焊缝超声波探伤

焊缝手动超声波探伤锅炉压力容器和各种钢结构主要采用焊接方法制造。射线探伤和超声波探伤是对焊缝进行无损检测的主要方法。对于焊缝中的裂纹、未熔合等面状危害性缺陷，超声波比射线有更高的检出率。随着现代科技快速发展，技术进步。超声仪器数字化，探头品种类型增加，使得超声波检测工艺可以更加完善，检测技术更为成熟。但众所周知：超声波探伤中人为因素对检测结果影响甚大；工艺性强；故此对超声波检测人员的素质要求高。检测人员不仅要具备熟练的超声波探伤技术，还应了解有关的焊接基本知识；如焊接接头形式、坡口形式、焊接方法和可能产生的缺陷方向、性质等。针对不同的检测对象制定相应的探伤工艺，选用合适的探伤方法，从而获得正确的检测结果。射线检测局限性：1.辐射影响，在检测场地附近，防护不当会对人体造成伤害。2.受穿透力等局限影响，对厚截面及厚度变化大的被检物检测效果不好。3.面状缺陷受方向影响检出率低。4.不能提供缺陷的深度信息。5.需接近被检物体的两面。6.检测周期长，结果反馈慢。设备较超声笨重。成本高。常规超声波检测不存在对人体的危害，它能提供缺陷的深度信息和检出射线照相容易疏漏的垂直于射线入射方向的面积型缺陷。能即时出结果；与射线检测互补。超声检测局限性：1.由于操作者操作误差导致检测结果的差异。2.对操作者的主观因素（能力、经验、状态）要求很高。3.定性困难。4.无直接见证记录（有些自动化扫查装置可作永久性记录）。5.对小的（但有可能超标的缺陷）不连续性重复检测结果的可能性小。6.对粗糙、形状不规则、小而薄及不均质的零件难以检查。7.需使用耦合剂使波能量在换能器和被检工件之间有效传播。超声波的一般特性：超声波是机械波（光和X射线是电磁波）。超声波基本上具有与可闻声波相同的性质。它们能在固态、液态或气态的弹性介质中传播。但不能在真空中传播。在很多方面，一束超声波类似一束光。向光束一样，超声波可以从表面被反射；当其穿过两种声速不同物质的边界时可被折射（实施横波检测基理）；在边缘处或在障碍物周围可被衍射（裂纹测高；端点衍射法基理）。第一节焊接加工及常见缺陷一、焊接加工1、焊接方法：有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊、电渣焊、气焊（氧气+乙炔）。焊接过程实际上是一个冶炼和铸造过程。利用电能或其它能量产生高温熔化金属，形成熔池，熔融金属在熔池中经冶金反应后冷却，将两母材牢固的结合在一起，形成焊接接头。焊接过程中，其焊弧温度高达6000℃，相当于太阳表面温度。熔池温度也在1200℃以上。因局部高温带来以下问题：易氧化；产生夹渣；渗入气体（空气中氧、氮）；产生应力。为防止有害气体渗入，手工电弧焊是利用外层药皮高温时分解产生的气体形成保护。埋弧焊和电渣焊是利用固体或液体焊剂作为保护层。气体保护焊是利用氩气或二氧化碳气（惰性气体）作保护层。2、接头形式：有对接接头、角接接头、T型接头和搭接（搭接接头在锅炉压力容器中不允许采用）。对接接头角接接头T型接头搭接接头3、坡口形式：I型、V型、U型、X型、K型为保证两母材焊接时能完全熔合，焊前将母材加工成一定的坡口形状，使其有利于焊接实施。其形状和各部名称如下：坡口角度坡口面钝边根部间隙坡口目的————保证全熔透，减少填充量。钝边目的————保证全熔透，防止咬边。间隙目的————保证全熔透，控制内凹、未焊透。二、焊缝中常见缺陷及产生原因1、焊缝常见缺陷：气孔、夹渣、夹钨、内凹、焊瘤、烧穿、未焊透、未熔合、裂纹等。2、缺陷形成及产生原因：a.气孔——熔池冷却凝固之前来不及逸出残留气体（一氧化碳、氢气）而形成的空穴。因焊条焊剂烘干不够；坡口油污不干净；防风不利导致电弧偏吹；保护气体作用失效等原因所至。b.夹渣——残留在焊缝内的溶渣或非金属夹杂物（氮化物、硅酸盐）。因坡口不干净；层间清渣不净；焊接电流过小；焊接速度过快；熔池冷却过快，熔渣及夹杂物来不及浮起等原因导致。c.未焊透——接头部分金属未完全熔透。因焊接电流小；焊速过快；坡口角度小；间隙小；坡口加工不规范；焊偏；钝边过大等原因所至。