薄板對接焊縫超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用

薄板對接焊縫超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用

在薄板切割和勘探過程中，由于超聲近場區(qū)、儀器和檢測組合性能、焊接寬度、檢測前和示波屏的觀察面積小，無法將底波和缺陷波分開，也無法準(zhǔn)確檢測40mm板的焊接缺陷。本文介紹一種采用三次、四次超聲反射波,選用大K值、高頻率、合適晶片尺寸、短前沿的探頭,用聲程2∶1的掃描比例來進(jìn)行現(xiàn)場檢測的探傷方法。1探傷的檢測設(shè)備目前薄板焊縫探傷時(shí)不采用超聲檢測的主要原因有兩個(gè):?超聲波探頭的一次反射波在薄板下棱角反射時(shí),由于探頭有一定的前沿,使探頭出到棱邊,檢測存在盲區(qū),且主聲速處于近場區(qū)內(nèi);?當(dāng)二次底波在上棱角反射時(shí),焊縫自身有一定寬度,探頭移動(dòng)時(shí),掃查不到整個(gè)焊縫,且示波屏有效觀測范圍太小,反射信號(hào)雜亂,無法準(zhǔn)確精確檢測缺陷位置和大小(見圖1)。當(dāng)探頭移到三次底波的位置時(shí),有效焊縫檢測區(qū)域和聲程也增大,這樣就可以有效規(guī)避近場區(qū)、焊縫寬度、探頭前沿較長等不利因素帶來的影響,相應(yīng)的示波屏上有效觀測范圍也增大,此時(shí)用三次反射波可以進(jìn)行探傷。但存在由于底波和缺陷波相連或缺陷方向?qū)z測不利而導(dǎo)致缺陷漏檢的可能性,且焊縫檢測存在掃查不到的死角,而四次反射波掃查作為補(bǔ)充可有效克服上述問題。綜上所述,調(diào)節(jié)掃描時(shí)用大比例聲程調(diào)節(jié)法(如聲程2∶1)將一次和二次波移出示波屏,即二次波對準(zhǔn)“零”位,這樣就可以直接用三次和四次反射波進(jìn)行檢測(見圖2),從而可以較為準(zhǔn)確地檢測到焊縫缺陷。2檢測分析2.1反射波的檢測薄板焊縫一般采用單面焊雙面成形焊接工藝,檢測中較為普遍采用K3探頭,由于此時(shí)的入射角為53.3°、折射角為71.56°,采用一次、二次反射波檢測時(shí)本身檢測設(shè)備示波屏上顯示的始脈沖就較寬,加上底面反射波、端角反射波和根部未焊透等缺陷的反射波集中在示波屏很小的觀測區(qū)內(nèi),給缺陷的估判帶來很大困難,影響探傷的準(zhǔn)確性。下面以5mm的薄板檢測為例(見圖3)具體闡述利用三次、四次反射波在實(shí)踐檢測中的優(yōu)點(diǎn)。在三角形OBA中OB=T=5mm,∠AOB=β=71.56°,斜邊(即聲程)OA=OB/cosβ=5/cos71.56°=15.6mm,BA=sinβ,OA=sin71.56°×15.6=14.7mm。采用一次、二次反射波檢測時(shí),由于始脈沖和探傷頭噪聲和儀器組合性能的影響,探傷準(zhǔn)確性降低;采用三次、四次波用聲程2∶1檢測時(shí),OA達(dá)到31.2mm,這樣就可以增大示波屏的有效觀測范圍,從根本上避免了其不利影響。2.2次波與3232a.選用5P13×13K3探頭時(shí),由近場區(qū)公式N=[ab/(πλs2)](cosβ/sina)計(jì)算得出進(jìn)場區(qū)長度N=43.3mm,四次波聲程OA=15.6×4=62.4mm<3N=129mm(規(guī)程規(guī)定OA≥3N),不擴(kuò)散區(qū)長度1.64N=71mm。此時(shí)四次波在不擴(kuò)散區(qū)內(nèi),可不考慮半擴(kuò)散角對檢測的影響。三次波處于進(jìn)場區(qū)內(nèi),且四次波聲程遠(yuǎn)小于3N,對缺陷檢測不利,不宜采用。b.