窄翼板鈦合金T型焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

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(洛陽(yáng)船舶材料研究所，洛陽(yáng) 471000)

T型焊接結(jié)構(gòu)常用于某些重要的鈦合金承壓結(jié)構(gòu)中，除部分本體結(jié)構(gòu)包含T型設(shè)計(jì)外，大多數(shù)T型焊接結(jié)構(gòu)主要起加強(qiáng)支撐作用。T型結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，通常在腹板上開(kāi)坡口，根據(jù)質(zhì)量要求的不同，分為熔透型和非熔透型兩種，且TIG(非熔化極惰性氣體保護(hù)焊)與MIG(熔化極惰性氣體保護(hù)焊)是其較為常用的焊接方法。這些焊縫容易出現(xiàn)氣孔和未熔合缺陷，對(duì)于全熔透結(jié)構(gòu)，鈍邊部位還可能會(huì)出現(xiàn)未焊透缺陷。T型焊縫中的未焊透和未熔合不僅降低了對(duì)接部位的有效截面積，且在使用時(shí)容易造成應(yīng)力集中，影響結(jié)構(gòu)壽命。

窄翼板鈦合金T型焊接接頭是一種特殊的T型結(jié)構(gòu)，具有缺陷空間分布方向各異、幾何尺寸窄小的特點(diǎn)。對(duì)該型結(jié)構(gòu)如采用射線法檢測(cè)，存在厚度差大、布片困難、透照角度難以確定等不利因素，且現(xiàn)場(chǎng)射線檢測(cè)存在效率低的問(wèn)題，故T型焊接結(jié)構(gòu)一般不采用射線法檢測(cè)，通常在翼板、腹板厚度超過(guò)10 mm時(shí)盡量選擇超聲檢測(cè)。但受限于翼板寬度，常規(guī)超聲檢測(cè)難以進(jìn)行多角度、多位置掃查，更不可能在翼板上采用TOFD進(jìn)行掃查，缺陷的檢出率可能會(huì)降低。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者研究了相控陣超聲的檢測(cè)工藝，對(duì)各種掃查條件下缺陷檢出情況進(jìn)行了對(duì)比。

1 檢測(cè)工藝分析

試驗(yàn)用鈦合金T型焊接結(jié)構(gòu)的翼板與腹板厚度均為26 mm，翼板寬度為45 mm，腹板寬度為120 mm。其采用MIG焊雙面焊接，腹板坡口角度為45°，鈍邊寬度為2 mm，試板實(shí)物與尺寸示意如圖1所示。

圖1 T型試板實(shí)物及尺寸示意

圖2 腹板相控陣超聲直射波掃查示意

該試板的腹板寬度較大，可進(jìn)行多位置掃查，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)確定合適的掃查參數(shù)，能夠檢測(cè)出坡口未熔合與氣孔缺陷。圖2所示為利用直射波在腹板上進(jìn)行相控陣超聲扇形掃查的示意，雖然扇形掃查的聲束角度范圍可調(diào)，但考慮到不同聲束角之間的能量差異，試驗(yàn)的角度范圍設(shè)置為40°～70°[1]。T型結(jié)構(gòu)焊接的余高通常都較大，采用直射波能夠保證對(duì)圖2中B面對(duì)應(yīng)半個(gè)焊接接頭的聲束全覆蓋，此時(shí)大部分聲束會(huì)透射到翼板中，而A面對(duì)應(yīng)的焊接接頭無(wú)法得到聲束覆蓋，屬于檢測(cè)盲區(qū)。

為保證對(duì)焊接接頭的全覆蓋，應(yīng)補(bǔ)充一次掃查，利用腹板的B面反射波實(shí)現(xiàn)對(duì)A面對(duì)應(yīng)焊接接頭的聲束覆蓋。圖3所示為腹板的反射波扇形掃查示意，調(diào)整掃查位置使腹板反射波能夠全覆蓋A面對(duì)應(yīng)的焊接接頭，此時(shí)角度較大的聲束依然能直射到B面對(duì)應(yīng)的部分焊接接頭，但無(wú)法完全覆蓋余高部分，故圖2中的直射波掃查是不可缺少的。為了減少漏檢，應(yīng)至少保證超聲波聲束能夠有效覆蓋焊接接頭部位不少于2次，實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)在腹板A面和B面分別掃查。