d.未熔合——填充金属与母材或填充金属之间未熔合在一起。因坡口不干净；电流小；运条速度快；焊条角度不当（焊偏）等原因所至。e.夹钨——钨熔点高，未熔化并凝固在焊缝中。因不熔化极氩弧焊极脱落导致。f.内凹——表面填充不良。因焊条插入不到位。g.裂纹——焊接中或焊接后，在焊缝或母材的热影响区局部的缝隙破裂。热裂纹——焊缝金属从液态凝固到固体时产生的裂纹（晶间裂纹）；因接头中存在低熔点共晶体，偏析；由于焊接工艺不当所至。冷裂纹——焊接成形后，几小时甚至几天后产生（延迟裂纹）。产生原因：相变应力（碳钢冷却过快时，产生马氏体向珠光体、铁素体过渡时产生）；结构应力（热胀冷缩的应力、约束力越高应力越大，这是低碳钢产生冷裂纹的主要原因。忌强力装配）和氢脆（氢气作用使材料变脆，壁厚较大时易出现）所至。再热裂纹——再次加热产生。3、缺陷在设备服役中的危害：一般危害——气孔；夹渣；内凹（焊缝截面强度降低，腐蚀后造成穿孔、泄漏）严重危害——裂纹；未熔合；未焊透未熔合：面状缺陷，应力集中，易产生裂纹。未焊透：垂直于焊缝，根部未焊透易腐蚀；有发展裂纹趋势。裂纹：尖锐的面状缺陷，达临界深度即断裂失效。第二节平板对接焊缝超声波探伤焊缝的超声波检测———可用直射声束法或斜射声束法（无需磨平余高）进行检测。实际探伤中，超声波在均匀物质中传播，遇缺陷存在时，形成反射。此时缺陷即可看作为新的波源，它发出的波被探头接收，在荧光屏上被解读。JB/T4730-2005标准规定缺陷长度的测定是以缺陷波端点在某一灵敏度（定量线）下，移动探头，该波降至50%时为缺陷指示长度，以此作为判定依据。而此时正是探头中心对准缺陷边缘时的位置。缺陷越小，缺陷回波越不扰乱探头的声场；由扫查法（此时用移动探头测定缺陷长度）测定缺陷尺寸不正确（适用当量法）。此法测定的不是缺陷尺寸，而是声束宽度。惠更斯原理称：波动是振动状态的传播，如果介质是连续的（均匀介质可连续传递波动），那么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动。因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。（当探测小于探头晶片尺寸的缺陷时，其指示长度与探头直径相近）一、探伤条件选择1.根据图纸、合同要求选用规范、标准（JB/T4730-2005）。确定检测技术等级（A级；B级；C级）2.频率选择：一般焊缝的晶粒较细，可选择较高频率；2.5~5.0MHz对板厚较薄焊缝，采用高频率，提高分辨力。对厚板焊缝和材质衰减明显的焊缝，应采用较低频率探伤，以保证探伤灵敏度。3.K值选择：①使主声束能扫到整个焊缝截面；a.要素②使声束中心线尽量与主要危害性缺陷垂直；③保证有足够的探伤灵敏度。aL0bb.公式：K≥a+b+L0T（不能满足此条件，中间有一主声束扫查不到的菱形区域。这一区域内缺陷可能漏检）；副声速也可能扫到，但找不到最高波，无法定量。焊缝宽度对K值选择有影响。在条件允许（探伤灵敏度足够）的情况下，应尽量采用大K值探头。c.根据工件厚度选择K值：薄工件采用大K值探头，避免近场探伤，提高定位、定量精度。厚工件采用小K值探头，以缩短声程，减小衰减，提高探伤灵敏度。同时还可减少打磨宽度。JB/T4730-2005推荐K值工件厚度mmK值6~253.0~2.025~462.5~1.546~1202.0~1.0120~4002.0~1.0d.K值会因工件声速变化（斯涅尔定律）和探伤中探头的磨损而产生变化。所以要经常K值进行校验。变化规律：声速快，K值变大；探头后面磨损大，K值变大。4.试块选择：JB/T4730-2005标准中规定的标准试块有；CSK-ⅠA；CSKⅡA；CSKⅢA；CSKⅣ。CSK-ⅠA试块用于超声波仪器、探头系统性能校准和检测校准。CSKⅡA；CSKⅢA；CSKⅣ试块用于超声波检测校准。CSKⅡA；CSKⅣ试块的人工反射体为长横孔。长横孔反射波在理论上与焊缝的光滑的直线熔渣相似。