6 mm 鋁合金母線殼體焊縫超聲波檢測研究

孫慶峰，孫子安，羅宏建，金江舟，徐 強，張小菊

（1.浙江省電力鍋爐壓力容器檢驗所有限公司，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；3.桐廬電力開發有限公司，杭州 311500；4.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）設備母線殼體一般選用厚度為6 mm 的鋁鎂合金板材卷制對接焊接而成，其焊接缺陷主要有裂紋、坡口未融合、根部未焊透、氣孔等。在運行中，殼體對接頭焊接缺陷受應力、交變載荷、內部介質和外部環境等因素影響，極易發生SF6泄漏事故。因此，為了保證GIS 設備的安全運行，有必要開展GIS設備殼體對接焊縫超聲波檢測[1-2]。

對于板厚為6 mm 的鋁鎂合金制母線殼體，生產廠家一般僅進行來料機械強度測試和氣密性試驗，特別是把氣密性試驗當作檢驗殼體密封性能的重要手段[3]。只有規模較大的殼體制造廠家或斷路器廠附屬殼體廠家才進行對接焊縫質量無損檢測，無損檢測內容主要是表面探傷及X 射線工業電視檢測。表面無損檢測的優點是借助儀器設備對表面和近表面缺陷較易檢出，而對于殼體對接焊縫內部缺陷無法檢出。X 射線工業電視檢測的優點是直觀、簡單，對操作人員要求較低，對氣孔類體積型缺陷探傷靈敏度較高；缺點是分辨率較低，容易漏檢，尤其對諸如裂紋、未融合和根部未焊透等危害性較大的面積型缺陷探傷靈敏度較低，當面積型缺陷的角度和射線的角度大致垂直時，很難發現缺陷[4-5]。

相對于在工廠內部實施的X 射線工業電視檢測，超聲波檢測的優點是現場檢測方便，探傷靈敏度高，幾乎不受現場條件制約，而且對于面積型缺陷檢出率很高[6]。但是，針對8 mm 以下厚度鋁合金制殼體超聲波檢測，我國缺乏相關標準規定[7]。針對該現狀，本文通過理論分析及工程論證，提出8 mm 以下厚度鋁合金制殼體超聲波檢測工藝，給GIS 設備母線殼體質量檢驗提供參考。

1 焊接缺陷分析

鋁合金因渦流損耗小、防腐蝕能力強、自重輕及美觀等優點已成為GIS 設備殼體主流選材。根據各高壓開關廠設計圖紙顯示，GIS 設備殼體主要由5083 鋁鎂合金卷筒焊接而成，焊接方法主要有MIG（熔化極惰性氣體保護）焊、TIG（惰性氣體鎢極保護）焊或MIG+TIG 焊[8]。近年來，隨著焊接技術的進步，等離子焊也逐漸應用于電力系統GIS 設備殼體焊接[9]，本文著重討論MIG 焊和TIG 焊的焊接缺陷成因。

1.1 焊接工藝

圖1、圖2 為某高壓斷路器廠家生產的GIS設備母線殼體，選用5083 高強防銹鋁合金卷板焊接，板材厚度為6 mm。縱焊縫A 類焊接接頭、環焊縫B 類焊接接頭均采用MIG 單面焊雙面成型技術[10]。

圖1 A 類焊縫坡口形式

A 類焊接接頭采用了MIG 單面焊雙面成型技術，預開V 形坡口，根部留有2 mm 鈍邊。先用MIG 焊打底；然后依次對焊道內壁坡口進行填充，在內壁坡口根部作清根處理，剔除可能的焊縫根部缺陷，并確保隨后焊透整個焊縫坡口；接著采用不填絲TIG 電弧焊接方法，對殼體外壁焊縫進行重熔整形，完成整個焊道焊接，TIG 焊整形可充分提高焊縫外觀質量；焊接完成后對GIS 設備殼體內壁的焊縫余高進行打磨。

