影響手動超聲法檢測焊接接頭橫向缺餡可行性的關(guān)鍵因素

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(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013)

影響手動超聲法檢測焊接接頭橫向缺餡可行性的關(guān)鍵因素

張佳銀，鄭暉

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013)

通過分析現(xiàn)行標準中對焊接接頭進行超聲檢測的相關(guān)規(guī)定，基于焊接接頭在焊接過程中出現(xiàn)縱向與橫向缺陷的概率，從應(yīng)檢出橫向缺陷、不漏檢橫向缺陷實際需求和可操作性的理論出發(fā)，提出了解決上述問題的方法，對有關(guān)標準中的錯誤表述闡明了修改的依據(jù)。

橫向缺陷；斜平行掃查；板厚；探頭參數(shù)；移動區(qū)寬度

1 手動超聲法檢測焊接接頭縱向缺陷和橫向缺陷的相關(guān)規(guī)定

1.1檢測區(qū)寬度

(1) 檢測區(qū)由焊接接頭檢測區(qū)寬度和焊接接頭檢測區(qū)厚度表征。

(2) 焊接接頭檢測區(qū)寬度應(yīng)是焊縫本身加上焊縫熔合線兩側(cè)10 mm區(qū)域。V型坡口對接接頭檢測區(qū)如圖1所示,a表示焊接接頭檢測區(qū)寬度。

圖1 V型坡口對接接頭檢測區(qū)示意

(3) 超聲檢測應(yīng)覆蓋整個檢測區(qū)[1]。

1.2斜探頭掃查方法

1.2.1 縱向缺陷的檢測

檢測焊接接頭縱向缺陷時，斜探頭應(yīng)垂直于焊縫中心線放置在掃查面上，作鋸齒型掃查(見圖2)。探頭前后移動的范圍應(yīng)保證掃查到全部焊接接頭截面，在保持探頭垂直焊縫作前后移動的同時，掃查時還應(yīng)作10°～15°左右的轉(zhuǎn)動。

圖2 鋸齒型掃查示意

1.2.2 橫向缺陷的檢測

檢測焊接接頭橫向缺陷時，可在焊接接頭兩側(cè)邊緣使斜探頭與焊接接頭中心線成不大于10°作兩個方向的斜平行掃查(見圖3)。如將焊接接頭余高磨平，探頭應(yīng)在焊接接頭及熱影響區(qū)上作兩個方向的平行掃查(見圖4)[1-2]。

圖3 斜平行掃查

圖4 平行掃查

2 手動常規(guī)超聲法檢測焊接接頭橫向缺陷相關(guān)規(guī)定引出的問題

(1) 首要的問題就是現(xiàn)有超聲檢測文獻及現(xiàn)行超聲檢測標準中，均沒有對焊接接頭的縱向缺陷和橫向缺陷給出明確的定義，由此引發(fā)出一系列問題。

(2) 對于余高未磨平的焊接接頭，當(dāng)要求檢測其橫向缺陷時，如果采用“使斜探頭與焊接接頭中心線成不大于10°作兩個方向斜平行掃查”的掃查方法，實際上絕大多數(shù)被檢測焊接接頭均不可能存在使“超聲檢測應(yīng)覆蓋整個檢測區(qū)”的條件。也就是說，現(xiàn)行有關(guān)焊接接頭橫向缺陷的掃查方法存在缺少按照怎樣的要求才能做到使超聲波聲束覆蓋整個檢測區(qū)的問題。

(3) 如果采用“保持探頭垂直焊縫作前后移動的同時，掃查時還應(yīng)作10°～15°的左右轉(zhuǎn)動”檢測縱向缺陷的方法以及掃查橫向缺陷的方法，被檢焊接接頭中與焊接接頭中心線成15°～80°的缺陷都將會漏檢。

(4) 現(xiàn)行的“檢測和評定橫向缺陷時，應(yīng)將各線靈敏度均提高6 dB”的要求，將檢測焊接接頭中縱向缺陷和橫向缺陷進行了割裂。

3 斜平行掃查橫向缺陷的公式推導(dǎo)

如圖5所示，W為斜探頭的一半寬度,L為斜探頭的一半長度,l0為前沿距離，a為掃查面焊縫余高寬度的一半，b為掃查面對面焊縫余高寬度的一半，且a≥b，A1為掃查面探頭側(cè)焊縫熔合線，B1為掃查面對面探頭側(cè)焊縫熔合線。采用使斜探頭與焊接接頭中心線成10°的斜平行掃查方式。

