全自动相控阵超声检测技术及在环焊缝检测中的应用

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1、全自动相控阵超声检测技术及在环焊缝检测中的应用发布日期：2007-04-0709:23:43   摘要：全自动相控阵超声检测系统是在断裂力学(ECA)的基础上，采用区域划分法,将焊缝分成垂直方向上的若干个区，再由电子系统控制相控阵探头对其进行分区扫查。检测结果以双门带状图的形式显示，在辅以TOFD(衍射时差法)和Ｂ扫描功能，对焊缝进行分析、判断。全自动相控阵超声仪在国外已被广泛应用于管道环焊缝的检测。     主题词：全自动超声波  区域划分法 相控阵 带状显示 TOFD     全自动超声波在国外已被大量应用于长输管线的环焊缝检测,且越来越

2、成为一种趋势。与传统手动超声检测和射线检测相比，其在检测速度、缺陷定量准确性、减少环境污染、降低作业强度等方面有着明显的优越。加拿大R/DTech公司生产的PipeWIZARD相控阵超声检测系统是专用于长输管线环焊缝的检测设备。该系统由数据采集单元、脉冲发生单元、电机驱动单元、相控阵探头、工业计算机、显示器等组成。系统在WindowsNT界面下运行PipeWIZARD操作软件，完成对焊缝的线性扫查、实时显示、结果评判。对其基本原理，笔者根据自己在实际工作中的体会和经验在此作一简单介绍。     本文使用的焊缝参数如下。坡口形式CRC；壁厚Ｔ＝

3、16.4mm；焊接方法：全自动焊接。     一、基本原理     1．区域划分法     采用全自动超声检测的关键是“区域划分法”。根据壁厚、坡口形式、填充次数将焊缝分成几个垂直的区。每个分区的高度一般为1－3mm，每个区都由一组独立的晶片进行扫查（这种分区的扫查被称为Ａ扫）。检测主声束的角度按照主要缺陷的方向来设定（在自动焊中主要是未熔合，即将波束尽量垂直于熔合线）。Ａ扫采用聚焦声束进行扫查，焦点尺寸一般为2mm或更小。它们可以有效的检测各自的区域，而且临近区域反射体上的重叠最小。每个分区以焊缝中心线为界，分为上游、下游两个通道，其检测结

4、果在带状图上以相对应的通道显示出。从根部依次为：根焊区、钝边区（LCP）、热焊1区、热焊2区、热焊3区、填充1区、填区2区、填充3区。     检测角度的配置原则（β角的配置）。根焊采用一次波法，声束垂直于根部熔合线，β角为52.5度；钝边可用一次波探伤，采用70度角，也可用串列扫查，β角为50度。热焊区采用二次波反射法，理论上应为45度角，为避免覆盖根焊可选用50度或55度。填充1和填充2采用串列扫查，选用40度β角（考虑到接收晶片最大角为70度）。填充3采用二次波反射法，β角为60度。     2．相控阵探头     相控阵列是换能器晶片

5、的组合，为确定不连续性的形状。其大小和方向提供出比单个或多个换能器系统更大的能力。有三种主要阵列类型：线性、面状和环行。在一个相控阵列中相位转换是用电子系统控制，通过超声发射器通向每个换能器。相控阵列除有效地控制超声形状和方向外，还实现和完善了复杂的动态聚焦和实时扫描。（参见《美国无损检测手册》超声卷“相控阵”）     PipeWIZARD相控阵探头采用线形阵列，容纳晶片60个。晶片成间隔状直线性分布在探头中。通常使用两个阵列探头分布于焊缝两侧。它能产生上千种不同的超声束，可配置40到70范围的扫查角度（β角），以满足分区扫查所需要的各种角

6、度。     3.标准试块     校准试块用于调整扫查灵敏度，确定缺陷位置，校验仪器校准准确性。试块根据分区扫查原理，针对自动焊易出现的主要缺陷（主要指侧壁未熔合），用标准孔或槽来代表。一般用垂直于融合线的φ2平底孔。根部可用方槽或与根部融合线吻合的三角槽来调节。        从钝边到填充3，每个区都设定一个φ2mm平底孔。有时在表面熔合线处设置方槽（长10－20mm，宽2mm，深1mm），用于检测焊趾线裂纹。根据检测需要还可设置附加反射体，用于B扫描调节。附加反射体位于焊缝中心线处，平底孔底面成水平45度。     4．门的设置    

7、 带状图中的门包括时间和波幅门。时间门用来设定扫查范围，滤掉指定区域以外的反射信号。通常由焊缝宽度和检测缺陷的需要来设置。以坡口熔合线为中心，起点在熔合线外3mm左右（检查热影响区缺陷），终点至少过焊缝中心线1mm，保证覆盖焊缝中心。（可以根据需要任意设定门的起始位置和长度）     波幅门的起点和终点与时间门相同。根部的波幅门比时间门短2-3mm,起点保持一致。门中波幅的高度设置在20％。带状图以颜色块来显示时间门，以回波包络线显示波幅。调节通道时，基准灵敏度被设置在80％，系统默认波幅在20％以下时，时间门无色块显示；回波幅度在20％－4

8、0％时，时间门显示绿色；波幅超过80％时，时间门变为红色块，需要对缺陷进行测长、评定。     5、双门带状图     完整的带状图可以同时显示整条焊缝的检测结果。