CN108414616A - Tmcp钢板对接焊缝相控阵超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，属于质量控制体系的无损检测技术领域。通过相控阵超声检测仪、相控阵操作系统、高频线阵横波探头和校准试块构成25mm以下壁厚TMCP钢板的对接焊缝的检测系统，实现对焊缝焊接缺陷的检出。由于TMCP钢的各向异性特征，在采用相控阵超声波检测对接焊缝时，需要采用特殊的方法对检测系统进行校准，并对检测结果进行适当修正，方可达到准确检测的目的。相控阵超声检测方法恰好克服了以上缺点，而且现场检测效率高结果准确，具有很好的可实施性。

Description

TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法

技术领域

本发明涉及用相控阵超声检测TMCP钢对接焊缝质量的方法，其属于超声无损检测领域。

背景技术

壁厚小于等于25mm的TMCP钢制品广泛应用于各种领域中，TMCP钢板之间一般通过焊接进行连接，焊接质量的好坏直接关系着所构建的结构稳定性。由于焊接过程中会产生不同的面状危害性缺陷，如裂纹、未焊透、未熔合，这些缺陷都会对大型船只的使用造成非常严重的后果，有可能会导致船体支架断裂，结构不稳定等等。为此，在焊接后进行检测是一项非常重要和严密的技术，现阶段无损检测方法包括超声、射线、磁粉、渗透、涡流等，而内部缺陷一般由其中的常规超声和射线技术检测：这些检测方法中的射线检测对人体有害，且对危害性很大的裂纹、未熔合等面积型缺陷并不敏感，很容易发生漏检；常规超声检测结果准确性易受耦合条件以及技术人员水平影响，难以进行快速准确的检测；磁粉、渗透、涡流等方法仅能检测表面和近表面缺陷，其检测的精度也无法满足现有需求。目前通过相控阵超声技术是一个非常好的选择，由于TMCP钢的各向异性特征，在采用相控阵超声波检测对接焊缝时，需要采用特殊的方法对检测系统进行校准，并对检测结果进行适当修正，方可达到准确检测的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，用以针对TMCP钢板的无损检测使用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，设置超声相控阵检测仪、相控阵操作系统、高频线阵横波探头和校准试块构成检测小于25mm 厚TMCP钢板的对接焊缝的检测系统，它采用的步骤如下：

（1）依据被检测TMCP钢板件的牌号、焊接方法、WPS工艺及要求，对被检TMCP钢板件焊缝两侧母材表面进行修整，修整范围为从焊缝中心向外两侧至少 100mm，应除去油垢、锈斑、飞溅、氧化皮等影响探头移动的粗糙物，表面粗糙度小于或者等于6.3μm，并做各种明确标识如标记焊缝的扫查起点、焊缝中心线和参考线；

（2）连接所选超声相控阵检测仪、探头、楔块；

（3）在SetupBuilder或EsBeamTool操作软件建立声束路径模型，确定被检测区域的声束覆盖范围，确定适用的扫描角度、聚焦法则、起始与终止晶片等参数。将相关参数输入相控阵超声检测仪；

（4）利用试块对声束进行校准，校准包括声速、楔块延迟、ACG、TCG校准；

（5）对被检焊缝两侧修整范围内的母材进行相控阵直探头扫查，确保母材中无缺陷阻碍焊缝检测声束的传播，对被检焊缝及焊缝两侧各10mm范围的母材，进行探头机械扫查方向为90°至270°的扫查，每次扫查完毕后对扫查文件进行存储命名；

（6）将相控阵超声检测仪中生成的扫查文件导入电脑，利用分析软件TomoView对获取的扫查图像进行分析，通过结合已校准的S扫图像、A扫图像、B扫图像等实现对缺陷的定位、定量；

