大厚度鈦合金窄間隙TIG焊縫的超聲檢測

王伏喜，李 斌，王海登，鄂 楠

(洛陽船舶材料研究所，洛陽 471039)

大厚度鈦合金窄間隙TIG焊縫的超聲檢測

王伏喜，李 斌，王海登，鄂 楠

(洛陽船舶材料研究所，洛陽 471039)

針對以不同超聲檢測探頭對某大厚度(大于30 mm)鈦合金窄間隙(坡口間隙小于20 mm)TIG焊縫進行超聲檢測時，檢測結果存在差異的問題，對焊縫進行多次解剖，結合射線透照檢測方法，分析了差異產生的原因，最終將位于判廢線以上Ⅲ區缺陷判定為非危害性缺陷，對不同檢測條件下檢測結果的分析可供同行參考。

超聲檢測；窄間隙焊縫；鈦合金；缺陷

窄間隙TIG(非熔化極惰性氣體鎢極保護焊)焊接技術已成為現代工業生產中厚板(一般大于30 mm)結構的首選技術[1]。與普通的TIG焊接技術相比，窄間隙TIG焊接技術坡口間隙小(板厚小于200 mm時，坡口間隙小于20 mm),不僅生產效率高、成本低，還具有焊接接頭殘余應力小等優點，在鈦合金焊接中應用很廣。

大厚度鈦合金焊縫的內部缺陷檢查一般采用超聲檢測方法，筆者參考標準NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》對鈦合金焊縫進行了檢測，并對不同檢測條件下的檢測結果差異進行了探討。

1 案例概述

某鈦合金工件壁厚為60 mm，采用窄間隙TIG焊接工藝焊接而成。根據NB/T 47013.3-2015標準要求，內部缺陷檢查選擇超聲檢測。由于該標準是以附錄H(規范性附錄)《鋁和鋁合金制及鈦承壓設備對接接頭超聲檢測方法和質量分級》的形式規定鈦合金焊縫超聲檢測要求的，而對橫向缺陷檢測方面的規定并不詳盡；因此，在檢測過程中，參照了鐵素體鋼制承壓設備焊縫的超聲檢測要求，具體參見NB/T 47013.3-2015標準第6章節《承壓設備焊接接頭超聲檢測方法和質量分級》。

為了提高缺陷的檢出率，選擇了2種角度的斜探頭(K1、K2)分別對該鈦合金工件進行檢測。標準規定，檢測級別為C級時，應對焊接接頭進行橫向缺陷的檢測(靈敏度提高6 dB)，而且對工件厚度大于40 mm的對接接頭，還應增加直探頭檢測，本案例選擇的直探頭型號為5Pφ14。采用斜探頭對工件進行橫向缺陷檢測、縱向缺陷檢測和焊接接頭檢測，窄間隙焊縫已打磨光滑。

筆者對焊縫進行超聲檢測時，根據試塊實測的距離-波幅(DAC)曲線建立評定線、定量線和判廢線，并將評定線以上區域分為Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區。圖1為斜探頭K1橫向缺陷檢測時的檢測結果，波幅位于判廢線以上Ⅲ區。表1匯總了采用直探頭和K1,K2斜探頭的超聲檢測結果，可以看出不同檢測條件下的檢測結果差異很大。

表1 超聲檢測結果

圖1 斜探頭K1橫向缺陷檢測時的檢測結果

2 結果分析

2.1 結果評定

對于橫波斜探頭(K1,K2)的檢測結果，缺陷波幅在Ⅱ區且為點狀缺陷時，標準規定其質量評級為Ⅰ級。詳細的結果評定如下：

(1) 斜探頭縱向缺陷檢測時，K1、K2的檢測結果都評定為Ⅰ級。

(2) 斜探頭橫向缺陷檢測時，K1探頭檢測出的缺陷波位于判廢線以上，直接評定為Ⅲ級；而K2探頭檢出的缺陷依然為Ⅰ級。

(3) 直探頭檢出的缺陷當量為φ1.58 mm，屬于允許范圍內的缺陷。

綜合上述結果，可得出應用不同探頭進行超聲檢測時，在本案例中存在兩點差異：

(1) 斜探頭K1、K2的缺陷檢出能力不同。

(2) 在不同的檢測條件下，斜探頭檢測結果的質量評定等級差異很大，影響產品焊接質量的最終評定。

2.2 結果差異分析

斜探頭的K值越大，則聲程越大，同一缺陷處的聲壓也就越小，導致缺陷的反射能量不足，靈敏度降低；隨著工件厚度的增大，所選的斜探頭K值應該相應減小。但有時也需要考慮缺陷的取向，因此關于第(1)點的差異此處不做詳細討論。

對鈦合金焊縫橫向缺陷的檢測，標準并未給出要求；參照對鐵素體鋼制焊縫的要求，在進行橫向缺陷檢測和評定時，靈敏度需提高6 dB。本案例中，K1斜探頭檢出的橫向缺陷為點缺陷，但波幅卻位于Ⅲ區，按照標準應評定為Ⅲ級。但其他檢測條件下的檢測結果評級卻為Ⅰ級。如果缺陷為非危害性缺陷，但卻評定為不合格，會造成生產浪費。

