鋁合金板材焊接接頭的相控陣超聲檢測

鋁合金材料被廣泛應(yīng)用在GIS(氣體絕緣金屬封閉開關(guān))、GIL(氣體絕緣輸電線路)等電氣設(shè)備的外殼中，焊接類外殼的焊接接頭質(zhì)量是保證設(shè)備安全運行的重要因素之一，因此接頭的檢測尤為重要。目前，GIS、GIL用殼體焊接接頭的檢測一般采用X射線和常規(guī)超聲波檢測，而X射線有輻射，對人體有害，常規(guī)超聲檢測結(jié)果不直觀，主觀性較強。而相控陣超聲檢測以其安全、準確、直觀等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用于電力領(lǐng)域。近幾年，國內(nèi)科研人員進行了很多相控陣方面的相關(guān)研究，例如在對奧氏體不銹鋼焊縫進行相控陣檢測時，對于10mm深的缺陷，相控陣檢測的信噪比要遠高于常規(guī)超聲檢測；還有研究也表明相控陣的定位、定量準確性以及靈敏度均較高。GIS、GIL等設(shè)備用鋁合金外殼的厚度主要有10mm和16mm，由于目前焊接外殼的無損檢測方法存在不足，所以基于相控陣檢測的優(yōu)點，為了探索相控陣檢測能否代替現(xiàn)有的檢測手段，平高電氣股份有限公司/平高集團焊接技術(shù)及壓力容器實驗室的檢測人員以母材厚度為10mm和16mm的鋁合金焊接接頭為對象，采用自聚焦探頭和常規(guī)探頭進行相控陣檢測，對檢測靈敏度、檢測精度、缺陷檢測率進行了綜合分析，評價了相控陣檢測的可行性。01試驗方案選擇高壓開關(guān)常用鋁合金（5052板材）進行試驗，試驗分兩組，第一組焊接試件采用10mm×125mm×800mm的5052鋁合金板材進行對接焊，第二組焊接試件采用16mm×125mm×800mm的5052鋁合金板材進行對接焊，焊接方法采用MIG(熔化極惰性氣體保護焊)，采用單面焊雙面成形工藝，焊接接頭形式及坡口尺寸示意如圖1所示。圖1焊接接頭形式及坡口尺寸針對生產(chǎn)實際情況，鋁合金焊接過程中產(chǎn)生的缺陷主要是氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等，所以在兩組試件中分別預(yù)制8個缺陷，具體如下（尺寸單位為mm）：第一組1號缺陷：Φ2×6氣孔2號缺陷：Φ1×2氣孔3號缺陷：Φ2×7夾渣4號缺陷：Φ1×8夾渣5號缺陷：Φ3×4未熔合6號缺陷：Φ4×7未熔合7號缺陷：Φ3×3未焊透8號缺陷：Φ4×7未焊透第二組1號缺陷：Φ2×8氣孔2號缺陷：Φ1×14氣孔3號缺陷：Φ2×6夾渣4號缺陷：Φ1.5×11夾渣5號缺陷：Φ3×6未熔合6號缺陷：Φ4×10未熔合7號缺陷：Φ3×7未焊透8號缺陷：Φ4×9未焊透試件制作完成后，清除試件上的焊接飛濺，并使用砂紙將探頭移動區(qū)域打磨平整，表面粗糙度不大于12.5μm。采用兩種不同型號的探頭進行相控陣超聲檢測，檢測時用底面1次反射法(2次波），使聲束能全面覆蓋整個焊縫截面，對檢測結(jié)果進行對比分析。02相控陣超聲檢測參數(shù)選擇及設(shè)置2.1探頭選擇GB/T32563-2016《無損檢測超聲檢測相控陣超聲檢測方法》對探頭的選擇要求如下：可以看出隨著檢測厚度的增加，探頭頻率逐漸降低，孔徑逐漸增大。從提高檢測精度方面考慮，結(jié)合上述對探頭頻率等參數(shù)的選擇，試驗擬采用自聚焦探頭和常規(guī)探頭檢測。自聚焦探頭型號為D10(7.5S16-0.5×10-D10)，常規(guī)探頭型號為D2(5L32-0.5-10)。2.2楔塊選擇根據(jù)探頭型號，匹配合適的楔塊型號。自聚焦探頭型號為D10(7.5S16-0.5×10-D10)，匹配楔塊型號為SD10(SD10-N60S-IH)，常規(guī)探頭型號為D2(5L32-0.5×10-10)，匹配楔塊型號為SD2(SD2-N55S)。2.3檢測系統(tǒng)設(shè)置試驗采用PHASCAN便攜式相控陣超聲檢測儀檢測，建立4套配置文件，基本參數(shù)如下：03檢測結(jié)果及分析在試件上沿焊縫軸線標記步進偏置絕對值，沿設(shè)置的掃查方向開始掃查焊縫，掃查過程中保持勻速前進，耦合良好，對兩組試件進行檢測，得到某個缺陷的A-S掃視圖，使用-6dB法對該缺陷進行定性、定量分析。3.1板厚為10mm的試件圖210mm厚試件的缺陷自聚焦探頭檢測圖像圖310mm厚試件的缺陷常規(guī)探頭檢測圖像10mm厚試件的檢測結(jié)果如下：可以看出自聚焦探頭將預(yù)制的8處缺陷全部檢出。常規(guī)探頭檢出預(yù)制的6處缺陷，有兩處預(yù)制缺陷未檢出，缺陷檢出率是自聚焦探頭的75%。對缺陷深度和長度的檢測數(shù)值與真實值的相對誤差進行比較，得到的誤差曲線如下：圖410mm厚試件的缺陷深度與長度相對誤差曲線可以看出自聚焦探頭的檢測精度高于常規(guī)探頭的。波束直徑影響檢測靈敏度和精度，超聲相控陣探頭波束直徑計算公式如下：DB-6dB=0.2568DF/N