（7）评判检测结果时，应对回波显示进行仔细分析，必要时应对其位置进行适当修正，以准确判断回波显示是否是缺陷。

对回波显示进行位置修正，需要使用修正曲线。该修正曲线的制作应使用对比试块进行。将探头置于试块上前后移动，采用不同的已知深度的横孔，用各种不同角度波束（应覆盖预设的角度范围）测出横孔在仪器上显示的位置参数，然后与横孔的实际位置参数进行对比，从而制作出深度偏差量曲线和水平位置偏差量曲线。

（8）重复校准是否有变化，确保检测结果的正确性。

上述的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，优选地，所述的探头采用换能器型号为5L64-A2/A12或者换能器型号为10L64-A2/A12或者换能器型号为10L32-A1/A10；Olympus OmniScan MX2 32:128PR相控阵检测仪。

上述的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，优选地，其特征在于，所述步骤（3）中，试块表面粗糙度小于或者等于6.3μm。

上述的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，优选地，步骤（3）中，当采用半自动扫查方式的时候，需先进行编码器的校准。

上述的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，优选地，被检TMCP钢板壁厚小于15mm时，探头采用换能器型号为10L64-A2/A12或者换能器型号为10L32-A1/A10，在工件表面对整个焊缝截面进行检测，被检TMCP钢板支持双侧扫查时，采用单扇扫方式，随机分配使用16片晶片，聚焦深度为2.2T，或采用双扇扫方式，分配两组16片的晶片，第一组晶片聚焦深度为2.2T，第二组晶片聚焦深度为1.5T，聚焦长度包括整个焊缝及热影响区。

上述的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，优选地，被检TMCP钢板壁厚介于15-25mm时，探头采用换能器型号为5L64-A2/A12，在工件表面对整个焊缝截面进行检测，被检TMCP钢板采用单侧扫查时，采用单探头双扇扫方式，分配两组16片的晶片，第一组晶片聚焦深度为2.2T，第二组晶片聚焦深度为1.5T，或采用单探头两次扇扫方式，按模拟结果分配使用16片晶片，第一次扇扫聚焦深度为1.5T，第二次扇扫聚焦深度为2.2T，聚焦长度包括整个焊缝及热影响区。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）通过采用SetupBuilder或EsBeamTool软件进行声束路径模拟仿真，可以直观地了解焊缝及热影响区域的声束覆盖情况，进行扫查计划的制定和调整，能够很好地避免焊缝及热影响区的漏检。

（2）通过采用5L64-A2/A12、10L32-A1/A10、10L64-A2/A12等线阵探头，其晶片的线阵排列方式可以实现波束的偏转和聚焦，提高检测灵敏度和检测分辨力。

（3）通过S扫声束对焊缝及热影响区的覆盖，相当于是多个角度组合检测，有利于探测到各个方向的缺陷。

（4）通过E扫声束对焊缝与母材熔合面的垂直或近垂直入射，有利于发现如坡口未熔合之类的缺陷。

（5）采用TomoView软件对扫查文件进行读取和分析，可以通过扫查原始数据（A扫数据）生成B扫图像、D扫图像，可以对仪器或者软件生成的S/E扫图像、A扫图像、B扫图像进行融合，可以对图像进行局部放大处理，以便对图像进行观察；可以采用软件中的标尺对缺陷进行更方便的判读；可以通过降低图像显示增益，弱化其它干扰波，突出缺陷的显示；通过以上各种扫描图像，从三维方向看到缺陷显示，较为直观，对缺陷位置的判断更为准确，从A扫图像可以读出缺陷的原始扫查波幅、声程数据，找到缺陷的最大回波。