圖5 斜探頭斜平行掃查有余高對接接頭時的俯視圖

3.1直射波法

當(dāng)探頭前端與A1相交時，此時直射波主波束覆蓋掃查面對面焊縫的范圍最大。

此時，可得到探頭入射點到A1的垂直距離為：

直射波主波束中軸線上波束在掃查面(Ma面)焊縫寬度方向上的投影為

式中：K為斜探頭折射角的正切值；t為板厚。

單面單側(cè)、直射波主波束中軸線上波束覆蓋對面整個檢測區(qū)寬度的條件為：

ΔADZ=Kt·sin10°-(W·cos10°+l0·sin10°)-

當(dāng)式(1)成立時，采用單面單側(cè)斜平行掃查法，直射波可以檢出焊接接頭下部橫向缺陷。

通過分析式(1)中的相關(guān)參數(shù)可知，對于板厚不太大的焊接接頭和非窄間隙對接接頭，式(1)基本上是不可能成立的。

即單面單側(cè)斜平行掃查法檢測時，采用直射波檢測這些焊接接頭中的橫向缺陷是不可能的。實際上這種情況現(xiàn)行標準中也沒有要求，下面也就不再討論這種情況了。

單面雙側(cè)、直射波主波束中軸線上波束覆蓋對面整個檢測區(qū)寬度的條件為：

ΔASZ=Kt·sin10°-

當(dāng)式(4)成立時，此時采用單面雙側(cè)、斜平行掃查法檢測，直射波可以檢出焊接接頭下部橫向缺陷。

通過分析式(4)中的相關(guān)參數(shù)可知，對于板厚不太大的焊接接頭、掃查面焊縫余高寬度較大的非窄間隙對接接頭，式(4)是較難成立的。

采用單面雙側(cè)、斜平行掃查方式檢測焊接接頭下部橫向缺陷時，一定先要用式(4)進行判斷，確保優(yōu)選出(K值較大、尺寸較小)滿足式(4)的，且檢測靈敏度、信噪比也滿足標準要求的探頭。

此時對應(yīng)的被檢對象應(yīng)為厚度很大，且只能采用直射法、雙面雙側(cè)、斜平行掃查方式檢測橫向缺陷的焊接接頭。

單面雙側(cè)、直射波法檢測焊接接頭下部橫向缺陷時的探頭移動區(qū)寬度LASZ為：

3.2一次反射波法

為了檢出接頭上部(掃查面附近)的橫向缺陷，要將探頭離開A1線并垂直于A1線進行移動。當(dāng)探頭移動到一段距離、正好使直射波主波束中軸線上波束與B1線相交時，掃查面對面母材表面產(chǎn)生的反射波才開始成為掃查接頭中深度位于接頭上部(掃查面附近)橫向缺陷的有效反射波束。

單面雙側(cè)、一次反射波主波束中軸線上波束覆蓋掃查面整個檢測區(qū)寬度的條件為：

當(dāng)式(6)成立時，采用單面雙側(cè)、斜平行掃查法，一次反射波可以檢出焊接接頭上部橫向缺陷。

通過分析式(6)中的相關(guān)參數(shù)可知，由于b≤a，所以只要是式(5)這個先決條件成立，則式(6)一定成立。

由此可見，當(dāng)采用單面雙側(cè)、斜平行掃查方式檢測焊接接頭中的橫向缺陷，且將焊縫余高寬度較大的一面作為掃查面時，只需要用式(5)進行判別就可以了。

單面雙側(cè)、一次反射法檢測焊接接頭上部橫向缺陷時的探頭移動區(qū)寬度LASF為：

3.3將掃查面設(shè)置在焊縫余高寬度較小一面的情況

僅將圖5中的掃查面進行互換，其余接頭參數(shù)和探頭參數(shù)均不變，同理可推導(dǎo)出如下結(jié)論。

單面雙側(cè)、直射波主波束中軸線上波束覆蓋對面整個檢測區(qū)寬度的條件為：

ΔBSZ=Kt·sin10°-

當(dāng)式(8)成立時，采用單面雙側(cè)、斜平行掃查法，直射波可以檢出焊接接頭下部橫向缺陷。

通過比較式(8)與式(4)可知，對于確定的被檢對象和選定的探頭，當(dāng)將焊縫余高寬度較小的一面作為掃查面時，更加有利于使式(8)成立。

由此可見，對于式(4)不能成立的情況，可以通過改變掃查面，有可能存在使式(8)成立的條件。

所以，對于那些將掃查面設(shè)置在焊縫余高較大的一面，而使式(4)不能成立的情況，尤其是在檢測板厚不太大的焊接接頭時，應(yīng)考慮到掃查面的選擇。也就是說，掃查面也是檢測接頭橫向缺陷時應(yīng)考慮的因素之一，應(yīng)充分重視。

