應用與開發

TOFD技術在復合板對接焊縫檢測中的應用

滿開遠,史京生

(西安航天華威化工生物工程有限公司,西安 710100)

摘 要:復合板過渡層處缺陷一直是衍射時差法超聲(TOFD)檢測的難點。針對這一問題,通過對TOFD 成像原理、TOFD 探頭參數的設定、探頭中心距的選擇和上下表面盲區的分析研究,并制作了大量含有人工缺陷的模擬試樣加以比對,以及對大量缺陷圖譜進行了分析。結果表明,采用雙通道兩組探頭,分別聚焦2/3 壁厚處與過渡層處,同時增加雙面掃查與偏置掃查,可有效檢出過渡層處的缺陷。

關鍵詞:衍射時差法超聲檢測;復合板;過渡層

復合鋼板是由化學成分、物理性能、力學性能相異的兩種鋼板組成,以不銹鋼、鎳基合金、銅基合金或鈦板為覆層,低碳鋼或低合金鋼為基層進行復合軋制或焊接等工藝制成的雙金屬板。復合鋼板的基層主要是滿足結構強度和剛度的要求,覆層是滿足耐蝕、耐磨等特殊性能的要求。由于基層與覆層的母材及焊接材料在成分、性能上差異較大,焊接時存在較強烈的稀釋作用,會引起焊縫及熔合區的脆化,如果焊接材料選用不當,則容易在基層與覆層間的過渡層產生氣孔、延遲裂紋等缺陷。利用衍射時差法超聲(TOFD)檢測復合板焊縫,能對缺陷實施精確的檢測、定量和定位,但過渡層處缺陷的檢出一直是TOFD檢測復合板焊縫的難點,筆者針對這一問題展開了研究。

1 TOFD成像原理

1.1 成像基礎

TOFD 技術采用一發一收兩個寬帶窄脈沖探頭進行檢測,探頭相對于焊縫中心線對稱布置。發射探頭產生的非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中,其中部分波束沿近表面傳播被接收探頭接收,部分波束經底面反射后被接收探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度,TOFD 檢測原理如圖1 所示。

圖1 TOFD 檢測缺陷原理示意圖

1.2 TOFD圖譜與工件的對應性

TOFD 技術把一系列A 掃數據組合,通過信號處理黑白條紋顯示(通常稱為D 掃描顯示)。在圖像中每個獨立的A 掃信號成為圖像中很窄的一行,通常一幅TOFD 圖像包含了數百個A掃信號。A 掃信號的波幅在圖像中以灰度明暗顯示。TOFD 圖像的一維坐標代表探頭位移,另一維坐標代表信號傳輸時間。對工件進行平行掃查與非平行掃查結果如圖2 和圖3 所示。

圖2 工件平行掃查結果

圖3 工件非平行掃查結果

2 TOFD對復合板焊縫的檢測

2.1 TOFD相關檢測參數的設定

2.1.1 探頭的選擇

TOFD 技術選擇探頭時應從探頭角度、晶片尺寸、探頭頻率3 個方面考慮。首先必須考慮有足夠的功率和信噪比來獲得信號,即選擇較大的晶片尺寸和較低的頻率。隨著工件厚度的增大,分辨率要求逐漸降低而穿透力要求逐漸提高,因此探頭的角度逐漸減小,頻率逐漸降低,晶片逐漸增大。由于復合板是由兩種材料組成,特別是覆板多為不銹鋼等晶粒粗大材料,因此頻率過高會導致噪聲過高和衰減過大,不利于檢測。探頭角度過大,探測聲程越長,聲波衰減也越大,所以對厚工件不能使用大角度探頭。晶片尺寸影響超聲脈沖能量,因此探測厚板焊縫需要使用大晶片探頭,小晶片探頭只能用于薄板焊縫或厚壁焊縫最上一層掃查。筆者通過大量試驗研究發現,厚度15 mm 以下的復合板焊縫,一般選擇探頭角度70°,頻率 7 MHz,4 mm 晶片;50 mm 左右的復合板焊縫宜選用探頭角度 60°~70°,頻率 5 MHz,6 mm 晶片;100 mm 左右焊縫檢測宜選擇探頭角度 50°,頻率5 MHz,12 mm 晶片為宜。

2.1.2 探頭中心距lPCS 的選擇

復合板焊縫檢測常采用非平行掃查,即掃查方向與聲波傳播路徑不平行。對非平行掃查,一般情況下應使用 2/3t(t 為工件厚度)法則,即探頭波束中心聚焦在2/3t 處,確定探頭間距,如圖4 所示。

圖4 探頭波束中心聚焦在2/3t 處

但就復合板焊縫而言,由于基層與覆層間的過渡層較易出現缺陷,所以筆者認為焦點應聚焦在過渡層(如圖5 所示),則lPCS 的計算公式為

式中:S——半中心距;

d——檢測面到聚焦點距離;

θ——探頭折射角。

圖5 探頭波束中心聚焦在過渡層處

2.1.3 上下表面盲區

(1)上表面盲區。掃查面附近的內部缺陷信號可能隱藏在直通波信號之下,無法識別,因此上表面盲區就是直通波信號所覆蓋的深度范圍。通常采用上表面盲區試樣來測定(如圖6 所示)。

