常规超声检测是T型焊缝内部缺陷检测的主要方法，但是检测时受到管座曲率、壁厚和马鞍状焊缝形式等因素的影响，以及探测位置的局限，常规超声检测面临着缺陷信号波形识别难度大、缺陷定位困难以及很难确保焊缝完整覆盖的问题。

相控阵超声检测技术可以同时激发多角度声束，可对检测区域进行较大面积覆盖，适用于多种焊接接头和各种类型的焊缝形式。对于机车T型管焊缝，使用相控阵超声检测仪器和探头沿检测面扫查一圈，便可以得到检测数据。与常规超声检测相比，可省去繁琐的扫查过程，而且仪器能够自动生成检测图像，配合仪器的高级工件加载功能，将机车T型管焊缝的图像导入仪器，比较容易判断缺陷。

机车T型管接头焊缝结构

某机车用T型管路使用碳钢(Q235A或20钢）材料，管路管径一般为40~120mm，壁厚为4~12mm，主要用于油水管路中，接头采用手工电弧焊，焊缝质量受焊工技能和执行工艺的影响较大。

T型管接头焊缝的结构示意如图1所示，其根部易产生不同程度的根部未焊透，而根部是结构的应力集中处，未焊透容易导致管路开裂甚至引发泄漏，故这些极易出现缺陷的地方是需要重点检测的部位。

图1 T型管接头焊缝的结构示意

T型管座角焊缝的外形是随角度变化的，在检测时需要绘制相贯线，根据不同角度建立焊缝模型。使用AutoCAD 2010绘制出不同角度所对应的焊缝图，由于此类T型管接头焊缝具有对称性，检测时可以按照90°间隔，将其分为4个相同部分，以两管截面为钝角的焊缝定为0°，以两管截面为直角的焊缝定为90°，每隔15°画一个焊缝。

图2 T型管接头不同角度焊缝示意

使用相控阵超声检测仪的高级工件加载功能，将T型管接头焊缝图形加载到设备中，实现相控阵检测的扫查图像与T型管接头焊缝图形相结合，方便判断工件内部的缺陷位置。在检测时，T型管接头焊缝是时刻变化的，应根据图2中T型管接头焊缝的角度转换，准确判断缺陷的位置。

机车T型管接头焊缝人工缺陷试块

选取曾经在机车运行过程中出现过泄漏的20碳钢水路T型管接头焊缝为试验对象，其主管管径为55mm，壁厚为8mm，插管管径为40mm，壁厚为6mm，试块实物如图3所示，并在不同焊缝位置制作了编号为1，2，4，5号的横孔缺陷，3号平底孔缺陷和一个刻槽缺陷（见图4）。

图3 T型管接头焊缝人工缺陷试块实物

图4 T型管接头焊缝人工缺陷分布示意

1~5号缺陷的直径均为1mm，除3号为平底孔外，其余为横孔，长度分别为7.5，7.5，1.5，8，8mm，分布于焊缝的不同位置；刻槽缺陷为长9mm，深1mm的矩形槽，设置在焊缝的内壁上。

试验设备

使用以下检测设备：

① 多浦乐PHASCAN相控阵检测仪，其配置为32/128，带有工件图形加载功能，仪器外观如图5所示；

② 多浦乐7.5S16-5x10自聚焦线阵相控阵探头，频率为7.5MHz，阵元数为16，阵元中心距离为0.5mm，阵元长度为10；

③ 多浦乐弧度楔块，型号为SD10-N60S-IH（AOD73）。

图5 相控阵超声检测仪外观

检测方法

使用上述试验系统，扇扫面范围设置为30°~65°，对试块缺陷进行检测，1，3，4号横孔处的焊缝壁厚修正为9mm，2，5号横孔处的壁厚设置为8mm。

横孔的测量方法

横孔孔径的测量方法

以1号缺陷（长度为7.5mm的横孔位于0°位置）为例，测量步骤为：

① 找到缺陷最高波，调节增益使其达到基准波高（80%），1号缺陷最高波如图6所示；

图6 1号缺陷最高波（孔径测量）

② 改变S扫描角度，找到1号缺陷波的上边缘(理论应找到波高为40%的角度处最为合适，但因角度步进为1°，此时波幅为38.6%)，U(r) = 13.15mm，1号缺陷上边缘如图7所示；

图7 1号缺陷上边缘（孔径测量）

③ 改变S扫描角度，找到1号缺陷波的下边缘(理论应找到波高为40%的角度处最为合适，但因角度步进为1°，此时波幅为41.4%)，U(m) = 14.35mm，1号缺陷下边缘如图8所示。

图8 1号缺陷下边缘（孔径测量）

④ 得到U(m)、U(r)数据后，可知缺陷自身高度U(m-r)=1.20mm。

横孔长度的测量方法

以1号缺陷（长度为7.5mm的横孔位于0°位置）为例，测量步骤为：

① 找到缺陷最高波，调节增益使其达到基准波高（80%），如图9所示；

图9 1号缺陷最高波（长度测量）

② 将探头沿焊缝走向环向移动，找到缺陷最高波的一半波高（-6 dB）位置，记录探头中心所对应的位置，此为缺陷长度方向上的端点，经过测量约为8mm。缺陷波幅得出为80.1%，缺陷深度得出为4.2mm。

人工刻槽的测量方法

以刻槽缺陷（长度为9mm刻槽位于90°位置）为例，其自身高度的测量步骤为：按照ASME标准，缺陷自身高度可以从S扫描的图像中使用-6dB法或者端点衍射法进行测量。试验采用端点衍射法进行测量，利用刻槽左上方的衍射回波及其与底面所形成的端角回波，可判定其自身高度，刻槽缺陷自身高度测量原理示意如图10所示。

图10 刻槽缺陷自身高度测量原理示意

刻槽高度测量结果如图11所示，衍射信号U(m)位于8.44mm，端角回波U(r)位于9.48mm，刻槽自身高度为U(m-r)约为1mm。

图11 刻槽高度测量结果

矩形槽测长方法同横孔测长方法一致，最终测得矩形槽长度约为11mm。测量出的各人工缺陷的大小如表1所示(矩形槽宽度不可测)，同时还与实际长度进行了比较。

以上所检测的缺陷位于T型焊接接头试块的不同位置，所得到的数据与实际缺陷长度和大小大致吻合，说明相控阵超声检测技术应用于机车T型管路接头的质量控制是可行的。

结  语

相控阵超声检测技术可以检测机车T型管路接头焊缝的内部缺陷。相控阵超声技术有较高的缺陷检出率，检测效率高。工件图像的加载降低了人员判定缺陷的难度。对于T型角焊缝的相控阵检测，扫查参数和扫查位置的确定是重点和难点所在，需要根据不同管径和壁厚加载专用的工件图形，通过声束模拟，确定不同探头扫查位置的扫查参数，确保被检区域的全覆盖。

作者：李强1，郑小康2，钟钦伟3，李航3