刘治 沈海忠
上海统谊石化设备检测有限公司
摘要：在制造重大设备中，存在大厚度构件材料，使用常规的焊接方式难以达到效果，使用窄间隙焊接技术，以多道多层焊接工艺焊接可完成此类焊接任务。在焊接过程中，由于施焊难度系数的增加，易产生各种类型的焊接埋藏缺陷。由于空间位置受限，常规射线检测和超声检测存在技术局限性，难以对其进行有效覆盖。本文主要通过CIVA仿真软件，探究相控阵超声检测技术在大厚度构件焊缝检测中的可行性。
关键词：大厚度、窄间隙焊缝、相控阵
1、引言
在工业生产中，大厚度构件由于较好的承重和抗冲击性能，而广泛使用。由于大厚度构件厚度大，自身重量大，焊接难度极大，不能单凭表面的焊接而获得使用时需要的抗冲击性和强度。
近年来，随着技术的不断进步，焊接种类日趋增多。其中，针对大厚度构件材料的窄间隙焊接技术也得到了较大发展。窄间隙焊接技术是通过多道多层焊接工艺焊接，成型过程中，多层焊道相互作用，前一道焊道可以为后一道焊道进行预热，同时后一道焊缝可以辅助前一道焊缝进行回火，极大地改善了焊接接头的机械性能，较好地减轻了成型后焊接接头的疲劳强度和断裂特征。与普通焊接技术相比，窄间隙焊接技术坡口间隙小，生产效率高、成本低，还具有焊接接头残余应力小等优点。
虽然窄间隙焊接技术在大构件焊接中具有较多优点，但在焊接过程中，焊缝内部依然难以避免埋藏缺陷的存在。由于常规的射线和超声检测方法无法在复杂位置进行有效检测，而且检测效率低下。为了能够快速、安全、可靠的进行大厚度构件焊缝的检测，各种新兴技术也在不断开发并应用于大厚度构件焊缝的检测，其中，相控阵检测技术凭借其检测结果的直观和对缺陷的高分辨率受到越来越多关注。
2、模拟仿真
本文模拟仿真选用CIVA模拟软件进行，CIVA软件的超声模拟模块主要由检测声场计算和预设缺陷响应两大功能组成。本次大厚度板材拼接焊缝模拟仿真主要使用的是其中的缺陷响应功能，此项功能可支持在工件内部设置各种型式、规格的缺陷，并将缺陷放置在工件中的任意位置。同时，CIVA软件还可根据仿真需要设置任意规格的探头和楔块组合，并设置对应的聚焦法则、检测面探头摆放位置和移动轨迹。
在本次仿真过程中也使用了BEAMTOOL声线追踪软件来确认仿真声束的覆盖情况从而确定探头扫查的起始晶片以及探头与焊接接头中心的距离。同时利用BEAMTOOL软件自带的各种测量工具，可以方便并准确地测出探头声束传播相关的各类信息。
2.1、CIVA仿真工件
本次仿真的工件厚度T=110mm，焊缝详细参数信息详见图1。由于对接焊缝两侧几何空间位置受限，导致检测过程中，探头移动空间位置受限且无法实施双面双侧扫查
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2.2、CIVA仿真探头
本文仿真采取线阵探头和双晶线阵探头配合使用策略，两种探头的设计参数如下所示：
1）线阵探头参数
本次CIVA仿真使用的线阵探头，具体参数如下：
①线阵探头频率：f=5MHz；
②线阵探头晶片数量选择:n=64；
③线阵探头晶片宽度设置为e=0.5mm；
④线阵探头间隙值选择g=0.1mm；
⑤线阵探头整个孔径长度设置38.4mm，整个孔径宽度设置为10mm
楔块材质采用有机玻璃，主声束折横波分别为55°和45°
2）双晶线阵探头参数
本次CIVA仿真使用的双晶线阵探头，具体参数如下：
①双晶线阵探头频率:f=2MHz；
②双晶线阵探头晶片数量选择:n=16；
③双晶线阵探头晶片宽度设置为e=0.5mm；
④双晶线阵探头间隙值选择g=0.7mm；
⑤双晶线阵探头整个孔径长度设置19.2mm,整个孔径宽度设置为10mm
楔块材质采用有机玻璃，主声束折横波为60°
2.3、仿真结果
为了探究探头声束对大厚度工件焊缝的覆盖情况以及检测策略的最终制定，本文使用软件Beamtool仿真过程中，将大厚度工件的焊缝区域划分为3个区域：
