基于相控阵技术的焊接接头超声检测技术研究

基于相控阵技术的焊接接头超声检测技术研究

1相控阵超声探伤技术大钢框架，大厚板连接连接总面积约1000米。对这些焊接接头的质量进行超声检测时有速度要求。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。探头要结合左右扫查和前后扫查,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一起,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,操作较繁复。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,即相控阵UT。相控阵UT原理如图1所示,是通过电子控制多晶阵列探头来形成合成波阵面,能任意设定探伤角度和超声波聚焦位置。因为是电子控制,所以扫查速度很快。为用电子扫查取代探头对焊缝的机械前后扫查,以提高对焊缝的检验速度,从而使相控阵UT电子控制的线扫查方式更为实用,笔者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探伤系统的组成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。超声波需要检出的缺陷有未熔合、夹渣、凝固裂纹、气孔和根部裂纹等。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。图3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));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)。用相控阵UT进行检测的设备系统组成如图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,楔块材质为丙烯酸脂。3大关键事项讨论为使相控阵UT能适用于钢结构件焊缝探伤,以下对六个关键事项进行研讨,即校验试块的设计、有效探伤条件、噪声分析和对策、适用探伤范围的评价、适用探伤速度以及数据压缩性能。3.1测定对象及试块宽度相控阵UT中灵敏度校验用对比试块的设计和制作要求如图5所示。检测对象最大厚度100mm,试块厚度125mm,基准孔径Φ3mm。试块长度满足最大折射角70°的灵敏度校验,试块宽度W由下式求出:式中λ为波长(假设纵波斜角也用);S为最大声程;D为探头宽度。3.2表面活性剂的选择为对相控阵UT中的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,Φ10mm;斜探头5MHz,10mm×10mm);相控阵探头(16阵元×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UT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(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UT用的聚焦斜探头的聚焦范围也较大,可用于厚板的长声程探伤(图7)。3.3激励的阵元数n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10～70mm),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。则由图可见,当同时激励阵元数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时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杂波波高的原因相控阵UT中,探头尺寸大了,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,如图9所示。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。能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:式中E为阵元总长;α为楔内入射角。对60°斜角楔块,在楔块厚度60mm处,发现有高度为12%的杂乱反射波出现,如图10所示。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耦合水层噪声直探头探伤中的噪声杂波如图11所示,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由水层引起的多次反射回波。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)降噪。图13表示校验试块的探测波形和频率经滤波器的处理结果。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时的盲区情况,以及耦合水层厚度与盲区的关系。可见,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声程与噪声波高的关系通常的UT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UT探伤范围,必须先确认材料噪声波高与声程的关系。频率5和2MHz时,材料噪声与超声声程的关系如图15所示。一般,A级检测的基准灵敏度是将Φ3mm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E线的1/2为作评定线时,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发射脉冲的重复频率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多个脉冲,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,若过度提高重复频率,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,成为幻象波(重影)。以下探讨采用适当步骤排除幻象波的方法,以评价实际探伤速度。3.7.1所见表1b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,其中图16(a)表示直探头从翼板侧作纵波垂直探伤;图16(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脉冲重复频率prf的确定如图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象波的干扰,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PRF的最大限值PRFeff可由式(3)求出为5.7kHz。式中c为钢中声速,当斜角探伤时指钢中横波声速,垂直探伤时指钢中纵波声速;S为最大声程。斜探头从腹板侧进行斜角探伤时,在折射角45°的声程600～750mm处,以及折射角70°的声程500～800mm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,得45°时为2.1kHz;70°时为2kHz。即最低在2kHz以下。3.7.3探伤条件及扫查方式相控阵UT中的探伤速度可用式(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(PRF),除以该断面上的脉冲重复数(PRC);而后再将此频率数乘上焊缝长度方向的探伤步进间距P,即可算出探头在焊缝长度方向上的移动速度vα为:式中Et为探头阵元总数;Ea为同时激励的阵元数。表2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探伤数据的压缩相控阵UT过程中,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超声检测系统分辨力测试结果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7,5,4,3和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3和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横孔回波高度与噪声波高的关系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1.1%,而横孔波高降为10%时的噪声波高为0.9%,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,可认为性能基本满足要求。4探伤目的及效果分析为提高大梁T型接头焊缝超声波探伤的效率,对与相控阵UT法的线扫查方式(阵元排列方向电子扫描)有关的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)根据斜探头斜探伤的噪声分析,探讨了楔块形