選用5P6×6K3探頭時(shí),由近場區(qū)公式N=[ab/(πλs2)](cosβ/sina)計(jì)算得出進(jìn)場區(qū)長度N=9.2mm,四次波聲程OA=15.6×4=62.4mm>3N=27.6mm,不擴(kuò)散區(qū)長度=1.64N=15.2mm。此時(shí)四次波聲程遠(yuǎn)大于不擴(kuò)散區(qū)長度,須考慮半擴(kuò)散角對檢測的影響。經(jīng)計(jì)算檢測聲程雖大于3N,但聲速指向性較差,且β2∝90°形成表面波,對缺陷檢測不利,不宜采用。c.選用5P9×9K3探頭時(shí),由近場區(qū)公式N=[ab/(πλs2)](cosβ/sina)計(jì)算得出進(jìn)場區(qū)長度N=20.76mm,四次波聲程OA=15.6×4=62.4mm>3N=62.3mm,不擴(kuò)散區(qū)長度=1.64N=34mm。此時(shí)三次、四次波在不擴(kuò)散區(qū)外,須考慮半擴(kuò)散角對檢測的影響。橫波聲場上下半擴(kuò)散角不對稱,由半擴(kuò)散角公式計(jì)算可知:θ上=β2?βθ下=β?β1sinβ1=a?bsinβ2=a+ba=sinβ[1?(1.22λL2/D)2]1/2b=(1.22λL2CS2D?CL1)cosaθ上=β2-βθ下=β-β1sinβ1=a-bsinβ2=a+ba=sinβ[1-(1.22λL2/D)2]1/2b=(1.22λL2CS2D?CL1)cosa計(jì)算5P9×9K3半擴(kuò)散角:λS2=CS2/f=3230/5000=0.646λL2=CL1/f=2730/5000=0.546由公式sina/sinβ=CL1/CS2算得a=53.3°由公式a=sinβ[1?(1.22λL2/D)2]1/2a=sinβ[1-(1.22λL2/D)2]1/2算得a=0.946由公式b=(1.22λL2CS2DCL1)cosab=(1.22λL2CS2DCL1)cosa算得b=0.0523sinβ1=a-bβ1=63.3°sinβ2=a+bβ2=86.6°θ上=15°θ下=8.26°(以上公式中θ上為橫波的上半擴(kuò)散角;θ下為橫波的下半擴(kuò)散角;a為入射角;λ為波長;β為折射角;C為波速;f為頻率;CL為縱波波速;Cs為橫波波速。)半擴(kuò)散角對超聲波探傷的影響(見圖4)。由公式AB=20/cos63.3°=44.5,X1=tan8.26°×44.5=6.5mm,BC=20/cos71.56°=63.2,X2=tan15°×63.2=16.9mm,得X=X1+X2=23.4mm。由以上計(jì)算和圖4可知半擴(kuò)散角在四次波時(shí),最大寬度為23.4mm,探頭移動(dòng)時(shí)示波屏上出現(xiàn)一個(gè)游動(dòng)波,游動(dòng)區(qū)域?yàn)槠吒?因?yàn)楹缚p寬度10mm<23.4mm,有兩道底面焊角反射波。超聲橫波在底面反射時(shí),一次波因?yàn)槿肷浣切∮诘诙R界角,不會(huì)產(chǎn)生表面波。而在二次、三次、四次波時(shí),入射角大于第二臨界角,這時(shí)產(chǎn)生表面波。探傷時(shí)示波屏上底波前出現(xiàn)一道波。在三次波時(shí)影響不大,四次波時(shí)影響十分明顯。這時(shí)調(diào)節(jié)一下抑制旋鈕可有效減少表面波的影響(見表1)。由對比試驗(yàn)可以看出,四次波定位偏差最大1mm。薄板探傷中過分要求精確定位是毫無意義的,實(shí)際探傷時(shí)這個(gè)數(shù)值對薄板探傷定位的影響很小。2.3底波的聲壓、比比選用三次、四次波探傷,橫波在底面發(fā)生反射,產(chǎn)生衰減。