山西省工业设备安装有限公司 山西太原 030008
摘要：为了提高大厚壁焊缝中垂直于工件表面缺陷的检测率，笔者对串列式超声波检测工艺进行一定的改进，并针对如何制作标定试块，选择检测参数，确定扫查区域等方面的问题进行浅要探讨，并在实际工件中进行验证，确保了检测结果的可靠性。
关键词：串列式；窄间隙；检测区域高度；波源有效直径；单侧坡口角度
随着机械行业不断向集团化、规模化发展，其产品设备不断走向大型化和厚壁化。窄间隙对接焊接接头在产品制作过程中所占比例愈来愈大，这类对接焊接接头往往会产生与工件表面垂直的坡口未熔合和裂纹类面积性缺陷，对设备的安全运行威胁很大，而反射面光滑的面积性缺陷采用常规超声波检测方法很难检测出来。这对无损检测技术带来较大的挑战。
现今，一些新兴技术，例如TOFD检测技术，相控阵检测技术等针对上述缺陷的检测有一定的帮助，但由于其设备成本高，普及率较差；JB/T4730.3-2005标准仅规定了“对于单侧坡口角度小于5°的窄间隙焊缝，如有可能应增加对检测与坡口表面平行缺陷有效的检测方法。”其它相关标准对于串列式检测虽然均有提及，但是可操作性较差，计算也较为复杂。鉴于上述原因，笔者结合公司产品特点，针对串列式超声波检测技术进行了进一步研究，增加了检测操作的可行性。现将具体工艺简述如下：
1 检测对象
工件名称：万吨水压机柱塞焊缝；工件厚度：435mm；材质：20MnMoNi；
焊接方法：窄间隙热丝PIG焊（氩气保护）；表面状况：机加工Ra≤6.3。单侧坡口角度<0.5o
2 检测设备及器材
2.1超声波仪器的工作方式必须具备一发一收工作状态（或穿透式）
2.2两个探头应置于同一直线上，以保证声轴同相位。
2.3为了保证一发一收探头间距的调节以及同步移动，应配备适宜的探头夹具来实现，如图1所示。
1.4串列式扫查通常用于窄间隙大厚壁焊缝的检测，因此推荐采用频率为2~2.5MHZ，公称折射角为45o的横波斜探头。但是，受检测对象几何条件的限制，也可以使用45o以外的斜探头，但是要注意避免波形转换的产生。
1.5对比试块：试块应采用声学性能与被检测材料相同或相近的材料制成，该材料用直探头检测时，不应有大于或等于Φ2mm当量的平底孔缺陷。依据标准
ISO 11666：2010《焊缝无损检测—焊接接头超声检测—验收级别》规定“串列式检测。以直径为6mm平底孔（所有厚度）作为基准反射体，扫查整个检测截面。”因此，串列式扫查应采用Φ6mm平底孔，试块厚度宜与待检工件相同。如果不能满足这个要求，必要时采用AVG曲线的方法进行查找；试块曲率半径应与工件相同。
3检测程序
3.1检测准备
3.1.1检测面宜为焊缝的单面双侧。一般情况下，由于窄间隙坡口角度比较小，采用单面单侧检测时也可以发现平行于坡口面的未熔合，裂纹类缺陷，因此经合同双方协商也可以采用单面单侧进行检测。
3.1.2探头对的布置及检测参数说明
3.1.2.1如图2所示，主要标示两个斜探头间距L2，声轴交叉点检测深度h，和检测区域高度Hz之间的关系图：
图2超声波束直观分析图
L1 探头1的水平距离（mm）；
L2 探头1与探头2之间的间距（mm）；
T 工件厚度（mm）
β 探头1与探头2折射角（o）
h 检测深度（mm）；
Hz 检测区域高度（mm）
3.1.2.2探头间距L2的确定
L2=2tanβ（T-h）…………………………………………….（1）
3.1.3大厚壁焊缝检测区域的划分：
3.1.3.1沿着壁厚方向划分相等的区域进行检测，为了确保检测灵敏度不降低。在检测区域高度Hz的计算上应保证检测区域边缘与声轴交叉点的灵敏度相比不得低于6dB。
3.1.3.2检测区域高度Hz的确定
3.1.3.2.1检测区域高度Hz可采用参考试块上不同深度的孔进行实测确定。
3.1.3.2.2检测区域高度Hz也可采用两探头接近最大声程结合处6dB声束直径来近似计算设，设定其上下表面均有15mm的检测盲区（见图3）
注解：（符号说明）
A：6dB声束直径（mm）； S：声程（mm）；
T：工件厚度（mm）； β：探头折射角（度）；
