钢板焊接密集气孔的无损检测方法分析

冯云国，刘广兴

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250003）

钢板焊接密集气孔的无损检测方法分析

冯云国，刘广兴

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003）

使用X射线、普通超声A波、衍射时差法（TOFD）、相控阵4种无损检测方法分别检测同一钢板焊接接头的密集气孔，对检测结果从定性、定量、定位方面进行比较和分析。阐述4种方法在检测焊接接头密集气孔的应用中各自优缺点和互补性以及TOFD和相控阵作为新型检测技术在实践检验中的优势所在。

密集气孔；X射线；衍射时差法；相控阵

0　引言

在焊接过程中和焊接接头成型后出现的钢板缺陷中，气孔占了相当大一部分比例，其中有一部分气孔成群出现，称为密集气孔。密集气孔对焊接接头产生了诸多不利影响，大致有以下几方面：降低了焊接接头的致密性，包括气密性和水密性；减小了焊缝有效截面积；造成应力集中，显著降低焊接接头的强度和韧性，对结构动载强度也有明显影响。在一些由钢板焊接构成的设备和重要部件中，密集气孔是不允许存在或者需要重点监控的缺陷，因此对缺陷的准确定位、定量、定性是十分重要的工作。对于钢板焊接接头存在的密集气孔缺陷，RT（X射线）、UT（普通超声A波）、MT（磁粉）、PT（渗透）、ECT（涡流）等常用无损检测方法中，MT、PT、ECT只适用于检测焊接接头表面和近表面缺陷，对于钢板焊接接头内部密集气孔缺陷，使用RT、UT方法有较好检测效果。与UT、RT两种方法比较，TOFD和相控阵检测技术在实际检测中得到了越来越广泛的认可，国内外相关检测标准已经颁布。为比较不同无损检测方法检测钢板焊接接头存在密集气孔缺陷的实际效果，使用射线、超声、TOFD和相控阵4种无损检测方法对同一密集气孔缺陷分别进行检测，通过分析不同的检测方法得到的数据，得到初步检验结论，TOFD和相控阵的成像技术在检测钢板焊接接头密集气孔缺陷中表现出优势。

1　检验过程

1.1检测工件

检测工件为人工制作的含密集气孔缺陷的钢板对接接头。钢板材质为20钢，规格为400 mm× 300mm×20mm；焊缝坡口形式为X型坡口，焊缝宽度为10 mm、余高2 mm；工件表面光洁度符合标准要求。

1.2检测方法

对于钢板焊接接头密集气孔缺陷，依次用RT、UT、TOFD和相控阵4种方法检测。射线检测使用设备为XT2505D型X射线机；超声检测使用设备为CTS9001超声波探伤仪；对于另外两种检测方法，使用的设备均为以色列 SonotronNDT公司生产的ISONIC2009多功能超声相控阵成像检测系统。检测设备见表1。

表1　检测设备说明

2　检测数据及分析

2.1各种方法检测数据

RT检测使用格林III型全自动洗片机，工艺参数为：使用铅箔增感屏，像质计指数为11、灵敏度AB级、管电压185 kV、曝光时间大于3 min、焦距700 mm、透照角度0°、底片黑度及其他工艺参数符合JB/T 4730.2的相关要求。射线底片在观片灯下的效果见图1。

UT检测相关参数：灵敏度为Φ1×6-9 dB、机油耦合补偿2 dB、探头2.5P8×12K2、沿焊缝两侧做锯齿型扫查，其他工艺参数符合JB/T 4730.3的相关要求。检验过程中可观测到峰值不同、随探头移动而移动的一簇反射波，波高随气孔的大小而不同，静态图形见图2。

图1　缺陷射线底片

TOFD检测灵敏度补偿为2 dB、耦合剂同样为机油、5MΦ6探头、60°楔块、使用扫查架做非平行扫查，设置PCS（探头中心间距）由式（1）算出为46mm、扫查距离为300 mm、扫查时间为30 s。扫查图像见图3。

式中：L为探头中心间距；T为工件厚度；θ为楔块角度。

图3　缺陷TOFD扫查图像

相控阵检测使用5 MHz频率，32晶片线性阵列探头，楔块为有机玻璃，其声速为2 340 m/s、角度为36°，机油做耦合剂、表面补偿为2 dB。调节仪器为焊缝高级检测专项扫查，根据检测的焊口截面，设置参数为：下表面宽度10 mm、上表面宽度12 mm、扫查距离为300 mm、扫查时间为30 s。扫查图像见图4。

图4　缺陷相控阵扫描图像

2.2数据分析

检测工件材质为20钢，规格为400mm×300mm× 20 mm的钢板对接接头，其焊接接头内部的密集气孔缺陷，使用RT和UT方法均能有效检出。对于RT检测图1中的底片，在观片灯下可以清晰地观察到四个气孔位于焊缝中心线附近，同时缺陷的定性、定量也非常准确，分辨率也较高，但是在深度的测量上存在技术难点，通过射线底片测量孔深相对可行的一种方法是黑度测量法［1］，不过其效果和准确性还需要进一步分析和验证。UT方法也可以清晰的观察到缺陷反射波，移动探头，信号时起时伏。单个回波，