（6）采用标准试块对检测系统进行校准，可以使缺陷在各个扫描图像中的显示位置更为精确。

（7）采用对比试块对检测系统进行校准，可以使缺陷在各个扫描图像中的定量更为准确。

（8）采用上述检测系统、软件及配件相互配合，可以高效率地、高检出率地对TMCP钢板对接焊缝进行质量检测，达到相控阵超声检测技术替代射线检测技术的目的。

附图说明

图1检测系统工作示意图；

图2楔块与工件/试块间隙示意图；

图3 声束路径模型A；

图4 声束路径模型B；

图5 探头在板件上的机械扫查方向图示；

图6 标准试块图例；

图7 声速校准图示；

图8 楔块延迟校准图示；

图9 对比试块图例；

图10 ACG校准图示；

图11 TCG校准图示；

图12采用线阵探头进行E扫描图示；

图13 缺陷信号定位（A扫图像+S扫图像+B扫/C扫图像）；

图14 缺陷信号定位（S扫图像）；

图15 缺陷信号长度测量；

图16 距离修正曲线；

图17 水平位置修正曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

术语和定义：

A型扫描显示

一种接收到的超声回波信号幅度随时间或者声程变化的显示，即波形，称为A扫描。

B型扫描显示

一种显示超声数据的2D视图，通常横坐标是扫查位置，纵坐标是声程。

C型扫描显示

一种显示超声数据的2D视图，横坐标和纵坐标分别为步进轴和扫查轴。

S扫描

也称扇形扫描、角度扫描或者方位角扫描，与波束的偏转及数据显示形式有关。当进行波束偏转时，激励固定的晶片组，通过实施一系列的聚焦法则使声束在限定的角度范围内进行偏转扫描；作为数据显示，它是各个角度A扫的二维视图，并且通过对每个A扫的延时和折射角度进行修正，使视图上的指示与工件上的真实位置相对应。

E扫描

也称线形扫描或者线扫，以电子方式实现对工件的扫查，以相同的聚焦法则施加在相控阵探头中的不同晶片组，每组激活晶片产生某一特定角度的声束，通过改变起始激活晶片的位置，使该声束沿晶片阵列方向前后移动，以实现类似常规手动超声波检测探头前后移动的检测效果。线扫描包括垂直入射线扫描和倾斜入射线扫描两种。

（机械）扫查

以机械方式实现对工件的扫查，即通过移动探头实现波束的移动，使之扫过工件中被检测区域。

ACG (Angle Corrected Gain)

即角度增益校准。扇扫描时，因楔块衰减差异、晶片间差异及声压往复通过率差异等因素导致不同角度声束对相同声程处相同尺寸的反射体的回波幅度存在差异，利用软件对该差异进行修正，使之达到相同幅值。

TCG (Time Corrected Gain)

也称时间增益校准，在扇形/线形扫描的校准中，对不同声程相同尺寸反射体的回波进行增益修正，使之达到相同幅值。相当于对所有的扫描波束进行的DAC曲线校准。

检测基准线

设备经过TCG校准和相应的增益补偿，在A型扫描显示图（A扫视图）声程范围内满屏波高80%的幅度线。

实施例1

MCP钢板焊缝内部的体积型缺陷主要靠射线检测来完成，但是射线检测无法确定检出缺陷的深度，对面积型缺陷的检出有较大局限性，对环境和操作人员的身体健康都有不小的损伤，而常规超声检测具有受材料本身影响较大，受检测人员技术能力、主观因素影响较大，且不能够对检出的缺陷进行成像分析等缺点。

TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，设置超声相控阵检测仪、相控阵操作系统、高频线阵横波探头和校准试块构成检测小于25mm 厚TMCP钢板的对接焊缝的检测系统，检测系统工作示意图见图1，以20mm板厚的TMCP钢板检测为例，它采用的步骤如下：

（1）依据被检测TMCP钢板件的牌号、焊接方法、WPS工艺及要求，对被检TMCP钢板件焊缝两侧母材表面进行修整，修整范围为从焊缝中心向外两侧 100mm，应除去油垢、锈斑、飞溅、氧化皮等影响探头转动的粗糙物，表面粗糙度小于或者等于6.3μm，并做各种明确标识如标记焊缝的扫查起点、焊缝中心线和参考线；

