钢对接焊缝超声波检测中探头角度的选择

Release date:2021-04-12
1.概述

超声波检测是通过探头发射超声波,经过耦合剂入射 到工件中传播,遇到缺陷是反射回来,反射回波被探头接收。

在上述过程中,探头起着非常重要的作用,即发 射和接收超声波。

因此探头性能的好坏以及检测过程中 对探头的角度选取是否得当,将直接影响到检测结果的 准确性和可靠性。

2.超声波探头的结构

在钢对接焊缝超声波检测中常用的探头是横波斜探头。

当超声波耦合剂倾斜入射到介质时,在介质表面会产生波型转换,当入射角在第一临界角与第二临界角之间时,在固体介质中就只有折射横波。

横波斜探头就是利用超声波的这一传播特性设计的。

横波斜探头通常由声陷阱、外壳吸声材料、透声楔块、压电晶片、阻尼块、电缆线、接头等构成。本文编辑来自NDT互联网联盟

透声楔块的主要作用是改变声束角和实现波形转换,其结构如图1所示。

图 1 横波斜探头结构示意图

3.常见的焊接缺陷

焊接接头常见的焊接缺陷有气孔、夹渣、裂纹、未焊 透、未融合等。

在焊接接头超声波检测中由于焊接接头余高的影响,接头中裂纹、未焊透、裂纹、未融合等危害性大的缺陷往往与检测面垂直或成一定角度,故一般采用横波斜探头法检测焊缝。

4.探头角度的选择

4.1检测面的准备

检测面包括检测区和探头的移动区。检测区的宽度应是焊缝本身,在加上焊缝两侧各相当于母材厚度的30%的一段区域,如图2所示。

探头移动的区域与探头检测方法和母材的板厚有关。本文编辑来自NDT互联网联盟

当采用一次反射法检测时,探头移动区域大于等于1.25P:P=2TK或P=2Ttanβ(1)式中:

P为跨距(mm);
T为母材板厚(mm);
K为探头的K值;
β为探头的折射角。

当采用直射法时,探头移动区应大于等于 0.75P。

4.2 角度的选择

由于焊缝余高的存在和斜探头前沿的影响,一次波只能检测到焊缝中下部。

当焊缝宽度较大,若斜探头的角度选择小,则可能无法检测到中下部。

图 2 检测区和探头移动的区域

因此斜探头的角度选择应考虑以下三个方面:

①声束应能扫面到整个检测面;
②声束应能尽量与该焊缝可能出现的危险性缺陷垂直;
③尽量使用一次波判别缺陷,减少误判同时要保证有足够的检测灵敏度。

如图3所示为用一、二次波单面检测双面焊焊缝时声束覆盖的情况。

图 3 一、二次波单面检测双面焊焊缝

由图 3 可知:


其中一次波只能检测到d1以下的部分(受上部余高的影响),二次波只能检测到d2以上的部分(受下部余高的影响)。

为保证能检测到整个检测区截面,必须满足 d1+d2≤T T,从而得到:


式中:

a 为上焊缝宽度的一半(mm);
b 为下焊缝宽度的一半(mm);
T 为焊缝母材厚度(mm);
l0 为探 头前沿长度(mm);
k 为斜探头k值。

对于单边焊缝b可以忽略不计,此时:


以上公式的利用有个前提,即要从多个检测面进行扫查,如单面双侧,双面双侧等,但只是在单面单侧进行 扫面就不能使用这个公式。

如特高压22mm板,坡口单边为65°,盖面后的焊 缝宽度是30mm,探头前沿是10mm。

如果用公式计算,K值为1.8即可。

但是选择K值1.8会造成很大的盲区, 如图4所示。

图 4 K 值为 1.8 的焊缝

此时,应该依据坡口的角度来选择探头的角度,如图5所示。

图 5 依据坡口的角度来选择探头的角度

由图 3 可知:

特高压颈法兰的坡口角度一般为65~67°,检测的主要缺陷是坡口未融合。

因此,应该选择与65~ 67°比较接近的探头角度。本文编辑来自NDT互联网联盟

K2.5角度约是68°,如图6所示,K2的角度约是63°,与65~67°都比较接近。

图 6 K2.5 的角度

如果是单面双侧检测,用K2即可,但只单面单侧检测,就应该选择K2.5的探头,因为K2.5的覆盖面更大些, 或者K3的探头也适用,只是移动区相对较大。

如果使用60°和70°这两种探头,单面单侧来说,主要是用70°的一次波,60°的二次波。

4.3 用CAD计算K值

K值的选择,可以用CAD根据板厚、坡口角度、焊缝宽度来画图计算。

如果一次波能够扫查足够的多面坡口,并且二次波区域又不过大,那么次K值就可以使用。

如果是单面单侧扫查,K值应选择大一点;

如果是单面双侧扫查,K值可选择小一点的。

特高压颈法兰CAD计算K值方法如图7所示。

图 7 特高压颈法兰 CAD 计算 K 值方法

还有一些厚度比较薄板也可以采用CAD计算其选用的K值。

以下是以9mm薄板为例列举K值的选择方法,如图8所示。

图 8 9mm 薄板 K 值的选择方法

讨论对探头角度的选择,在实际检测中应根据焊缝情况、 检测条件以及执行的标准认真选用探头角度,频率,晶片尺寸等,使超声波检测结果尽可能的做到准确可靠。

一般探头角度可根据焊缝母材的板厚来选取。

板厚较薄的采用大角度K值,以避免近场区检测,提高定位、定量精度。

板厚较厚的采用小角度K值,以便缩短声程、减小衰减、提高检测灵敏度,还可以减小探头移动区、减小打磨宽度。

特殊情况的可以通过CAD画示意图计算探头角度。

本文来源:百度学术-免费文档,节选自《工程设备与材料》2017年5月刊
本文作者:邹秋生(上海隧道工程质量检测有限公司) 黄超( 国营芜湖机械厂)
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