20（G）板不同焊接缺陷的磁記憶信號檢測分析

孫燕華　王威強　宋明大　閆紀憲（1.山東大學 濟南 50061）（.山東省特種設備檢驗研究院 濟南 50101）（3.山東省特種設備安全工程技術研究中心 濟南 50061）

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20（G）板不同焊接缺陷的磁記憶信號檢測分析

孫燕華1，2王威強1，3宋明大2閆紀憲2
（1.山東大學 濟南 250061）
（2.山東省特種設備檢驗研究院 濟南 250101）
（3.山東省特種設備安全工程技術研究中心 濟南 250061）

摘 要：使用TSG-2M-8型應力集中磁記憶測試儀對15塊材質為20鋼的焊接試塊表面磁場進行掃描測試，通過與射線、超聲、TOFD三種試塊無損檢測結果對比分析，發現磁記憶信號能有效反應氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。存在氣孔、未焊透、夾渣等缺陷時，磁場強度曲線會出現過零點，存在裂紋或未熔合等缺陷時，磁場強度曲線則出現峰值。可利用該特征對在役特種設備焊縫進行無損檢測。

關鍵詞：磁記憶 焊接缺陷 無損檢測

在焊接過程中，焊縫中會有殘余磁化現象產生，其殘余磁化分布的方向和性質完全取決于焊接完成后金屬冷卻時殘余應力的分布和焊接工藝缺陷的性質。散射磁場具有突躍性變化。通過測量在焊接過程中形成的散射磁場變化，可以完成對焊接實際狀態的整體鑒定［1］。

目前國內有關金屬磁記憶方法或檢測的文獻中，大多是對表面缺陷或開口缺陷的研究［2-5］，而鮮少對金屬焊縫的埋藏缺陷的研究。李光霽等用金屬磁記憶法進行焊接缺陷檢測，驗證了磁記憶檢測方法的有效性，取得了一些有益的經驗［6］。李運濤等以HP345基氣瓶瓶身內壁加工的尖角槽為隱藏缺陷，研究了缺陷對磁記憶信號的影響，提出了通過加載識別真偽信號的方法［7］。俄羅斯學者杜波夫闡述了焊接工件固有磁場參數與缺陷特點之間的聯系，提出了用金屬磁記憶法評估管道焊接質量的準則［8］。前期學者未對典型缺陷進行系統性檢測分析，尚無對各種缺陷下磁記憶信號的特點的對比性研究，筆者對含缺陷的焊接試塊進行試驗，分析了磁記憶信號對不同缺陷的敏感程度及信號特征。不同缺陷對于磁記憶信號的反應可用于在線檢測特種設備焊接缺陷的存在。

1 試驗方案

選用規格為20mm×300mm×300mm的20鋼板對接焊縫試塊，首先采用TSC-2M-8型八通道應力集中磁記憶測試儀沿焊縫掃查，然后按縱向分區1～6垂直焊縫進行掃查，箭頭表示掃查方向，如圖1所示。儀器設置測試步長為1mm，探頭提離試塊表面5mm。考慮地磁場影響，試塊在同一位置進行測量。

圖1　磁記憶掃查分區及方向

試驗發現磁記憶信號有突變現象，為確定突變信號所示缺陷類型，對焊接試塊分別進行RT、UT 及TOFD檢測，并保留檢測結果。UT檢測儀器型號CTS-9003，探頭規格2.5P 8×12 K2；TOFD檢測儀器型號Olympus MXU-2.0R10，TOFD檢測礙于探頭尺寸，試塊兩端各有25mm檢測死區。

2 試驗結果

2.1 試塊010檢測結果對比分析

圖2是其中試塊編號為010的對接焊縫（含夾渣、未焊透、裂紋等缺陷）在不加載狀態下不同無損檢測的結果。

圖2　試塊編號010不同無損檢測結果

試塊010的檢測數據顯示見表1。通過對磁記憶檢測曲線與其他無損檢測方法對比分析可知，Hp-1曲線可靈敏的檢測出缺陷的位置，而且背掃曲線較正掃曲線更明顯。由UT及TOFD檢測的缺陷深度可知，磁記憶檢測對近表面的缺陷更為敏感。