（2）连接所选超声相控阵检测仪、探头、楔块；

（3）检测曲表面采用的楔块应与被检TMCP钢板曲率基本一致。若楔块与工件的接触部位存在任意一点间隙大于0.5mm，需进行表面修整以使表面曲率相匹配，详见图2；

（4）在SetupBuilder或EsBeamTool操作软件建立声束路径模型，确定被检测区域的声束覆盖范围，确定适用的扫描角度、聚焦法则、起始与终止晶片等参数。将相关参数输入相控阵超声检测仪；

（5）利用试块对声束进行校准，校准包括声速、楔块延迟、ACG、TCG校准；

使用对比试块，详见图9上两个不同深度D1、D2（D1<D2）的横通孔校准材料声速。

首先进入设备的声速校准界面，输入深度值D1、D2，将换能器放置在标准试块上，使中间角度波束（如55º）能在D1、D2孔上产生回波信号。移动换能器，分别在A扫视图上找到中间角度波束在D1、D2孔上产生回波信号的最高波，使用闸门先将D1孔上产生回波信号的最高波套住，点击get position按钮记录信号位置，再使用闸门将D2孔上产生回波信号的最高波套住，点击get position按钮记录信号位置，然后自动计算获得声速。如图7所示。

接着需要进行楔块延迟校准：使用标准试块或对比试块上1个已知深度的横通孔(孔径不大于3mm)校准楔块延迟，见图8。要求楔块延迟误差在±0.5mm范围内。首先进入设备的楔块延时校准界面，将探头放置在标准试块上，移动探头，使所有角度波束均能在横通孔上产生回波信号，点击校准按钮，完成校准。

ACG校准使用对比试块（详见图9）上的横孔进行ACG校准，见图10：首先进入设备的ACG校准界面，将探头放置在标准试块上，移动探头，使所有角度波束均能在横孔上产生回波信号。点击校准按钮，完成校准。要求各个角度的波束在横孔上得到近似相同的波高，波幅偏差在±5%满屏高度范围内。

TCG时间增益校准，相当于添加DAC曲线，见图11。使用对比试块上不同深度的横孔校准TCG，设置满屏高度的80%为波幅基准，要求波幅误差在±5%FSH范围内，TCG曲线应至少添加3个点进行校准；横波TCG曲线应至少校准到2倍板厚深度。

（6）对被检焊缝及焊缝截面进行相控阵探头扫查。在工件上标记焊缝的扫查起点、焊缝中心线和参考线。对被检焊缝及焊缝两侧各10mm范围的母材，进行探头机械扫查方向为90°和270°的扫查，详见图3、图5，以获取扫查成像；当焊缝仅单侧可达时（若仅90°侧可达），进行两种扫查设置的90°扫查，详见图4、图5。移动扫查器以检测焊缝和HAZ，探头移动轨迹相对于参考线的偏差不应超过±2mm，相控阵探头扫查速度不应超过20mm/s，直探头扫查速度不应超过150mm/s。本次扫查结束后，冻结数据，评估数据的有效性，并保存扫查文件。当所有的扫查结束后，清洁工件表面。如图3/4和图12所示，以下针对S扫和E扫进行具体描述如下：S扫：对探头若干个晶片组成的晶片组进行激发，激活晶片组发射角度范围的声束，该声束经过耦合剂、楔块透射入工件，直射声束在工件内进行角度范围内的逐角度扫描，覆盖焊缝及热影响区的下半部分；同时，声束将在底面产生反射，一次反射波束覆盖焊缝及热影响区的上半部分。E扫：对探头若干个晶片组成的晶片组进行激发，每组激活晶片产生某一特定角度的声束，通过改变起始激活晶片的位置，使该声束沿晶片阵列方向前后移动，以实现类似常规手动超声波检测探头前后移动的检测效果。声束经过耦合剂、楔块透射入工件，声束应尽量垂直于焊缝与母材熔合面入射。

