焊縫根部及近根部垂直面積型缺陷的超聲檢測

賽　鵬，王佐森，張建磊，鄧顯余，夏　珊,趙曉華

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司， 秦皇島 066206)

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焊縫根部及近根部垂直面積型缺陷的超聲檢測

賽鵬，王佐森，張建磊，鄧顯余，夏珊,趙曉華

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司， 秦皇島 066206)

超聲波檢測對(duì)接焊縫時(shí)，根部缺陷的檢出比較困難，而與被檢焊縫表面垂直的根部與近根部的面積型缺陷的檢出更加困難。依據(jù)超聲波檢測基礎(chǔ)理論，并結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套根部與近根部的面積型缺陷的評(píng)定方法，供業(yè)內(nèi)同行借鑒與參考。

超聲波檢測；焊縫；面積型缺陷；鑒定方法

隨著窄間隙坡口焊縫的增多，與超聲檢測表面相垂直的面積型缺陷也越來越常見。

而此類面積型缺陷的危害是比較嚴(yán)重的。對(duì)其采用射線和超聲檢測時(shí)，缺陷的檢出率都不高[1]。能有效檢出這種缺陷的超聲波TOFD法又易受底波的干擾，焊縫根部及近根部的缺陷檢出率也不高[2]。而最有效的串列式檢測法受兩探頭尺寸的限制，因此根部和近根部也是易漏檢區(qū)[3]。

筆者利用超聲A掃的衍射和端角反射原理,總結(jié)出一套檢出焊縫根部與近根部的垂直面積型缺陷的方法，以供同行參考。

1　標(biāo)準(zhǔn)、儀器、探頭的選擇

檢測標(biāo)準(zhǔn)：NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》、中國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，或與此標(biāo)準(zhǔn)接近的中國國家標(biāo)準(zhǔn)、ASME(美國機(jī)械工程師工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))、RCC-M(法國核電標(biāo)準(zhǔn))等標(biāo)準(zhǔn)均可實(shí)行此方法。

儀器：選用滿足檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)容的A型脈沖反射式數(shù)字探傷儀。

探頭：45°橫波斜探頭、頻率不小于2.5 MHz；探頭的靈敏度、分辨率、信噪比參數(shù)穩(wěn)定。

晶片尺寸：依據(jù)工件厚度選擇13 mm×13 mm，14 mm×16 mm，18 mm×18 mm，20 mm×20 mm等尺寸。

2　儀器線性和檢測靈敏度的校準(zhǔn)要求

(1) 超聲檢測焊縫根部時(shí)，區(qū)分幾何信號(hào)和缺陷信號(hào)的方法主要有兩種：深度定位法和水平定位法。儀器的水平線性精準(zhǔn)與否對(duì)焊縫根部的缺陷判別至關(guān)重要[4]，要求儀器調(diào)校好后的水平線性偏差要小于最大檢測深度的1%。

(2) 超聲檢測焊縫根部和近根部面積型缺陷時(shí)，需要衍射回波能量，所以要求較高的檢測靈敏度。采用CSK-ⅢA試塊，φ1 mm×6 mm短橫孔時(shí)，按NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定靈敏度，即可發(fā)現(xiàn)長度5 mm左右的垂直面積型缺陷；采用CSK-ⅡA試塊，φ2 mm×40 mm長橫孔時(shí)，在按NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定靈敏度的基礎(chǔ)上，增益再提高6～10 dB即可。因?yàn)閮煞N孔在同深度上，回波幅值相差幾dB到十幾dB。這是不同探頭和不同孔深造成的差異，深度越大差異越大。

3　檢測原理和檢測結(jié)果

焊縫根部存在余高和余高磨平之分。焊縫底部存在余高時(shí)，缺陷判別比較復(fù)雜。筆者以磨平焊縫為例，介紹四種不同位置缺陷的檢測情況。其位置示意及超聲波反射路徑示意如圖1所示。