夾渣是焊縫中殘留的熔渣。固體夾渣屬于體積缺陷，焊縫表面只有輕微受損，由于沒有出現明顯縫隙，焊縫缺陷處的應力集中比較明顯，磁場梯度值明顯增大。

未焊透是指焊接金屬母材之間，未被電弧熔化而留下的空隙。掃查到空隙處時，磁力線通過的介質發生改變，導致缺陷端部會出現磁場強度曲線過0點。

裂紋是在焊接應力及其他致脆因素共同作用下使焊接接頭局部地區的金屬原子結合力遭到破壞，而形成新的界面。鐵磁材料被磁化后，只要材料的形狀不是閉合形的或不是無限長的，材料內部的總磁場強度將小于外磁場強度。按磁荷的觀點，磁場是由正到負，退磁場的大小與磁荷數值及材料的形狀有關。磁力線在通過裂紋處時空間介質發生改變，或金屬中通過的磁力線數量發生改變，從而使磁場強度發生變化。

表1　不同無損檢測結果數據對比

2.2 試塊008各種檢測結果對比

圖3是其中試塊編號為008的對接焊縫（含氣孔、未熔合等缺陷）在不加載狀態下不同無損檢測的結果。試塊008的檢測數據顯示見表2，檢測結果與試塊010相符，均為近表面信號明顯。

表2　不同無損檢測結果數據對比

氣孔是焊接溶池在高溫時吸收了過多的氣體，而在冷卻時氣體在金屬中的溶解度急劇下降，氣體來不及逸出而殘留在焊縫金屬中形成的。在磁記憶檢測過程中，由于氣孔的存在，曲線會產生過零點的現象，且位置偏差一般不會超過5mm。

未熔合是焊縫金屬與母材之間，多焊道時焊縫金屬之間彼此沒有完全熔合在一起的現象。當母材坡口或前一層焊縫表面有銹或臟物，焊接時由于溫度不夠，未將其熔化而覆蓋上填充金屬，就形成層間或邊緣未熔合，其磁記憶機理與裂紋缺陷類似，在缺陷后端磁場強度梯度會出現最大值。

2.3 試塊010分區縱向掃查結果

分區縱向掃查結果如圖4所示。2#區域（夾渣）焊縫左側邊緣Hp-6線過零點，焊縫中間偏右位置Hp-1線出現反向最大值，與RT顯示的缺陷位置（見圖2）相符。3#區域（未焊透）焊縫左右兩側邊緣Hp-1線出現反向最大值-138A/m及-125.75A/m，焊縫中間偏右位置Hp-6線過零點，磁場梯度出現峰值dH1/dx：8.2 （A/m）/m，與RT顯示的缺陷位置（如圖2）相符。5#區域（裂紋）焊縫兩側dH1/dx出現峰值dH1/dx：10 （A/m）/m及9.5 （A/m）/m，焊縫中間位置Hp-1線出現反向最大值-185.6A/m，與RT顯示的缺陷位置（見圖2）相符。焊縫兩側出現突變信號的位置處于焊接熱影響區。

圖3　試塊編號008不同無損檢測結果

圖4　試塊010縱向掃查磁記憶信號

3 結果討論與分析

UT檢測是利用超聲波的良好的方向性，在不同介質的界面邊緣會發生折射、反射及波的轉換，通過獲取缺陷界面的回波檢測缺陷的位置及尺寸。RT檢測是基于射線對材料的穿透能力強，當遇到一定尺寸的缺陷存在時其衰減會發生較大改變，穿透材料的射線強度會發生改變，從而表現在膠片上。而TOFD檢測采用一發一收兩個寬帶窄脈沖探頭進行檢測，探頭相對于焊縫中心線對稱布置。發射探頭產生非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面傳播被接收探頭接收，部分波束經底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。磁記憶檢測利用外磁場（地球磁場）下的漏磁場變化，檢測缺陷存在位置，鐵磁材料的內部磁場在遇到缺陷時，磁路中材料介質會發生變化，磁導率隨之改變，部分磁感應線發生偏離，從而產生表面漏磁場。