圖3 腹板相控陣超聲反射波掃查示意

圖4 翼板相控陣超聲掃查示意

由于焊接時(shí)難以控制腹板鈍邊與翼板的間隙，故該處產(chǎn)生的未焊透缺陷形態(tài)可能為體積型或面積型，當(dāng)其為平行于翼板的面積型缺陷時(shí)，上述兩種掃查方式的超聲波束無(wú)法垂直入射到該部位，檢測(cè)效果很差，故應(yīng)在翼板補(bǔ)充掃查。圖4所示為翼板相控陣超聲掃查示意，其采用-45°～45°的角度范圍，聲束面垂直于T型焊縫，為了提高未焊透缺陷的檢測(cè)效果，應(yīng)使S掃描0°角聲束與鈍邊垂直，且焦點(diǎn)的位置設(shè)置在翼板厚度附近。90°的聲束角度范圍能完全覆蓋整個(gè)焊縫，不僅能檢測(cè)出未焊透缺陷，對(duì)氣孔也較為敏感。為了提高焊縫橫向缺陷的檢出率，在設(shè)置參數(shù)不變的條件下，應(yīng)使聲束面平行于焊縫，額外做一次橫向掃查。

根據(jù)上述分析，應(yīng)采用“扇形掃描+沿線掃查”的方式對(duì)腹板和翼板分別進(jìn)行檢測(cè)，才能保證對(duì)整個(gè)焊接接頭部位的多角度覆蓋，而且扇形掃描的角度應(yīng)根據(jù)腹板和翼板的厚度來(lái)選擇，避免焊縫余高存在聲束覆蓋盲區(qū)。

2 試樣檢測(cè)

2.1 工藝參數(shù)

根據(jù)檢測(cè)工藝，綜合鈦合金T型焊接試件厚度和設(shè)備性能選擇合適的工藝參數(shù)。選擇GE Phasor XS型便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀作為試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備最大激發(fā)通道為16通道，具有A、S、C型顯示功能。由于鈦合金的聲學(xué)性能較差，超聲散射雜波幅度很高，相控陣檢測(cè)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大激發(fā)孔徑，并根據(jù)試件的厚度選擇合適的頻率，表1匯總了可供選擇的工藝范圍。

表1 相控陣檢測(cè)工藝參數(shù)

2.2 試樣腹板檢測(cè)

按照選擇的工藝參數(shù)設(shè)置并校準(zhǔn)設(shè)備，分別在腹板A、B面各進(jìn)行兩次沿線掃查，共獲得4組數(shù)據(jù)。圖5為典型缺陷的扇掃描顯示，可見(jiàn)扇掃描顯示能夠精確定位缺陷，而C型顯示可完整地顯示整個(gè)焊縫的質(zhì)量狀況，通常采用二者結(jié)合的方式綜合評(píng)定。

圖5 腹板典型缺陷的扇掃描顯示

圖6 腹板檢測(cè)的C型顯示

圖6為腹板檢測(cè)的4組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的C型顯示結(jié)果，可見(jiàn)部分 C型顯示圖中，聲束最大角附近存在異常成像顯示，經(jīng)過(guò)分析確定該異常顯示是翼板端角處的反射造成的，且反射波的強(qiáng)弱與掃查位置、端角結(jié)構(gòu)有關(guān)，缺陷評(píng)判時(shí)應(yīng)結(jié)合扇掃描視圖綜合判定，避免誤差。

各組數(shù)據(jù)的C型顯示中缺陷個(gè)數(shù)存在差別，筆者采用手動(dòng)扇掃描+沿線掃查的方式確定各次掃查中的具體缺陷情況。設(shè)置T型焊縫的某一側(cè)、A面端面和翼板端面為0點(diǎn)，分別用于表征缺陷的位置、深度和偏移，各組掃查檢出的缺陷信息如表2所示。