①一分区（工件厚度方向0-20mm范围内）
②二分区（工件厚度方向20-70mm范围内）
③三分区（工件厚度方向70-110mm范围内）
1）探头声束覆盖
为了探究探头在预设工件上的声束覆盖情况，本文使用BEAMTOOL声线追踪软件来确认仿真声束的覆盖情况，具体覆盖情况详见图2-4。
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通过探头声束覆盖情况的模拟仿真探究，本文最终选定在一分区使用双晶线阵探头进行检测，在二分区和三分区使用线阵探头进行检测。其中一分区双晶线阵探头扫查路径在焊缝中心位置上，沿着焊缝走向进行检测。二分区和三分区所用线阵探头在焊缝两侧距焊缝中心适当距离做单面双侧扫查。
从Beamtool仿真结果可知，一分区双晶线阵探头能覆盖一分区绝大部分焊缝（焊缝顶部约有几毫米的盲区不可达，实际检测中可采用表面检测方法进行检测覆盖）；通过调整线阵探头距离焊缝中心的距离，对焊缝进行单面双侧扫查，线阵探头的声束能实现对二分区和三分区焊缝完全覆盖。由此可知，除去焊缝顶部几毫米的盲区，本文所采用的检测策略能实现对大厚度工件焊缝的全覆盖。
2）缺陷仿真
为了探究大厚度工件焊缝中缺陷在声场中的响应情况，本文在划分的三个焊缝分区内均
设置了多个缺陷模块，并分别按照选定的检测策略，使用不同探头对不同分区内的缺陷模块进行缺陷响应模拟，仿真结果详见图5-7。
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在一分区内设置的缺陷模块均能在双晶线阵探头激发的声场中有明显的响应信号，响应信号清晰可辨识，多个缺陷模块响应信号能同时反馈在检测仪器界面上。
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在二分区内设置的缺陷模块均能在线阵探头激发的声场中有明显的响应信号，响应信号清晰可辨识，多个缺陷模块响应信号能同时反馈在检测仪器界面上。
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在三分区内设置的缺陷模块均能在线阵探头激发的声场中有明显的响应信号，响应信号清晰可辨识，多个缺陷模块响应信号能同时反馈在检测仪器界面上。
从上述仿真结果可知，在三个分区内设置的缺陷模块均能在对应的探头激发的声场中产生明显的响应信号，所有的缺陷响应信号之间清晰可辨。同时，通过预先导入的大厚度焊缝工件模型，能实时显示缺陷响应信号在焊缝中的具体位置，有助于缺陷信号的识别和最终判定。
3、结论
本文选用大厚度板对接焊缝进行了CIVA模拟仿真，将对接焊缝划分为上中下三个分区，对三个分区的声束覆盖情况进行了探究，并据此选择了合适的检测策略。同时分别在三个焊缝分区内预置了相同缺陷模块（Φ1mm×10mm横通孔，模拟缺陷），通过线阵探头和双晶线阵探头按照选定的检测策略运行检测，得出如下结论：
1）采用双晶和线阵探头配合的检测策略（一分区使用双晶线阵探头，二分区和三分区使用线阵探头），除焊缝顶部几毫米盲区外，可实现对整个大厚度板材对接焊缝的声束全覆盖；
2）采用双晶和线阵探头配合的检测策略，预设的焊缝三个分区内的所有缺陷模块均有明显的响应信号，缺陷响应信号清晰，缺陷信号之间能明确地区分开；
3）同一时刻，在探头声场覆盖范围内的所有缺陷模块均能同时产生缺陷响应信号，并同时反馈在仪器检测面板上；
4）通过预先加载工件模型的方式，检测过程中产生的声波响应信号能实时反馈在工件模型上，标识出相应缺陷模块在对应工件中的具体位置，缺陷定位清晰明了。
通过仿真结果可知，本文选定的线阵探头和双晶线阵探头配合使用的检测策略在大厚度工件焊缝中的检测是可行的。
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