TL串列式超声检测法在窄间隙焊缝检测中的应用

王 森，吴凤锦，丁 杰，庄志强，姜 炜，张文杰

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.天津大无缝钢管厂，天津 300300）

由于焊接工艺的原因，直边坡口厚壁窄间隙焊缝，时常在焊缝与母材之间产生未熔合等垂直于探测面的焊接缺陷，由于这类缺陷特殊的方向性，用常规的检测方法难以检出来。

因此在GB／T 11345－89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》和JB／T 4730.3－2005《承压设备无损检测 超声检测》等标准中规定对窄间隙焊缝除了用常规斜探头检测外，还应增加针对窄间隙焊缝母材与焊缝未熔合类缺陷的辅助检测方法［1］，除通常采用的斜探头前后串列式的方法外，笔者通过使用横波与纵波的波形转换来检测此类缺陷可以比较方便地检测出窄间隙焊缝中的未熔合与裂纹等面积性缺陷。

1 TL串列式方法检测原理

TL串列式检测即横波－纵波组合检测法［2］。该检测方法是横波斜射到固体后反射到缺陷，在缺陷表面产生波型转换，变成纵波被直探头接收，最终完成对缺陷的检测，如图1所示。

图1 TL串列式超声波检测法原理

根据临界角的概念，当横波入射到固体／空气界面时，αs为横波入射角；α11为纵波反射角；αs1为横波反射角；在同一介质中Cs＜C1，所以αs＜α11，如图2所示。

当αs数值达到某一数值时就可使α11＝90°产生横波全反射现象。

图2 横波斜入射示意

当固体介质为钢／空气时，第三临界角αsk3为：

如图3所示，图中L为纵波声束；S为横波声束。从图中可以看出当超声波以33.2°入射到缺陷表面时产生的变形波纵波的反射角为90°，正好垂直入射到工件的底面，经底面反射后被直探头接收，在90°时纵波的反射声压很高，所以检测灵敏度也很高。

图3 利用横波全反射现象检测焊缝与母材间的未熔合缺陷模拟图

2 检测前准备

采用TL串列方法检测时需要2.5P，12×14，R1.5的斜探头和2.5P，φ20的直探头各一只，经计量检验合格的超声波检测仪器一台。

图4 TL串列式检测对比试块尺寸示意图

使用对比试块，采用的材料与被检工件同材质的坯料经锻压并进行正火处理后加工而成。所选用的材料经超声纵波直射技术检测时，在不大于距检测面20mm 处，不应存在大于φ2mm 平底孔反射回波幅度1／4的缺陷回波，表面粗糙度不大于6.3μm。

3 检测参数设置

探头调试时，测量探头的前沿和探头的K值，并保证探头K值在1.4～1.5之间，K值不能大于1.5。

超波仪器调整为双晶探头的工作方式，并且把声速Cs设为横波声速3 230m／s。如果用一次波扫查，设置垂直扫查范围大于工件厚度。用二次波扫查时，设置垂直扫查范围大于2倍工件厚度。

灵敏度的调整。将直探头放在距试块端面50 mm 处，直径为φ3的平底孔上方，斜探头和直探头在同一探测面上，并且斜探头和直探头连线应垂直于试块的端面，即垂直于平底孔的底面。斜探头垂直于试块端面前后运动找到φ3平底孔底面的反射回波，用不同深度的φ3平底孔绘制出DAC曲线。

缺陷的定位如图5所示，水平位置L为入射点到熔合线的距离，一次波高度为h＝L／1.5，二次波高度为h＝2T－L／1.5。

图5 缺陷定位示意图

4 检测实例

使用仪器PXUT260B，型号为2.5Pφ20的直探头，2.5P14×16，K1.5的斜探头，检测前在试块上制作DAC曲线。

工件为液压缸桶壁对接焊缝，液压缸桶直径为800mm，壁厚为200mm，坡口为直边坡口，属于窄间隙焊缝。要求在焊缝两侧450 mm 范围打磨光亮。用TL串列式方法检测时发现在熔合线位置深度100mm 处有一回波出现，用6dB法测量其缺陷的长度为15mm，再采用单斜探头的探伤方法多角度检测时，在此深度并未发现有缺陷的存在，因此判断此缺陷为未熔合缺陷，解剖后发现此缺陷确为未熔合缺陷，如图6所示。

图6 焊缝未熔合缺陷剖面宏观形貌

5 TL串列式检测法与横波前后串列式和TOFD检测法的比较

TL串列式方法与横波前后串列式的比较：

（1）TL串列式方法扫查时，纵波直探头沿焊缝指定截面在工件表面移动，斜探头沿垂直于焊缝截面方向移动，并保持直探头和斜探头在同一直线上就可以；而横波前后串列的两个探头如果以固定间距在工件表面移动时，只能扫查一定深度的检测区域，要检测其它深度，需要调整探头间距检测到，要覆盖整个深度截面，需要多次调整探头间距［3］。

（2）TL串列式方法扫查不需要确定串列基准线和参考线，只要确定检测截面即可，而横波前后串列的两个探头如果两个探头同时移动必须确定串列基准线、参考线以及探伤截面，才能进行检测，操作起来十分不便。TL串列式方法与TOFD 比较：

（1）TL串列式方法不要购买专门的设备，原有的普通设备就可以使用，而TOFD 需要购买专门的设备，成本较高。

（2）TL串列式是利用横波和纵波的转换的方式来检测焊缝中的缺陷，TOFD 是利用超声衍射技术检测焊缝中的缺陷，它们都存在近表面的缺陷难以有效检出的局限性。

6 结论

TL 串列式超声波检测法对于检测窄间隙焊缝未熔合和裂纹等面积性缺陷灵敏度高，操作方法简单。直探头只要沿着焊缝熔合线移动，并保持与斜探头的声束水平方向经过直探头且垂直于焊缝，然后让斜探头在探测面上扫查，就可以一次检测覆盖整个焊缝截面，检测速度快。TL 串列式方法探测焊缝未熔合类缺陷深度定位准确，但是存在近表面的缺陷难以有效检出的局限性。

［1］张并生，陈国瑞，步先超.窄间隙焊缝坡口角度对超声波串列扫查影响研究［J］.无损检测，1996，18（2）：33－36.

［2］胡汝舜，吴根华.串列式超声波探伤的缺陷定位［J］.无损检测，1995，17（1）：5－9，19.

［3］孙立巍，解应龙，邹晶，等.大厚度窄间隙焊缝超声波自动串列扫查［J］.焊接，1998（2）：19－22.