薄板角接焊缝超声检测的参数确定

杜红燕　刘秀忠　刘德镇

(山东大学材料科学与工程学院,山东济南　250061)

摘　要:通过对薄板角接焊缝内的体积型缺陷和面积型缺陷的检测试验,阐述了角接焊缝数字超声检测的方法,以及各种探头的技术参数的确定,从而得出此种探测方法用于实际薄板角接焊缝探测过程,有利于减少盲区,防止漏检。

关键词:角焊缝;超声检测;焊缝;未焊透

中图分类号:T G115.28　文献标识码:A　文章编号:167124423(2003)06216204

　　随着科学技术的发展,锅炉和压力容器的结构也有了一定的改变,目前在承受压力的主焊缝中已经出现了板—板角接焊缝。锅炉、压力容器是国家严格监测和控制的特殊设备,在生产和使用过程中,必须按照《压力容器安全技术监察规程》的规定对其进行检验或定期检测,以保证锅炉、压力容器的正常运行及人民生命财产的安全。

板—板角接焊缝的检测容易受到焊缝的余高、焊角、板面多次反射波的干扰,超声检测对缺陷的识别就有一定的困难。中厚度板的角接焊缝结构在进行超声波检测时,焊缝的余高容易估计,板面反射波也容易区分,同时可以避免在近场区附近探伤。但是,薄板角接焊缝和中厚板角接焊缝相比,在探头、试块的选择、仪器的调整、检测工艺的确定、波形判别及结果评定等方面,却有一定的困难性和复杂性。在对薄板角接焊缝探测时,由于板薄、焊接变形、焊缝尺寸等因素的影响,缺陷波一般出现在近场区附近,有一些盲区难以扫查造成漏检,并且容易受到变形波、表面波和杂波的干扰,难以得到较好的缺陷波形。因而,探伤方法和探头参数的选择就存在一定的局限性。如何选定好的探伤方法,确定探头的各种参数,就成为对薄板角焊缝检测的关键,同时也是保证锅炉、压力容器安全运行的关键。

1　角接焊缝中常见缺陷

在角接焊缝中极易出现的缺陷是未焊透、夹渣、气孔等,有时由于工艺不当,也会产生裂纹。裂纹的形成原因一般为熔池过深,且为一次焊接成形,焊缝在冷却过程中因横向收缩应力,引起纵向裂纹。焊缝中的缺陷按其形状可分为体积型缺陷和平面型缺陷。其中气孔、夹渣属于体积型缺陷,在不同方向上探测时,缺陷回波无明显变化;裂纹、未熔合、未焊透属于平面型缺陷,其在不同方向上探测时,其缺陷回波高度不一样,在垂直于缺陷方向上探测,缺陷回波高,在平行于缺陷方向上探测,缺陷回波低,甚至无缺陷回波。

2　探测方法

为了对角焊缝作全截面探测,一般采用直探头和斜探头相结合的探测方法。如图1所示,在①处采用直探头,在②③两处采用不同K值的斜探头探测。在实际探测时,可从方便经济有效性考虑,选用①+②或①+③的方法。在探伤时,为了避免余高的影响,尽量把余高磨平,对于磨平的焊缝可将斜探头直接放在焊缝上作平行移动,来检验焊缝或热影响区的横向缺陷。在①处扫查时,直探头作平行移动扫查,尽量使探头晶片中心不越过腹板边缘。在②③两处扫查时,斜探头应作锯齿形扫查。这样有利于对焊缝进行全面扫查

。

图1　角焊缝探测方法

第27卷第6期2003年12月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　无损探伤

N D T

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V o l.27N o.6

D ece m ber.2003

3　直探头参数的确定

在翼板①处采用直探头探测时,容易检测出近探头侧坡口面未熔合和根部未焊透。直探头频率与宽度的选择受到腹板厚度与检测深度范围的。一般直探头晶片宽度应小于腹板的厚度,同时也要考虑到近场区的影响。直探头频率、型式对可探测的深度范围有很大的影响。如表1所示。　

