實操 | 如何用TOFD對非平面工件對接焊縫進(jìn)行工藝檢測
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發(fā)布日期：2020-12-07 13:37

導(dǎo)讀

本文主要介紹非平面工件對接焊縫TOFD檢測工藝的設(shè)置，針對特種設(shè)備行業(yè)比較常見的不等厚工件組焊時，厚的一側(cè)會進(jìn)行削邊處理，對TOFD檢測時探頭的放置及聲束角度都會產(chǎn)生影響。

本文通過仿真軟件模擬探頭聲場對被檢工件的覆蓋及計算，對不同形狀的非平面工件，總結(jié)了2個簡單實用的計算公式，幫助現(xiàn)場檢測人員快速方便地對這類工件的對接焊縫進(jìn)行TOFD檢測。

TOFD檢測的應(yīng)用在深化

TOFD（衍射時差法）超聲檢測技術(shù)近年來在國內(nèi)各行業(yè)發(fā)展很快，包括檢測人員的培訓(xùn)交流、檢測儀器的研究開發(fā)、檢測標(biāo)準(zhǔn)的頒布實施等，特別是在特種設(shè)備行業(yè)，許多大的壓力容器制造單位、檢驗檢測機(jī)構(gòu)都陸續(xù)開始應(yīng)用此項檢測技術(shù)。

隨著TOFD檢測技術(shù)應(yīng)用的越來越廣泛，一些TOFD檢測技術(shù)的難點也突出出來，有些是屬于技術(shù)的局限性帶來的難點，如檢測面的盲區(qū)、橫向裂紋的檢測等，也有一些是屬于檢測人員數(shù)據(jù)分析的經(jīng)驗不足帶來的，如缺陷的定性、定量、定位等，還有一些是由于工件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜給TOFD檢測帶來的，如非平面工件的對接焊縫、管座的對接焊縫等。

非平面工件對接焊縫坡口型式

非平面工件包括不等厚工件的對接、錐體與筒節(jié)的對接、法蘭與筒節(jié)/直管的對接以及管道或筒節(jié)的縱縫（此類一般稱之為曲面工件，本文中不予討論）等，其中比較常見的是壓力容器中的不等厚工件的對接焊縫，如封頭與筒體的焊縫，經(jīng)常焊縫兩側(cè)母材是不等厚的，厚的一側(cè)母材一般都會削邊處理，其結(jié)構(gòu)有以下兩種形式：

單面削邊(圖1)和雙面削邊(圖2)：

其它的類似結(jié)構(gòu)還有法蘭與筒節(jié)/直管(圖3)、錐體與筒節(jié)(圖4)等部位。

聲場覆蓋的仿真及計算

目前大多TOFD檢測儀器的設(shè)置和測量計算都是基于探頭是在同一水平面對稱放置的條件進(jìn)行的，在此條件下，一般將發(fā)射和接收探頭的中心線對準(zhǔn)焊縫的中心線即可完成非平行掃查，此時PCS 的設(shè)置、探頭、楔塊等按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推薦方法設(shè)置[1]就可以。

但是在圖1或圖2類似的兩側(cè)不等厚的焊縫進(jìn)行TOFD檢測時，如按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦方法以及常用的工藝設(shè)置[2] [3]，探頭在焊縫中心線兩側(cè)對稱放置時，探頭中心聲束交點則會偏離焊縫中心線位置，對檢測結(jié)果會造成探頭聲束覆蓋不足甚至漏檢的可能。

本文根據(jù)筆者多年從事TOFD現(xiàn)場檢測的經(jīng)驗，通過仿真軟件模擬探頭聲場對被檢工件的覆蓋及計算，根據(jù)實際情況總結(jié)了一些經(jīng)驗和計算公式，希望在類似工件的檢測中能幫助到更多的相關(guān)人員。

(1) 探頭聲場的仿真計算

采用超聲仿真軟件進(jìn)行超聲檢測模擬計算可以減少很多加工試塊等成本，還可以幫助相關(guān)人員更直觀地了解檢測過程及結(jié)果[4]。

CSSP diffraction simulator 是一款簡單的超聲聲場模擬軟件，可以進(jìn)行普通超聲探頭、相控陣超聲探頭的聲場模擬計算，其應(yīng)用界面如圖 5。

為了顯示更直觀和便于計算，本文設(shè)定一個焊縫工件，左側(cè)母材厚度80mm，右側(cè)母材厚度50mm，坡口角度50°，削邊坡口角度一種為30°，一種為16°。

用CSSP diffraction simulator分別模擬5Mφ6mm60°縱波楔塊和5Mφ6mm70°縱波楔塊的聲場(圖6a、圖6b)覆蓋該檢測區(qū)域，見圖7a~圖7e。