單面雙側(cè)、直射波法檢測焊接接頭下部橫向缺陷時的探頭移動區(qū)寬度LBSZ為：

單面雙側(cè)、一次反射波主波束中軸線上波束覆蓋掃查面整個檢測區(qū)寬度的條件為：

即當(dāng)式(10)成立時，采用單面雙側(cè)、斜平行掃查法、一次反射波法可以檢出焊接接頭上部橫向缺陷。

通過比較式(10)和式(7)可知，盡管a≥b，但a與W·cos10°+l0·sin10°+b的值需有確定的數(shù)據(jù)后才能決定。

所以，對于將焊縫余高寬度較小的一面作為掃查面的情況，在實際檢測時，對式(8)(直射波檢測接頭下部橫向缺陷的情況)和式(10)(一次反射波檢測接頭上部橫向缺陷的情況)均應(yīng)進行判別，才能決定選定的探頭參數(shù)是否滿足可實施檢測的要求。

單面雙側(cè)、一次反射法檢測焊接接頭上部橫向缺陷時的探頭移動區(qū)寬度LBSF為：

4 對導(dǎo)出計算公式的應(yīng)用可行性分析

4.1應(yīng)用可行性分析一

優(yōu)選探頭參數(shù)，采用單面雙側(cè)，斜探頭與焊接接頭中心線成不大于10°的掃查方法，對厚度不同的有余高的平板對接接頭進行橫向缺陷檢測時，具體應(yīng)用的分析數(shù)據(jù)如表1所示。

當(dāng)采用“使斜探頭與焊接接頭中心線成不大于10°”的掃查方法檢測接頭橫向缺陷時，所舉例中只有厚度較大的焊接接頭不受檢測面的影響；當(dāng)被檢對象的厚度較小時，無論在接頭的哪一面進行掃查，都不具備檢測條件。

4.2應(yīng)用可行性分析二

優(yōu)選探頭參數(shù)，采用單面雙側(cè)、“使斜探頭與焊接接頭中心線成不大于30°”的掃查方法，對厚度不同、有余高的平板對接接頭進行橫向缺陷檢測時，具體應(yīng)用的分析數(shù)據(jù)如表2所示。

當(dāng)采用“使斜探頭與焊接接頭中心線成不大于30°”的掃查方法檢測接頭橫向缺陷時，所舉例中只有厚度較大的焊接接頭不受檢測面的影響；當(dāng)被檢對象的厚度較小時，只有選擇在接頭的焊縫寬度較大的一面進行掃查，才具備檢測條件。

表1 斜探頭與焊接接頭中心線成不大于10°掃查橫向缺陷的數(shù)據(jù)

表2 斜探頭與焊接接頭中心線成不大于30°掃查橫向缺陷的數(shù)據(jù)

4.3應(yīng)用可行性分析三

當(dāng)采用斜平行掃查方式檢測焊接接頭橫向缺陷時，必須用上面推導(dǎo)出的判別式判定是否可以使聲束完全覆蓋整個焊接接頭的被檢區(qū)域。

應(yīng)根據(jù)被檢對象的壁厚，選擇出使判別式能夠成立的探頭，其原則上是優(yōu)選K值較大、探頭尺寸較小的，且檢測靈敏度和信噪比都滿足標準要求的探頭。

板厚不太大，且采用直射法和一次反射波法，在焊縫余高寬度較大的一面進行掃查(此面應(yīng)為優(yōu)先選擇的面)，或在厚壁焊接接頭采用雙面雙側(cè)直射法進行檢測時，只需對直射波的覆蓋情況作出判斷。

板厚不太大時，且采用直射法和一次反射波法、在焊縫余高寬度較小的一面進行掃查時(此面為受條件限制時才采用)，應(yīng)對直射波和一次反射波的覆蓋情況都作出判斷。

4.4應(yīng)用可行性分析四

當(dāng)選定了適合于檢測橫向缺陷的探頭后，為了確保檢出焊接接頭整個被檢區(qū)域的橫向缺陷，應(yīng)按照上面推導(dǎo)出的探頭移動區(qū)寬度計算公式，計算出最小探頭移動區(qū)寬度，并嚴格按照計算值進行掃查。

4.5應(yīng)用可行性分析五

應(yīng)對手動常規(guī)超聲法檢測焊接接頭橫向缺陷的方法給出確定的定義。

建議采用與現(xiàn)行磁粉和滲透檢測標準相一致的定義，即缺陷指示長度的方向與焊接接頭長度方向的夾角大于或等于300時，按橫向缺陷處理，其他按縱向缺陷處理。

4.6應(yīng)用可行性分析六

對手動常規(guī)超聲法檢測焊接接頭橫向缺陷掃查方法的修改意見：按照焊接接頭橫向缺陷的定義，顯然應(yīng)該修改現(xiàn)有超聲檢測文獻及現(xiàn)行超聲檢測標準中關(guān)于斜平行掃查焊接接頭橫向缺陷的方法，即改為 “檢測焊接接頭橫向缺陷時，可在焊接接頭兩側(cè)邊緣使斜探頭與焊接接頭中心線成不大于60°作兩個方向斜平行掃查”。