根據經驗，超聲檢測結果等級評定的差異很可能與參考靈敏度有關。在ASME標準中，普通焊縫(非管狀)的靈敏度曲線同樣是選擇長橫孔作為參考反射體制作的；但在不同的檢測厚度下，長橫孔的直徑并不相同。在被檢工件厚度為50～100 mm時，ASME標準選擇的長橫孔直徑為φ5 mm;為便于比較，將其轉化為φ2 mm直徑的長橫孔進行比較[2]。

直徑不同的長橫孔之間的回波分貝差為：

(1)

式中：A為回波的分貝差；φ5與φ2分別為不同的長橫孔直徑。

通過公式計算，可以換算出ASME標準中，在φ2mm×40mm反射體條件下DAC曲線的靈敏度。圖2為不同標準下的定量曲線。在對60mm厚焊縫進行檢測時，二者的差值達到12dB。也就是說，NB/T47013.3-2015標準中不允許的缺陷在ASME標準中可能是合格的。這很可能是不同檢測條件下，評級差異很大的原因之一。

圖2 不同標準下的定量曲線

除此之外，質量評級標準中規定的評級要求不隨工件厚度變化進行調整也可能是另一個原因。一般而言，工件的厚度越大，所允許的最小缺陷尺寸也就越大。針對鋼質焊縫，標準NB/T47013.3-2015根據厚度的不同設定了3組靈敏度曲線。但標準對鈦合金設備的焊接接頭的靈敏度曲線并未細化，在適用厚度下判廢線均為φ2mm-4dB。在檢測大厚度工件時，對鈦合金焊縫中深度較大的缺陷，檢測靈敏度會變得過高，尤其是在進行橫向缺陷檢測時，很可能會導致缺陷的過判。

為驗證上述分析，采用焊縫解剖結合射線檢測的方法對該鈦合金產品焊縫中的缺陷進行深層次的分析[3]。

3 缺陷解剖驗證

為確定缺陷的具體形態，對該鈦合金產品焊縫的缺陷部位進行切割，圖3所示為一次解剖后的樣塊實物及尺寸示意。

圖3 一次解剖后的樣塊實物及尺寸示意

該樣塊的尺寸(長×寬×高)為60 mm×45 mm×42 mm，為方便論述，在尺寸示意中標示x、y和z方向。由于射線檢測的靈敏度受焊縫透照厚度影響較大，故又對樣塊進行了3次解剖，并進行射線檢測。

表2為樣塊解剖后的射線檢測結果。由于缺陷尺寸較小，第1，2次解剖后的厚度較大，射線檢測的靈敏度較低，并未發現缺陷。在透照厚度為10，12 mm的條件下，均可發現圓形缺陷，圖4所示為第3，4次解剖后射線檢測透照底片。

根據缺陷的兩個方向射線檢測透照底片圖像特征分析可知：該缺陷為點狀缺陷，尺寸較小，應該為焊接時產生的小氣孔，氣孔在后續的熱處理過程中產生了形變，并非為裂紋類危害性缺陷。由此也驗證了對于大厚度鈦合金焊縫橫向缺陷的超聲檢測，并不能完全參照鐵素體鋼制焊縫的橫向缺陷檢測方法，尤其在結果評定時需綜合分析。

表2 樣塊解剖后的射線檢測結果

圖4 樣塊第3，4次解剖后射線透照底片

4 結語

(1) 超聲檢測時，采用兩個K值的斜探頭對縱向及橫向缺陷進行檢測，能夠發現直徑大于φ0.6mm的圓形缺陷；但斜探頭的K值不同，鈦合金焊縫的檢測結果可能會存在較大差異。

(2) 鈦合金焊縫厚度較大時，其橫向缺陷的檢測不能完全按照鐵素體鋼制焊縫的標準進行檢測；因為檢測條件不同，可能存在缺陷評判過嚴的情況。此時，需要結合直探頭檢測或其他檢測方法對缺陷進行綜合判斷，避免過判。

[1] 張富巨，羅傳紅.窄間隙焊及其新進展[J].焊接技術，2000,29(6):33-35.

[2] 孫盛業，耿富強，高超. ASME和JB/T 4730標準在焊縫超聲波檢測中靈敏度對比[J].化工裝備技術，2012，33(5)：57-60.

[3] 吉宏林，孫光祥.射線檢測和超聲檢測對焊縫內同一缺陷檢測的結論差異[J].無損檢測，2015，37(10)：69-71.

Ultrasonic Testing of Narrow-gap TIG Weld of Large Thickness Titanium Alloy

WANG Fu-xi, LI Bin, WANG Hai-deng, E Nan

(Luoyang Ship Material Research Institute，Luoyang 471039, China)

Ultrasonic testing was used to detect the large thickness (more than 30 mm) and narrow-gap (less than 20 mm) weld in a titanium alloy product. Under different detecting conditions, the results were found to be different, and a defect whose wave amplitude was located in area III above rejection line was even found. This paper further analyzed the causes of the diference, and the defect was ultimately identified as non-dangerous defect by dissection and radiography of the weld. This paper can work as a reference to those who are concerned.

Ultrasonic testing; Narrow-gap weld; Titanium alloy; Defect

2016-10-21

王伏喜(1963-),男，學士，高級工程師，主要從事無損檢測和質量管理工作。

王海登,E-mail: 15236179377@163.com。

10.11973/wsjc201703018

TG115.28

B

1000-6656(2017)03-0074-03