關(guān) 磊，雷 海，余鵬翔，艾文波，劉 剛

(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310012)

某水電站壓力鋼管采用ADB610型高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接，壁厚有3種：25、28、30mm，一類焊縫2728m，二類焊縫453m，根據(jù)要求TOFD檢測比例為一類焊縫20%，二類焊縫10%，檢測焊縫總長約590m，為此，在實(shí)施檢測前，特針對該項(xiàng)目編制TOFD檢測專用工藝。

1 檢測工藝中的技術(shù)問題探討

1.1 檢測盲區(qū)

TOFD(TimeofFlightDiffraction，衍射時(shí)差法超聲檢測)技術(shù)廣泛應(yīng)用在對接焊縫的內(nèi)部質(zhì)量檢測。該技術(shù)有工作效率高，定量準(zhǔn)確的優(yōu)勢，但是同時(shí)也存在檢測盲區(qū)這一技術(shù)弊端。

近表面的缺陷因?yàn)?隱藏"在檢測盲區(qū)內(nèi)而不能被發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致缺陷的漏檢，而這些漏檢的近表面缺陷對焊接產(chǎn)品的危害程度非常大，因此，檢測工藝必須考慮檢測盲區(qū)問題。

研究者對TOFD技術(shù)的檢測盲區(qū)進(jìn)行了計(jì)算和分析[1]，掃查面盲區(qū)的高度與直通波聲學(xué)脈沖長度和探頭中心距有關(guān)。決定直通波聲學(xué)脈沖長度的工藝參數(shù)是探頭的頻率和脈沖周期個(gè)數(shù)，而對于同一探頭，它在調(diào)試過程中所能達(dá)到的脈沖周期個(gè)數(shù)是一定的，因此，影響直通波聲學(xué)脈沖長度的因素只有探頭頻率。因此，為了盡可能地減小檢測盲區(qū)高度，TOFD掃查中通常選用頻率較高的探頭。

如果工件厚度一定時(shí)，探頭中心距和探頭角度有關(guān)，角度越小，探頭中心距就越小，相應(yīng)的掃查面盲區(qū)高度就越小。因此，在實(shí)際檢測中，采用較小角度的探頭來減小掃查面檢測盲區(qū)的高度。

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[2]的規(guī)定，工件厚度為12～32mm，推薦的探頭頻率為10～5MHz，主聲束角度為70°～60°，晶片尺寸為2～6mm。在實(shí)際工作中，盡量選擇性能良好的探頭，通過儀器的調(diào)節(jié)，可以使直通波聲學(xué)脈沖長度達(dá)到1.0個(gè)脈沖周期，底波聲學(xué)脈沖長度達(dá)到2.0個(gè)脈沖周期，這樣大大減小了盲區(qū)的高度。因此，據(jù)此計(jì)算盲區(qū)高度，以確定所選探頭的參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1，本項(xiàng)目選擇角度相對較小的60°探頭。

表1 表面盲區(qū)高度計(jì)算結(jié)果表

1.2 聲束覆蓋

通過以上分析，所選擇的探頭角度和頻率從理論上保證了檢測盲區(qū)高度的最小化，但是，TOFD檢測還要考慮的一個(gè)重要因素是聲束的全覆蓋，如果一味強(qiáng)調(diào)檢測盲區(qū)高度的最小化而對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，不考慮聲束的全覆蓋，仍然會導(dǎo)致缺欠的漏檢。

TOFD檢測所使用的探頭晶片振蕩器發(fā)出超聲波束半擴(kuò)散角[3]定義為：

sinγ=Fλ/D=Fc/Df

(1)

式中，λ—介質(zhì)中聲波波長；D—晶片直徑；F—聲束邊界截取系數(shù)，也稱擴(kuò)散因子，與截取的幅度降低值有關(guān)，通常取下降12dB時(shí)的F值為0.8。探頭發(fā)出的超聲波聲束大概描述如圖1所示。因探頭近場區(qū)N的情況比較復(fù)雜，目前計(jì)算假定的區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)場區(qū)，則上述的公式是適合的[3]。

圖1 主聲束的擴(kuò)散

由公式(1)可知，要得到盡可能大的聲束擴(kuò)散，則需要使用相對較低額頻率、相對較小尺寸的晶片，而從減小表面盲區(qū)高度方面考慮，則需要選用頻率較高的探頭，因此，必須再次加以優(yōu)化，以選擇更合適的探頭。