表1　两种频率的直探头声参数比较特性参数

`142.5M H z

`145M H z

K 2.36mm 1.18mm H 011.87°5.9°H 6

6.77°3.38°N

20.76mm

41.53mm

　　理论H 0为半扩散角,H 6为6dB 时的半扩散角

。通常频率高,灵敏度和分辨力就高,指向性好,对探伤有利。但频率高,近场区长度大,衰减大,对探伤不利。对15mm 以下薄板进行探测,要避免在近场区探测,同时得到较好的近表面缺陷回波,选用探头非常关键,一是选用特小的晶片,5M H z 的直探头,或者选用带有延迟块的双晶直探头。为了选定直探头的频率,特作以下试验。

特制试件15mm 的角接焊缝,缺陷为未焊透30～50mm ,位于试件长度方向上的中部深1～3mm 处。探测用`14mm 的2.5M H z 、

5M H z 的直探头在①处探测。直探头探测时,探头从母材侧向焊

缝侧移动,当声束扫查到焊缝金属边缘处时,底波开始减小。当声束轴线触及焊缝边缘附近时,母材底波即降为一半。若探头继续移动,底波依然很高或较高,则有可能是角焊缝中存在未熔合或未焊透缺陷

。

图2　2.5M H z

的缺陷回波波形图

图3　5M H z 的缺陷回波波形图

　　从图2、图3中可以看出要想得到较好的缺陷回波图形,应选用5M H z 的小晶片直探头。

4　斜探头参数的确定

4.1　斜探头晶片尺寸与频率的确定

一般焊缝探伤时多采用单斜探头,其原因就是

为了获得一个指向性好的横波。这样能够减少表面波的干扰,同时缺陷的当量变化也能得到改善。如表2所示,小晶片有利于提高声束的纵向分辨力,近场区长度小,避免了在近场区探测。薄板角焊缝探测时,要尽可能的选晶片面积小的斜探头。同时在下表中8×12(2.5P )与8×12(5P )相比较可以看出,频率对声束指向性也有很大的影响,提高频率能够改善声束指向性。因此,在保证不在近场区附近探测缺陷的情况下,应尽量选5M H z 的斜探头。

表2　各种斜探头声束特性参数值(2.5P )

13×139×98×122

2.5

3

2

2.5

3

2

2.5

3

入射角49.151.753.349.151.753.349.151.753.3折射角63.468.271.663.4

68.271.663.468.271.6YO Z 平面半角扩散5

.65.65.68.28.28.26.16.16.1近场区长度N (mm )21.419.013.66.6

6.05.2

9.18.2

7.2

8×12(5P )10×1622.53

22.53入射角49.151.753.349.151.753.3折射角63.468.271.6

63.468.271.6YO Z 平面半角扩散

3.03.03.0

4...6近场区长度N (mm )2

5.222.215.8

20.0

17.7

15..2　斜探头K 值的确定

斜探头的K 值选用K 1和另一个K 值探头,选

用K 1的目的是探测与探测表面成45°角的平面型缺陷和弥补1个探头不能进行全截面探测的缺陷。

从图4中可以看出,用两种K 值探头可以减少盲区,使危害性缺陷不至于漏检。从表2中可以看出,K 值增大,声束指向性降低,容易产生表面波和变形波的干扰,不能得到较好的缺陷波形。

71第6期　　　　　　　　　　杜红燕等:薄板角接焊缝超声检测的参数确定　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图4