同时，利用横孔对不同的声束折射角也能得到相等的反射面；但需要不同深度对比孔，适应不同板厚的焊缝检测。长横孔远场变化规律，因距离变化，其变化规律更类似于未焊透。在长横孔试块上绘制曲线，测定灵敏度，适用未焊透类缺陷的控制。长横孔变化规律：（不适合近场）△dB=10lgDf1X23Df2X13CSKⅢA试块的人工反射体为短横孔。短横孔远场变化规律，因距离变化，其变化规律似球孔。以此绘制曲线，灵敏度可有效的控制点状缺陷。但此灵敏度对条状缺陷偏严。对中厚板检测灵敏度偏高。短横孔变化规律：（不适合近场）△dB=10lgDf1X24Df2X14两种反射体试块因反射体类型不同，两者灵敏度不相同。反射规律不同，曲线规律亦不同。所控制检测对象不同。故二者不得混用。5.耦合剂：在超声波直接接触法探伤中，探头和被检物之间不加入合适的耦合剂，探伤是无法完成的。耦合剂可以是液体、半液体或粘体。并应具备下列性能：a.在实际检测中能提供可靠的声耦合；b.使被检物表面与探头表面之间润湿，消除两者之间的空气；c.使用方便；d.不会很快地从表面流溢；e.提供合适的润滑，使探头在被检物表面易于移动；f.耦合剂应是均匀的，且不含有固体粒子或气泡；g.避免污染，并且没有腐蚀、毒性或危害，不易燃；h.在检测条件下，不易冻结或汽化；i.检测后易于清除。常用耦合剂有机油；糨糊；甘油；润滑脂（黄油）；水。机油不利于清除，还给焊缝返修带来不利。糨糊更有利于垂直、顶面探伤。耦合剂的另一重要特性是其声阻抗值应介于探头晶片与被检材料声阻抗值之间（Z2=√Z1•Z3，薄层介质声阻抗为两侧介质阻抗几何平均值时，声强透射率等于1，超声全透射）。操作者的技术对良好的耦合是重要因素，整个过程对探头施加均匀、固定压力，有助于排除空气泡和获得均匀的耦合层厚度。6.探伤面：清除焊接飞溅、氧化皮、锈蚀、油漆、凹坑（用机械、化学方法均可）检测表面应平整，便于探头扫查移动。表面粗糙度≯6.3μm。一般应打磨。a.检测区宽度——焊缝本身加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的一段区域（5~10mm）。b.探头移动区宽度：（P=2KT）一次反射法检测，应大于或等于1.25P；直射法检测，应大于或等于0.75P。c.母材检测：C级检测有要求（较重要工件或图纸有要求时）应进行母材检测。仅作记录，不属于母材验收。看其是否有影响斜探头检测结果的分层类缺陷。母材检测要求：①.2~5MHz直探头，晶片直径10~25mm；②.检测灵敏度：无缺陷处第二次底波调为屏幕满刻度的100%；③.缺陷信号幅度超过20%时，应标记记录。7.探测方向选择根据工件结构；坡口角度、形式；焊接中可能出现缺陷的方向性以及危害性缺陷。选用主声束尽量与其垂直的入射方向。B级检验：a.纵向缺陷检测：①.T=8~46mm时，单面双侧（一种K值探头，直射波和一次反射波法）检测；②.T46~120mm时，双面双侧（一种K值，直射波法）检测。如受几何条件限制，也可在双面单侧或单面双侧采用两种K值探头检测。③.T120~400mm时，双面双侧（两种K值，直射波法）检测。两探头折射角相差≮100。b.横向缺陷检测：①.在焊缝两侧，声束轴线与焊缝中心线夹角10~200作斜平行探测（正反两个方向）；②.若焊缝磨平，可在焊缝及热影响区上作两个方向的扫查；③.电渣焊易出现人字形横裂纹，可用K1探头以450夹角在焊缝两侧，作正反两个方向的斜平行扫查。C级检验：a.应将焊缝余高磨平；焊缝两侧的斜探头扫查区域之母材用直探头进行检测；b.T=8~46mm时，单面双侧（两种K值，探头折射角相差≮100，其中一个为450；一次反射法）检测；c.T46~400mm时，双面双侧（两种K值，探头折射角相差≮100，一次反射波）检测；对于单侧坡口小于50的窄间隙焊缝，如有可能应增加对与坡口表面平行缺陷的有效检测方法（如串列扫查）；d.应进行横向缺陷检测。8.前沿、K值测定a.前沿测定：可在CSK-IA试块上，利用R50；R100圆弧测定。将探头放置在IA试块上，前后移动探头，找到最高波，量