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嘉峪检测网 2017-08-04 14:29
实例一 T型接头：电子线扫与TFM
首先列举全聚焦法（TFM）工业应用的第一实例：检测T型接头。
对T型接头，通常最关注的重要缺陷是坡口面未熔合（腹板侧和翼板侧）、根部未焊透。超声探头置于翼板上，在组合焊缝对侧进行扫查往往是第一选择。示例突出TFM法对腹板侧坡口面未熔合检测强于一般PA-E扫的优势。
总长300 mm的T型接头（24 mm×24 mm）焊接试板实物（K型坡口，内有三个缺陷，1#、2#缺陷为翼板侧未熔合，3#缺陷为腹板侧坡口面未熔合）。
T型接头（24 mm×24 mm×300 mm）焊接试板（内植有1#、2#、3#缺陷）实物
相控阵（PA）探头用64阵元、5 MHz、30 mm厚的延迟块，为做对比，用两种扫查方式：
（1）用孔径9.6 mm（16阵元）作线扫（E扫）。
（2）用所有阵元（64 阵元）作TFM扫。
作线扫时，扫查宽度29 mm 固定；用TFM扫时，扫查宽度可变，可调至50 mm。对该T型接头用上述两种扫查方式所得图像做比照。
T型接头焊接试板的PA-E扫和TFM扫图像
由上图可知，TFM扫查宽度较大，因而T型接头两侧焊缝盖帽（余高）形状也得以显示（称为几何形状显示或伪显示），这样在扫查过程中，不妨以此作为参照图像，对探头位置和耦合情况也易于监控。E扫图中，缺陷显示1和显示2的横向宽度尺寸增大，是由于声束扩散的影响；而TFM扫因声束聚焦于反射体，故能显示其宽度方向的准确尺寸。但两种扫查图中，缺陷显示3均难发现。原因是：此缺陷为倾斜45°的坡口面未熔合（K型坡口腹板侧未熔合）。由于E扫时声束角度为0°且固定，无法清晰显示此缺陷（除非改变延迟楔块，用45°再扫查）；而用TFM扫时，只要在声束入射标定方向（焊缝宽度方向）简单移动探头，以使声束入射角度适应缺陷走向（即达到正交），就很容易检出倾斜45°的平面状缺陷。
用入射位移法作TFM扫的检测结果
探头相对于关注区位移一定距离（这里取位移28 mm），以改变超声波束入射角度，来自倾斜平面反射体（即坡口面未熔合）的回波幅度值就明显提高，在TFM窗口和C扫图中，就会有缺陷图像清晰显示。与此同时，对侧焊缝盖帽（余高）也会显示出来（称为几何显示）。
实例二 对接焊缝的TFM检测
X型坡口对接焊缝中的坡口面未熔合，其超声检出方向性很强。用TFM法扫查，声束适应性颇好；对位于工件底面、沿壁厚方向伸展的底面开口性面状缺陷，也可用TFM自串列法高效检出。
对壁厚20 mm的X型坡口对接焊缝（内有自然缺陷），用64阵元、36°楔块的相控阵探头作TFM检测。先用TT模式，即用标准的折射横波入射-反射横波接收方式（一次波，即不经底面反射的声波）在焊缝两侧均作TFM扫，检测坡口面未熔合；后用TTT模式（即横波入射-反射-接收“三波自串列法”）作TFM扫，极易检出并精确定量与板面垂直的平面状反射体——焊缝热影响区底面开口裂纹。
对接焊缝TT法和TTT法的TFM检测示意
对300 mm长的对接焊缝（壁厚20 mm），在焊缝两侧作相控阵C扫，其扫描图像显示结果如下图所示。缺陷信号显示自左至右为：①根部未焊透；②焊趾裂纹；③坡口面未熔合。鉴于缺陷位置，这里从左侧扫查，缺陷检出率最佳。
在焊缝两侧作C扫的检测结果
为比照评定缺陷信号显示，用三种扫查方式：TFM扫、B扫和累积B扫。TFM窗可测出缺陷深度和横向位置；累积B扫（有时称为D扫，即焊缝纵断面扫）可测出反射体长度和扫查方向的位置（与C扫显示结果相同），但也可测出缺陷深度范围（即自身高度），特别是TTT模式可精确测量焊趾裂纹深度量值。
