焊接接头超声波探伤探头晶片尺寸选择的探讨.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 130 焊接接头超声波探伤探头晶片尺寸选择的探讨 王宸智 四川检正建筑质量检测有限公司，四川 成都 610000 摘要：摘要：超声波探头是超声检测中最重要的组成之一，其直接关系到检测灵敏度和缺陷的检出率。在实际工作中，我们需要根据被检工件的材质、厚度、焊缝余高宽度以及热影响区宽度来对超声探头的多项技术指标进行综合选择，选择出最为合理的探头。简述钢结构焊接接头超声波探伤探头晶片尺寸的选择原则,通过对影响超声波探伤因素的分析和理论计算,提出根据在不同的检测条件或检测要求下对探头晶片尺寸的选用。关键词：关键词：焊接接头；超声波探伤；晶片尺寸；近场区；半扩散角；前沿长度 中图分类号：中图分类号：TH-39 0 引言 钢结构焊缝接头中最常见的焊接缺陷主要有气孔、夹渣、未熔合、未焊透和裂纹等，在焊接接头超声检测过程中，由于焊接接头余高的影响及接头中裂纹、未焊透、未熔合等危害性大的缺陷往往与检测面垂直或成一定角度，通常采用横波斜探头法检测。1 探头晶片尺寸的选择 斜探头 K 值可根据焊缝母材的板厚来选取，板厚较薄时采用大 K 值，以避免近场区检测，提高定位、定量精度，板厚较厚时采用小 K 值，以便缩短声程、减小衰减、提高灵敏度。一般而言，探头的选用原则从以下三个方面考虑：使声束能扫查到整个焊缝截面。使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直。保证有足够的检测灵敏度。NB/T47013.3-2015 第 6.3.6.1 条中给出不同工件厚度下斜探头的采用，详见表 1：表 1 推荐采用的斜探头折射角（K 值）和标称频率 工件厚度 t/mm 折射角（K 值）标称频率/MHz 625 6372（2.03.0）45 2540 5668（2.03.0）25 40 4563（2.03.0）22.5 JG/T203-2007 第 4.4.1 条中指出钢结构焊接接头宜选横波斜探头。在满足探测灵敏度的前提下，以使用频率 5MHz、短前沿、小晶片的斜探头为主。为保证覆盖整个焊缝截面并尽可能使用直射波法进行探伤，应根据焊缝不同区域选择不同角度的探头，在可能范围内尽量选用大角度的斜探头，斜探头规格应符合表 2的规定。表 2 推荐采用的斜探头折射角（K 值）和标称频率 频率/MHz 晶片尺寸/mm2 钢中折射角/()前沿尺寸/mm 5 66 7073 6 2.5 或 5 88 6370 10 2.5 或 5 1010 4560 20 检测母材板厚不小于 4mm 的对接或 T 型接头角接接头，则宜选用横波斜探头。对于串列式检测的斜探头前沿尺寸，当频率为 5MHz,=45时，不应大于20mm;当频率为 5MHz,=70时，不应大于 27mm;当频率为 2.5MHz,=45时，应大于 25mm。晶片尺寸的大小决定了超声波的发射功率，晶片尺寸越大，发射功率越大，晶片尺寸大，半扩散角小，声束指向性好，信噪比优于小晶片探头，未扩散区增大，相对扫查的厚度范围较大，对厚板应尽量选择晶片尺寸大一些的探头，晶片尺寸大，相对扫查宽度大，能够提高工作效率。晶片尺寸大，近场较大，对于容器筒体或接管表面为曲面时为保证耦合，探头晶片不宜过大。对于奥氏体不锈钢焊缝，为了减少晶粒散射的面积，应当选用大晶片探头。晶片尺寸大对于薄板材料来说近场大，对探伤不利，应在保证能量足够的前提下尽量选择晶片尺寸小一些的探头。方形晶片相对长方形晶片发射能量集中，在选择晶片时，应优先选择方形晶片。检测人员在检测过程中通常会通过被检工件的厚度、上下焊缝的宽度对斜探头频率、斜探头 K 值进行中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 131 选择，而忽略探头晶片尺寸的选择，其实探头晶片尺寸的大小对检测也有一定的影响。GB/T11345-2013 第 6.3.3 条中指出晶片尺寸的选择应与频率和声程有关，在给定的频率下，探头晶片尺寸越小，近场长度和宽度就越小，远场中声束扩散角就越大。通常，探头晶片面积一般不大于 500mm2，圆晶片直径不大于 25mm，晶片尺寸大小对声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响，所以选择时应综合考虑以下因素：近场区长度；横波斜探头前沿长度0；探头半扩散角0；工件表面形状和尺寸。2 影响探头尺寸选择的因素分析 2.1 近场区长度 横波斜探头的斜楔块通常为有机玻璃制作，即有机玻璃为第一介质，在检测过程中，第二介质通常为是钢。