焊接接头超声波探伤

焊接接头超声波探伤罗爱民中国石化集团胜利石油管理局海上石油工程技术检验中心2011年6月21日二21三一1三主要内容焊接加工及常见缺陷钢制对接接头超声检测曲面、管座角焊缝和T形接头超声检测四管环焊缝超声检测五A体钢对接接头超声检测堆焊层超声检测六铝及铝合金焊接接头超声检测小径管焊接接头超声检测八在用承压设备焊接接头超声检测九焊接接头缺陷性质与非缺陷回波分析十七锅炉压力容器及一些钢结构件主要是采用焊接加工成形的，因此作为焊缝检验人员了解一些焊接有关知识是有必要的。1.1焊接接头形式什么是焊接？•利用电能或其他形式的能转化成热能，使接头的金属形成熔化或半熔化状态，通过熔化金属的治金反应或施加外力等将两母材牢固结合在一起的过程。焊接方法如何分类？四大类：熔焊、压焊、钎焊和特种焊。锅炉、压力容器、压力管道等特种设备的焊接大多采用熔焊，常见的熔焊有：•手工电弧焊（SMAW）。•埋弧自动焊（SAW)。•气体保护焊。（GMAW）（惰性气体保护焊，CO2气体保护焊，混合气体保护焊），•药芯焊丝自动焊。•电渣焊。。焊接接头有哪几种形式？主要有：对接接头，角接接头，T形接头和搭接接头等几种。图1对接接头：常用于锅炉、压力容器筒体纵、环焊缝，封头拼接焊缝，封头与筒体连接焊缝，接管与管子的对接焊缝等，有双面焊对接接头，单面焊对接接头和带垫板的单面焊对接接头等几种形式。角接接头：常用于锅炉压力容器接管、法兰、夹套、管板、管子和凸缘的焊接。T形接头：常用于锅炉炉胆与管板，压力容器中换热器的筒体与管板的焊接。搭接接头：在锅炉压力容器受压件结构中应用较少，常用于常压油槽等焊接结构中。1.2焊缝坡口形式为保证两母材施焊后能完全熔合，焊前应把接合处的母材加工成一定的形状，这种加工后的形状称为坡口。•常见的坡口型式有：Ⅰ型、V型、单V型、U型、X型、双U型、K型等。图2V形坡口各部分名称见右图V形坡口焊接接头各部分名称见右图图4图3•对接焊缝采用手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊和药芯焊丝焊，可根据板厚分别采用不开坡口，X形坡口、V形坡口、单U形坡口或双U形坡口等形式。•角接焊缝和T型接头常采用V形、单边V形、U型和K型等坡口形式。•搭接焊缝不开坡口即可施焊。•1.3焊缝中常见缺陷•焊接过程中在焊接接头中产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象称焊接缺陷。焊缝中常见的缺陷有：•1）形状和尺寸不良：•主要有咬边、焊瘤、凹坑、未焊满、烧穿、成形不良、错边、塌陷、表面气孔、弧坑缩孔，各种焊接角变形、波浪变形等，这些缺陷存在将对超声波探伤缺陷判断产生影响，因此，在对焊缝进行超声波探伤前，必须先对工件焊缝外观进行检查，发现有上缺陷时应尽量设法清除。•2）内部缺陷•主要有气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等，这些缺陷是超声波探伤的检测对象，检测的目的就是要发现这些缺陷。从事超声波探伤的人员必须了解其产生的特点、分布规律和对超声波的反射特性•（1）气孔是在焊接过程中焊接熔池吸收了过量的气体或治金反应产生的气体，在冷却之前来不及逸出而残留在焊缝金属内所形成的空穴。气孔所含的气体通常有：氢气、氮气、一氧化碳和二氧化碳等。•产生气孔的主要原因：焊接前焊条或焊剂未烘干；焊件表面污物清理不净；焊接过程中熔池保护不良等。•气孔形状：大多呈球形或椭圆形，也有条形等其他形状的气孔。•气孔存在方式：单个气孔、链状气孔和密集性气孔。（2）夹渣•是指焊后残留在焊缝金属内部的熔渣或非金属夹杂物。由焊接冶金反应产生的，焊后残留在金属中的微观非金属杂质（如氧化物、硫化物等）称夹杂物。钨极惰性气体保护时由钨极进入到焊缝钨粒称夹钨。•产生夹渣的主要原因：焊接电流过小、焊速过快、焊接过程清渣不干净等。•夹渣的存在形式：点状夹渣和条状夹渣。•(3)未焊透•焊接时接头根部未完全熔透的现象，对对接焊缝也指焊缝深度未达到设计要求使焊缝金属没有进入接头根部的现象，称未焊透。未焊透：是指焊接接头根部母材与母材未熔化焊合。•未焊透产生的主要原因：焊接电流过小、运条速度过快或焊接规范不当（如坡角度过小、根部间隙过小或钝边过大）等。