鋁合金板材焊接接頭的相控陣超聲檢測(cè)

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(yùn)行的重要因素之一，因此接頭的檢測(cè)尤為重要。目前，GIS、GIL用殼體焊接接頭的檢測(cè)一般采用X射線和常規(guī)超聲波檢測(cè)，而X射線有輻射，對(duì)人體有害，常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果不直觀，主觀性較強(qiáng)。而相控陣超聲檢測(cè)以其安全、準(zhǔn)確、直觀等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于電力領(lǐng)域。近幾年，國(guó)內(nèi)科研人員進(jìn)行了很多相控陣方面的相關(guān)研究，例如在對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，對(duì)于10mm深的缺陷，相控陣檢測(cè)的信噪比要遠(yuǎn)高于常規(guī)超聲檢測(cè)；還有研究也表明相控陣的定位、定量準(zhǔn)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(cè)方法存在不足，所以基于相控陣檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，為了探索相控陣檢測(cè)能否代替現(xiàn)有的檢測(cè)手段，平高電氣股份有限公司/平高集團(tuán)焊接技術(shù)及壓力容器實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)人員以母材厚度為10mm和16mm的鋁合金焊接接頭為對(duì)象，采用自聚焦探頭和常規(guī)探頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)精度、缺陷檢測(cè)率進(jìn)行了綜合分析，評(píng)價(jià)了相控陣檢測(cè)的可行性。01試驗(yàn)方案選擇高壓開關(guān)常用鋁合金（5052板材）進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)分兩組，第一組焊接試件采用10mm×125mm×800mm的5052鋁合金板材進(jìn)行對(duì)接焊，第二組焊接試件采用16mm×125mm×800mm的5052鋁合金板材進(jìn)行對(duì)接焊，焊接方法采用MIG(熔化極惰性氣體保護(hù)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(duì)生產(chǎn)實(shí)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(gè)缺陷，具體如下（尺寸單位為mm）：第一組1號(hào)缺陷：Φ2×6氣孔2號(hào)缺陷：Φ1×2氣孔3號(hào)缺陷：Φ2×7夾渣4號(hào)缺陷：Φ1×8夾渣5號(hào)缺陷：Φ3×4未熔合6號(hào)缺陷：Φ4×7未熔合7號(hào)缺陷：Φ3×3未焊透8號(hào)缺陷：Φ4×7未焊透第二組1號(hào)缺陷：Φ2×8氣孔2號(hào)缺陷：Φ1×14氣孔3號(hào)缺陷：Φ2×6夾渣4號(hào)缺陷：Φ1.5×11夾渣5號(hào)缺陷：Φ3×6未熔合6號(hào)缺陷：Φ4×10未熔合7號(hào)缺陷：Φ3×7未焊透8號(hào)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(dòng)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(hào)的探頭進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)用底面1次反射法(2次波），使聲束能全面覆蓋整個(gè)焊縫截面，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。02相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)選擇及設(shè)置2.1探頭選擇GB/T32563-2016《無損檢測(cè)超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》對(duì)探頭的選擇要求如下：可以看出隨著檢測(cè)厚度的增加，探頭頻率逐漸降低，孔徑逐漸增大。從提高檢測(cè)精度方面考慮，結(jié)合上述對(duì)探頭頻率等參數(shù)的選擇，試驗(yàn)擬采用自聚焦探頭和常規(guī)探頭檢測(cè)。自聚焦探頭型號(hào)為D10(7.5S16-0.5×10-D10)，常規(guī)探頭型號(hào)為D2(5L32-0.5-10)。2.2楔塊選擇根據(jù)探頭型號(hào)，匹配合適的楔塊型號(hào)。自聚焦探頭型號(hào)為D10(7.5S16-0.5×10-D10)，匹配楔塊型號(hào)為SD10(SD10-N60S-IH)，常規(guī)探頭型號(hào)為D2(5L32-0.5×10-10)，匹配楔塊型號(hào)為SD2(SD2-N55S)。2.3檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置試驗(yàn)采用PHASCAN便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀檢測(cè)，建立4套配置文件，基本參數(shù)如下：03檢測(cè)結(jié)果及分析在試件上沿焊縫軸線標(biāo)記步進(jìn)偏置絕對(duì)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(jìn)，耦合良好，對(duì)兩組試件進(jìn)行檢測(cè)，得到某個(gè)缺陷的A-S掃視圖，使用-6dB法對(duì)該缺陷進(jìn)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(cè)圖像圖310mm厚試件的缺陷常規(guī)探頭檢測(cè)圖像10mm厚試件的檢測(cè)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(duì)缺陷深度和長(zhǎng)度的檢測(cè)數(shù)值與真實(shí)值的相對(duì)誤差進(jìn)行比較，得到的誤差曲線如下：圖410mm厚試件的缺陷深度與長(zhǎng)度相對(duì)誤差曲線可以看出自聚焦探頭的檢測(cè)精度高于常規(guī)探頭的。波束直徑影響檢測(cè)靈敏度和精度，超聲相控陣探頭波束直徑計(jì)算公式如下：DB-6dB=0.2568DF/N

(1)式中：D為探頭直徑（主動(dòng)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(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，mm。近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算公式如下：N=K矩形D2f/(4c)

(2)式中：K矩形為近場(chǎng)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(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為54mm，常規(guī)探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)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(gè)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(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)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(cè)，綜上分析，自聚焦探頭檢測(cè)精度高于常規(guī)探頭的。對(duì)常規(guī)探頭未檢出的缺陷進(jìn)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(cè)出微小的缺陷，而常規(guī)探頭波束直徑大，是2、4號(hào)缺陷漏檢的原因之一。另外，理論認(rèn)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(shí)間短，脈沖持續(xù)時(shí)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(cè)圖像圖616mm厚試件的缺陷常規(guī)探頭檢測(cè)圖像

16mm厚試件的檢測(cè)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(duì)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(duì)缺陷深度和長(zhǎng)度的檢測(cè)數(shù)值與真實(shí)值的相對(duì)誤差進(jìn)行比較，得到的誤差曲線如下：圖716mm厚試件的缺陷長(zhǎng)度和深度相對(duì)誤差曲線可以看出常規(guī)探頭的檢測(cè)精度稍高于自聚焦探頭的。這是因?yàn)槎尾z測(cè)16mm左右厚度的焊縫時(shí)，可達(dá)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?yàn)?2.7mm，常規(guī)探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為24.4mm，聚焦區(qū)域內(nèi)聲束能量集中，檢測(cè)靈敏度高，且超出聚焦區(qū)域，聲波發(fā)散，檢測(cè)靈敏度低。這是常規(guī)探頭檢測(cè)靈敏度高于自聚焦探頭檢測(cè)靈敏度的原因。對(duì)自聚焦探頭未檢出的2號(hào)缺陷進(jìn)行分析：通過對(duì)該缺陷的定量測(cè)量發(fā)現(xiàn)其位于自聚焦探頭的聚焦區(qū)域外，檢測(cè)靈敏度低，因此自聚焦探頭未檢測(cè)出該缺陷。結(jié)語(yǔ)(1)對(duì)母材厚度為10mm左右的鋁合金對(duì)接接頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，自聚焦探頭（7.5S16-0.5×10-D10）能檢出全部預(yù)制缺陷，檢測(cè)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(duì)母材厚度為16mm左右的鋁合金對(duì)接接頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，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