圖7a~圖7d楔塊角度全部都是60°，圖7e左側(cè)楔塊角度為70°。

圖6a~6b及圖7a~7e中黃色虛線是理論計算所得-12dB下擴(kuò)散角值（擴(kuò)散因子取0.8，楔塊聲速 2.4mm/us），與軟件仿真結(jié)果相比，該下擴(kuò)散角值略微偏大，覆蓋區(qū)域則會偏小。

6a 5Mφ6mm60°縱波楔塊聲場

表1是5Mφ6用60°和70°縱波楔塊理論計算時-12dB聲束擴(kuò)散角的范圍以及聲束所覆蓋下邊緣寬度，和仿真軟件的聲場覆蓋范圍相比略微偏小一些。

表1聲束擴(kuò)散角及聲束覆蓋下邊緣寬度

注①：負(fù)號表示在中心線對側(cè)

檢測工藝設(shè)置

(1)探頭的選擇

在圖7a~圖7d工件上，探頭的選擇一般參照 NB/T 47013.10-2010中表1的推薦性選擇和設(shè)置，對于檢測面焊縫兩側(cè)母材平面相差比較大的情況，在靈敏度滿足的情況下，應(yīng)按較薄的一側(cè)母材厚度來選擇探頭參數(shù)，在圖7e工件上，由于探頭放置于坡口斜面上，根據(jù)聲場仿真的結(jié)果，考慮到楔塊角度過小會影響聲束對上表面的覆蓋，因此其楔塊角度不宜小于60°。

圖3和圖4等存在斜面的情況其楔塊角度也應(yīng)該參照此方法進(jìn)行選擇。

(2)探頭位置的選擇

不同的工件結(jié)構(gòu)，檢測設(shè)置工藝的優(yōu)先選擇是不一樣的，在圖1中，應(yīng)優(yōu)先選擇在平面上進(jìn)行TOFD檢測，只有當(dāng)條件不具備或是工藝要求雙面檢測時，才需要在非平面的表面進(jìn)行檢測，這跟在圖2工件進(jìn)行檢測條件相同。

在平面檢測的工藝這里不再進(jìn)行討論，只討論在非平面表面檢測的一些情況。

在實際情況中，不等厚工件的兩側(cè)母材厚度相差少則2mm，多則相差一倍板厚左右（2T和T），其較厚側(cè)母材削邊的坡度各不相同，一般坡度范圍大約在15°~60°之內(nèi)，因此在TOFD檢測時對探頭的放置也無法統(tǒng)一規(guī)定，探頭既可能放置在平面上，也可能放置在削邊的坡面上，如圖 8 和圖 9。

(3)探頭中心距離(PCS)的計算

TOFD檢測非平行掃查中，通常要確保PCS的中心位置對準(zhǔn)焊縫的中心線，其目的是為了保證探頭聲束能比較均勻地覆蓋被檢測區(qū)域，在平面工件上，此時探頭中心聲束的交點位置也是落在焊縫中心線上的，但是在兩側(cè)不等厚的工件上掃查時，為了保證聲束的均勻覆蓋和便于工藝參數(shù)計算，同樣應(yīng)該使探頭聲束交點位置繼續(xù)落在焊縫中心線上，此時探頭在焊縫中心線兩側(cè)的位置不再是對稱關(guān)系，見圖 8 和圖 9。

因此，需要根據(jù)探頭聲束交點的實際位置來確定探頭位置，即PCS（2S）。

一般是先確定工件薄壁側(cè)的探頭至焊縫中心線的距離S，這與平面工件PCS的設(shè)置方法相同，直接根據(jù)工件厚度（或分區(qū)）來確定中心聲束與焊縫中心線交點的深度位置d，以此深度d來計算工件厚壁側(cè)的探頭至焊縫中心線的距離 S’。

圖8的情況一般是用在焊縫兩側(cè)母材厚度相差不大，或者厚側(cè)母材的削邊坡口角度比較大，探頭就可以放置于兩側(cè)的平面上進(jìn)行掃查。

根據(jù)前面聲場仿真及聲束覆蓋范圍的計算結(jié)果，此時探頭聲束的覆蓋相對比較均勻，其中心聲束與焊縫中心線交點的深度位置按工件薄壁側(cè)厚度來計算，這與平面工件的PCS計算一致，得到一個初步的PCS值，根據(jù)圖8所示的參數(shù)條件，得到以下計算：