•未焊透存在的部位：焊接接头根部，即钝边与钝边之间的未熔化焊合。•(4)未熔合•是指填充金属与母材之间或填充金属与填充金属之间未熔化焊合。•产生未熔合的主要原因：坡口清理不干净、运条速度过快、焊接电流过小、焊条角度不当、产生了弧偏吹、焊接处于向下焊位置时，在母材未熔化时已被铁水复盖等原因产生。•未熔合存在的部位：坡口未熔合、根部未熔合和层间未熔合。•(5)裂纹•是指在焊接过程中或焊后或焊后热处理中，在焊缝或焊接接头热影响区产生的局部破裂或缝隙。•按裂纹成因分为：热裂纹、冷裂纹和再热裂纹等。热裂纹是由于焊接工艺不当在施焊时产生的；冷裂纹是由于焊接应力过高、焊条焊剂中含氢量过高或焊件拘束应力过大造成的，常在焊缝冷却到一定温度后产生，因此又称为延迟裂纹：再热裂纹一般是焊件在焊后再次加热（消除应力或改善组织的加热过程）而产生的。•按裂纹的分布分为：焊缝区裂纹和热影响区裂纹。•按裂纹的取向分为：纵向裂纹和横向裂纹。•a.热裂纹•热裂纹是焊接过程中焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹，都是沿奥氏体晶界发生开裂。•热裂纹中结晶裂纹是焊缝金属在结晶过程中处于固相线附近的温度范围内，由于凝固金属的收缩，而且此时残余的液相不充足，在承受拉伸应力时造成沿晶界开裂。•多产生在含硫、磷、碳、硅较多的碳钢及低合金钢，低中合金钢焊缝中，也产生在单相奥氏体钢，镍基合金及某些铝合金焊缝中，结晶裂纹通常产生焊缝金属上，在个别情况下也发生焊接热影响区。•热裂纹中高温液化裂纹是由于焊接热循环峰值温度作用下，在焊接热影响区和多层焊的层间金属中如果含有低熔点共晶组成物，即可被重新熔化，当受到一定的拉伸•内应力时就会诱发和产生奥氏体晶间开裂，高温液化裂纹多发生在硫、磷、碳等杂质较多的铬镍高强度钢、奥氏钢，某些镍基合金的近缝区或多层焊的层与层之间，在母材及焊丝中，杂质含量越高产生高温液化裂倾向越大。•热裂纹中多边化裂纹是焊缝和近缝区在固相线温度以下的高温区内，由凝固金属中许多晶格缺陷（空穴、错位），物理化学性能不均匀性，组织的疏松、高温强度及塑性低等原因在温度和应力作用下，产生沿着多边化边界开裂。多边化裂纹大多产生在纯金属或单相奥氏体合金焊缝或焊接热影响区。•b.冷裂纹•冷裂纹是焊接接头冷却到较低的温度以下，大约在钢的马氏体转变温度（即MS或200~300℃的温度区）以下，由于拘束应力，淬硬组织和氢的作用下产生的裂纹，冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢焊缝的热影响区。•延迟裂纹是冷裂纹中一种比较普遍的形态，是钢的焊接接头冷却到室温后，并在一定时间（几小时甚至十几天）才出现的焊接冷裂纹。可在焊接接头的不同部位产生不同的延迟裂纹：产生在沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接冷裂纹称焊根•裂纹，产生在沿应力集中的焊趾处所形成的焊接冷裂纹称焊趾裂纹，裂纹取向与焊道平行，由焊趾表面向母材深处扩展，产生在靠近堆焊焊道的热影响区内形成的焊接冷裂纹称焊道下裂纹，一般情况下裂纹取向与熔合线平行，也有垂直于熔合线的。•c.再热裂纹•焊后焊件在一定温度范围再次加热时，由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹称消除应力裂纹，也称再热裂纹。再热裂纹也是沿晶开裂，但再热裂纹只在较低温度下一定范围内（约550℃~650℃）敏感，而热裂纹是在结晶过程中的固相线附近发生。•再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢以及镍基合金的焊接接头粗晶段，高强钢厚壁容器焊缝常出现这种再热裂纹。•d.层状撕裂•焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹称层状撕裂。属低温开裂，撕裂的温度不超过400℃，产生层状撕裂的原因主要是由轧制钢材内部存在分层状夹杂物（特别是硫化物、夹杂物等）和在焊接时产生垂直于轧制方向的应力，•使焊接热影响区产生“台阶”状开裂，可穿晶发展。