鋼對接焊縫超聲波檢測中探頭角度的選擇

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發(fā)布日期：2021-04-12 16:11
1.概述

超聲波檢測是通過探頭發(fā)射超聲波，經(jīng)過耦合劑入射 到工件中傳播，遇到缺陷是反射回來，反射回波被探頭接收。

在上述過程中，探頭起著非常重要的作用，即發(fā) 射和接收超聲波。

因此探頭性能的好壞以及檢測過程中 對探頭的角度選取是否得當(dāng)，將直接影響到檢測結(jié)果的 準(zhǔn)確性和可靠性。

2.超聲波探頭的結(jié)構(gòu)

在鋼對接焊縫超聲波檢測中常用的探頭是橫波斜探頭。

當(dāng)超聲波耦合劑傾斜入射到介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)表面會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，當(dāng)入射角在第一臨界角與第二臨界角之間時(shí)，在固體介質(zhì)中就只有折射橫波。

橫波斜探頭就是利用超聲波的這一傳播特性設(shè)計(jì)的。

橫波斜探頭通常由聲陷阱、外殼吸聲材料、透聲楔塊、壓電晶片、阻尼塊、電纜線、接頭等構(gòu)成。本文編輯來自NDT互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟

透聲楔塊的主要作用是改變聲束角和實(shí)現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 橫波斜探頭結(jié)構(gòu)示意圖

3.常見的焊接缺陷

焊接接頭常見的焊接缺陷有氣孔、夾渣、裂紋、未焊 透、未融合等。

在焊接接頭超聲波檢測中由于焊接接頭余高的影響，接頭中裂紋、未焊透、裂紋、未融合等危害性大的缺陷往往與檢測面垂直或成一定角度，故一般采用橫波斜探頭法檢測焊縫。

4.探頭角度的選擇

4.1檢測面的準(zhǔn)備

檢測面包括檢測區(qū)和探頭的移動(dòng)區(qū)。檢測區(qū)的寬度應(yīng)是焊縫本身，在加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度的30%的一段區(qū)域，如圖2所示。

探頭移動(dòng)的區(qū)域與探頭檢測方法和母材的板厚有關(guān)。本文編輯來自NDT互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟

當(dāng)采用一次反射法檢測時(shí)，探頭移動(dòng)區(qū)域大于等于1.25P:P=2TK或P=2Ttanβ（1）式中：

P為跨距（mm）；
T為母材板厚（mm）；
K為探頭的K值；
β為探頭的折射角。

當(dāng)采用直射法時(shí)，探頭移動(dòng)區(qū)應(yīng)大于等于 0.75P。

4.2 角度的選擇

由于焊縫余高的存在和斜探頭前沿的影響，一次波只能檢測到焊縫中下部。

當(dāng)焊縫寬度較大，若斜探頭的角度選擇小，則可能無法檢測到中下部。

圖 2 檢測區(qū)和探頭移動(dòng)的區(qū)域

因此斜探頭的角度選擇應(yīng)考慮以下三個(gè)方面：

①聲束應(yīng)能掃面到整個(gè)檢測面；
②聲束應(yīng)能盡量與該焊縫可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)性缺陷垂直；
③盡量使用一次波判別缺陷，減少誤判同時(shí)要保證有足夠的檢測靈敏度。

如圖3所示為用一、二次波單面檢測雙面焊焊縫時(shí)聲束覆蓋的情況。

圖 3 一、二次波單面檢測雙面焊焊縫

由圖 3 可知：


其中一次波只能檢測到d1以下的部分（受上部余高的影響），二次波只能檢測到d2以上的部分（受下部余高的影響）。

為保證能檢測到整個(gè)檢測區(qū)截面，必須滿足 d1+d2≤T T，從而得到：


式中：

a 為上焊縫寬度的一半（mm）；
b 為下焊縫寬度的一半（mm）；
T 為焊縫母材厚度（mm）；
l0 為探 頭前沿長度（mm）；
k 為斜探頭k值。

對于單邊焊縫b可以忽略不計(jì)，此時(shí)：


以上公式的利用有個(gè)前提，即要從多個(gè)檢測面進(jìn)行掃查，如單面雙側(cè)，雙面雙側(cè)等，但只是在單面單側(cè)進(jìn)行 掃面就不能使用這個(gè)公式。

如特高壓22mm板，坡口單邊為65°，蓋面后的焊 縫寬度是30mm，探頭前沿是10mm。

如果用公式計(jì)算，K值為1.8即可。

但是選擇K值1.8會造成很大的盲區(qū)， 如圖4所示。

圖 4 K 值為 1.8 的焊縫

此時(shí)，應(yīng)該依據(jù)坡口的角度來選擇探頭的角度，如圖5所示。

圖 5 依據(jù)坡口的角度來選擇探頭的角度

由圖 3 可知：

特高壓頸法蘭的坡口角度一般為65～67°，檢測的主要缺陷是坡口未融合。

因此，應(yīng)該選擇與65～ 67°比較接近的探頭角度。本文編輯來自NDT互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟

K2.5角度約是68°，如圖6所示，K2的角度約是63°，與65～67°都比較接近。

圖 6 K2.5 的角度

如果是單面雙側(cè)檢測，用K2即可，但只單面單側(cè)檢測，就應(yīng)該選擇K2.5的探頭，因?yàn)镵2.5的覆蓋面更大些， 或者K3的探頭也適用，只是移動(dòng)區(qū)相對較大。

如果使用60°和70°這兩種探頭，單面單側(cè)來說，主要是用70°的一次波，60°的二次波。

4.3 用CAD計(jì)算K值

K值的選擇，可以用CAD根據(jù)板厚、坡口角度、焊縫寬度來畫圖計(jì)算。

如果一次波能夠掃查足夠的多面坡口，并且二次波區(qū)域又不過大，那么次K值就可以使用。

如果是單面單側(cè)掃查，K值應(yīng)選擇大一點(diǎn)；

如果是單面雙側(cè)掃查，K值可選擇小一點(diǎn)的。

特高壓頸法蘭CAD計(jì)算K值方法如圖7所示。

圖 7 特高壓頸法蘭 CAD 計(jì)算 K 值方法

還有一些厚度比較薄板也可以采用CAD計(jì)算其選用的K值。

以下是以9mm薄板為例列舉K值的選擇方法，如圖8所示。

圖 8 9mm 薄板 K 值的選擇方法

討論對探頭角度的選擇，在實(shí)際檢測中應(yīng)根據(jù)焊縫情況、 檢測條件以及執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真選用探頭角度，頻率，晶片尺寸等，使超聲波檢測結(jié)果盡可能的做到準(zhǔn)確可靠。

一般探頭角度可根據(jù)焊縫母材的板厚來選取。

板厚較薄的采用大角度K值，以避免近場區(qū)檢測，提高定位、定量精度。

板厚較厚的采用小角度K值，以便縮短聲程、減小衰減、提高檢測靈敏度，還可以減小探頭移動(dòng)區(qū)、減小打磨寬度。

特殊情況的可以通過CAD畫示意圖計(jì)算探頭角度。

本文來源：百度學(xué)術(shù)-免費(fèi)文檔，節(jié)選自《工程設(shè)備與材料》2017年5月刊
本文作者：鄒秋生（上海隧道工程質(zhì)量檢測有限公司） 黃超（ 國營蕪湖機(jī)械廠）
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