Deff：波源有效直径（mm） S探：探头晶片面积（mm2）
Hz：壁厚方向的检测范围（mm）； NHz：根据壁厚确定扫查次数
3.2时基线的调节：
3.2.1相同声程距离基本上都由相关回波显示，都符合V型声程路径。建议将V声程路径回波调在某一固定位置。如时基线第8格上。
3.2.2一般情况下起点以焊缝中心线为主，终点为探头1的入射点，距离为每次扫查时所确定的L1，标注为每次扫查的基准线作为标注。在基准线附近应进行锯齿形扫查。
3.3检测灵敏度
3.3.1一般检测灵敏度设定可以用以下反射体：
3.3.1.1 平行平面：形成的V型路径回波调节的底面反射波
3.3.1.2 平底孔：由垂直扫查面的平底孔，在声轴交叉处形成的回波
3.3.1.3 横孔：将横孔置于检测区域的边缘，利用声轴交叉处形成的回波
3.3.2现在我们采用平底孔试块进行灵敏度调节：检测要求在整个检测深度范围内达到Φ6mm平底孔灵敏度。
3.3.2.1检测灵敏度的调整：
3.3.2.1.1将一发一收探头置于如图4所示位置，根据孔的深度，求的两探头入射点之间的距离L2以及探头1距离平底孔的距离L1。
3.3.2.1.2轻微移动探头系统使得Φ6mm平底孔的最高回波为满屏的80%，即为串列式检测系统灵敏度。
3.3.3如果试块厚度T与工件厚度不同，此时可利用探头自带AVG曲线根据二者之间的声程差，查表得出工件所需检测灵敏度。
3.4缺陷位置的确定
3.4.1对于不同深度的缺陷，其反射波均出现于相当于半跨距声程范围内（如图5所示）
4 结语
通过上述工艺分析，我们可以根据其所选取探头的有效检测范围，将工件沿着壁厚方向划分为不同的区域分别进行扫查，增加了串列式扫查的可操作性，提高了垂直于工件表面的危险性缺陷的检测率，保障产品质量。当然，焊缝上下表面串列式扫查盲区以及一些体积型缺陷例如气孔，夹杂，未焊透等缺陷将仍然以单探头检测为主。
5 讨论
由于ISO 11666：2010《焊缝无损检测—焊接接头超声检测—验收级别》标准没有规定串列式扫查检测结果的检测评定依据，仅仅提及“其检测结果由供需双方协商解决”。笔者结合大厚壁焊缝的实际检验及国内检测人员所面临的具体情况，针对大厚壁焊缝串列式扫查检测方法及结果提出以下建议：
5.1波幅低于20%时（缺陷当量约小于Ф3mm），可以不计。
5.2波幅位于20%～40%时（缺陷当量约为Ф3mm~Ф4mm），应进行相应记录。
5.3波幅位于40%～80%时（缺陷当量约为Ф4mm~Ф6mm），应进行相应记录。如果工件与对比试块曲率，厚度不同，应制作同曲率同厚度试块进一步验证其检测结果。
5.4检测结果波幅高于80%（缺陷当量大于Ф6mm），应详细记录缺陷深度、长度、坐标位置。
大厚壁焊缝检测时，应在焊接热处理后。由于超声波检测的特殊性，为了更准确判断产生缺陷的类型，为有关技术人员提供技术理论依据来评定缺陷的类型，按照检测结果，对应相应的记录，超声波检测专业人员宜再采用45O、60O或70O单斜探头进行补充检测，如果单斜探头可以清晰看到波幅变化，应按照其动态波形进行分析，此时为体积型的缺陷可能性较大。反之，为面积性的缺陷可能性较大。
参考文献：
[1] BS EN583-4：2002 Non-destructive testing Ultrasonic examination - Part 4：Examination for discontinuities perpendicular to the surface. ICS19.100
[2]GB/T11345-1989 钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级 中国标准出版社出版 1989.05.08
论文作者:谢亚斌
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/8/1
标签：串列论文; 工件论文; 缺陷论文; 灵敏度论文; 区域论文; 回波论文; 厚度论文; 《基层建设》2018年第18期论文;