表2 檢測(cè)出的腹板缺陷信息 mm

圖7 翼板垂直掃查結(jié)果

2.3 試樣翼板檢測(cè)

根據(jù)扇形掃描聲束面與焊縫的夾角關(guān)系，分別按垂直和平行方向掃查，掃查時(shí)應(yīng)保證0°角聲束位于焊縫中心線。圖7(a)為垂直掃查時(shí)的缺陷扇掃視圖，可見(jiàn)缺陷深度略大于翼板厚度，且缺陷位于焊縫中心部位，具有明顯的鈍邊未焊透特征；圖7(b)為整條焊縫的C型顯示，由圖中可明顯發(fā)現(xiàn)多處鈍邊未焊透和坡口未熔合缺陷。結(jié)合扇掃描視圖進(jìn)行分析，得到各缺陷的基本信息，如表3所示。

表3 翼板垂直掃查得到的缺陷信息 mm

圖8所示為翼板平行掃查的檢測(cè)結(jié)果，由于平行掃查時(shí)，0°角聲束依然位于焊縫中心線，故能夠檢測(cè)出部分鈍邊未焊透缺陷，但C型顯示結(jié)果并不能指示缺陷的長(zhǎng)度信息。在掃查時(shí)，結(jié)合實(shí)時(shí)扇形掃描圖示進(jìn)行判斷，未發(fā)現(xiàn)橫向缺陷。

圖8 翼板平行掃查結(jié)果

3 結(jié)果驗(yàn)證

3.1 試樣缺陷情況

對(duì)T型焊接接頭直接進(jìn)行射線檢測(cè)的缺陷檢出率很低，故為更準(zhǔn)確地顯示焊縫內(nèi)部缺陷的分布情況，筆者對(duì)T型焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)加工，將翼板寬度縮短到接近于腹板厚度，然后再進(jìn)行射線檢測(cè)。

圖9 加工后的T型焊接板

圖9為機(jī)加工后的T型焊接試板，實(shí)際上其相當(dāng)于一個(gè)單側(cè)坡口的平板焊接件。通過(guò)對(duì)焊接接頭部位的多次射線透照，對(duì)比分析底片確定了缺陷分布情況，如圖10所示。圖10中，A、E和G為鈍邊未焊透，B、C、D為腹板坡口未熔合，F(xiàn)為氣孔，共7個(gè)缺陷，各個(gè)缺陷的詳細(xì)信息見(jiàn)表4。

圖10 缺陷分布示意(射線檢測(cè))

表4 焊接接頭內(nèi)部缺陷信息 mm

3.2 相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)射線檢測(cè)確定的焊接接頭缺陷的分布情況，對(duì)比分析相控陣超聲各次掃查的缺陷檢出率，表5為各掃查條件下的缺陷檢出情況。對(duì)比結(jié)果表明，采用制定的腹板、翼板結(jié)合掃查工藝能夠檢測(cè)出各缺陷，同時(shí)也驗(yàn)證了缺陷檢出受方向性影響的推斷，故應(yīng)分別在腹板兩面和翼板上進(jìn)行檢測(cè)，避免缺陷的漏檢。

表5 相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果各掃查條件下的

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)窄翼板鈦合金T型焊接接頭進(jìn)行相控陣超聲“扇形掃描+沿線掃查”工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用腹板與翼板面結(jié)合掃查的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)焊縫的全覆蓋檢測(cè)，對(duì)未熔合、未焊透和氣孔缺陷均有良好的檢測(cè)效果。雖然相控陣超聲的聲束覆蓋角度較大，但由于缺陷的方向并不單一，為避免單面檢測(cè)時(shí)的缺陷漏檢，應(yīng)分別在腹板兩面進(jìn)行檢測(cè)，且翼板檢測(cè)時(shí)鈍邊未焊透缺陷的檢測(cè)效果要優(yōu)于腹板檢測(cè)時(shí)的，必要時(shí)也可在翼板平行掃查檢測(cè)橫向缺陷。

參考文獻(xiàn):

[1] 鄭紅霞,商振強(qiáng).T型焊縫相控陣檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè),2014,36(3):47-50.