圖6 上表面盲區高度測試試樣尺寸

以檢測(42+5)mm 厚度復合板焊縫為例,試驗上表面盲區TOFD 圖像如圖7 所示,采用5M70°探頭檢測,焦點聚焦在 2/3t 處,探頭間距lPCS1=172.18 mm,TOFD 掃查面盲區在 7 mm 左右(見圖7(a))。如果采用 2.1.2 所提到的將焦點聚焦在過渡層,則 lPCS2=230.79 mm,TOFD 掃查面盲區在 9 mm 左右(見圖7(b))。由此可見,TOFD 上表面盲區在實際檢測中是不能忽視的。同時單純的將焦點聚焦在過渡層,會增大上表面盲區的范圍,這對檢測是不利的。

圖7 上表面盲區試樣TOFD 圖像

對此,在實際檢測中應增加掃查次數,即第一次將焦點深度聚焦在2/3t 掃查,第二次將焦點深度聚焦在過渡層處掃查,同時應增加雙面掃查。

(2)下表面盲區。對 TOFD 技術檢測可靠性影響較大的下表面盲區主要是軸偏離底面盲區,即偏離兩探頭中心位置的底面區域存在的盲區。對處于軸偏移盲區的缺陷,例如X 形焊縫下坡口處或熱影響區的缺陷,因信號遲于底面到達而被底面反射波信號淹沒不能檢出(如圖8 所示)。

圖8 軸偏離底面盲區示意圖

由橢圓方程可推導出軸偏離底面盲區高度,即

式中:Δh——軸偏離底面盲區高度;

X——軸偏離值。

以壁厚(42+5)mm 復合板焊縫為例,在距離焊縫中心30 mm 處軸偏離盲區高度為2.35 mm,此處覆層有一半檢測不到,因此應增加偏置掃查。

2.2 檢測

為有效減少上下表面盲區高度,同時兼顧過渡層處檢測靈敏度,筆者提出采用雙通道兩組探頭,分別聚焦2/3t 處與過渡層處,同時增加雙面掃查與偏置掃查。

由于復合板采用的兩種材料聲阻抗有差異,因此在焊縫過渡層會產生非相關顯示(如圖9 所示)。從圖9 可看出,過渡層處圖像相位與直通波的相位相反,這符合埋藏型缺陷特征,很容易誤判為缺陷。此類非相關顯示會影響過渡層相關缺陷的判定,此為TOFD 檢測復合板對接焊縫的難點。

圖9 復合板焊縫TOFD 圖像

筆者制作了大量含有人工缺陷的模擬試樣加以比對。圖10(a)為母材的標準 TOFD 圖像,通過此圖可直觀地判斷復合板焊縫在焊接過程在中是否存在過渡層過熔問題;圖10(b)為過渡層處過熔,過熔處衍射信號明顯被抬高,已經熔進基材里;圖10(c)為過渡層處裂紋缺陷,該缺陷信號由上下兩條不規則主線構成,伴有不規則拋物線組;圖10(d)為覆層處未熔合缺陷,該缺陷信號由上下尖端衍射波組成,兩信號的相位相反。通過模擬試塊比對,缺陷信號較為明顯,能有效區分缺陷與過渡層處非相關顯示信號。

圖10 模擬試樣比對圖像

3 結束語

對復合板焊縫的無損檢測,TOFD 有獨特的技術優勢,本研究通過TOFD 探頭參數的選用、聚焦深度的論證及檢測盲區的分析,并通過模擬試塊對比,有效解決了TOFD 技術在檢測復合板焊縫中遇到的技術難點,且取得了比較滿意的結果。

參考文獻:

[1]NB/T 47013.10—2015,承壓設備無損檢測 第10 部分:衍射時差法超聲檢測[S].

[2]強天鵬.衍射時差法(TOFD)超聲檢測技術[M].北京:新華出版社,2009.

[3]張志超.焊縫超聲檢測中變型波的產生機理及其識別[J].無損檢測,2002(2):83-85.

[4]沈建中.超聲成像技術及其在無損檢測中的應用[J].無損檢測,1994,16(7):234-238.

[5]李衍.承壓設備UT 取代RT 的必要條件(續)——ASME規范案例 2235-9 研討[J].中國特種設備安全,2012(7):23-26.

Application of TOFD Technology in Cladding Steel Plate Butt Weld Inspection

MAN Kaiyuan, SHI Jingsheng
(Xi’an Huawei Chemical & Biological Engineering Co., Ltd., Xi’an 710100, China)

Abstract: Defects in transition layer of composite plate are always difficult to time of flight diffraction(TOFD) detection.In order to solve this problem, the TOFD imaging principle, the setting of TOFD probe parameters, the selection of probe center distance and the analysis of the upper and lower surface blind zone were studied.A large number of simulated samples with the artificial defects were compared, and a large number of defect maps were analyzed.The results show that the defects in the transition layer can be effectively detected by using the two groups of the dual-channel probes, which focus on 2/3t and transition layer respectively, and adding the double-sided scan and offset scan at the same time.

Key words: time of flight diffraction detection; composite plate; transition layer

中圖分類號:TG115.28

文獻標識碼:B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.005

作者簡介:滿開遠(1984—),男,工程師,主要從事無損檢測與理化試驗工作。

收稿日期:2019-01-22

編輯:李紅麗

双色球胆码预测公式