圖2 B 類焊縫坡口形式

B 類焊接接頭也采用了MIG 單面焊雙面成型技術，預開V 形坡口，預先機械開設V 形內坡口，焊接方法同A 類焊接接頭[11]。

1.2 缺陷成因

關于鋁合金焊接缺陷產生原因的研究文獻很多[12-14]，如劉建軍等對GIS 設備殼體焊縫開裂進行了分析，提出工藝控制不當是焊接接頭失效的主因[15]。裂紋、未熔合、未焊透、氣孔等缺陷的成因不盡相同，但鋁合金具有獨特的物理化學性能，其焊接缺陷產生的原因可歸納如下：

（1）鋁合金焊接裂紋通常是熱裂紋。一般是在焊接應力和其他因素共同作用下，焊道中局部區域的金屬原子結合力遭到破壞形成新界面而產生的縫隙；如果焊絲選擇不當，Mg 質量分數小于3%或Fe，Si 等雜質超出規定時，會增大裂紋傾向。

（2）鋁合金具有較大的熱導率，加上GIS 設備母線殼體壁厚較小，在焊道焊接過程中大量的熱能被迅速傳導，導致熱能輸入量不足打破焊道表面的氧化膜，極易在坡口側產生未融合缺陷；焊接接頭處接頭夾角不夠大，焊絲伸出過長也容易產生未熔合缺陷。

（3）當焊接工藝控制不當，如速度過快、弧長過大、電流過小、鈍邊過大等，容易在根部產生未焊透缺陷；V 形內坡口的根部清理（毛刺、污垢）不徹底時，也會產生未焊透現象。

（4）氫是鋁合金產生氣孔的主要原因，而MIG焊的特性決定了氣孔很難被避免。焊接時，溶滴通過弧柱滴入熔池，弧柱溫度最高，溶滴比表面積很大，這利于溶滴吸收氫；在凝固時，氫的溶解度從0.69 mL/100 g 突降到0.036 mL/100 g，與鋼相差10 倍左右，這是鋁合金焊縫產生氣孔的重要原因。保護氣體純度低、流量不足或過量、濕度大、污垢等也會產生氣孔缺陷。

2 檢測工藝

當GIS 設備母線殼體運抵現場之后，按NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》規定只能進行X 射線檢測。X 射線檢測的特點是對缺陷的方向性敏感度強，容易漏檢面積型缺陷[16]。而且，X射線檢測的輻射安全問題決定了在現場幾乎無法實施規模化的應用。因此，通過制訂合理的超聲波檢測工藝，采用超聲波檢測方法將很好地解決GIS 設備殼體對接焊縫的檢測問題。

2.1 探頭及試塊的選用

對于壁厚僅為6 mm 的GIS 設備母線殼體，因其選用的板材較薄，根據聲學原理，在不考慮介質衰減的情況下，液體介質中超聲波波源附近會由于波的干涉而出現一系列聲壓極大、極小值的區域，稱為超聲波近場區[17]。超聲波近場區對缺陷的定量有一定的影響，且GIS 設備母線殼體母材厚度較薄，其對接焊縫處于近場區區域，減小探頭直徑或減小頻率可縮短近場長度。當頻率減小時，發散角相應擴大，波束較寬，而較大尺寸探頭的集束性較好。為了平衡波長和波束對探傷靈敏度的影響，同時考慮母線殼體管徑曲率對探頭和試件接合面耦合的影響，經綜合試驗對比，最終采用頻率為2.5 MHz、晶片尺寸為8 mm×10 mm 的單晶探頭。

根據焊道坡口形式，GIS 設備母線殼體一般采用角度為60°～70°的V 形坡口。相關文獻表明，K 值越大（K 為超聲波斜探頭折射角的正切值），則探頭的折射角越大，聲程相應增大，近場區干擾減小[18]。鋁合金的橫波傳播速度為3 140 m/s，利用Snell 折射定律計算出橫波聲速在鋁合金中的折射角，探頭標稱K 值2.5 在鋁合金中K 值為1.93，NB/T 47013 中推薦采用的斜探頭折射角工件厚度為6～25 mm 時，折射角63°～72°對應K 值為2～3，因此6 mm 母線殼體超聲波檢測探頭K值采用2.5。

當檢測面曲率半徑R≤0.25W2時（W 為探頭長度），需采用與檢測面曲率半徑相同或相近的對比試塊。同時，考慮聲阻抗相差較大的介質，即使聲速接近，聲壓往返透射率隨著折射角的變化存在較大的差異，影響前沿距離和K 值的測量。因此，選用壁厚為6 mm 的5083 鋁鎂合金按實際檢測面曲率半徑焊接，且保持余高，直徑2 mm 通孔埋在焊道內。