式中：d为缺陷深度，mm；t为脉冲时间，μs；c为声波声速mm/μs；L为探头中心间距，mm。

TOFD可以将密集气孔作为一个整体缺陷在深度和长度方向上以成像的方式显示出来，但TOFD在缺陷的定性上存在一定难度。相控阵扫查过程中，通过调节仪器模式的切换，可观察到俯视图、侧视图、扇形扫查图均有缺陷存在，结合各种扫描成像图，可以判断缺陷性质为密集气孔。缺陷定量方面，可以参考成像的热度图或灰度图，直接使用软件测量上也十分方便，缺陷长度可以通过俯视图测量；缺陷高度可以通过侧视图测量，具体位置可以通过扇形扫查的模拟焊缝图观测。基于成像原理不同，相比X射线检测，相控阵图像在定量和分辨率上还存在差距，对于密集气孔，分辨率是一项很重要的指标，实际检测中对于给定位置的密集气孔，改变焦距和探头参数能够很大程度上改善分辨率［4］，这在检测中以气孔位置为圆心，旋转探头，从各方向探测，反射波高大致相同。但前后、左右移动探头，单个回波显示点状缺陷的特点，即波幅平滑地由零上升到最大，接着又平滑地下降到零。对比RT方法，UT方法对气孔的定性相对困难、对检测人员的技术水平有一定要求，定量也只能采取相对能量法，不能直观地看出气孔的大小，分辨率也不及射线底片高，其优点是对单个缺陷的定位较为准确，尤其对于厚板，相比于射线检测拥有绝对优势。

TOFD和相控阵的最大优势在于能够把缺陷以一定的方式通过图像形式显示出来［2］，相比较涡流气孔三维仿真技术［3］，有着独特优势。随着计算机技术的发展，不但检验结果可以方便地存贮，而且保存的缺陷图像可以使用仪器携带的软件分析、测量。尽管成像技术还存在着一定局限性，TOFD和相控阵技术还是在很大程度上减少了人为因素造成的检测结果误差。从图3 TOFD扫查图像可观察到密集气孔缺陷完全混合到一起，单个缺陷无法分辨，这是由于存在深度分辨力：对于TOFD检测、1个信号波形通常包括2～3个周期，识别2个信号所代表的最小距离就是分辨率。例如5 MHz探头，持续2个全周期，即0.4 μs。对于5 MHz探头TOFD图像检测，深度方向的分辨率为不存在任何操作困难。综合这几种方法，相控阵检测在密集气孔检测中有着不可或缺的重要地位。以上4种无损检测方法对密集气孔测量结果比较见表2。

表2　不同检测方法特点

由上分析可以看出，所选的几种检测密集气孔的方法有各自优缺点。X射线结果准确、分辨力强，但定位存在盲点，不适合厚板焊接接头；传统超声A波定量上存在一定误差、但对于厚板焊接接头检测方便可行；TOFD检测密集气孔虽然在分辨率和定性上存在一定困难，但是将密集气孔作为一个整体缺陷，在深度定位上依旧具有一定参考价值；相控阵能直观的显示缺陷图像，测量方法简单，测量结果可靠、可信；选取合适的探头并调节正确的参数能够检测到密集气孔缺陷，是非常具有发展前景的一种检测方法。

3　结语

对于钢板焊接存在的密集气孔缺陷，根据板厚的不同，应当选取合适的无损检测检测方法，RT结合相控阵检测，能够精确的检出中、薄板焊接密集气孔缺陷。对于中厚板焊接密集气孔缺陷，TOFD和相控阵检测的成像技术是无损检测技术发展的一个重要方向。

［1］林师一.射线探伤底片中深孔缺陷的评定［J］.机电技术，2010 （3）：93-95.

［2］施克仁，杨平，陈斌.基于二维阵列的相控阵超声三维成像实现［J］.清华大学学报（自然科学版），2006，46（11）：1 805-1 808.

［3］谭书涛，陈建钧，潘红良.涡流传感器检测薄板内气孔型缺陷的三维仿真［J］.无损检测，2012，34（9）：19-22.

［4］杨平华，林莉，刘春伟，等.相控阵超声检测横向分辨力实验测试及分析［J］.仪器仪表学报，2011，32（6）：1 384-1 389.

Nondestructive Methods of Testing Steel Plate Welded Dense Porosities

FENG Yunguo，LIU Guangxing
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

Four nondestructive testing methods，namely X-rays，common ultrasonic A wave，TOFD（time of flight diffraction）and phased array were used in testing dense porosities of a steel plate welded joint.Measurement results were compared and analyzed according to quality，quantity and position.Merits，drawbacks and complementation of each method，and the superiority of TOFD and phased array as a new-type testing technology in applications of testing dense porosities of steel plate welded joint were expatiated.

dense porosities；X-rays；TOFD；phased array

TG115.28

B

1007-9904（2015）11-0060-03

2015-06-09

冯云国（1975），男，主要从事电力无损检测工作。