（7）将相控阵超声检测仪中生成的扫查文件导入电脑，利用分析软件TomoView对获取的扫查图像进行分析，通过结合已校准的S扫图像、E扫图像、A扫图像、B扫图像等实现对缺陷的定位、定量；

（8）重复校准是否有变化，确保检测结果的正确性。

上述的20mm厚的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，优选地，所述的探头采用换能器型号为5L64-A2或者换能器型号为5L64-A12；Olympus OmniScan MX2 32:128PR相控阵检测仪，优选地，采用OmniScan MXU 4.2R2及以上版本操作系统。在工件表面对整个焊缝截面进行检测，被检TMCP钢板采用单侧扫查时，采用单探头双扇扫方式，分配两组16片的晶片，第一组晶片聚焦深度为2.2T，第二组晶片聚焦深度为1.5T；或采用单探头两次扇扫方式，按模拟结果分配使用16片晶片，第一次扇扫聚焦深度为1.5T，第二次扇扫聚焦深度为2.2T，聚焦长度包括整个焊缝及热影响区。

上述的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，优选地，所述步骤（3）中，试块表面粗糙度不得超过6.3μm。

上述的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，优选地，步骤（6）中，当采用半自动扫查方式的时候，还需要用到编码器，因此需在平面上进行编码器校准。在平面上测量500mm以上的距离，并记录该距离数值。对编码器清零，使编码器平稳移动该距离，将距离数值输入编码器校准界面，完成编码器校准。编码器应精确到总扫查长度的1%或10mm，取较小值。

如图13-15数据判读，缺陷信号定位即缺陷在焊缝中的具体位置：包括缺陷距离探头前沿的位置、缺陷埋藏深度。（可通过TomoView等判读软件将焊缝坡口信息添加到S扫图，辅助操作人员对缺陷信号的判别。）如图13、图14所示，缺陷信号定位在S扫图上初步确定出视图中的几何反射、楔块固定波及缺陷信号后，我们可以拖动扇扫中的角度指针，将其置于缺陷显示最高波幅处(波幅显示可看A扫)，此时扇扫视图中缺陷显示的最高波幅位置会出现红色十字交叉的两个指针，通过红色垂直指针的数字显示可确定缺陷信号在焊缝中的水平位置，通过红色水平指针的数字显示可确定缺陷信号的深度显示。缺陷信号定量包括缺陷信号长度定量，可按下述原则进行测量：若B扫视图中的缺陷回波只有一个峰值，可用缺陷峰值左右降低6dB的相对灵敏度法来测定，若缺陷回波有多个峰值，则以端点峰值降低6dB的相对灵敏度法测定。6dB法，也称半波高度法，反射体直径（长度、高度和（或）宽度）评估法，即将探头从最大反射波高处移至最大波高降低一半处，用探头移动的距离来评估反射体直径。在PAUT检测中，若最大波高超过满屏范围，此波高可考虑为满屏高度。基于反射波高建立颜色编码系统，超过100%满屏高度显示红色，超过60%满屏高度显示绿色，超过30%满屏高度显示蓝色。如图15所示。

本发明还公开了对于检测结果的修正：

评判检测结果时，应对回波显示进行仔细分析，必要时应对其位置进行适当修正，以准确判断回波显示是否是缺陷。

对回波显示进行位置修正，需要使用修正曲线。

修正曲线的制作应使用对比试块进行。将探头置于试块上前后移动，采用不同的已知深度的横孔，用各种不同角度波束（应覆盖预设的角度范围）测出横孔在仪器上显示的位置参数，然后与横孔的实际位置参数进行对比，从而制作出深度偏差量曲线和水平位置偏差量曲线，如图16-17所示示例。