层状撕裂大多发生在屈服强度高，且含有不同程度夹杂物的高强钢，如厚壁容器、大型结构件等T型接头，十字接头和角接头焊缝母材上（如T型接头的翼板上）比较易于产生层状撕裂。•当焊接接头中存在微气孔、微裂纹、咬肉、未焊透等尖角效应缺陷时都可能在应力作用下发生为层状撕裂。2.1焊接接头超声检测技术等级为什么要分等级？有哪几个等级？A、B、C。主要根据检测面的数量、检测探头的多少、是否检测横向缺陷、焊缝余高是否磨平来进行划分。如何选用？JB/T4730.3-2005标准规定：超声检测技术等级选择应符合制造、安装、在用等有关规范、标准及设计图样规定。•1）A级检测：原则上适用于与承压设备有关的支承件和结构件焊接接头的检测。技术要求：仅适用于母材厚度8mm～46mm的对接焊接接头。可用一种K值探头采用直射波法和一次反射波法在对接焊接接头的单面单侧进行检测。一般不要求进行横向缺陷的检测。•2）B级检测：适用于一般承压设备对接接接头的检测。技术要求：•a)母材厚度8mm～46mm时，一般用一种K值探头，采用直射波法和一次反射波法在对接焊接接头的单面双侧进行检测。•b)母材厚度大于46mm～120mm时，一般用一种K值探头采用直射波法在焊接接头的双面双侧进行检测，如受几何条件限制，也可在焊接接头的双面单侧或单面双侧采用两种K值探头进行检测。•c)母材厚度大于120mm～400mm时，一般用两种K值探头采用直射波法在焊接接头的双面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°。•d)应进行横向缺陷的检测。检测时，可在焊接接头两侧边缘使探头与焊接接头中心线成10°～20°作两个方向的斜平行扫查，见图5。如焊接接头余高磨平，探头应在焊接接头及热影响区上作两个方向的平行扫查，见图6。图6平行扫查图5斜平行扫查3）C级检测：适用于重要承压设备对接接接头的检测。a)采用C级检测时应将焊接接头的余高磨平，对焊接接头两侧斜探头扫查经过的母材区域要用直探头进行检测。b)母材厚度8mm～46mm时，一般用两种K值探头采用直射波法和一次反射波法在焊接接头的单面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°，其中一个折射角应为45°。c)母材厚度大于46mm～400mm时，一般用两种K值探头采用直射波法在焊接接头的双面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°。对于单侧坡口角度小于5°的窄间隙焊缝，如有可能应增加对检测与坡口表面平行缺陷有效的检测方法。d)应进行横向缺陷的检测。检测时，将探头放在与焊缝及热影响区上作两个方向的平行扫查，见图6.2.2检测条件的选择1）检测面准备检测面包括检测区和探头移动区。检测区的宽度？焊缝+两侧母材厚度30%（5-10mm）。探头移动区光洁度？表面粗糙度≤6.3μm，露出金属光泽。探头移动区宽度？探头移动区L为：a)采用一次反射法或串列式扫查探测时，探头移动区应大于1.25P；b)采用直射法探测时，探头移动区应大于0.75P；a)反射法：L=1.25P=2.5K=2.5Ttgβ式中：P—跨距mm，T—母材厚度mm，K—探头K值等于tgβ，β—探头折射角（°）。b）直射波（一次波）L=0.75×2TK=1.5TK式中字母意义同上。图7检测区2）耦合剂：水、化学浆糊、机油、甘油、变压器油、润滑脂等。水：流动性好、传输方便、价格便宜，但易流失、使焊缝生锈。自动检测系统中常用。甘油：声阻抗大、耦合好，但易对工件形成腐蚀坑、贵。在工作量小的时候可采用。机油、变压器油：附着力、黏度、润湿性较适当、无腐蚀、不贵，但去除较麻烦，比较常用。化学浆糊：耦合效果和机油差别不大、易清洗，目前在野外探伤应用最多。•3）频率：通常2～5MHZ。薄板：5MHZ。•4）K值选择：•选择原则：三条原则①使声束扫查到整个焊缝截面。（不漏检）②使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直。•（提高危险性缺陷检测率）•（焊缝中危险性缺陷大多与表面垂直）③保证有足够探伤灵敏度•如光从探头考虑：从斜入射往复透过率角度分析，有机玻璃→钢折射角β=40~50°（相当于K=1左右）往复透过率最高，大于20%~30%。此时检测灵敏度最