TOFD技术在复合板对接焊缝检测中的应用

GXF360 2019-11-02

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复合钢板是由化学成分、物理性能、力学性能相异的两种钢板组成，以不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板为覆层，低碳钢或低合金钢为基层进行复合轧制或焊接等工艺制成的双金属板。复合钢板的基层主要是满足结构强度和刚度的要求，覆层是满足耐蚀、耐磨等特殊性能的要求。由于基层与覆层的母材及焊接材料在成分、性能上差异较大，焊接时存在较强烈的稀释作用，会引起焊缝及熔合区的脆化，如果焊接材料选用不当，则容易在基层与覆层间的过渡层产生气孔、延迟裂纹等缺陷。利用衍射时差法超声（TOFD）检测复合板焊缝，能对缺陷实施精确的检测、定量和定位，但过渡层处缺陷的检出一直是TOFD检测复合板焊缝的难点，笔者针对这一问题展开了研究。

1 TOFD成像原理

1.1 成像基础

TOFD 技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生的非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被接收探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度，TOFD 检测原理如图1 所示。

图1 TOFD 检测缺陷原理示意图

1.2 TOFD图谱与工件的对应性

TOFD 技术把一系列A 扫数据组合，通过信号处理黑白条纹显示（通常称为D 扫描显示）。在图像中每个独立的A 扫信号成为图像中很窄的一行，通常一幅TOFD 图像包含了数百个A扫信号。A 扫信号的波幅在图像中以灰度明暗显示。TOFD 图像的一维坐标代表探头位移，另一维坐标代表信号传输时间。对工件进行平行扫查与非平行扫查结果如图2 和图3 所示。

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图2 工件平行扫查结果

图3 工件非平行扫查结果

2 TOFD对复合板焊缝的检测

2.1 TOFD相关检测参数的设定

2.1.1 探头的选择

TOFD 技术选择探头时应从探头角度、晶片尺寸、探头频率3 个方面考虑。首先必须考虑有足够的功率和信噪比来获得信号，即选择较大的晶片尺寸和较低的频率。随着工件厚度的增大，分辨率要求逐渐降低而穿透力要求逐渐提高，因此探头的角度逐渐减小，频率逐渐降低，晶片逐渐增大。由于复合板是由两种材料组成，特别是覆板多为不锈钢等晶粒粗大材料，因此频率过高会导致噪声过高和衰减过大，不利于检测。探头角度过大，探测声程越长，声波衰减也越大，所以对厚工件不能使用大角度探头。晶片尺寸影响超声脉冲能量，因此探测厚板焊缝需要使用大晶片探头，小晶片探头只能用于薄板焊缝或厚壁焊缝最上一层扫查。笔者通过大量试验研究发现，厚度15 mm 以下的复合板焊缝，一般选择探头角度70°，频率 7 MHz，4 mm 晶片；50 mm 左右的复合板焊缝宜选用探头角度 60°～70°，频率 5 MHz，6 mm 晶片；100 mm 左右焊缝检测宜选择探头角度 50°，频率5 MHz，12 mm 晶片为宜。

2.1.2 探头中心距lPCS 的选择

复合板焊缝检测常采用非平行扫查，即扫查方向与声波传播路径不平行。对非平行扫查，一般情况下应使用 2/3t（t 为工件厚度）法则，即探头波束中心聚焦在2/3t 处，确定探头间距，如图4 所示。

图4 探头波束中心聚焦在2/3t 处

但就复合板焊缝而言，由于基层与覆层间的过渡层较易出现缺陷，所以笔者认为焦点应聚焦在过渡层（如图5 所示），则lPCS 的计算公式为

③凿槽后使用钢丝刷清刷开凿部位混凝土碎屑，用水清洗干净，在新加结构混凝土浇筑前四小时内刷界面处理剂；界面处理完毕进行植筋，植筋流程如下：植筋定位—钻孔—清孔—注胶—植筋—养护-检测。

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式中：S——半中心距；

d——检测面到聚焦点距离；

预制光缆余长主要来自于双端预制光缆，对于单端预制光缆，冗余较长光缆可进行现场裁剪，无需考虑收纳空间。预制光缆可分为分散配线方式和预制舱内集中配线方式。

θ——探头折射角。

图5 探头波束中心聚焦在过渡层处

2.1.3 上下表面盲区

（1）上表面盲区。扫查面附近的内部缺陷信号可能隐藏在直通波信号之下，无法识别，因此上表面盲区就是直通波信号所覆盖的深度范围。通常采用上表面盲区试样来测定（如图6 所示）。

图6 上表面盲区高度测试试样尺寸

以检测（42+5）mm 厚度复合板焊缝为例，试验上表面盲区TOFD 图像如图7 所示，采用5M70°探头检测，焦点聚焦在 2/3t 处，探头间距lPCS1＝172.18 mm，TOFD 扫查面盲区在 7 mm 左右（见图7（a））。如果采用 2.1.2 所提到的将焦点聚焦在过渡层，则 lPCS2＝230.79 mm，TOFD 扫查面盲区在 9 mm 左右（见图7（b））。由此可见，TOFD 上表面盲区在实际检测中是不能忽视的。同时单纯的将焦点聚焦在过渡层，会增大上表面盲区的范围，这对检测是不利的。

图7 上表面盲区试样TOFD 图像

对此，在实际检测中应增加扫查次数，即第一次将焦点深度聚焦在2/3t 扫查，第二次将焦点深度聚焦在过渡层处扫查，同时应增加双面扫查。

（2）下表面盲区。对 TOFD 技术检测可靠性影响较大的下表面盲区主要是轴偏离底面盲区，即偏离两探头中心位置的底面区域存在的盲区。对处于轴偏移盲区的缺陷，例如X 形焊缝下坡口处或热影响区的缺陷，因信号迟于底面到达而被底面反射波信号淹没不能检出（如图8 所示）。

图8 轴偏离底面盲区示意图

由椭圆方程可推导出轴偏离底面盲区高度，即

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式中：Δh——轴偏离底面盲区高度；

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X——轴偏离值。

以壁厚（42+5）mm 复合板焊缝为例，在距离焊缝中心30 mm 处轴偏离盲区高度为2.35 mm，此处覆层有一半检测不到，因此应增加偏置扫查。

2.2 检测

为有效减少上下表面盲区高度，同时兼顾过渡层处检测灵敏度，笔者提出采用双通道两组探头，分别聚焦2/3t 处与过渡层处，同时增加双面扫查与偏置扫查。

由于复合板采用的两种材料声阻抗有差异，因此在焊缝过渡层会产生非相关显示（如图9 所示）。从图9 可看出，过渡层处图像相位与直通波的相位相反，这符合埋藏型缺陷特征，很容易误判为缺陷。此类非相关显示会影响过渡层相关缺陷的判定，此为TOFD 检测复合板对接焊缝的难点。

图9 复合板焊缝TOFD 图像

笔者制作了大量含有人工缺陷的模拟试样加以比对。图10（a）为母材的标准 TOFD 图像，通过此图可直观地判断复合板焊缝在焊接过程在中是否存在过渡层过熔问题；图10（b）为过渡层处过熔，过熔处衍射信号明显被抬高，已经熔进基材里；图10（c）为过渡层处裂纹缺陷，该缺陷信号由上下两条不规则主线构成，伴有不规则抛物线组；图10（d）为覆层处未熔合缺陷，该缺陷信号由上下尖端衍射波组成，两信号的相位相反。通过模拟试块比对，缺陷信号较为明显，能有效区分缺陷与过渡层处非相关显示信号。

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图10 模拟试样比对图像