與此同時，還應(yīng)將手動常規(guī)超聲法檢測焊接接頭縱向缺陷的掃查方法修改為：檢測焊接接頭縱向缺陷時，斜探頭應(yīng)垂直于焊縫中心線放置在掃查面上，作鋸齒型掃查。探頭前后移動的范圍應(yīng)保證掃查到全部焊接接頭截面，在保持探頭垂直焊縫作前后移動的同時，掃查時還應(yīng)作0°～30°的左右轉(zhuǎn)動。

這樣修改后，既保持了現(xiàn)行標準中有關(guān)焊接接頭缺陷分類定義的一致性，也不會因檢測方法上的不同而有所不同，也確保了使用超聲法將焊接接頭中所有縱向缺陷和橫向缺陷均有效地、全覆蓋地檢出，從超聲檢測技術(shù)規(guī)定的角度避免了焊接接頭中各個方向上缺陷漏檢的可能性。

采用修改后的鋸齒形掃查和斜平行掃查方式(在規(guī)定的靈敏度條件下、在這兩種掃查方式均可以在掃查面實施的前提下)，完全可以將焊接接頭中所有縱向缺陷(缺陷指示長度方向與焊接接頭中心線成0°～30°的缺陷)及橫向缺陷(指示長度方向與焊接接頭中心線成30°～90°的缺陷)都檢測出來。

4.7應(yīng)用可行性分析七

(1) 從焊接接頭的焊接工藝過程分析可知，焊接接頭中產(chǎn)生縱向缺陷的幾率遠大于橫向缺陷。所以，在焊接接頭進行超聲檢測時，檢出其可能存在的縱向缺陷是首要要求，其次才是根據(jù)接頭在焊接過程中產(chǎn)生橫向缺陷的幾率和實際檢測橫向缺陷的必要性，再規(guī)定是否需要進行橫向缺陷檢測。這恰好是現(xiàn)行標準對焊接接頭超聲檢測進行技術(shù)等級分級的意義所在。如果在檢測技術(shù)規(guī)定上確保了焊接接頭縱向缺陷和橫向缺陷都能有效地檢出，也就沒有必要將這兩類缺陷在檢測和評定時的靈敏度進行區(qū)別對待。

(2) 對于同一個被檢產(chǎn)品(例如某壓力容器本體)而言，當(dāng)其同時存在環(huán)向焊接接頭和縱向焊接接頭時，可知環(huán)向接頭中縱向缺陷即相當(dāng)于縱向接頭中的橫向缺陷，而環(huán)向接頭中橫向缺陷即相當(dāng)于縱向接頭中的縱向缺陷。由此可見，將這兩類缺陷在檢測和評定時的靈敏度進行區(qū)別對待是缺乏依據(jù)的。

(3) 通過上面給出的檢測橫向缺陷時的判別式可知，其基本原則是要求優(yōu)選K值較大的探頭，也就是說，此時聲波在被檢工件中的傳播距離會較長，相應(yīng)地其聲能的衰減將會增大。當(dāng)被檢對象材料的聲能衰減較大時，如果再將檢測和評定縱向缺陷靈敏度提高6 dB，此時檢測的信噪比將進一步降低，甚至有可能降低到信噪比不能進行檢測操作的程度。

由此可見，對于聲能衰減較大的焊接接頭，“檢測和評定橫向缺陷時，應(yīng)將各線靈敏度均提高6 dB”的規(guī)定反而阻礙了橫向缺陷的有效檢出，完全失去了超聲檢測的可操作性。

[1] 鄭暉,林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008：284-289.

[2] NB/T 47013.3-2015 承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測[S].

KeyFactorsInfluencingtheFeasibilityofDetectingtheTransverseDefectinWeldingJointsbyManualConventionalUT

ZHANG Jiayin, ZHENG Hui

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100013, China)

In this article, based on the analysis of ultrasonic testing of welding joint in the current standard and on the relative criteria, and in the combination of considering the corresponding probabilities of the longitudinal and transverse defects appearing in welded joint in the process of welding, the authors put forward the ways for effectively detecting the transverse defects in the joint with no undetected ones in view of actual demand and operability of the methodology, which may give some modifications for related standards.

transverse defect; inclined parallel scanning; plate thickness; probe parameter; moving area width

2017-06-25

張佳銀(1963-),男，本科，高級工程師，主要從事無損檢測工作

張佳銀，zhangjiayin8338@sina.com

10.11973/wsjc201711007

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0031-05