圖1　缺陷位置及各缺陷超聲波反射路徑示意

圖2　各類缺陷模擬波形

(1) 1#缺陷

1#缺陷位于焊縫內(nèi)表面，為表面開口缺陷，缺陷方向與檢測表面垂直，缺陷和底界面上構(gòu)成直角，形成良好的端角反射條件。

回波顯示缺陷位于工件厚度T或略小于厚度T上。回波幅度由缺陷自身大小決定。如圖2(a)所示，焊縫兩側(cè)回波幅值相差較小，水平定位在同一點(diǎn)，當(dāng)缺陷自身深度小于4 mm時(shí)，如果儀器和探頭組合后分辨率不足，缺陷上端點(diǎn)衍射回波與端角回波無法分開；當(dāng)缺陷自身深度大于或等于4 mm時(shí)，端角回波前會(huì)有一個(gè)微弱的缺陷上端點(diǎn)衍射回波信號(hào)，工件厚度T減去缺陷上端點(diǎn)顯示深度，就是缺陷自身深度。1#缺陷超聲波路徑如圖1(b)所示。

(2) 2#缺陷

2#缺陷位于焊縫內(nèi)部，與工件表面有一定距離，缺陷方向與檢測表面垂直。但是，探頭的晶片具有一定寬度，工件中的聲波還具有擴(kuò)散性，聲束在缺陷表面上產(chǎn)生與入射角度相同的波反射到工件底面上，再在底面上以相同的角度反射到檢測表面，被接收探頭接收，從而形成和端角反射同樣效果的反射。2#缺陷超聲波路徑如圖1(c)所示。

如圖2(b)所示,焊縫兩側(cè)回波幅值相差較小，水平定位在同一點(diǎn)。與1#缺陷表現(xiàn)形式相似，但當(dāng)衍射回波能與端角回波分開時(shí)，衍射回波與端角回波的距離比1#缺陷大。如果缺陷深度距內(nèi)表面很近，同時(shí)缺陷自身高度也較小時(shí)，缺陷上端點(diǎn)衍射回波與底面反射無法分開。缺陷深度距內(nèi)表面較遠(yuǎn)時(shí)，缺陷上端點(diǎn)衍射回波與底面反射完全分開，缺陷上端點(diǎn)的顯示深度，就是缺陷埋藏深度，缺陷下端點(diǎn)顯示深度減去缺陷上端點(diǎn)顯示深度的值就是缺陷自身高度。

特別值得說明的有三點(diǎn)：① 缺陷方向與檢測表面并不垂直，但傾斜角度不大時(shí)，由于波存在疊加性、干擾性、擴(kuò)散性的特點(diǎn)，缺陷略微傾斜和垂直所形成的端角效應(yīng)差別不大；② 此法可發(fā)現(xiàn)缺陷下端點(diǎn)距焊縫內(nèi)表面深度略大于探頭晶片高度，不能得出精確數(shù)據(jù)。測出缺陷深度后，缺陷端點(diǎn)回波與底面反射回波的水平位置并不一致，如果缺陷距焊縫內(nèi)表面越遠(yuǎn)，水平距離偏差越大；③ 根部和近根部缺陷所在區(qū)域正是串列式檢測的漏檢區(qū)。

(3) 3#缺陷

3#缺陷位于焊縫內(nèi)表面，為表面開口缺陷，缺陷方向與檢測表面傾斜并且有一定角度。

如圖2(c)所示，聲束在焊縫一側(cè)與缺陷近乎垂直，回波幅值由缺陷自身大小決定；在焊縫另一側(cè)，聲波方向與缺陷方向平行，回波幅值較小，兩側(cè)回波幅值相差6 dB以上。兩側(cè)回波顯示深度位于工件厚度T或略小于T上，水平定位在同一點(diǎn)，缺陷上端點(diǎn)衍射回波與端角回波是否分開，由缺陷大小決定，如圖1(d)所示。

(4) 4#缺陷

4#缺陷距焊縫內(nèi)表面有一定距離，缺陷方向與檢測表面傾斜，并且有一定角度。

如圖2(d)所示,聲束在焊縫一側(cè)與缺陷近于垂直，反射回波幅值較大，衍射回波被掩蓋在反射回波內(nèi)，顯示深度小于工件厚度。在焊縫另一側(cè)，聲波方向與缺陷方向近于平行，回波幅值較小，甚至只有端點(diǎn)衍射回波，兩側(cè)回波幅值相差大于6 dB。如果探頭向后拉，聲波經(jīng)工件底面反射回缺陷，形成一次垂直反射，回波幅值較大，此時(shí)回波顯示深度大于工件厚度。兩側(cè)水平定位在同一點(diǎn)，如圖1(e)所示。