在横波声场中，第二介质中近场区 N为：=2 1 式中 Fs声源面积；s2第二介质中横波波长；L1入射点至声源的距离。计算举例：设定钢中横波声速2=3240m/s，有机玻璃斜楔中入射点至晶片距离为 7mm，当采用 2.5MHz、9mm9mm 晶片 K2 横波斜探头，我们可以根据公式s2=2可以计算出横波波 长s2=3.242.5=1.3mm 从而计算出探头在钢中的近场区长度 =2 1=990.683.141.3 7 0.58=9.43mm。保持原有设定不变，当采用 2.5MHz、8mm12mm晶片 K2 横波斜探头时，探头在钢中的近场区长度=11.93mm；当采用 2.5MHz、13mm13mm 晶片 K2 横波斜探头时，探头在钢中的近场区长度=24.09mm。上述结果表明，横波探头频率与 K 值一定时，晶片尺寸增大，进场区长度将增大，近场区长度越大，对检测越不利。在实际检测中，需要综合考虑晶片尺寸面积对近场区的影响，合理选择晶片尺寸，在保证检测灵敏度的前提下尽可能选择晶片尺寸较小的探头。2.2 横波斜探头前沿长度0 探头一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成，斜探头通常还有一个使晶片与入射面成一定角度的透声斜楔块，检测时主声束从压电晶片中心传出，我们把超声主声束由斜楔底面射出的点称为入射点，把入射点到斜探头外壳前端的距离称为探头前沿0。横波斜探头前沿长度l0在焊缝检测时直接影响探头的 K 值的选择，在检测过程中，检测人员总是希望探头前沿尽量短，当我们根据被检工件确定好探头的频率和 K 值后，晶片尺寸的大小对检测灵敏度会产生一定的影响。以 2.5MHz、9mm9mm 晶片 K2 横波斜探头为例，设定斜楔材质为有机玻璃，其纵波声速CL=2730m/s，钢中横波声速cs=3240 m/s，依据折射定律:=，可以得出=sin1()=sin1(sin63.43240 2730)=48.9 此时 9mm9mm 晶片尺寸的一半为4.5mm，则:0=4.5cos48.9=6.85mm 再加上探头设计时为消除噪声信号而人为增加 2-3mm及探头外壳厚度 1mm，该横波斜探头前沿长度在 10mm左右。同理，我们可以计算出 2.5MHz、13mm13mm 晶片K2 横波斜探头前沿长度013mm；2.5MHz、6mm6mm晶片 K2 横波斜探头前沿长度07mm。从上述结果我们不难看出，当横波探头频率与 K值一定时，晶片尺寸越小，探头前沿越小，对薄工件检测有利。2.3 半扩散角0 在横波声场，声束不再对称于声束轴线，而是声束存在上半扩散角上和下半扩散角下，当横波垂直入射时，半扩散角0对于圆形声源:0=arcsin1.22s2Ds 对于矩形声源:0=arcsins22a。下面通过举例说明不同尺寸横波斜探头在钢中的半扩散角。当采用 2.5MHz、12mm 晶片 K2 横波斜探头检测中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 132 钢制工件，设定探头斜楔有机玻璃纵波声速1=2730mm，钢中横波声速2=3240m/s，根据公式 L1=1 可以计算出有机玻璃中纵波波长s2 为 1.09mm，纵波入射角 a=48.9，进而求出上=14.6、下=10.3，该横波斜探头在钢工件中的扩散角为上+下=14.6+10.3=24.9；在同条件下，采用 2.5MHz、14mm 晶片 K2 横波斜探头检测钢制工件，该横波斜探头在钢工件中的扩散角为 18.5；采用 2.5MHz、20mm 晶片 K2 横波斜探头检测钢制工件，该横波斜探头在钢工件中的扩散角为 13.6。通过比较可以看出，当横波探头频率与 K 值一定时，晶片尺寸越大，其半扩散角越小，声束的指向性越好，能量越集中，有利于检出波束轴线附近的缺陷。当检测面积范围大、检测厚度大时，为有效发现远距离缺陷应选用晶片尺寸大的探头，当检测厚度小时，为减小盲区，提高缺陷定位、定量精度应选用晶片尺寸小的探头。2.4 被检工件表面形状和尺寸 被检工件表面形状不同的时，探头底面与检测面的吻合效果也不一样，我们常用探头底面为平面，当被检工件检测面为平面，吻合效果最好，其次是凸曲面，最差的是凹曲面，当被检工件曲率半径不同时，吻合效果也不一样，曲率半径越大，吻合效果越好。此时，我们可以采用小晶片探头来增大探头底面与被检工件检测面的吻合。T 形角焊缝检测过程中会因为侧壁干涉的结果使误差增加，导致定量不准。当检测 T 形角焊缝侧壁附近的缺陷，靠近侧壁检测回波低，远离侧壁检测回波高。为减少侧壁的影响，此时我们宜选用晶片尺寸大的探头检测。