超聲波無損檢測在蝸殼焊縫質量檢測中的應用

張永睿， 李 志

(四川二灘建設咨詢有限公司，四川成都 610051)

1 超聲波無損檢測的基本原理

超聲波無損檢測主要是通過超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術，主要是基于超聲波在試件中的傳播特性。檢測過程如下:

(1)聲源產生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入試件;

(2)超聲波在試件中傳播并與試件材料及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變;

(3)改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并可對其進行處理和分析;

(4)根據接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特性。

2 超聲波無損檢測在蝸殼焊縫質量檢測中的應用

金屬蝸殼是水輪機的一個重要組成部分，隨著機組型號越來越大，蝸殼尺寸也隨之增大，整個金屬蝸殼必然分為多節，每節由多個瓦片組成，必然涉及到多個瓦片的拼裝以及管節的組對，存在多條縱縫及環縫，在《水電水利工程水輪機金屬蝸殼現場制造安裝及焊接工藝導則》DL5070—1997中對縱縫及環縫定義:“3.0.3縱縫 與蝸殼環向水流方向一致的焊縫，即蝸殼瓦片間組合焊縫。3.0.4環縫 與蝸殼環向水流方向垂直的焊縫，即蝸殼單節間的組合焊縫。”

鑒于以上所述金屬蝸殼的質量主要取決于焊縫質量，采用何種無損檢測方法檢查焊縫質量，在《水電水利工程水輪機金屬蝸殼現場制造安裝及焊接工藝導則》DL5070—1997中，第“8.0.3焊縫內部無損檢測可選用超聲波檢測(代號UT)或射線檢測(代號RT)方法。當其中一種無損檢測方法檢查有疑問時，應采用另一種無損檢測方法復查。焊縫表面可選用磁粉檢測有關規定或滲透檢測有關規定。”由于射線檢測(代號RT)對環境要求高，對檢測人員身體有可能造成傷害，加之經濟成本比較高，因而焊縫內部無損檢測一般采取超聲波檢測(代號UT)，焊縫表面可選用磁粉檢測(代號MT)。

一般的焊縫內常見的缺陷有:氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等。到目前為止，超聲波檢測還沒有一個成熟的方法對缺陷的性質進行準確的評判，只是根據熒光屏上得到的缺陷波的形狀和反射波高度的變化結合缺陷的位置和焊接工藝對缺陷進行綜合估判。

2.1 氣 孔

2.1.1 缺陷波在探傷儀熒光屏上的顯示

單個氣孔回波高度低，波形為單縫，較穩定。從各個方向探測，反射波大體相同，但稍一動探頭即消失，密集氣孔會出現一簇反射波，波高隨氣孔大小而不同，當探頭作定點轉動時，會出現此起彼落的現象。

2.1.2 氣孔產生的原因

焊接時，熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而形成空穴。由于氣孔的存在，焊縫的有效截面減小，過大的氣孔會降低焊縫的強度，破壞焊縫金屬的致密性。產生氣孔的主要原因是坡口邊緣不清潔，有水份、油污和銹跡，焊條或焊劑未按規定進行烘焙，焊芯銹蝕或藥皮變質、剝落等。

2.1.3 防止產生氣孔的主要措施

選擇合適的焊接電流和焊接速度，認真清理坡口邊緣的水份、油污和銹跡，嚴格按規定保管、清理和烘焙焊接材料，不使用變質的焊條。當發現焊條藥皮變質、剝落或焊芯銹蝕時，應嚴格控制其使用范圍。

2.2 夾 渣

2.2.1 缺陷波在探傷儀熒光屏上的顯示

點狀夾渣回波信號與點狀氣孔相似，條狀夾渣回波信號多呈鋸齒狀、波幅不高，波形多呈樹枝狀，主峰邊上有小峰，探頭平移波幅有變動，從各個方向探測時，反射波幅不相同。

2.2.2 夾渣產生的原因

焊后殘留在焊縫中的熔渣和氣孔一樣，由于夾渣的存在，焊縫的有效截面減小，過大的夾渣也會降低焊縫的強度和致密性。產生夾渣的主要原因是焊件邊緣有氧割或碳弧氣刨熔渣，坡口角度或焊接電流太小，或焊接速度過快。在使用酸性焊條時，由于電流小或運條不當形成夾渣;使用堿性焊條時，由于電弧過長或極性不正確也會造成夾渣。

