伤,故脉冲重复数为两倍。T 型接头从翼板面进行探伤的实际可用速度约为3m/ min 。从腹板面进行探伤,采用64 阵元一个折射角的线扫查方式,还不能使声束覆盖整个探测范围,为此采用45°、50°、60°、70°四种角度进行组合扫查,脉冲重复数应为49 ×4 = 196 。此时实际可用探伤速度约为0. 6m/ min 。
3. 8 探伤数据的压缩性能要保存声程方向的所有数据,数据量特大,为切合实际使用,探伤数据必须进行压缩。但数据压缩 一般要在取样频率100MHz 的探伤数据中进行,有可能引起以下问题: ①远距离分辨力降低; ②最大回波漏检; ③ 耦合校正性能减弱。因此,为保持斜探头在探伤过程中的检测性能正常,有必要对压缩限值进行评价。
3. 8. 1 远距离分辨力斜探头远距离分辨力用半圆阶梯试块测试评价。半圆阶梯厚度差有7mm、5mm、4mm、3mm、2mm 五种。将斜探头置于试块平面上相应部位,测出各阶梯厚度差相邻半圆阶梯的底面回波波谷屏高( %) ,按超声检测系统分辨力专用测试标准要求,以能分辨3 %以下为满足要求。按不同的数据压缩率, 阶梯厚度差分别为3mm、5mm 时,相邻圆弧面的底面回波波谷屏高的测试结果,见图17 。按一般焊缝超声检测方法标准,频率5MHz 时要求测5mm 的阶梯厚度差,此时不论哪种折射角,数据压缩率在1/ 100 以下,相邻圆弧面的底面回波波谷屏高≤3 % ,远距离分辨力已能满足要求。但考虑到大板梁T 型接头焊缝的疲劳强度,要求最小检出缺陷高度为3mm 时,远距离分辨力要求达到3mm ,此时数据压缩率应确认在1/ 40以下才有效。
3. 8. 2 最大回波高度当数据压缩率在1/ 10～1/ 80 之间变化时,测出对比试块中的横孔回波高度,发现最大回波高度始终不变。
3. 8. 3 耦合校验性能用对比试块特意调整耦合剂的厚度,测出耦合不良而横孔回波高度降低时的噪声波高与数据压缩率变化的对应情况。数据压缩率为1/ 10～1/ 80 时,测出的横孔回波高度与噪声波高的关系,如图18 所示。当数据压缩率为1/ 10 时, 横孔波高80 %时的噪声波高为111 % ,而横孔波高降为10 %时的噪声波高为019 % ,两者波高仅差0. 2 %;当数据压缩率为1/ 80时,横孔波高80 %时的噪声波高为1. 8 % ,而横孔波高降为10 %时的噪声波高为1. 2 % ,两者波高差增大为0. 6 %。换言之,即使数据压缩率在1/ 80 以下,探头耦合不好(横孔波高较低) ,噪声波高也较低,可认为性能基本能满足要求。
4 结论为提高大板梁T 型接头焊缝超声波探伤的效率,对相控阵U T 法的线扫查方式(阵元排列方向电
子扫描) 有关实际探伤条件作了研讨,得出如下结论:(1) 由声场解析得知,不受声束聚焦后声束扩散影响而能进行探伤的声束聚焦位置,约为探测范围
的2/ 3 位置。(2) 从直接相关于缺陷检出性的信噪比来看,直探头与斜探头探伤中同时可有效激励的晶片(阵元)数均为16 。(3) 根据斜探头斜探伤中的噪声分析,探讨了楔块形状。对直探头探伤来说,验证了频率滤波对降
低换能器背衬材料噪声的作用,以及耦合水层所伴随的盲区。
(4) 验证了声程与材料噪声的关系,也验证了评定线与1/ 2 评定线时的有效探伤范围。
(5) 分析了T 型接头探伤时形状反射引起的迟到回波,评价了不出现幻象波干扰的重复频率的设定值,求出了实际可用的探伤速度。
(6) 评价了探伤数据压缩时的远距离分辨力,根据杂波高度来进行耦合校正的方法。当分辨力以
5mm 为准时,取样频率100MHz ,探伤数据即使压缩到1/ 100 也没问题,耦合校正就是压缩率为1/ 80也能满足要求。为适应高3mm 的缺陷检出要求,压缩率取1/ 40 以下,确认有效。
