铝合金板材焊接接头的相控阵超声检测

铝合金材料被广泛应用在GIS(气体绝缘金属封闭开关)、GIL(气体绝缘输电线路)等电气设备的外壳中，焊接类外壳的焊接接头质量是保证设备安全运行的重要因素之一，因此接头的检测尤为重要。目前，GIS、GIL用壳体焊接接头的检测一般采用X射线和常规超声波检测，而X射线有辐射，对人体有害，常规超声检测结果不直观，主观性较强。而相控阵超声检测以其安全、准确、直观等优点，越来越多地应用于电力领域。近几年，国内科研人员进行了很多相控阵方面的相关研究，例如在对奥氏体不锈钢焊缝进行相控阵检测时，对于10mm深的缺陷，相控阵检测的信噪比要远高于常规超声检测；还有研究也表明相控阵的定位、定量准确性以及灵敏度均较高。GIS、GIL等设备用铝合金外壳的厚度主要有10mm和16mm，由于目前焊接外壳的无损检测方法存在不足，所以基于相控阵检测的优点，为了探索相控阵检测能否代替现有的检测手段，平高电气股份有限公司/平高集团焊接技术及压力容器实验室的检测人员以母材厚度为10mm和16mm的铝合金焊接接头为对象，采用自聚焦探头和常规探头进行相控阵检测，对检测灵敏度、检测精度、缺陷检测率进行了综合分析，评价了相控阵检测的可行性。01试验方案选择高压开关常用铝合金（5052板材）进行试验，试验分两组，第一组焊接试件采用10mm×125mm×800mm的5052铝合金板材进行对接焊，第二组焊接试件采用16mm×125mm×800mm的5052铝合金板材进行对接焊，焊接方法采用MIG(熔化极惰性气体保护焊)，采用单面焊双面成形工艺，焊接接头形式及坡口尺寸示意如图1所示。图1焊接接头形式及坡口尺寸针对生产实际情况，铝合金焊接过程中产生的缺陷主要是气孔、夹渣、未熔合、未焊透等，所以在两组试件中分别预制8个缺陷，具体如下（尺寸单位为mm）：第一组1号缺陷：Φ2×6气孔2号缺陷：Φ1×2气孔3号缺陷：Φ2×7夹渣4号缺陷：Φ1×8夹渣5号缺陷：Φ3×4未熔合6号缺陷：Φ4×7未熔合7号缺陷：Φ3×3未焊透8号缺陷：Φ4×7未焊透第二组1号缺陷：Φ2×8气孔2号缺陷：Φ1×14气孔3号缺陷：Φ2×6夹渣4号缺陷：Φ1.5×11夹渣5号缺陷：Φ3×6未熔合6号缺陷：Φ4×10未熔合7号缺陷：Φ3×7未焊透8号缺陷：Φ4×9未焊透试件制作完成后，清除试件上的焊接飞溅，并使用砂纸将探头移动区域打磨平整，表面粗糙度不大于12.5μm。采用两种不同型号的探头进行相控阵超声检测，检测时用底面1次反射法(2次波），使声束能全面覆盖整个焊缝截面，对检测结果进行对比分析。02相控阵超声检测参数选择及设置2.1探头选择GB/T32563-2016《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》对探头的选择要求如下：可以看出随着检测厚度的增加，探头频率逐渐降低，孔径逐渐增大。从提高检测精度方面考虑，结合上述对探头频率等参数的选择，试验拟采用自聚焦探头和常规探头检测。自聚焦探头型号为D10(7.5S16-0.5×10-D10)，常规探头型号为D2(5L32-0.5-10)。2.2楔块选择根据探头型号，匹配合适的楔块型号。自聚焦探头型号为D10(7.5S16-0.5×10-D10)，匹配楔块型号为SD10(SD10-N60S-IH)，常规探头型号为D2(5L32-0.5×10-10)，匹配楔块型号为SD2(SD2-N55S)。2.3检测系统设置试验采用PHASCAN便携式相控阵超声检测仪检测，建立4套配置文件，基本参数如下：03检测结果及分析在试件上沿焊缝轴线标记步进偏置绝对值，沿设置的扫查方向开始扫查焊缝，扫查过程中保持匀速前进，耦合良好，对两组试件进行检测，得到某个缺陷的A-S扫视图，使用-6dB法对该缺陷进行定性、定量分析。3.1板厚为10mm的试件图210mm厚试件的缺陷自聚焦探头检测图像图310mm厚试件的缺陷常规探头检测图像10mm厚试件的检测结果如下：可以看出自聚焦探头将预制的8处缺陷全部检出。常规探头检出预制的6处缺陷，有两处预制缺陷未检出，缺陷检出率是自聚焦探头的75%。对缺陷深度和长度的检测数值与真实值的相对误差进行比较，得到的误差曲线如下：图410mm厚试件的缺陷深度与长度相对误差曲线可以看出自聚焦探头的检测精度高于常规探头的。波束直径影响检测灵敏度和精度，超声相控阵探头波束直径计算公式如下：DB-6dB=0.2568DF/N