經分析可知，TOFD檢測所檢測出的缺陷長度比UT及RT檢測缺陷長度要長；UT與RT檢測結果相近。當存在應力集中區域時，所有通道會同時出現符號的改變；通道上出現磁場分量Hp突然的不同極性分布，或者是某個通道的劇烈跳變表現了殘余應力水平，對于焊縫表明在焊縫體中有局部缺陷。磁記憶檢測結果顯示：

1）存在夾渣時，缺陷端部會出現磁場強度曲線過0點，吻合程度達85%以上，磁場梯度出現最大值；

2）存在未焊透時，缺陷端部會出現磁場強度曲線過0點，背掃曲線信號更為明顯，吻合程度達80%；

3）存在裂紋時，磁場強度曲線在缺陷前端出現反向峰值，缺陷后端出現正向峰值；

4）存在未熔合時，缺陷后端磁場強度曲線會出現最大值，偏差在20mm內；

5）存在氣孔時，磁場強度曲線會出現過0點，吻合程度可達80%。

6）縱向掃查結果在缺陷處信號更明顯，但焊縫邊緣及熱影響區域會產生信號干擾，無法完全準確的判斷缺陷位置及缺陷類型。

4 結論

磁記憶信號能有效反應氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷，但無法明確缺陷類型，且熱影響區等無缺陷的部位也會存在應力集中現象。存在氣孔、未焊透、夾渣等缺陷時，磁場強度曲線會出現過零點，且有夾渣時，磁場梯度出現最大值；存在裂紋或未熔合等缺陷時，磁場強度曲線則出現峰值。為進一步進行加載狀態下缺陷處磁記憶信號的檢測分析提供了基礎。可利用該特征對在役特種設備焊縫進行無損檢測，且操作方便，不受空間限制，可大大提高檢測效率。

參考文獻

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［3］ 唐德東，周鵬.磁記憶技術在管件裂紋檢測中的應用［J］.儀器儀表學報，2004，25（S）：255-256.

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［7］ 李光霽，孫國豪，潘家禎.用金屬磁記憶方法進行缺陷檢測［J］.華東理工大學學報（自然科學版），2006，32（8）：1007-1011.

［8］ Dubov AA，Kolokolnikov SM.焊接缺陷的金屬磁記憶法檢測［J］.焊管，2008，31（2）：44-47.

［國家質檢公益基金項目（基于磁性檢測技術損傷評價和腐蝕檢測技術研究）：201410026］

Magnetic Memory Signal Detection and Analysis of Different Welding Defects in 20 （G） Plate

Sun Yanhua1，2Wang Weiqiang1，3Song Mingda2Yan Jixian2
（1. Shandong University Ji'nan 250061）
（2. Shandong Provincial Special Equipment Inspection and Research Academy Ji'nan 250101）
（3. Engineering and Technology Research Center for Special Equipment Safety of Shandong Province Ji'nan 250061）

AbstractThe surface magnetic field of 15 welded block of 20 steel was tested by using TSG-2M-8 type stress concentration magnetic memory tester. By comparative analysis with three kinds of test results of the test block with radiographic test， ultrasonic test and TOFD， we found that magnetic memory signal can be effective response to the pores， lack of penetration， incomplete fusion and other welding defects. When there are defects such as pores，lack of penetration， slag， etc.， the magnetic field strength curve will appear over zero. In the presence of cracks or incomplete fusion， the magnetic field strength curve will appear the peak value. We can use this feature to carry out nondestructive testing of the welding seam of the special equipment in service.

KeywordsMetal magnetic memory testing Welding defect Nondestructive examination

中圖分類號：X924.1

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）05-0033-05

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.05.007

作者簡介：孫燕華（1987～），女，碩士，助理工程師，從事特種設備設計及檢驗工作。

收稿日期：（2015-12-09）