黃輝　施方哲　錢(qián)盛杰　周常迪　胡利晨

摘 要 利用全聚焦相控陣成像技術(shù)對(duì)熱電阻產(chǎn)品中的插入式平板角焊縫進(jìn)行了研究。利用CIVA軟件進(jìn)行典型缺陷的缺陷響應(yīng)分析，制定了無(wú)損檢測(cè)方法。經(jīng)插入式平板角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)，成功檢測(cè)出焊縫內(nèi)部的一處未熔合缺陷，并精確測(cè)得缺陷的尺寸。最后，總結(jié)了插入式平板角焊縫的全聚焦相控陣檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞 插入式平板角焊縫 熱電阻 全聚焦相控陣 CIVA仿真 超聲檢測(cè)

中圖分類號(hào) TQ050.7? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 0254?6094（2023）02?0175?05

溫度是過(guò)程控制系統(tǒng)中重要的被控變量之一。熱電阻是工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行溫度檢測(cè)最常用的元件之一，反應(yīng)快，時(shí)間間隔相對(duì)較小，具有較高的精度、較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，測(cè)溫范圍廣，可測(cè)特定部位或狹小場(chǎng)所的溫度，具有溫度調(diào)節(jié)、控制及放大等功能［1，2］。熱電阻傳感器是基于導(dǎo)體或者半導(dǎo)體電阻值隨溫度的變化而改變的特性進(jìn)行溫度測(cè)量的。其連接裝置可以形成密封腔，是現(xiàn)場(chǎng)安裝的重要部分。該連接裝置往往采用插入式平板結(jié)構(gòu)，其焊接質(zhì)量是保證設(shè)備安全運(yùn)行、不發(fā)生泄漏的關(guān)鍵；因此，有必要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。由于熱電阻的套管小，角焊縫尺寸也較小，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)超聲和射線技術(shù)難以實(shí)施埋藏缺陷的檢測(cè)，因此僅采用滲透檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行表面缺陷的檢測(cè)。

全聚焦相控陣技術(shù)是近年來(lái)隨著高速處理器發(fā)展而出現(xiàn)的一種基于全矩陣數(shù)據(jù)采集的圖像后處理新技術(shù)［3］。全聚焦技術(shù)具有檢測(cè)靈敏度高、聲場(chǎng)覆蓋范圍廣、圖像信噪比高及缺陷形狀畸變小等優(yōu)點(diǎn)［4］。因此，筆者采用全聚焦相控陣成像技術(shù)對(duì)熱電阻產(chǎn)品中的插入式平板角焊縫進(jìn)行檢測(cè)研究。利用CIVA軟件的缺陷響應(yīng)模塊仿真了坡口未熔合、根部未焊透等埋藏缺陷。確定了現(xiàn)有相控陣探頭對(duì)于插入式平板角焊縫檢測(cè)的可行性，并制定檢測(cè)工藝。在仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)研究，成功檢測(cè)出產(chǎn)品內(nèi)部的一處坡口未熔合缺陷，并精確測(cè)得缺陷埋藏深度和自身高度。

1 插入式平板角焊縫的CIVA缺陷響應(yīng)研究

CIVA軟件可用來(lái)設(shè)計(jì)或者優(yōu)化無(wú)損檢測(cè)方法，預(yù)測(cè)在實(shí)際無(wú)損探傷工作中的檢測(cè)能力［5，6］。筆者利用CIVA軟件進(jìn)行熱電阻中的插入式平板角焊縫結(jié)構(gòu)的缺陷響應(yīng)分析，分別討論了不同檢測(cè)模式下幾種典型缺陷的圖譜特征和缺陷測(cè)量，為進(jìn)一步開(kāi)展此類產(chǎn)品的檢測(cè)試驗(yàn)奠定檢測(cè)工藝基礎(chǔ)。

根據(jù)常見(jiàn)的熱電阻結(jié)構(gòu)尺寸，在CIVA仿真軟件中建立熱電阻結(jié)構(gòu)缺陷響應(yīng)模型，如圖1所示。仿真模擬全聚焦相控陣對(duì)插入式平板角焊縫內(nèi)部埋藏缺陷的響應(yīng)情況。該結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的主要缺陷類型為未熔合和根部未焊透，因此在仿真模型中添加未焊透、未熔合等缺陷。坡口類型為K型，試板厚度為15.9 mm，坡口角度為單側(cè)30°。角焊縫坡口處設(shè)置1個(gè)上坡口未熔合缺陷F1：深度為5.0 mm，自身高度為2.0 mm；1個(gè)下坡口未熔合缺陷F2：深度為10.0 mm，自身高度為2.0 mm；角焊縫根部設(shè)置1處未焊透缺陷F3：深度為8.0 mm，自身高度為2.0 mm。其中，未熔合用面狀矩形代替，未焊透用球狀孔代替。

