第七章 焊缝超声波检测

第七章焊缝超声波探伤锅炉、压力容器、压力管道和各种钢结构主要是采用焊接方法制造的。为了保证焊接质量，超声检测是检测焊接接头缺陷并为焊接接头质量评价提供重要数据的主要无损检测手段之一。为了能够合理的选择检测方法和检测条件，不仅要求检测人员具备熟练的超声波探伤技术，检测人员还应了解有关焊接的基本知识，如焊接接头形式、焊接坡口形式、焊接方法及工艺、焊接缺陷等。只有这样，探伤人员才能针对各种不同的焊接接头，采用适当的检测方法，获得比较正确的检测结果。本章主要结合JB/T4730.3-2005来详细介绍焊接接头的超声波检测方法。7.1焊接加工及常见缺陷锅炉压力容器及一些钢结构主要是采用焊接加工成形的。焊缝内部质量一般利用射线和超声波了检测。对于焊缝中的裂纹、未熔合等危险缺陷，超声波探伤比射线更容易发现。7.1.1焊接加工1）焊接过程常用的焊接方法有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊和电渣焊等。焊接过程实际上是一个冶炼和铸造过程，首先利用电能或其他形式的能产生高温使金属熔化，形成熔池，熔融金属在熔池中经过冶金反应后冷却，将两母材牢固的结合在一起。为了防止空气中的氧、氮进入熔融金属，在焊接过程中通常有一定的保护措施。手工电弧焊是利用焊条外层药皮高温时分解产生的中性或还原性气体作保护层。埋弧自动焊和电渣焊是利用液体焊剂作保护层。气体保护焊是利用氩气或二氧化碳等保护气体作保护层。焊接是指通过加热或加压，或两者兼用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子结合的一种加工方法。常用的焊接方法有熔焊、压焊、钎焊和特种焊接等。虽然新焊接方法不断出现，但应用最广泛的仍是熔焊，特别是在特中设备生产过程中。所以，超声检测的主要对象是熔焊焊接接头，如焊条电弧焊（ShieldedMetalArcWelding），埋弧焊（SubmergedArcWelding）、气体保护焊（GasMetaiArcWelding）、钨极氩弧焊（TIG）等形成的焊接接头。焊接过程实际上是一个冶炼和铸造过程，首先利用电能或其他形式的能量产生高温是金属熔化，形成熔池，熔融金属在熔池中经过冶金反应后冷却，将两种工件牢固地结合在一起。焊条电弧焊（SMAW）是指用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。焊条由焊芯和药皮两部分组成，焊接时焊芯可作为电极和填充材料，药皮在高温下分解产生中性或还原性气体作为保护层，防止空气中的氧、氮进入熔融金属，同时药皮可对焊缝金属起脱氧、脱硫，向焊缝渗入合金元素，调节焊缝金属凝固和冷却速度等作用。焊条电弧焊应用广泛，主要不足是通常每条焊道焊后都必须清除熔渣，劳动强度大；焊接质量受焊工操作水平和体力影响严重。值得注意的是，其形成的焊接接头是特种设备超声检测的重要对象埋弧焊（SAW）是利用焊剂做保护层，电弧在焊剂层下加热并熔化金属，利用电气和机械装置控制送丝和移动电弧的焊接方法。主要用于碳素钢、低合金钢、耐热钢及不锈钢焊缝的水平位置焊接，适用与厚度20mm以上的纵缝、环缝焊接，也可进行不锈钢和低合金钢的带极堆焊，在锅炉、压力容器和船舶制造中应用广泛。气体保护焊（GMAW）是利用氩气或二氧化碳等保护气体作保护层的电弧焊方法。其中，氩弧焊通常适用于0.5～5mm范围的薄板或管子的全位置焊接和堆焊，还经常使用与锅炉及压力容器重要受压元件焊缝根部的打底焊，从而确保焊缝根部质量。用二氧化碳气体或其他混合气体作为保护气体的电弧焊，在锅炉、压力容器制造中，如一些支座角焊缝、容器附件、膜式水冷壁的焊接，已逐步取代电弧焊。2）接头形式焊接接头形式主要有对接、角接、搭接和T型接头等几种；如图7.1所示。在锅炉压力容器中，最常见的是对接，其次是角接和T型接头，搭接少见。3）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，坡口各部分的名称如图7.2所示。