同时被检工件尺寸的大小对定量也有一定的影响。当被检工件尺寸较小时，探头前沿距离较大时，探头移动区域宽度不能满足实现检测区域全覆盖入射点移动距离的理论值 2KT，不满足探伤的要求，应在探头 K值不变的情况下尽量选择前沿距离较短的探头采用一次反射波检测，由前文可知，探头前沿越短，晶片尺寸越小，因此在保证检测灵敏度的前提下，我们可以选择晶片尺寸小的晶片。3 焊缝探伤时斜探头的选择举例 在钢结构焊接接头中，对接接头是最常见、最合理的接头形式，其常用的坡口形式为 V 形坡口和 X 形坡口。图 1 V 形坡口焊缝示意图 3.1 V 形坡口探头尺寸的确定 如图 1，设定 V 形坡口坡口角度为 60，钝边高度 2mm，焊接间隙 2mm，坡口面倾向角度 60。依据焊接规范规定，焊缝上余高两边要求分别大于坡口宽度2mm，假设被检工件为薄板，其板厚 T=8mm，我们可以确定 V 形坡口焊缝余高半宽为 6.46mm,V 形坡口热影响区为 5mm。按斜探头 K 值选择原则，为使声束中心线尽量与裂纹面积类缺陷相垂直，同时为保证足够的检测灵敏度，使用一次波来判别缺陷，选用 K3 探头来检测该工件。为满足检测要求，需一次水平距离 KT 大于或等于焊缝一侧热影响区宽度+焊接间隙的一半+焊缝余高半宽+探头前沿，则由 T=8mm，K=3 时，探头一次水平距离 KT=36mm=18mm，从而可得到入射点到焊缝热影响区边缘的距离 KT=a+b+c/2+l0 得到0=5.54mm。K3 探头对应横波折射角度=71.56，依据折射定率可的=53.1，此时晶片边长尺寸的一半为 5.5453.13mm，则该探头的晶片尺寸为 66mm。由此可得，当被检工件为 V 形坡口，厚度 T=8mm时，可选用 5MHz、66mm 晶片 K3 横波斜探头。3.2 X 形坡口探头尺寸的确定 图 2 对称 X 形坡口焊缝示意图 如图 2，设定 X 形坡口坡口角度为 70，钝边高度 2mm，焊接间隙 2mm，坡口面倾向角度 55。若 T=20mm，焊缝余高宽为 18.6mm,X 形坡口热影响区为 10mm。中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 133 当选择 5MHz、9mm9mm 晶片 K2.5 横波斜探头时，探头一次水平距离 KT=2.520mm=50mm，K2.5 探头在CSK-1A 试块上实测探头前沿0=12mm，此时入射点到焊缝热影响区边缘的距离=10+18.6+12=40.6mm，小于探头一次水平距离 50mm，满足检测要求。由此可得，当被检工件为 X 形坡口，厚度 T=16mm时，可选用 5MHz、99mm 晶片 K2.5 横波斜探头。当 X 形坡口的非对称时，即 X 形坡口上、下焊缝余高不一致时，应满足 KT 大于或等于焊缝一侧热影响区宽度+上焊缝余高宽度+下焊缝余高宽度+探头前沿长度，其余计算同对称形 X 坡口。结合前文的阐述，通过理论计算，在满足一次波检测条件下，不同板厚横波斜探头的选择规律见表 3。表 3 不同板厚横波斜探头的选择 工件厚度（mm）探头频率（MHz）晶片尺寸（mm）折射角（K 值）45 5 66 K3（71.6）68 5 88 K3（71.6）910 5 99 K3（71.6）1112 5 99 K2.5（68.2）1316 5 99 K2.5（68.2）1725 2.5 99 K2（63.4）2630 2.5 1313 K2（63.4）3146 2.5 1313 K1（45）47120 2.5 1313 K1（45）120400 2.5 1818、2020 K1（45）4 结束语（1）焊缝探伤中，探头晶片尺寸大小的选择关系着对缺陷的检出，以及对缺陷定位、定量精度等问题。（2）在检测过程中，探头晶片尺寸大小的选择应充分考虑检测面大小、被检工件厚度、声束指向性、缺陷在焊缝中的分布走向以及近场区干扰等因素影响，当多种因素有矛盾时，应该尽量避免在近场区工作，以探测缺陷为主要目的合理的进行探伤晶片尺寸大小的选择。超声波探头是超声检测中最重要的组成之一，其直接关系到检测灵敏度和缺陷的检出率。在实际工作中，我们需要根据被检工件的材质、厚度、焊缝余高宽度以及热影响区宽度来对超声探头的多项技术指标进行综合选择，选择出最为合理的探头。参考文献 1薛永祥:钢管焊缝超声波探伤探头角度及晶片尺寸的选择J.焊管,1999(1):2.2刘应和,卢盛华编著.超声波检测实用技术M.辽宁:辽宁大学出版社,2017.3屠耀元,彭应秋,刘晴岩,等.中国机械工程学会无损检测分会人员认证培训教材 超声波检测技术 M.北京:机械工业出版社,2018.