鋼焊縫相控陣超聲波探傷新技術(shù)

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1、2002年第3期　　　　　　　　　　　　　無損探傷　(雙月刊)1綜鋼焊縫相控陣超聲波探傷新技術(shù)述李　衍(無錫華光鍋爐股份有限公司　無錫214028)摘　要　介紹國(guó)外采用超聲波相控陣技術(shù)檢測(cè)鋼焊縫的最新進(jìn)展。此法采用電子掃描加機(jī)械掃查,能大大提高檢則效率;結(jié)合相控陣TOFD法,可使面狀缺陷的檢出與定量更為精確、有效。在探傷結(jié)果的自動(dòng)記錄圖上,除A型顯示外,還有B型、C型和D型顯示,提供了缺陷的三向視圖。此技術(shù)在國(guó)內(nèi)已用于西氣東運(yùn)長(zhǎng)輸管道焊縫的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),并可望在近期用于鍋爐壓力容器焊縫的制造驗(yàn)收檢測(cè)和在役定期檢測(cè)。關(guān)鍵詞　超聲波探傷　鋼焊縫　相控陣　TOFD法引言

2、當(dāng)電子線路的排列是使各個(gè)或一組壓電元件按一定程序產(chǎn)生脈沖時(shí),此陣列就稱為已程序化。按直自20世紀(jì)90年代中期起,超聲波相控陣技術(shù)線程序化的陣列即線陣在某一時(shí)刻由其中一個(gè)元件就開始在歐、美、日用于壓力容器和壓力管道熔化焊發(fā)射脈沖,而其他元件接收脈沖,依次輪換;當(dāng)然,也縫的質(zhì)量檢測(cè),也用于一些重要機(jī)電設(shè)備如汽輪機(jī)可使各個(gè)元件分別采用脈沖回波方式。葉片(根部)和渦輪圓盤等內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。相控陣超聲波探傷法有四大特點(diǎn):(1)可用計(jì)算機(jī)軟件控制聲束角度、聚焦距離和焦點(diǎn)尺寸;(2)可用單個(gè)小型的電控多元探頭在同一位置作多角度檢測(cè);(3)可對(duì)復(fù)雜的幾何形狀進(jìn)行檢測(cè),其機(jī)動(dòng)、

3、靈活性較大;(4)配置機(jī)械夾具,可對(duì)整(a)10單元線陣　　　(b)4×4方陣　　　(c)4單元環(huán)陣圖1　典型的壓電元件陣列模式個(gè)試件作高速、全面掃查。本文側(cè)重于介紹相控陣法在壓力容器和壓力管陣列內(nèi)的壓電元件(簡(jiǎn)稱組元)通常很小,呈平道焊縫檢測(cè)方面的應(yīng)用及其成效。此法是當(dāng)今無損面狀。若幾個(gè)組元同時(shí)觸發(fā)(如用“漆刷”探頭),則產(chǎn)檢測(cè)挑戰(zhàn)極限的UT新技術(shù),它采用相控陣UT斜生的超聲波前是各元件產(chǎn)生的不同球面波的干涉結(jié)探法加相控陣TOFD法(即衍射波時(shí)差法),可有效果。此結(jié)果類似于尺寸與多元陣列相同的某一平面地檢出鋼焊縫中的各種面狀缺陷和體積狀缺陷。在元件所發(fā)射的波

4、前。若陣列內(nèi)每一相繼組元的觸發(fā)探傷結(jié)果的自動(dòng)記錄圖上,有被檢焊縫和缺陷的A、均延遲一定時(shí)間(短于發(fā)射信號(hào)半周期),則由干涉B、C、D四種顯示(即直角座標(biāo)、橫截面、平面、縱截產(chǎn)生的波前其聲束入射角可用電子方法來控制。圖面顯示),為缺陷定位、定量、定性、定級(jí)提供了豐富2即表示陣列各組元觸發(fā)時(shí)間延遲遞增的線陣效的信息源。應(yīng)。同樣,用電子方法改變陣列組元的觸發(fā)延遲時(shí)間,也可使聲束達(dá)到聚焦目的,見圖3。1　相控陣原理通過脈沖延遲觸發(fā)所產(chǎn)生的不同相位干涉,來1.1　陣列模式調(diào)節(jié)聲束角度或聚焦?fàn)顟B(tài)的壓電元件陣列,就稱為多個(gè)壓電元件有時(shí)可按一定模式組成一體,按相控陣。由于相控

5、陣組元的延遲時(shí)間可動(dòng)態(tài)改變,所組成形狀大致可分線陣、方陣和環(huán)陣三種(見圖1)。以使用相控陣探頭探傷主要是利用它的兩大特點(diǎn):1.2　工作原理(1)聲束角度可控;(2)可動(dòng)態(tài)聚焦。?1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2　　　　　　　　　　　　　　　　　無損探傷　(雙月刊)2002年第3期角座標(biāo)顯示——A型顯示:橫軸表示超聲波傳播時(shí)間(距離),縱軸表示波幅高度(缺陷大小)。但實(shí)際上,缺陷回波信號(hào)往往不與缺陷大小成正比。使用相控陣UT時(shí),在檢測(cè)監(jiān)控器熒光屏和圖像記錄系統(tǒng)中還有:(

6、1)根據(jù)A掃描數(shù)據(jù)由積分電路演算出的焊縫寬度方向的橫截面顯示——B型顯示;(2)焊縫長(zhǎng)度方向的縱截面顯示——D型顯示;(3)被檢焊縫在水平面上的投影顯示——C型顯示(有時(shí)又稱P型顯示)。由此所提供的缺陷在焊縫中的三向視圖圖2　相控陣探頭改變聲束入射角的原理(前視、側(cè)視、下視),為缺陷準(zhǔn)確定位、定性、定量創(chuàng)造了有利條件。(a)用充水耦合的焊縫相控陣斜探法圖3　相控陣聚焦原理2　相控陣UT利用若干分列的小壓電元件,用電子方法控制各組元的觸發(fā)時(shí)間,就能使超聲波主聲束往任意方向傳播,且聲束可在任意深度位置聚焦。顯然,用相控陣UT,因可靈活選定探傷角度,按試件厚度選定(

7、b)充水耦合時(shí)的聲束掃查方式聚焦條件(焦點(diǎn)位置焦柱長(zhǎng)度),故可針對(duì)試件材質(zhì)、圖4　焊縫超聲相控陣斜探法示例板厚選定最佳條件進(jìn)行探傷。另外,結(jié)合TOFD法圖5是B、C兩種掃描顯示的示意圖,圖6是D(衍射時(shí)差法),探傷結(jié)果有B、C、D型三向?qū)崟r(shí)顯示型掃描顯示的示意圖。前兩種聲成像方式早在20世記錄,對(duì)缺陷定位、定性、定量頗為有利,再加上必要紀(jì)70年代就已推出。的探傷機(jī)械裝置,就能實(shí)現(xiàn)探傷高速化。因此近年來相控陣UT在國(guó)外已越來越多地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)件的探傷。2.1　焊縫斜探傷用相控陣探頭對(duì)焊縫作橫波斜探傷時(shí),無需象普通單探頭那樣在焊縫兩側(cè)頻繁地來回前后移動(dòng),而焊

8、縫長(zhǎng)度方向的全體積掃查,可借助于裝有陣