TOFD檢測所使用的探頭是具有寬頻帶窄脈沖的縱波直探頭，加上不同角度的楔塊，就構(gòu)成了縱波斜探頭。為計(jì)算超聲波在被測工件中的聲束擴(kuò)散，需要執(zhí)行如下4個(gè)步驟[4]：首先，計(jì)算楔塊中入射角度θP：sinθP=cP/cLsinθL；其次，計(jì)算楔塊中聲束半擴(kuò)散角γ：sinγ=Fλ/D=Fc/Df；再次，求出楔塊中聲束擴(kuò)散的上下邊界角：γ上=θp+γ，γ下=θp-γ；最后，用Snell定律分別求出工件中聲束邊界角：

sinγL上=cL/cPsinγ上，sinγL下=cL/cPsinγ下

(2)

式中，cp—工件中的聲速(取鋼中聲速為5950m/s)；cL—楔塊中的聲速(取有機(jī)玻璃/聚苯乙烯楔塊中聲速為2400m/s)。

圖2為聲束覆蓋示意圖，在聲束上折射角為90°時(shí)，聲束上邊界才能到達(dá)上表面(由圖2可知，實(shí)際上達(dá)不到90°)，而在探頭選擇時(shí)，聲束下折射角也要求盡量小，才能實(shí)現(xiàn)聲束的全覆蓋。

圖2 超聲波聲束覆蓋示意圖

由此可知，計(jì)算的聲束上折射角盡量為90°時(shí)最佳，而聲束下折射角越小越好，但是，由Snell定律公式可以看出，聲束上折射角增大的同時(shí)，下折射角也會增大。以下就從實(shí)際應(yīng)用的角度，對聲束下折射角的最大值進(jìn)行探討界定。

由圖2可知，聲束下折射角越小，表明聲束覆蓋工件的下表面就越寬，對焊縫進(jìn)行檢測時(shí)，聲束的下覆蓋面要覆蓋整個(gè)焊縫的寬度，才能保證焊縫的根部被聲束覆蓋。本文就以底部的焊縫寬度作為聲束下折射角最大值界定的依據(jù)。

在工件焊接中，焊接工藝對工件的焊縫寬度有一定的技術(shù)要求，本項(xiàng)目中的工件厚度為30、28、25mm，對此厚度的工件進(jìn)行對接焊，一般采用雙V形坡口，如圖3所示。

圖3 工件焊接橫截面示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中對雙面對接焊坡口的規(guī)定，可以計(jì)算出工件厚度為30、28、25mm的坡口寬度L分別為19、18、15mm，這就是該種厚度的工件焊接的最小焊縫寬度，對超聲波聲束下折射角最大值的計(jì)算也是依此而得到的。

由以上分析可知，為盡可能地減小表面盲區(qū)高度，應(yīng)選擇角度較小的探頭。對本項(xiàng)目的焊接工件進(jìn)行TOFD檢測，選用常規(guī)60°探頭，由此可以計(jì)算出PCS值2S為69mm。如圖4所示，可以求出γL下均為40°，也就是說聲束下折射角不大于40°就可實(shí)現(xiàn)焊縫根部的聲束全覆蓋，據(jù)此可以計(jì)算出滿足聲束上下折射角最佳值時(shí)探頭的頻率和晶片尺寸，見表2。

圖4 聲束下折射角計(jì)算示意圖

探頭角度/(°)頻率最大值/MHz晶片尺寸/mm聲束下折射角/(°)6082389240

綜上分析，可以得出本項(xiàng)目所選用探頭的參數(shù)及相應(yīng)的檢測盲區(qū)高度，見表3，探頭應(yīng)選擇角度60°、頻率9MHz、晶片尺寸2mm。

表3 表面盲區(qū)高度計(jì)算結(jié)果表

1.3 其它補(bǔ)充檢測方法

盡管使用了最優(yōu)化的工藝參數(shù)，雖然底面盲區(qū)高度在1.0mm以下，但是掃查面盲區(qū)高度最大還是達(dá)到4.8mm，也就是說，距掃查表面4.8mm深度的區(qū)域還是無法用TOFD進(jìn)行檢測，因此，還需要討論用其它的檢測方法進(jìn)行補(bǔ)充檢測。

水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中提出采用磁粉檢測是作為TOFD檢測的補(bǔ)充檢測方法，一定程度上可以解決TOFD表面盲區(qū)內(nèi)缺陷的檢出。一般情況下，便攜式直流磁粉探傷儀，采用連續(xù)法檢測的深度為5.0～6.0mm[6]，滿足本項(xiàng)目TOFD檢測的補(bǔ)充檢測要求。