△S=△t* tgα

PCS’=PCS+△S公式（1）

△S 為PCS增加量；

α為探頭在工件中的折射角；

β為工件削邊坡度；

△t 為兩側(cè)工件厚度相差值；

PCS’為實際檢測值；

PCS 為薄側(cè)工件計算值。

圖8這種情況的計算比較簡單，已知焊縫兩側(cè)的厚度差△t 和楔塊的角度α就可以得出厚壁側(cè)工件上設(shè)置探頭的偏移量△S，兩個探頭的楔塊角度α相同，按照本文前面提供的案例參數(shù)，其

PCS’=PCS+△S=PCS+30*tg60°=115+52，即其左側(cè)探頭距離中心線約為 109.5mm，右側(cè)探頭距離中心線約為57.5mm。

圖 9 的情況也比較常見，當(dāng)工件兩側(cè)厚度相差較大，且厚壁側(cè)工件削邊坡口角度較小時，或PCS設(shè)置較小時，都有可能一個探頭不得不放置于削邊坡面上。

實際檢測中除了要考慮坡口表面平整度要求以及坡口角度的不均勻因素的影響外，在TOFD檢測工藝的計算上還存在2個變量，一個是探頭到焊縫中心線的距離S’有變化，另一個是聲束在工件中的折射角度α’也產(chǎn)生了變化，根據(jù)圖7c~圖7e的仿真和表1的計算結(jié)果，三種方法都是能滿足聲場覆蓋要求的，三者主要在靈敏度和分辨率方面會存在細(xì)微的差異。

圖7c更簡單易用，檢測時PCS不需要改變就能有效進(jìn)行檢測，理論上不論坡口角度β多少，其探頭聲束都應(yīng)該能滿足對被檢區(qū)域的覆蓋要求的。

圖7d和圖7e上采用不同角度楔塊時計算相對復(fù)雜些，根據(jù)圖9所示參數(shù)，得到以下計算結(jié)果：

t’=S’*tgβ

S’=(t’+d)*tg (α-β)

或

S’=(t’+d)/tg (90-α+β)

S’= d* tg(α-β)/[1- tgβ* tg(α-β)]

或

S’=d/[tg(90-α+β)-tgβ]公式（2）

t’為削邊坡面上探頭入射點位置工件厚度的相差值；

S’為削邊坡面上探頭入射點位置至焊縫中心線的距離；

β為削邊坡口角度；

α為探頭在工件中的折射角；

d 為聲束交點的深度值。

公式(2)中，d、α和β值都是已知條件，因此可以計算出 S’值，按照本文前面提供的案例參數(shù) ：

S’=33.3*tg(70-16)/[1-tg16*tg(70-16)=75mm

即其左側(cè)探頭距離中心線約75mm，右側(cè)探頭距離中心線約為57.5mm。

圖3和圖4的情況與圖9比較類似，計算方法根據(jù)公式(2)一樣可以計算。

因此在不等厚工件進(jìn)行TOFD檢測時，根據(jù)削邊坡口的實際情況分別選擇公式(1)或公式(2)就可以計算出不同厚度工件（或分區(qū)）的實際PCS值，得到的掃查結(jié)果與非平行掃查結(jié)果一致，此時如果有需要進(jìn)一步做偏置的非平行掃查，只需要將兩個探頭同時偏移一定的距離即可，這與平面工件的偏置非平行掃查做法相同。

深度測量

TOFD檢測中探頭中心線偏離焊縫中心線時會對缺陷定位和測量產(chǎn)生誤差[5]，在不等厚工件進(jìn)行TOFD檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析測量時，由于兩個探頭不在同一水平平面上，且實際PCS中心與焊縫中心線也不再重合，目前TOFD軟件還沒有此類變量的設(shè)置，直接利用軟件測量會存在一定的測量誤差。

因此，實際測量此類數(shù)據(jù)時，一般可以采用直通波與底波兩點校準(zhǔn)的方法，固定工件聲速和楔塊的延遲時間，重新計算一個虛擬的PCS值（參考值），以此來測量缺陷深度位置，可以減小部分誤差值，如果再能考慮實際PCS中心與焊縫中心線位置的偏移量，重新人工計算缺陷深度位置，還能減小部分誤差值，測量結(jié)果會更接近實際值。

實際應(yīng)用案例

某公司制造的一臺產(chǎn)品，其中一條焊縫兩側(cè)母材分別是42mm和24mm，坡口參數(shù)滿足圖6探頭放置的條件，因此采用公式(1)很快就可以算出實際PCS應(yīng)該為：

(42-24)*tg60°+24*2*2*tg60°/3=86mm

其中左側(cè)（厚壁側(cè)）探頭到焊縫中心線的距離應(yīng)該為58mm，右側(cè)探頭到到焊縫中心線的距離應(yīng)該為28mm。

按照上述PCS設(shè)置進(jìn)行掃查結(jié)果如下圖10，缺陷的檢測效果與其它對接焊縫的檢測效果看不出差別。