2.2.3 防止產生夾渣的主要措施

正確選擇坡口尺寸，認真清理坡口邊緣，選用合適的焊接電流和焊接速度，運條擺動要適當;多層焊時，仔細觀察坡口兩側的熔化情況，每一層都要認真清理焊渣。

2.3 未焊透

2.3.1 缺陷波在探傷儀熒光屏上的顯示

反射率高、波幅也較高，探頭平移時，波形較穩定，在焊縫兩側檢測時均能得到大致相同的反射波幅。

2.3.2 未焊透產生的原因

產生未焊透的主要原因是焊件裝配間隙或坡口角度太小，焊件邊緣有較厚的銹蝕，焊條直徑太大，電流太小，運條速度過慢以及電弧太長、極性不正確等。

2.3.3 防止產生未焊透的措施

合理選用焊接電流和速度，正確選取坡口尺寸，封底焊清根要徹底，運條擺動要適當，密切注意坡口兩側的熔化情況。

2.4 未熔合

2.4.1 缺陷波在探傷儀熒光屏上的顯示

探頭平移時，波形較穩定，兩側探測時，反射波幅不同，有時只能從一側探到。

2.4.2 未熔合產生的原因

坡口不干凈、焊速太快、電流過小或過大、焊條角度不對、電弧偏吹等。

2.4.3 防止產生未熔合的措施

正確選用坡口和電流，正確操作，防止焊道形成中間高、兩側低的現象，將坡口清理干凈，不留焊縫死角等。

2.5 裂 紋

2.5.1 缺陷波在探傷儀熒光屏上的顯示

回波高度較大、波幅寬，會出現多峰，探頭平移時，反射波連續出現波幅有變動;探頭轉動時，波峰有上下錯動現象。

2.5.2 裂紋產生的原因

裂紋分為熱裂紋和冷裂紋。

產生熱裂紋的主要原因:焊接熔池中存在有低熔點雜質。由于雜質熔點低，結晶凝固最晚，而且凝固以后的塑性和強度又極低，因此，當外界結構拘束力足夠大時，由于焊縫金屬的凝固收縮以及不均勻的加熱和冷卻作用，熔池中的低熔點雜質或在凝固的過程中就被拉開，或凝后不久被拉開，從而造成晶間開裂，即熱裂紋。

產生冷裂紋的原因:在焊接熱循環作用下，熱影響區生成淬硬組織，焊縫中存在過量的擴散氫且具有濃集的條件，接頭承受有較大的約束應力。

2.5.3 防止產生裂紋的措施

防止產生熱裂紋的措施:認真把好材料關，壓力鋼管使用的鋼板和焊接材料應具有出廠質量證明書。嚴格控制焊接工藝參數，減慢冷卻速度，遵守工藝規格，適當提高焊縫形狀系數;盡可能采用小電流、多層、多道焊，以避免焊縫中心產生裂縫。認真執行工藝規程，選取合理的焊接程序，以減少焊接應力。

防止產生冷裂紋的措施:選用低氫型焊條，減少焊縫中擴散氫的含量;嚴格遵守焊接材料的保管、烘焙、使用制度，謹防受潮;仔細清理坡口邊緣的油污、水份和銹跡，減少氫的來源;采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，減小焊接應力。

3 結語

通過簡單闡述超聲波無損檢測原理，就蝸殼焊縫中容易出現的氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等5類缺陷在探傷儀熒光屏上的顯示做了簡單描述，同時分析了缺陷產生的原因，提出了防止產生缺陷的措施。超聲波無損檢測不僅能檢測焊縫內部存在的缺陷，還能有針對性地采取防止缺陷產生的措施，確保焊縫質量，從而保證金屬蝸殼質量。