机车T型管接头焊缝的相控阵超声检测

常规超声检测是T型焊缝内部缺陷检测的主要方法，但是检测时受到管座曲率、壁厚和马鞍状焊缝形式等因素的影响，以及探测位置的局限，常规超声检测面临着缺陷信号波形识别难度大、缺陷定位困难以及很难确保焊缝完整覆盖的问题。相控阵超声检测技术可以同时激发多角度声束，可对检测区域进行较大面积覆盖，适用于多种焊接接头和各种类型的焊缝形式。对于机车T型管焊缝，使用相控阵超声检测仪器和探头沿检测面扫查一圈，便可以得到检测数据。与常规超声检测相比，可省去繁琐的扫查过程，而且仪器能够自动生成检测图像，配合仪器的高级工件加载功能，将机车T型管焊缝的图像导入仪器，比较容易判断缺陷。机车T型管接头焊缝结构某机车用T型管路使用碳钢(Q235A或20钢）材料，管路管径一般为40~120mm，壁厚为4~12mm，主要用于油水管路中，接头采用手工电弧焊，焊缝质量受焊工技能和执行工艺的影响较大。T型管接头焊缝的结构示意如图1所示，其根部易产生不同程度的根部未焊透，而根部是结构的应力集中处，未焊透容易导致管路开裂甚至引发泄漏，故这些极易出现缺陷的地方是需要重点检测的部位。图1T型管接头焊缝的结构示意T型管座角焊缝的外形是随角度变化的，在检测时需要绘制相贯线，根据不同角度建立焊缝模型。使用AutoCAD2010绘制出不同角度所对应的焊缝图，由于此类T型管接头焊缝具有对称性，检测时可以按照90°间隔，将其分为4个相同部分，以两管截面为钝角的焊缝定为0°，以两管截面为直角的焊缝定为90°，每隔15°画一个焊缝。图2T型管接头不同角度焊缝示意使用相控阵超声检测仪的高级工件加载功能，将T型管接头焊缝图形加载到设备中，实现相控阵检测的扫查图像与T型管接头焊缝图形相结合，方便判断工件内部的缺陷位置。在检测时，T型管接头焊缝是时刻变化的，应根据图2中T型管接头焊缝的角度转换，准确判断缺陷的位置。机车T型管接头焊缝人工缺陷试块选取曾经在机车运行过程中出现过泄漏的20碳钢水路T型管接头焊缝为试验对象，其主管管径为55mm，壁厚为8mm，插管管径为40mm，壁厚为6mm，试块实物如图3所示，并在不同焊缝位置制作了编号为1，2，4，5号的横孔缺陷，3号平底孔缺陷和一个刻槽缺陷（见图4）。图3T型管接头焊缝人工缺陷试块实物图4T型管接头焊缝人工缺陷分布示意1~5号缺陷的直径均为1mm，除3号为平底孔外，其余为横孔，长度分别为7.5，7.5，1.5，8，8mm，分布于焊缝的不同位置；刻槽缺陷为长9mm，深1mm的矩形槽，设置在焊缝的内壁上。试验设备使用以下检测设备：①多浦乐PHASCAN相控阵检测仪，其配置为32/128，带有工件图形加载功能，仪器外观如图5所示；②多浦乐7.5S16-5x10自聚焦线阵相控阵探头，频率为7.5MHz，阵元数为16，阵元中心距离为0.5mm，阵元长度为10；③多浦乐弧度楔块，型号为SD10-N60S-IH（AOD73）。图5相控阵超声检测仪外观检测方法使用上述试验系统，扇扫面范围设置为30°~65°，对试块缺陷进行检测，1，3，4号横孔处的焊缝壁厚修正为9mm，2，5号横孔处的壁厚设置为8mm。横孔的测量方法横孔孔径的测量方法以1号缺陷（长度为7.5mm的横孔位于0°位置）为例，测量步骤为：①找到缺陷最高波，调节增益使其达到基准波高（80%），1号缺陷最高波如图6所示；图61号缺陷最高波（孔径测量）②改变S扫描角度，找到1号缺陷波的上边缘(理论应找到波高为40%的角度处最为合适，但因角度步进为1°，此时波幅为38.6%)，U(r)=

13.15mm，1号缺陷上边缘如图7所示；图71号缺陷上边缘（孔径测量）③改变S扫描角度，找到1号缺陷波的下边缘(理论应找到波高为40%的角度处最为合适，但因角度步进为1°，此时波幅为41.4%)，U(m)=14.35mm，1号缺陷下边缘如图8所示。图81号缺陷下边缘（孔径测量）④得到U(m)、U(r)数据后，可知缺陷自身高度U(m-r)=1.20mm。横孔长度的测量方法以1号缺陷（长度为7.5mm的横孔位于0°位置）为例，测量步骤为：①找到缺陷最高波，调节增益使其达到基准波高（80%），如图9所示；图91号缺陷最高波（长度测量）②将探头沿焊缝走向环向移动，找到缺陷最高波的一半波高（-6dB）位置，记录探头中心所对应的位置，此为缺陷长度方向上的端点，经过测量约为8mm。缺陷波幅得出为80.1%，缺陷深度得出为4.2mm。人工刻槽的测量方法以刻槽缺陷（长度为9mm刻槽位于90°位置）为例，其自身高度的测量步骤为：按照ASME标准，缺陷自身高度可以从S扫描的图像中使用-6dB法或者端点衍射法进行测量。试验采用端点衍射法进行测量，利用刻槽左上方的衍射回波及其与底面所形成的端角回波，可判定其自身高度，刻槽缺陷自身高度测量原理示意如图10所示。图10刻槽缺陷自身高度测量原理示意刻槽高度测量结果如图11所示，衍射信号U(m)位于8.44mm，端角回波U(r)位于9.48mm，刻槽自身高度为U(m-r)约为1mm。图11刻槽高度测量结果矩形槽测长方法同横孔测长方法一致，最终测得矩形槽长度约为11mm。测量出的各人工缺陷的大小如表1所示(矩形槽宽度不可测)，同时还与实际长度进行了比较。以上所检测的缺陷位于T型焊接接头试块的不同位置，所得到的数据与实际缺陷长度和大小大致吻合，说明相控阵超声检测技术应用于机车T型管路接头的质量控制是可行的。结

语相控阵超声检测技术可以检测机车T型管路接头焊缝的内部缺陷。相控阵超声技术有较高的缺