因此，本項(xiàng)目要求采用便攜式直流磁粉探傷儀連續(xù)法對焊縫的雙面進(jìn)行補(bǔ)充檢測，可保證焊縫的全面檢測。

1.4 斜置掃查方法

TOFD檢測常采用的掃查方式是非平行掃查，所謂非平行掃查是探頭連線與焊縫的長度方向垂直的一種掃查方式。檢測中發(fā)現(xiàn)，有一種缺欠與焊縫的長度方向幾乎垂直，危害性極大，叫作橫向缺欠。橫向缺欠在對應(yīng)的TOFD圖譜上有時(shí)僅僅顯示一個(gè)不超標(biāo)的點(diǎn)狀缺欠或略有長度的線狀缺欠，給判定帶來困難，容易出現(xiàn)漏檢。因此，必須改變掃查方式，采用探頭的連線方向與焊縫的長度方向成一定角度的斜置掃查方式，如圖5所示。

圖5 非平行斜置掃查方式

檢測人員對重要焊縫如“丁字頭”焊縫進(jìn)行檢測時(shí)，常規(guī)非平行掃查發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)狀缺欠或略有長度的線狀缺欠時(shí)，可附加斜向掃查方式進(jìn)行二次掃查，以排除橫向缺欠的存在。

2 檢測工藝的實(shí)施

按照上述檢測工藝實(shí)施檢測，本項(xiàng)目共計(jì)采集圖譜1960幅，經(jīng)評判發(fā)現(xiàn)有24幅圖譜出現(xiàn)缺陷，總長度為1.3m，危害性缺陷(裂紋、未熔合、未焊透)8個(gè)，其它缺陷16個(gè)，通過對出現(xiàn)缺陷的焊縫進(jìn)行返修，最終復(fù)查為合格焊縫。

通過對24幅顯示缺陷的圖譜進(jìn)行分析可知，其中5幅圖譜顯示為典型的缺陷，包括3幅圖譜顯示的近表面缺陷，2幅圖譜顯示的橫向裂紋。在對不合格焊縫進(jìn)行返修的同時(shí)，筆者進(jìn)行了解剖取證，由于現(xiàn)場工況的限制，只能取得一些典型的解剖圖譜，部分圖譜和解剖照片如圖6—8所示。

圖6為一處近表面裂紋，深度4.8mm，在板厚為28mm對接焊縫處發(fā)現(xiàn)，長度26mm，出現(xiàn)在二類焊縫的弧坑處；圖7為1處橫向缺陷，經(jīng)解剖證實(shí)為橫向裂紋，非平行掃查時(shí)的長度為4mm，后進(jìn)行非平行斜置掃查，圖譜顯示長度為13mm；圖8為兩處近表面缺陷。

3 結(jié)語

(1)本項(xiàng)目的TOFD檢測工藝中，參照標(biāo)準(zhǔn)選用頻率相對較高，角度較小的探頭可以減小檢測盲區(qū)的高度，并從焊接工藝的角度進(jìn)行探討，獲得極小的聲束下折射角以保證聲束全覆蓋，以達(dá)到探頭工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。綜上得到本項(xiàng)目所選探頭參數(shù)為角度60°、頻率9MHz、晶片尺寸2mm。

圖6 近表面裂紋圖譜與現(xiàn)場焊縫照片

圖7 橫向裂紋圖譜與現(xiàn)場焊縫照片

圖8 近表面缺陷圖譜

(2)通過理論分析探討，雖然選擇了最優(yōu)化的探頭參數(shù)配置，但計(jì)算發(fā)現(xiàn)上表面的檢測盲區(qū)高度4.4～4.8mm，下表面的檢測盲區(qū)高度1.0mm，需采用便攜式直流磁粉探傷儀連續(xù)法對焊縫的雙面進(jìn)行補(bǔ)充檢測，以保證焊縫的全面檢測。

(3)為排除危害性橫向缺欠的存在，本項(xiàng)目采用斜置掃查的方法進(jìn)行TOFD二次掃查。

(4)本項(xiàng)目采集圖譜1960幅，其中24幅圖譜出現(xiàn)缺陷，5幅圖譜顯示為典型的缺陷，包括3幅圖譜顯示的近表面缺陷，2幅圖譜顯示的橫向裂紋缺陷。