根据板厚、焊接方法、接头形式和要求不同，可采用不同的坡口形式。常见对接和角接的坡口形式如图7.3所示。7.1.2焊缝中常见焊接缺陷焊缝中常见缺陷有气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等，如图7.4所示。1.气孔气孔是在焊接过程中焊接熔池高温时吸收了过量的气体或冶金反应产生的气体，在冷却凝固之前来不及逸出而残留在焊缝内形成的空穴。产生气孔的主要原因是焊条或焊剂在焊前未烘干，焊件表面污物清理不净等。气孔大多呈球形或椭圆形。气孔分为单个气孔、链状气孔和密集气孔。2.未焊透未焊透是指焊接接头部分金属未完全熔透的现象。产生未焊透的主要原因是焊接电流过小，运条速度太快或焊接规范不当（如坡口角度过小，根部间隙过小或钝边过大等）。未焊透分为根部未焊透、中间未焊透和层间未焊透等。3.未熔合未熔合主要是指填充金属与母材之间没有熔合在一起或填充金属层之间没有熔合在一起。产生未熔合的主要原因是坡口不干净，运条速度太快，焊接电流过小，焊条角度不当等。未熔合分为坡口面未熔合和层间未熔合。4.夹渣夹渣是指焊后残留在焊缝金属内的熔渣或非金属夹杂物。产生夹渣的主要原因是焊接电流过小，速度过快，清理不干净，致使熔渣或非金属夹杂物来不及逸出而形成的。夹渣分为点状和条状。5裂纹裂纹是指在焊接过程中或焊后，在焊缝或母材的热影响区局部破裂的缝隙。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刚性差异过大造成的。常在焊件冷却到一定温度后才产生，因此又称延迟裂纹。再热裂纹一般是焊件在焊后再次加热（消除应力热处理或其他加热过程）而产生的裂纹。按裂纹的分布可分为焊缝区裂纹和热影响区裂纹。按裂纹的取向可分为纵向裂纹和横向裂纹。焊缝中的气孔、夹渣是立体型缺陷，危害性较小。而裂纹、未熔合是平面型缺陷，危害性大。在焊缝探伤中，由于加强高的影响及焊缝中裂纹、未焊透、未熔合等危害性大的缺陷往往与检测面垂直或成一定的角度，因此一般采用横波探伤。7.2中厚板对接焊缝超声波探伤7.2.1探测条件的选择1）探测面的修整工件表面状况的好坏，直接影响探伤结果。因此，应清除焊接工件表面飞溅物、氧化皮、凹坑、锈蚀及油污等。一般使用砂轮机、锉刀、钢丝刷、磨石、砂纸等对探测面进行修整，表面粗糙度Ra一般不大于6.3μm。焊缝两侧探测面的修整宽度P一般根据母材厚度确定。厚度为8～46mm的焊缝采用二次波（一次反射法）探伤，探测面修整宽度为P1≥2KT+50（mm）（7.1）厚度大于46mm的焊缝采用一次波（直射法）探伤，探测面修整宽度为P2≥KT+50（mm）（7.2）JB/T4730.3-2005中5.1.4条规定如下：采用一次反射法检测时，探头移动区应大于或等于1.25P；或中：P――跨距，mm;T――母材厚度，mm;K――探头K值；β――探头折射角，（0）。2PKT2tanPTβ采用直射波法检测时，探头移动区应大于或等于0.75P。2）耦合剂的选择在焊缝探伤中，常用的耦合剂有机油、甘油、浆糊、润滑脂和水等。目前实际探伤中用的最多的是机油与浆糊（现在多为纤维素化学浆糊）。从耦合效果看，浆糊与机油差别不大，不过浆糊有一定的粘性，可用于任意姿势的探伤操作，并具有较好的水洗性。用于垂直面或顶面探伤具有独到的好处。3）频率选择焊缝的晶粒比较小，可选用较高的频率探伤，一般为2.5～5.0MHz。对于板厚较小的焊缝，可采用较高的频率；对于板厚较大，衰减明显的焊缝，应选用较低的频率。4）K值选择探头K值的选择应从以下三个方面考虑。(1)使声束能扫查到整个焊缝截面；(2)使声束中心线应尽量与主要危险性缺陷垂直；(3)保证有足够的探伤灵敏度。一般的焊缝都能满足使声束扫查整个焊缝截面。只有当焊缝宽度较大、K值选择不当时才会出现扫查不到的情况。由图7.5可以看出，用一、二次波单面探测双面焊缝时d1=(a+l0)/K,d2=b/K其中一次波只能检测到d1以下的部分（受上部余高的限制），二次波只能检测到d2以上部分（受下部余高的限制）。