利用全聚焦相控陣技術(shù)仿真的缺陷響應(yīng)圖譜如圖2所示。全聚焦相控陣TT模式（探頭發(fā)射的橫波與工件作用后產(chǎn)生反射橫波被探頭接收）可以較好地檢測(cè)出下坡口未熔合缺陷F2信號(hào)和根部未焊透缺陷F3信號(hào)。針對(duì)上坡口未熔合缺陷F1，僅得到上下兩個(gè)端點(diǎn)的衍射信號(hào)回波，且下尖端的回波信號(hào)比上尖端回波信號(hào)高約

10 dB，不利于缺陷定性，如圖2a所示。針對(duì)下坡口未熔合缺陷F2，得到沿著坡口的面狀缺陷形貌，未熔合面上的回波信號(hào)連續(xù)，未斷開(kāi)，分布均勻，未熔合面的形貌與仿真模型中設(shè)置的未熔合缺陷基本一致，如圖2b所示。針對(duì)根部未焊透缺陷F3，在球狀孔的一側(cè)獲得較高的回波信號(hào)，如圖2c所示。

考慮到實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，探頭無(wú)法置于熱電阻的背面進(jìn)行檢測(cè)，若存在上坡口未熔合缺陷，僅會(huì)得到如圖2a所示的缺陷信號(hào)，與實(shí)際未熔合缺陷信號(hào)形貌差異較大，且因探頭靈敏度較低，容易漏檢。因此，筆者提出了全聚焦TTTT模式檢測(cè)法，將探頭移動(dòng)到一個(gè)合適的位置進(jìn)行檢測(cè)。所謂全聚焦TTTT模式，指的是橫波發(fā)射經(jīng)底面反射到缺陷處，再由缺陷反射經(jīng)底面被探頭接收，根據(jù)上述橫波傳播特征進(jìn)行計(jì)算即可得到TFM成像圖。利用全聚焦相控陣TTTT模式可以較好地檢測(cè)出上坡口未熔合缺陷F1信號(hào)，如圖3所示。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可得，全聚焦相控陣能直觀、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)坡口未熔合和未焊透兩類缺陷的仿真成像，能實(shí)現(xiàn)缺陷的定位和定量。從缺陷的檢出情況和定性方面來(lái)分析，采用TT模式均可以檢測(cè)出上坡口未熔合缺陷、下坡口未熔合缺陷和根部未焊透缺陷，TTTT模式可以根據(jù)圖譜特征輔助上坡口未熔合缺陷的定性，從而實(shí)現(xiàn)了聲場(chǎng)在整個(gè)角焊縫的全覆蓋檢測(cè)。另一方面，采用TTTT模式也可以檢測(cè)出上坡口未熔合缺陷、下坡口未熔合缺陷和根部未焊透缺陷，但僅通過(guò)單一TTTT模式，難以實(shí)現(xiàn)下坡口未熔合缺陷的定性，需要輔以TT模式?？傊?，聯(lián)合使用TT和TTTT模式，才能獲得全面的缺陷特征圖譜，從而更好地實(shí)現(xiàn)缺陷的定性。從缺陷定量方面來(lái)分析，根據(jù)上坡口未熔合上下兩個(gè)端點(diǎn)的衍射回波間距所測(cè)得的自身高度較為準(zhǔn)確，下坡口未熔合測(cè)得的缺陷自身高度略大于實(shí)際仿真尺寸，球孔狀未焊透的自身高度需要結(jié)合繞射波進(jìn)行測(cè)量較為準(zhǔn)確，否則會(huì)使缺陷定量變小。將上述3個(gè)缺陷的仿真情況總結(jié)于表1，缺陷的定量信息可由-6 dB法測(cè)量得到。

2 熱電阻產(chǎn)品的超聲檢測(cè)試驗(yàn)

熱電阻的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖分別如圖4所示。主體材料為316L SST；法蘭厚度為15.9 mm；角焊縫采用K型坡口，單側(cè)坡口角度為30°；實(shí)物圖背面存在4個(gè)深度為1 mm的槽。針對(duì)此類規(guī)格的插入式平板角焊縫，采用上文仿真中所述的方法進(jìn)行全聚焦相控陣超聲檢測(cè)。熱電阻主體材料有晶粒粗大的特性，使得超聲波有一定程度的衰減，而所用試板厚度較小，焊縫結(jié)構(gòu)也小，因此超聲波傳播聲程較小，其本身的衰減就比較小。此外，采用了基于全聚焦算法的相控陣檢測(cè)，能得到更高的圖像信噪比，從而進(jìn)一步減弱了晶粒噪聲對(duì)缺陷信號(hào)的干擾。

采用全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，將探頭置于平板法蘭上并緊靠角焊縫。保持探頭不動(dòng)，通過(guò)手工旋轉(zhuǎn)插入式接管，將編碼器置于法蘭側(cè)面，能在檢測(cè)儀器中得到清晰完整的C掃描圖像。