在C扫和B扫图像中分别对焊缝缺陷测长、测深、测高
实例三 弯管焊缝的TFM检测
承压设备上的弯管焊缝，传统方法是进行现场RT，由于结构关系，射线机换位、对焦、贴片等费时、费力，还有辐射防护问题。采用PA-TFM法检测，能灵活适应弯头表面几何形状变化的特点，快速进行波束角度和波程计算，借助于柔性探头，有效取代RT，完成弯头焊缝体积检测。
仿实物碳钢弯管焊接试样TFM检测布置与显示结果如下图所示。环焊缝中特意设置了一些人工缺陷。这里只以坡口面未熔合作为典型缺陷示例。适于弯管表面耦合的楔块用树脂玻璃制作。已知管径、壁厚、波速等，用MATLAB软件算出楔块-管子界面声波通过点。
仿实物碳钢弯管焊接试样TFM检测布置与显示结果
注意，仿实物试样管直段和弯头壁厚不一：直段壁厚11 mm，弯头壁厚7.1 mm。阵列换能器和楔块须置于弯头一侧。由TFM扫图即可见缺陷峰值信号（未熔合）位于直段侧焊缝坡口面上。
实例四 摩擦焊缝的TFM检测
举一个其他行业的应用示例：检测车辆牵引装置的摩擦焊缝。带拖球的圆棒焊到轴上，轴装在车上。此焊缝必须确保能承载各种应力的极高强度。
对此类焊缝，通常用RT方法，即用厚度仿形补偿法或前置滤板法，至少曝光2~3次也难以全检。这里介绍用PA探头周向扫查，TFM成像，简易方便。
检测用5 MHz、32阵元PA探头。楔块底面与直径40 mm的轴表面吻合。用注水的方法确保耦合良好。用TFM法，探头可放在离焊缝很近的位置。
自行设计了装上探头架的机械系统，能使轴转动。检测时，以13 mm/s的速度扫查， 360°检测仅需10 s。
车辆牵引装置摩擦焊缝PAUT布置示意
车辆牵引装置摩擦焊缝TFM检测结果
实例五 厚壁焊缝的TFM检测
对板厚100 mm以上的窄间隙焊缝，以往检测边缘未熔合最有效的UT方法是用双探头串列法。现可考虑用波型变换的TFM法取代传统的双探头串列法，检测窄间隙厚壁焊缝中镜面状未熔合类缺陷。
试块侧面有一横向平底孔，以往以此作为校验反射体，用于两斜探头一前一后串列法校验灵敏度。此时要检测深度位置不同的横向平底孔，就要改变两串列探头间距或使用多种探头对。而用LLT波型变换法取代双探头串列法，以横向平底孔校验灵敏度方法检测示意如下图所示。
LLT波型变换法、横向平底孔校验灵敏度方法示意
在厚焊缝一侧，用PA线阵探头和LLT法（即纵波-纵波-变型横波法）检测，就只需一个探头，操作大大简化。
试块横向平底孔LLT波型变换TFM法图像显示（离试块侧面距离10 mm）
其他应用示例
检测形状复杂的工件时，普通单晶探头不适用，因超声波束会被复杂表面反射或扭曲；PA技术能按探头下的几何形状调整延时法则，能在复杂表面下产生图像。但工件几何形状及换能器位置须完全已知。这里介绍的技术是基于TFM成像的自适应法，其关键步骤为：
① 用优化TFM作表面测量，可减少计算时间和噪声；
② 确定超声声程。
对表面形状不规则的试件，可使用水楔柔性PA探头、通过两步法TFM实时自适应成像，完成检测。
第一步，在半无限水介质中作TFM成像。
对表面形状不规则试件作TFM成像提取形状数据
第二步，在材料中作动态飞时计算和TFM成像。
对表面形状不规则的试件作材料动态飞时TFM成像示意
从阵元E至聚焦点P的飞行时间为：
用费尔马原理确定工件表面入射点M（x0, z0）：
内外壁形状不规则的单面V型坡口焊缝的TFM自适应成像检测结果
在役设备焊缝内壁腐蚀状态TFM成像检测结果
来源：AnyTesting