(1)式中：D為探頭直徑（主動孔徑），mm；D=n·p，n為晶片數(shù)量，p為晶片中心間距，mm；F為焦距，mm；N為近場區(qū)長度，mm。近場區(qū)長度的計算公式如下：N=K矩形D2f/(4c)

(2)式中：K矩形為近場修正系數(shù)；f為探頭頻率，MHz；c為材料橫波聲速，m/s。由式(2)得到自聚焦探頭的近場區(qū)長度為54mm，常規(guī)探頭的近場區(qū)長度為102mm；由式(1)得到自聚焦探頭的波束直徑約為2.4mm，常規(guī)探頭的波束直徑約為1.6mm，波束直徑越小，被某個特定位置的缺陷反射的能量越多，缺陷越清晰。自聚焦探頭近場區(qū)遠小于常規(guī)探頭的，且頻譜更寬，諧波聲壓的疊加更加明顯，能使聲壓-距離關(guān)系變得更為平滑，也有利于檢測，綜上分析，自聚焦探頭檢測精度高于常規(guī)探頭的。對常規(guī)探頭未檢出的缺陷進行分析：2處缺陷直徑為1mm左右，根據(jù)上述波束直徑的討論，自聚焦探頭波束直徑小，更利于檢測出微小的缺陷，而常規(guī)探頭波束直徑大，是2、4號缺陷漏檢的原因之一。另外，理論認為自聚焦探頭是窄脈沖與寬頻帶超聲波探頭，諧波的頻率范圍寬（頻帶寬），疊加而成的脈沖持續(xù)時間短，脈沖持續(xù)時間（脈沖寬度）比相同參數(shù)的普通超聲波探頭更短，脈沖寬度小，能獲得高的分辨力，也是自聚焦探頭檢出小缺陷的原因。3.2板厚為16mm的試件圖516mm厚試件的缺陷自聚焦探頭檢測圖像圖616mm厚試件的缺陷常規(guī)探頭檢測圖像

16mm厚試件的檢測結(jié)果如下：可以看出自聚焦探頭檢出預(yù)制的7處缺陷，1處缺陷未檢出。常規(guī)探頭對預(yù)制的8處缺陷全部檢出，自聚焦探頭的缺陷檢出率是常規(guī)探頭的87.5%。對缺陷深度和長度的檢測數(shù)值與真實值的相對誤差進行比較，得到的誤差曲線如下：圖716mm厚試件的缺陷長度和深度相對誤差曲線可以看出常規(guī)探頭的檢測精度稍高于自聚焦探頭的。這是因為二次波檢測16mm左右厚度的焊縫時，可達到的深度約為32mm，超過了自聚焦探頭的聚焦區(qū)域。FZ=NSF2[2/(1+0.5SF)]

(3)式中：SF為歸一化焦距。由式(3)得到自聚焦探頭的聚焦區(qū)域為12.7mm，常規(guī)探頭近場區(qū)長度為24.4mm，聚焦區(qū)域內(nèi)聲束能量集中，檢測靈敏度高，且超出聚焦區(qū)域，聲波發(fā)散，檢測靈敏度低。這是常規(guī)探頭檢測靈敏度高于自聚焦探頭檢測靈敏度的原因。對自聚焦探頭未檢出的2號缺陷進行分析：通過對該缺陷的定量測量發(fā)現(xiàn)其位于自聚焦探頭的聚焦區(qū)域外，檢測靈敏度低，因此自聚焦探頭未檢測出該缺陷。結(jié)語(1)對母材厚度為10mm左右的鋁合金對接接頭進行相控陣檢測時，自聚焦探頭（7.5S16-0.5×10-D10）能檢出全部預(yù)制缺陷，檢測小缺陷的分辨力高，缺陷檢出率明顯高于常規(guī)探頭的；缺陷的定量精度受波束直徑影響，波束直徑小，定量精度高。(2)對母材厚度為16mm左右的鋁合金對接接頭進行相控陣檢測時，常規(guī)探頭（5L32-0.5×10-10）能檢出全部預(yù)制缺陷，自聚焦探頭（7.5S16-0.5×10-D10）受聚焦區(qū)域的影響，未能檢出全部預(yù)制缺陷，檢出率和缺陷的定