圖5為全聚焦相控陣檢測(cè)圖譜，圖5a、b分別為全聚焦相控陣在熱電阻正面和背面檢測(cè)得到的圖譜。從圖中可以看出，全聚焦相控陣的界面左側(cè)為T(mén)FM成像圖，右側(cè)從上至下3幅圖分別為A掃、C掃（俯視圖）和D掃（側(cè)視圖）。正面檢測(cè)和背面檢測(cè)兩種方法均呈現(xiàn)出完整清晰的檢測(cè)圖像，對(duì)于背面4個(gè)槽、焊腳余高均呈現(xiàn)了較好的成像，與常規(guī)相控陣相比，全聚焦相控陣具有更高的檢測(cè)分辨率和信噪比，對(duì)于微小缺陷的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)回波的識(shí)別更具優(yōu)勢(shì)。正面檢測(cè)圖中4個(gè)深度為1 mm的槽成像清晰，其深度和位置經(jīng)測(cè)量與實(shí)際情況一致。背面檢測(cè)圖譜中，能清晰地識(shí)別出4個(gè)槽的結(jié)構(gòu)信號(hào)，說(shuō)明全聚焦相控陣的近表面盲區(qū)很小。

從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)，利用全聚焦相控陣的TT模式，分別從正面和背面兩個(gè)方向檢測(cè)出了同一個(gè)缺陷信號(hào)。值得注意的是，采用TTTT模式會(huì)增大聲程，對(duì)缺陷的定量有一定的影響，建議在只能單面檢測(cè)時(shí)使用該方法。通過(guò)對(duì)兩幅圖譜的分析，結(jié)合CIVA仿真研究結(jié)果，可判斷該缺陷性質(zhì)為坡口未熔合。從正面進(jìn)行檢測(cè)，由于該缺陷處于K型坡口的上部，角度為70°附近的聲束可以探測(cè)到該缺陷，因此TT模式檢測(cè)出了兩個(gè)上下端點(diǎn)信號(hào)，且下端點(diǎn)信號(hào)靈敏度高于上端點(diǎn)的，這與CIVA仿真的結(jié)果基本一致。從背面進(jìn)行檢測(cè)，角度為45°附近的聲束可以探測(cè)到該缺陷，因此TT模式檢測(cè)到了沿著坡口的面狀缺陷信號(hào)。通過(guò)TFM成像圖和D掃描成像圖可確定該缺陷深度為4.5 mm，通過(guò)C和D掃描成像圖可以看出該熱電阻角焊縫存在多處未熔合缺陷信號(hào)，其中較大一處缺陷的自身高度為1.6 mm，長(zhǎng)度為78.0 mm。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者所述檢測(cè)方法是根據(jù)插入式平板角焊縫的結(jié)構(gòu)特性，在仿真條件下制定專用檢測(cè)工藝，包括缺陷定位、定量和圖譜特征，因此只適用于接管與平板的焊接接頭埋藏缺陷的無(wú)損檢測(cè)。采用全聚焦相控陣技術(shù)對(duì)熱電阻插入式平板角焊縫中的典型焊接缺陷進(jìn)行研究。結(jié)合CIVA仿真軟件制定的檢測(cè)方法，驗(yàn)證了全聚焦相控陣技術(shù)對(duì)于此類特殊結(jié)構(gòu)的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。研究情況總結(jié)如下：

a. 利用CIVA軟件建立聲學(xué)模型，并設(shè)置常見(jiàn)的人工缺陷，可以制定熱電阻插入式平板角焊縫的超聲檢測(cè)方法。

b. 全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可通過(guò)不同的檢測(cè)模式（TT模式/TTTT模式）獲得不同朝向位置的缺陷信號(hào)，有利于缺陷的定性。

c. 全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)成功檢測(cè)出熱電阻插入式平板角焊縫中的未熔合缺陷，并能進(jìn)行精確的定位和定量。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 郭孝玲.熱電阻溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)的比較與使用［J］.中國(guó)金屬通報(bào)，2018（7）：207；209.

［2］ 周鵬程，王志.基于鉑電阻多測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（6）：158-160.

［3］ 楊貴德，詹紅慶，陳偉，等.相控陣三維全聚焦成像檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2018，40（5）：64-67.

［4］ 強(qiáng)天鵬，楊貴德，杜南開(kāi)，等.全聚焦相控陣技術(shù)聲場(chǎng)特性初探［J］.無(wú)損檢測(cè)，2020，42（1）：1-6.

［5］? GUO W C，QIAN S J，LING Z W，et al.Research on phased array ultrasonic technique for testing tube to tube?sheet welds of heat exchanger［C］//Proceedings of the ASME 2016 Pressure Vessels & Piping Conference.2016：1-5.

［6］? FOUCHER F，F(xiàn)ERNANDEZ R.New applications of the NDT simulation platform CIVA［C］//Singapore International NDT Conference & Exhibition.2013：19-20.

（收稿日期：2022-03-11，修回日期：2023-03-30）

基金項(xiàng)目：浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（20170143）；浙江省市場(chǎng)監(jiān)督管理局雛鷹計(jì)劃培育項(xiàng)目（CY2022219，CY2022225）。

作者簡(jiǎn)介：黃輝（1984-），高級(jí)工程師，從事承壓設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)與科研工作，huanghuidh@163.com。

引用本文：黃輝，施方哲，錢(qián)盛杰，等.熱電阻插入式平板角焊縫的全聚焦相控陣檢測(cè)技術(shù)研究［J］.化工機(jī)械，2023，50（2）：175-178；231.