如何用TOFD對非平面工件對接焊縫進行工藝檢測

導讀

本文主要介紹非平面工件對接焊縫TOFD檢測工藝的設置，針對特種設備行業(yè)比較常見的不等厚工件組焊時，厚的一側(cè)會進行削邊處理，對TOFD檢測時探頭的放置及聲束角度都會產(chǎn)生影響。

本文通過仿真軟件模擬探頭聲場對被檢工件的覆蓋及計算，對不同形狀的非平面工件，總結(jié)了2個簡單實用的計算公式，幫助現(xiàn)場檢測人員快速方便地對這類工件的對接焊縫進行TOFD檢測。

TOFD檢測的應用在深化

TOFD（衍射時差法）超聲檢測技術(shù)近年來在國內(nèi)各行業(yè)發(fā)展很快，包括檢測人員的培訓交流、檢測儀器的研究開發(fā)、檢測標準的頒布實施等，特別是在特種設備行業(yè)，許多大的壓力容器制造單位、檢驗檢測機構(gòu)都陸續(xù)開始應用此項檢測技術(shù)。

隨著TOFD檢測技術(shù)應用的越來越廣泛，一些TOFD檢測技術(shù)的難點也突出出來，有些是屬于技術(shù)的局限性帶來的難點，如檢測面的盲區(qū)、橫向裂紋的檢測等，也有一些是屬于檢測人員數(shù)據(jù)分析的經(jīng)驗不足帶來的，如缺陷的定性、定量、定位等，還有一些是由于工件結(jié)構(gòu)相對復雜給TOFD檢測帶來的，如非平面工件的對接焊縫、管座的對接焊縫等。

非平面工件對接焊縫坡口型式

非平面工件包括不等厚工件的對接、錐體與筒節(jié)的對接、法蘭與筒節(jié)/直管的對接以及管道或筒節(jié)的縱縫（此類一般稱之為曲面工件，本文中不予討論）等，其中比較常見的是壓力容器中的不等厚工件的對接焊縫，如封頭與筒體的焊縫，經(jīng)常焊縫兩側(cè)母材是不等厚的，厚的一側(cè)母材一般都會削邊處理，其結(jié)構(gòu)有以下兩種形式：

單面削邊(圖1)和雙面削邊(圖2)：

其它的類似結(jié)構(gòu)還有法蘭與筒節(jié)/直管(圖3)、錐體與筒節(jié)(圖4)等部位。

聲場覆蓋的仿真及計算

目前大多TOFD檢測儀器的設置和測量計算都是基于探頭是在同一水平面對稱放置的條件進行的，在此條件下，一般將發(fā)射和接收探頭的中心線對準焊縫的中心線即可完成非平行掃查，此時PCS 的設置、探頭、楔塊等按照相關(guān)標準的推薦方法設置[1]就可以。

但是在圖1或圖2類似的兩側(cè)不等厚的焊縫進行TOFD檢測時，如按相關(guān)標準推薦方法以及常用的工藝設置[2] [3]，探頭在焊縫中心線兩側(cè)對稱放置時，探頭中心聲束交點則會偏離焊縫中心線位置，對檢測結(jié)果會造成探頭聲束覆蓋不足甚至漏檢的可能。

本文根據(jù)筆者多年從事TOFD現(xiàn)場檢測的經(jīng)驗，通過仿真軟件模擬探頭聲場對被檢工件的覆蓋及計算，根據(jù)實際情況總結(jié)了一些經(jīng)驗和計算公式，希望在類似工件的檢測中能幫助到更多的相關(guān)人員。

(1) 探頭聲場的仿真計算

采用超聲仿真軟件進行超聲檢測模擬計算可以減少很多加工試塊等成本，還可以幫助相關(guān)人員更直觀地了解檢測過程及結(jié)果[4]。

CSSP diffraction simulator 是一款簡單的超聲聲場模擬軟件，可以進行普通超聲探頭、相控陣超聲探頭的聲場模擬計算，其應用界面如圖 5。

為了顯示更直觀和便于計算， 本文設定一個焊縫工件，左側(cè)母材厚度80mm，右側(cè)母材厚度50mm，坡口角度50°，削邊坡口角度一種為30°，一種為16°。

用CSSP diffraction simulator分別模擬5Mφ6mm60°縱波楔塊和5Mφ6mm70°縱波楔塊的聲場(圖6a、圖6b)覆蓋該檢測區(qū)域，見圖7a~圖7e。

圖7a~圖7d楔塊角度全部都是60°，圖7e左側(cè)楔塊角度為70°。

圖6a~6b及圖7a~7e中黃色虛線是理論計算所得-12dB下擴散角值（擴散因子取0.8，楔塊聲速 2.4mm/us），與軟件仿真結(jié)果相比，該下擴散角值略微偏大，覆蓋區(qū)域則會偏小。

表1是5Mφ6用60°和70°縱波楔塊理論計算時-12dB聲束擴散角的范圍以及聲束所覆蓋下邊緣寬度，和仿真軟件的聲場覆蓋范圍相比略微偏小一些。

表1聲束擴散角及聲束覆蓋下邊緣寬度