(1)式中：D为探头直径（主动孔径），mm；D=n·p，n为晶片数量，p为晶片中心间距，mm；F为焦距，mm；N为近场区长度，mm。近场区长度的计算公式如下：N=K矩形D2f/(4c)

(2)式中：K矩形为近场修正系数；f为探头频率，MHz；c为材料横波声速，m/s。由式(2)得到自聚焦探头的近场区长度为54mm，常规探头的近场区长度为102mm；由式(1)得到自聚焦探头的波束直径约为2.4mm，常规探头的波束直径约为1.6mm，波束直径越小，被某个特定位置的缺陷反射的能量越多，缺陷越清晰。自聚焦探头近场区远小于常规探头的，且频谱更宽，谐波声压的叠加更加明显，能使声压-距离关系变得更为平滑，也有利于检测，综上分析，自聚焦探头检测精度高于常规探头的。对常规探头未检出的缺陷进行分析：2处缺陷直径为1mm左右，根据上述波束直径的讨论，自聚焦探头波束直径小，更利于检测出微小的缺陷，而常规探头波束直径大，是2、4号缺陷漏检的原因之一。另外，理论认为自聚焦探头是窄脉冲与宽频带超声波探头，谐波的频率范围宽（频带宽），叠加而成的脉冲持续时间短，脉冲持续时间（脉冲宽度）比相同参数的普通超声波探头更短，脉冲宽度小，能获得高的分辨力，也是自聚焦探头检出小缺陷的原因。3.2板厚为16mm的试件图516mm厚试件的缺陷自聚焦探头检测图像图616mm厚试件的缺陷常规探头检测图像

16mm厚试件的检测结果如下：可以看出自聚焦探头检出预制的7处缺陷，1处缺陷未检出。常规探头对预制的8处缺陷全部检出，自聚焦探头的缺陷检出率是常规探头的87.5%。对缺陷深度和长度的检测数值与真实值的相对误差进行比较，得到的误差曲线如下：图716mm厚试件的缺陷长度和深度相对误差曲线可以看出常规探头的检测精度稍高于自聚焦探头的。这是因为二次波检测16mm左右厚度的焊缝时，可达到的深度约为32mm，超过了自聚焦探头的聚焦区域。FZ=NSF2[2/(1+0.5SF)]

(3)式中：SF为归一化焦距。由式(3)得到自聚焦探头的聚焦区域为12.7mm，常规探头近场区长度为24.4mm，聚焦区域内声束能量集中，检测灵敏度高，且超出聚焦区域，声波发散，检测灵敏度低。这是常规探头检测灵敏度高于自聚焦探头检测灵敏度的原因。对自聚焦探头未检出的2号缺陷进行分析：通过对该缺陷的定量测量发现其位于自聚焦探头的聚焦区域外，检测灵敏度低，因此自聚焦探头未检测出该缺陷。结语(1)对母材厚度为10mm左右的铝合金对接接头进行相控阵检测时，自聚焦探头（7.5S16-0.5×10-D10）能检出全部预制缺陷，检测小缺陷的分辨力高，缺陷检出率明显高于常规探头的；缺陷的定量精度受波束直径影响，波束直径小，定量精度高。(2)对母材厚度为16mm左右的铝合金对接接头进行相控阵检测时，常规探头（5L32-0.5×10-10）能检出全部预制缺陷，自聚焦探头（7.5S16-0.5×10-D10）受聚焦区域的影响，未能检出全部预制缺陷，检出率和缺陷的定