4　檢測實(shí)例

(1) 實(shí)例一

某焊接工藝評(píng)定試件，材料508Ⅲ鋼，規(guī)格為(長×寬×厚)1 000 mm×500 mm×140 mm;焊縫厚度140 mm，雙U型窄間隙坡口，埋弧自動(dòng)焊接；檢測標(biāo)準(zhǔn)為ASME；采用GE60數(shù)字脈沖反射式超聲檢測儀。探頭頻率2.25 MHz,晶片尺寸20 mm×20 mm，角度45°，檢測靈敏度φ3 mm×40 mm+14 dB。

掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)兩處顯示：① 深度140 mm，回波幅值一側(cè)50% DAC+4 dB,另一側(cè)50% DAC+3 dB，兩側(cè)水平定位在焊縫一側(cè)的邊緣上；② 深度140 mm，回波幅值一側(cè)100% DAC+2 dB,另一側(cè)100% DAC+3 dB，兩側(cè)水平定位在焊縫一側(cè)的邊緣。

此焊縫射線(直線加速器)底片無影像。

借助磁粉和放大鏡檢測，發(fā)現(xiàn)①顯示缺陷長6 mm，②顯示缺陷長10 mm,屬于輕微的磁痕。

儀器增益再提高10 dB，即φ3 mm×40 mm+24 dB，①和②顯示才出現(xiàn)如圖2(b)所示的回波，①顯示缺陷深度134 mm，②顯示缺陷深度133 mm。砂輪打磨解剖缺陷與檢測結(jié)果相符。

(2) 實(shí)例二

某焊接工藝評(píng)定試件，材料16MND5鋼。規(guī)格(長×寬×厚)為1 000 mm×450 mm×120 mm；焊縫厚度120 mm，雙U型窄間隙坡口，埋弧自動(dòng)焊接；檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASME。采用GE60數(shù)字脈沖反射式超聲檢測儀。探頭2.25 MHz,晶片尺寸18 mm×18 mm，角度45°，檢測靈敏度φ3 mm×40 mm+14 dB。

掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)一處缺陷顯示，深度100 mm，回波幅值一側(cè)50% DAC+2 dB,另一側(cè)20% DAC，用一次反射法檢測回波幅值50% DAC-2 dB。兩側(cè)水平定位在焊縫中。

此焊縫射線(直線加速器)底片無影像。

鋸割破壞解剖，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)截面長度5 mm，傾斜45°角未熔合缺陷，焊縫延長方向長度不詳。

(3) 實(shí)例三

某容器中一環(huán)焊縫，材料508Ⅲ鋼，焊縫厚度120 mm， U+(U+V)窄間隙坡口，(U+V)面手工焊接，U面埋弧自動(dòng)焊接；檢測標(biāo)準(zhǔn)ASME。采用GE60數(shù)字脈沖反射式超聲檢測儀。探頭2.5 MHz,晶片尺寸為18 mm×18 mm，角度45°，檢測靈敏度φ3 mm×40 mm+24 dB。

掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)多處顯示，情況基本相同，以一處顯示介紹：顯示深度端角回波118 mm，衍射回波深度110 mm。衍射波幅值是滿屏的30%左右，端角回波20% DAC(φ3 mm×40 mm+14 dB)，兩側(cè)回波幅值基本相同。兩側(cè)水平定位在焊縫一側(cè)的邊緣上。

此焊縫射線(鈷60)底片無影像。

砂輪打磨解剖缺陷時(shí)，借助磁粉和放大鏡檢測，修磨8 mm深時(shí)，出現(xiàn)缺陷，缺陷長度6 mm，自身深度3 mm左右。

(4) 實(shí)例四

制作人工缺陷試件，材料508Ⅲ鋼，規(guī)格(長×寬×厚)為500 mm×40 mm×120 mm。厚度120 mm，用0.2 mm線徑線切割一個(gè)25 mm深，寬40 mm,模仿窄間隙焊坡口，與上下表面不垂直，傾斜2.50°。再機(jī)加工開坡口,用手工氬弧焊焊接成一個(gè)深度95～100 mm，長度20 mm的人工未熔合缺陷，缺陷方向與檢測表面近于垂直，檢測標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015。采用GE60數(shù)字脈沖反射式超聲檢測儀。探頭2.5 MHz,晶片尺寸13 mm×13 mm，角度45°，檢測靈敏度φ1 mm×6 mm+6 dB。

掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)兩處顯示，① 深度95～100 mm，為上下端點(diǎn)顯示，回波幅值一側(cè)φ1 mm×6 mm+0 dB,另一側(cè)φ1 mm×6 mm+1 dB，兩側(cè)水平定位在人工缺陷上；② 深度118 mm，回波幅度一側(cè)φ1 mm×6 mm+4 dB,另一側(cè)φ1 mm×6 mm+3 dB，兩側(cè)水平定位在人工缺陷上，此顯示為端角式回波，因探頭晶片尺寸小，缺陷深度又大，端角式回波并不高。

5　結(jié)論

(1) 超聲波脈沖反射法檢測焊縫根部和近根部時(shí)，判斷缺陷的方法是深度法和水平定位法。

深度定位法的判定原則是：① 回波深度最高點(diǎn)顯示小于工件厚度的基本都是缺陷；只有一種情況除外，就是工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，能使橫波在內(nèi)部幾何面上以很小的角度發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，并以縱波的形式被探頭接收；② 深度最高點(diǎn)顯示等于工件厚度的有可能是缺陷，也有可能不是缺陷，要用水平法進(jìn)一步驗(yàn)證；③ 深度最高點(diǎn)顯示大于工件厚度的有可能是缺陷，也有可能不是缺陷，要用水平法進(jìn)一步驗(yàn)證。

水平定位法的判定原則是：① 焊縫兩側(cè)水平定位在同一點(diǎn)的是缺陷；② 深度顯示等于工件厚度時(shí)，焊縫兩側(cè)水平定位在同一點(diǎn)的是缺陷，否則是幾何信號(hào)；③ 深度最高點(diǎn)顯示大于工件厚度時(shí)，水平定位在焊縫上的是缺陷，焊縫的另一側(cè)也會(huì)有相應(yīng)的信號(hào)，水平定位過焊縫的不是缺陷。

從上述情況可以看出，儀器線性的準(zhǔn)確性是正確判斷根部和近根部缺陷的關(guān)鍵，當(dāng)檢測者無法了解焊縫內(nèi)部情況的時(shí)候更為關(guān)鍵。

(2) 焊縫內(nèi)部磨平的時(shí)候，有幾何回波存在。因焊縫錯(cuò)邊、結(jié)構(gòu)特殊、砂輪修磨時(shí)產(chǎn)生的高低不平、過深的砂粒劃槽等，都可能產(chǎn)生回波。

(3) 檢測時(shí)遇到根部回波信號(hào)很強(qiáng)、底波很強(qiáng)且前面伴隨一個(gè)微弱小信號(hào)，一側(cè)回波強(qiáng)、另一側(cè)回波弱的情況時(shí)，檢測者都要特別注意，此時(shí)根部和近根部焊縫中都可能存在有危害較大的面積型缺陷。

[1]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M]. 北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[2]NB/T 47013.10-2010承壓設(shè)備無損檢測第10部分 衍射時(shí)差法超聲檢測[S].

[3]王森，吳鳳錦，丁杰，等. TL串列式超聲檢測法在窄間隙焊縫檢測中的應(yīng)用[J].無損檢測，2015,37(3):44-46.

[4]張輝宇，史小東，韓相勇.06Ni9DR鋼焊接對(duì)接接頭的超聲檢測[J].無損檢測，2015,37(7):63-66.

Ultrasonic Examination for Planar Defects Perpendicular to Examination Surface at or near the Weld Root

SAI Peng, WANG Zuo-sen, ZHANG Jian-lei, DENG Xian-yu, XIA Shan, ZHAO Xiao-hua

(Harbin Electric Corporation (QHD) Heavy Equipment Company Limited, Qinhuangdao 066206, China)

When a butt weld is examined by ultrasonic test, it is difficult to detect the defects near weld root, and even more difficult to detect the planar defects which are perpendicular to the examination surface at or near weld root. According to ultrasonic basic principle and the many years′ experience, the authors conclude a method for effectively judging the planar defects at weld root and near weld root. The paper provides a reference for people working in the same field.

Ultrasonic testing; Weld; Planar defect; Identification method

2016-04-05

賽鵬(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事質(zhì)量管理和無損檢測工作。

夏珊， E-mail: xiashanok@163.com。

10.11973/wsjc201609014

TG115.28

B

1000-6656(2016)09-0053-04