本方法使用的扇形扫查角度范围为40º~73º，对反射体的定位偏差（主要是水平距离）在±15%之内。如果工程项目有更高的要求，则可以通过调整扇形扫查角度范围，以提高定位精度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1. TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，设置超声相控阵检测仪、相控阵操作系统、高频线阵横波探头和校准试块构成检测小于50mm 厚TMCP钢板的对接焊缝的检测系统，它采用的步骤如下：

（1）依据被检测TMCP钢板件的牌号、焊接方法、WPS工艺及要求，对被检TMCP钢板件焊缝两侧母材表面进行修整，修整范围为从焊缝中心向外两侧至少 100mm，应除去油垢、锈斑、飞溅、氧化皮等影响探头移动的粗糙物，表面粗糙度小于或者等于6.3μm，并做各种明确标识如标记焊缝的扫查起点、焊缝中心线和参考线；

（2）连接所选超声相控阵检测仪、探头、楔块；

（3）在SetupBuilder或EsBeamTool操作软件建立声束路径模型，确定被检测区域的声束覆盖范围，确定适用的扫描角度、聚焦法则、起始与终止晶片等参数，将相关参数输入相控阵超声检测仪；

（4）利用试块对声束进行校准，校准包括声速、楔块延迟、ACG、TCG校准；

（5）对被检焊缝两侧修整范围内的母材进行常规超声直探头扫查，确保母材中无缺陷阻碍焊缝检测声束的传播。对被检焊缝及焊缝两侧各10mm范围的母材，进行探头机械扫查方向为90°至270°的扫查，每次扫查完毕后对扫查文件进行存储命名；

（6）将相控阵超声检测仪中生成的扫查文件导入电脑，利用分析软件TomoView对获取的扫查图像进行分析，通过结合已校准的S扫图像、A扫图像、B扫图像等实现对缺陷的定位、定量；

（7）评判检测结果，对回波显示进行仔细分析，并对分析进行位置修正。

（8）重复校准是否有变化，确保检测结果的正确性。

2.根据权利要求1的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于：所述的探头采用换能器型号为5L64-A2/A12或者换能器型号为10L64-A2/A12或者换能器型号为10L32-A1/A10；Olympus OmniScan MX2 32:128PR相控阵检测仪。

3.根据权利要求1的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于，所述步骤（3）中，试块表面粗糙度小于或者等于6.3μm。

4.根据权利要求1的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于：步骤（3）中，当采用半自动扫查方式的时候，需先进行编码器的校准。

5.根据权利要求2或3或4的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于：被检钢板壁厚小于15mm时，探头采用换能器型号为10L64-A2/A12或者换能器型号为10L32-A1/A10，在工件表面对整个焊缝截面进行检测，被检钢板支持双侧扫查时，采用单扇扫方式，随机分配使用16片晶片，聚焦深度为2.2T，或采用双扇扫方式，分配两组16片的晶片，第一组晶片聚焦深度为2.2T，第二组晶片聚焦深度为1.5T，应保证聚焦长度覆盖整个焊缝及热影响区。

6.根据权利要求2或3或4的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于：被检TMCP钢板壁厚介于15-50mm时，探头采用换能器型号为5L64-A2/A12，在工件表面对整个焊缝截面进行检测，被检TMCP钢板采用单侧扫查时，采用单探头双扇扫方式，分配两组16片的晶片，第一组晶片聚焦深度为2.2T，第二组晶片聚焦深度为1.5T，或采用单探头两次扇扫方式，按模拟结果分配使用16片晶片，第一次扇扫聚焦深度为1.5T，第二次扇扫聚焦深度为2.2T，聚焦长度包括整个焊缝及热影响区。

7.根据权利要求1的TMCP钢板对接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于：步骤（7）中，对回波显示使用修正曲线，修正曲线使用对比试块进行制作，将探头置于试块上前后移动，采用不同的已知深度的横孔，用各种角度波束测出横孔在仪器上的位置参数，然后与横孔的实际位置参数对比，制作出深度偏差量曲线和水平位置偏差量曲线。