4.3　试验

探头:A 　K =1　　8×12　　5P

B K =2

8×122.5P C K =29×95P D

K =2.5

8×12

5P

(1)在D =10mm 钢板上测试产生表面波与变

形波的程度。

(2)对D =15mm 钢板中深约12mm 的平面型缺陷和深约9mm 的体积型缺陷(均经过X 射线验证试验)进行探测,见图5～图12

。

图5　K 1深约9mm

的体积型缺陷

图6　K 1深约12mm

的平面型缺陷

图7　K 28×12　深约9mm

的体积型缺陷

图8　K 28×12　深约12mm

的平面型缺陷

图9　K 29×9　深约9mm

的体积型缺陷

图10　K 29×9　深约9mm

的平面型缺陷

图11　K 2.5　深约9mm 的体积型缺陷

81　　　　　　　　　　　　　　　　　　无　损　探　伤　　　　　　　　　　　　　　　第27卷

图12　K2.5　深约12mm的平面型缺陷

表3　测试结果分析

A B C D 产生的表面

波与变形波

少量有少量稍多

获得缺陷在腹板上能

够探测到两

处缺陷,且能

获得良好的

缺陷波形。如

图4平面形

缺陷,图5体

积形缺陷

有杂波干扰,

但都能探测

到两处缺陷。

如图6平面

形缺陷,图7

体积形缺陷

都能探测到

缺陷,且能获

得良好的缺

陷波形图。如

图8平面形

缺陷,图9体

积形缺陷

杂波开始增

多,但能够探

测到缺陷。如

图10平面形

缺陷,图11

体积形缺陷

评价可用可用良好可用　　从以上表3分析中可看出,对此种薄板角接焊缝探测,选用K1和K2的两种斜探头,频率选用5 M H z,小晶片的斜探头是行之有效的。

5　结束语

(1)在锅炉和压力容器的薄板角接焊缝探伤过程中,由于板薄、焊接变形、焊缝尺寸等因素的影响,在翼板外侧和腹板外侧两个探伤面上,选用两种角度探头探伤,再辅以直探头探伤,可防止缺陷漏检。

(2)在薄板角焊缝探伤过程中,最好选用小晶片,5M H z的K2和K1两种斜探头,避免了在近场区附近探伤,并且可获得良好的缺陷回波波形,有利于缺陷的辨别。薄板角焊缝探伤中直探头探伤也最好选用小晶片5M H z的探头。本文得出对薄板角接焊缝用上述探伤方法是行之有效的。

(3)标准选用,建议参考JB11345—《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级》和JB 3144—82《锅炉大口径管座角焊缝超声波探伤》。

(上接第24页)

(4)缺陷埋藏深度对漏磁场的影响

在工件的表层内存在缺陷时,则在工件表面上有漏磁场。漏磁场的分布以缺陷靠近工件表面的位置为中心呈近似半圆形状,缺陷埋藏,漏磁场最大,位于工件内部,随埋藏深度的增加,漏磁场逐渐减少,当埋藏深度足够大时,漏磁场将趋近于零。

(5)工件表面清洁度对漏磁场的影响

如果工件表面不干净,有覆盖层,那么工件表面的覆盖层会影响漏磁场,导致漏磁场的下降;同时也影响缺陷磁痕的显示。因此,车轮在磁探时,其表面必须保持干净、无污。

(6)工件材料及状态对漏磁场的影响

工件材质的晶粒越大,磁导率越大,矫顽力越小,漏磁场就越小;相反,工件材质的晶粒越小,磁导率越小,矫顽力越大,漏磁场就越大。

对碳钢而言,随着含碳量的增加,矫顽力也增加,但磁导率随着含碳量的增加反而下降,漏磁场增大。

钢材的热处理对漏磁场的影响较大。正火和退火状态的钢材,其磁性差别不大,漏磁场也差别不大;而退火和淬火状态的磁性差别较大,淬火可提高钢材的矫顽力和剩磁,漏磁场增大;淬火后随着回火温度的升高,矫顽力降低,漏磁场也降低。

4　总结

1、采用交流加磁,在完全满足技术条件的前提下,不但节省了整流设备,而且操作简单,容易实现,并且使被磁化的车轮容易退磁。

2、在实际的生产应用中,对铁路整体车轮进行磁粉探伤,这种探伤方法,设备不但结构简单,方便操作,而且节省了专门退磁这道工序,提高了工作效率,具有较好的发展前景。

3、发现裂纹的能力不但与设备性能有关,而且与裂纹的性质、状态等也有关。

4、操作工艺简单,易于实现操作自动化。

参考文献:

[1]任吉林,林俊明,高春法,等.电磁检测　北京:

机械工业出版社,2000

[2]全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核

委员会.磁粉探伤.中国锅炉压力容器安全杂志社,1999

[3]全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核

委员会.磁粉探伤.劳动人事出版社,1988

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