为保证能检测到整个检测区域截面，必须满足d1＋d2≤T，从而得到：0ablKT≥(9-3)式中a――上焊缝宽度的一半，mm；b――下焊缝宽度的一半，mm；l0――探头的前沿长度，mm；T――焊缝母材厚度，mm；K――斜探头K值。对于单面焊焊缝，b可忽略不记，此时：0alKT≥一般斜探头K值（角度）可根据工件厚度来选择。薄工件采用大K值，以便避免近场区探伤，提高定位、定量精度。厚工件采用小K值，以便缩短声程、减小衰减、提高检探伤灵敏度，同时还可以减小探头移动区域、减小打磨宽度。实际探伤时，可按表7.1选择K值。在条件允许的情况下，应尽量采用大K值探头。表7.1斜探头K值选择T（mm）8～25＞25～46＞46K3.0～2.02.5～1.52.0～1.0探伤时要注意，K值常因工件中的声速变化和探头的磨损而产生变化，所以探伤前必须在试块上实测K值，并在以后的探伤中经常校验。实际探伤中，常用CSK-ⅠA和CSK-ⅢA等试块来测定探头的K值。5）探测方向的选择(1)纵向缺陷：为了发现纵向缺陷，常采用以下三种方式进行探测。a:板厚T=8～46mm的焊缝，以一种K值探头用一、二次波在焊缝单面双侧进行探测，如图7.6（a）b:板厚46＜T≤120mm的焊缝，以一种或两种K值探头用一次波在焊缝双面双侧进行探测，如图7.6（b）c:板厚T≥100mm的焊缝，除以两种K值探头用一次波在焊缝两侧进行探测外，还应加用K1.0探头在焊缝单面双侧进行串列式探测，如图7.6（c）。(2)横向缺陷：为了发现横向缺陷，常采用以下三种方式探测：a:在已磨平的焊缝及热影响区表面以一种（或两种）K值探头，用一次波在焊缝两面作正反两个方向的全面扫查，如图7.7（a）。b:用一种（或两种）值探头的一次波在焊缝两面双侧作斜平行探测。声束轴线与焊缝中心线夹角小于100，如图7.7（b）。c:对于电渣焊中的“八字”形横裂，可用K1探头在450方向以一次波在焊缝两面双侧进行探测，如图7.7（c）。7.2.2扫描速度（时基线比例）的调节前面第四章中介绍了三种调节扫描速度的方法，即声程法。水平法和深度法。在用K值探头探伤焊缝时，最常用的是后两种。当板厚小于20mm时，常用水平法。当板厚大于20mm时，常用深度法。声程法多用于非K值探头。1.声程法声程法是使示波屏水平刻度值直接显示反射体实际声程。焊缝探伤中常用CSK-ⅠA、ⅡW2和半圆试块来调整，具体方法见第四章第四节。2.水平法该方法能使示波屏水平刻度值直接显示反射体的水平投影距离。焊缝探伤中常用CSK-ⅠA、CSK-ⅡA、CSK-ⅢA和半圆试块等来调整。下面介绍利用CSK-ⅢA试块来调节扫描速度的方法，其他试块的调节方法见6.5.1。（1）CSK-ⅢA试块横孔反射法该方法是利用CSK-ⅢA试块上不同距离的φ1mm×6mm两个短横孔来调整时间扫描线，如图9－10所示。为了减小误差，其中A孔应在近场外，B孔接近最大声程。具体调整方法如下：1）测出探头的入射点和K值。2)把示波屏上的始脉冲先左移约10mm。3）将探头对准横孔A，找到最高回波A，量出水平距离L1、调微调旋钮使A波前沿对准水平刻度L1，并作好标记（可用仪器上的标距点标出）。4）后移探头，找到B孔最大回波B，量出水平距离L2，若B波的读数Y和L2不符，应算出二者差值：X=L2-Y若X为正值，应将B波向大读数移动，当B、A两孔深度比为2时，顺时针转动微调旋钮，将B波调至Y+2X。若X为负值，应将B波向小读数移动Y－2X。5）用脉冲移位旋钮将B波调至L2，再前移探头，找到A波，若A波正对L1，这时水平1：1就调好了。若A波不是正对L1，则应利用A、B波反复调至与读数相符。该法同时调好了零位。3.深度法此方法是使示波屏水平宽度值直接显示反射体的垂直深度。焊缝探伤中常用CSK-ⅠA、CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、RB和半圆试块等来调整。下面介绍利用CSK-ⅢA来调整的方法，其他试块法见第四章第四节。探头分别对准A、B两横孔，如图7.8所示。反复调节［脉冲位移］和［微调］，使两孔的最高回波分别对准水平刻度d1、d2即可。如果