此時(shí)底面反射為大平底面反射,由公式a=(20lgBm/Bn-δ)/2(m-n),X=0.0875,B1=80%,B5=27%,衰減系數(shù)實(shí)測得(選用5P20D直探頭,儀器HS—400)PB1=(P0πD28λx)e?2a/8.68PB2=(P0πD216λx)e?2a/8.68PB3=(P0πD224λx)e?2a/8.68PB4=(P0πD232λx)e?2a/8.68ΡB1=(Ρ0πD28λx)e-2a/8.68ΡB2=(Ρ0πD216λx)e-2a/8.68ΡB3=(Ρ0πD224λx)e-2a/8.68ΡB4=(Ρ0πD232λx)e-2a/8.6820lgPB1/PB2=20lg[(P0πD216λx)/(P0πD232λx)]=6dB20lgΡB1/ΡB2=20lg[(Ρ0πD216λx)/(Ρ0πD232λx)]=6dB(以上式中:B1為第一次底波的高度;B5為第五次底波的高度;D為探頭直徑;Bm、Bn分別為第m、n次底波的高度;PB1、PB2、PB1、PB4分別為第一、二、三、四底波的聲壓;λ為波長。δ為系數(shù);X為薄板的厚度。)計(jì)算可知超聲波探傷選用三次、四次波探傷時(shí),應(yīng)充分考慮聲波的衰減,具體衰減值參見上述計(jì)算數(shù)值。實(shí)際檢測中,充分考慮衰減可以提高缺陷檢出率。2.4定位偏差由于半擴(kuò)散角的影響,用三次、四次波探傷定位時(shí)有一個(gè)定位偏差,但在實(shí)際中影響并不大(見表1)。3波場梯度調(diào)整探5mm的焊縫時(shí),選用5P9×9K3的探頭。調(diào)節(jié)掃描時(shí)將探頭置于試塊上(見圖5),將一次波和二次波分別調(diào)到31.2mm和62.4mm,然后調(diào)節(jié)脈沖移位旋鈕將波向左平移,將二次波對準(zhǔn)零位(見圖2),此時(shí)三次波和四次波分別對準(zhǔn)31.2mm和62.4mm,這時(shí)聲程為2∶1,掃描調(diào)節(jié)完畢。4開口靈活將探頭放在加工好的試塊上,根據(jù)DL/T820—2002規(guī)定做距離—波幅曲線圖,此時(shí)檢測靈敏度不低于DAC-10dB。5次波聲程b平板對接焊縫定位采用聲程2∶1掃描調(diào)節(jié)。三次波定位:Lf=ns+Cfsinβ/n,d1=Lfcosβ-2T。四次波定位:Lf2=ns+Cfsinβ/n,d12=Lfcosβ-3T。(以上式中n為比例數(shù);s為一次波聲程;T為板厚;Lf、Lf2均為水平距離。)6實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕V州歌劇院工程主梁采用鋼方通桁架結(jié)構(gòu)型式,為了獲取構(gòu)件在最不利荷載條件下的受力情況和構(gòu)件破壞時(shí)的各項(xiàng)參數(shù),須進(jìn)行整品桁架的受力破壞性實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場采用7∶1的比例制作了縮小模型。此工程對焊縫要求較高,施工難度大,縮小后的方通壁厚5mm,傳統(tǒng)檢測方法無法滿足要求。6.1采用三級(jí)和四級(jí)超聲波反射檢測本次超聲波檢測采用的檢測儀器型號(hào)為CTS—26,探頭采用5P9×9K3,前沿為13mm,表面補(bǔ)償為2dB,檢測結(jié)果見表2。6.2膠片的檢測射線檢測采用的檢測儀器型號(hào)為XQ—1505,單壁單影,300×80膠片,焦距為600mm,曝光時(shí)間為30s,檢測結(jié)果見表3。6.3缺陷長度及缺陷深度a.S17和S29剖開檢驗(yàn)與檢測結(jié)果一致。b.S35剖開檢驗(yàn),其缺陷長度短1mm。c.S102剖開檢驗(yàn),其條渣長度相同,缺陷深度為2.4mm,相差0.3mm。