2.2 檢測區域

圖3 為超聲波掃查示意圖，檢測區由焊接接頭檢測區寬度和焊接接頭檢測區厚度表征。焊接接頭檢測區寬度應是焊縫本身加上焊縫熔合線兩側各10 mm 確定。對接接頭檢測區厚度應為工件厚度加上焊縫余高。

圖3 超聲波檢測掃查示意

圖4 為聲強示意圖，其中，P 為聲壓，P0為波源的起始聲壓，X 為到波源的距離，N 為近場區長度。由圖4 可知：近場區聲強有劇烈的起伏，存在較多極小聲強節點，這些節點帶來的探傷盲點將影響對缺陷定位的準確性；而在遠場區隨著距離的增加，聲強逐漸減弱趨于平穩。因此，對于6 mm 厚的GIS 設備母線殼體超聲波檢測，應以一次波檢測根部部位、二次波檢測為主，這樣就能覆蓋整個檢測區域。

圖4 聲強示意

2.3 檢測準備

焊縫的超聲波檢測應在外觀質量檢測合格的基礎上進行。實施檢測時，如發現焊縫的不規則狀態影響檢測結果的正確性和完整性，應先對其表面進行處理。對于焊縫兩側的母材，檢測前應采用脈沖回波測量其厚度[19]。對于環焊縫，至少每隔90°測量1 個點；對于直焊縫，至少需要測定6 個點。同時，應做好記錄，以便檢測時參考。

DAC（距離-波幅）曲線以所用儀器和探頭在母線殼體專業對比試塊實測的數據設定。探頭對準埋在試塊焊縫中不同深度和位置的直徑2 mm通孔，找出試塊中各點最大反射波幅并記錄，將記錄各點連成平滑曲線，形成DAC 曲線。缺陷定量檢測參照NB/T 47013—2015 執行。

3 驗證

以某特高壓基建工程入廠金屬技術監督檢測為例，該工程母線三通殼體對接焊縫有A 類、B類焊縫，其中：A 類對接焊縫經超聲波厚度檢測得到，上、下側母材厚度均為6 mm；B 類對接焊縫經超聲波厚度檢測得到，下側母材厚度為6 mm，上側母材厚度為7 mm。

經查閱設計圖紙，得知該批次母線殼體A 類和B 類對接焊縫均采用V 型60°～70°坡口，根部開2 mm 的鈍邊，采用MIG 單面焊雙面成型技術焊接，采用TIG 焊進行表面重熔處理。

使用本文介紹的超聲波檢測工藝進行檢測時，發現其中有2 只GIS 設備母線殼體對接焊縫存在超標缺陷信號顯示。為了驗證超聲波檢測工藝是否合理并且有效，分別以不合格殼體1 和不合格殼體2 命名，對超聲波超標缺陷位置進行數字X 射線DR（成像技術）和PT（滲透檢測技術）的驗證。

3.1 DR 檢測

不合格殼體1（鋼印號PC15-08-ZB54）用一、二次波粗掃，二次回波顯示定位，其對接環焊縫存在1 處超標缺陷信號：當量為φ2×40-5 dB，深度為5 mm，長度為37 mm，缺陷位于焊縫中心。使用以色列VIDSCO 數字射線機對該殼體超聲波檢測超標缺陷信號顯示位置進行了驗證，源采用XRS-3 型便攜式脈沖射線機，成像板采用VIDSCO 配套非晶硅成像板，成像尺寸22 cm×22 cm。透照參數采用60 個脈沖，焦距250 mm，采用墻體厚度宏模式進行射線檢測。經DR 檢測，超聲波超標缺陷顯示位置存在根部未焊透缺陷，如圖5 所示。

3.2 PT 檢測

圖5 DR 驗證

不合格殼體2（鋼印號FY15-03-979）用一、二次波粗掃，一次波和二次回波共同定位，其對接縱焊縫存在1 處超標缺陷信號：當量為φ2×40+0 dB，深度為5.5 mm，長度為10 mm，缺陷位于焊縫中心偏下約1.5 mm。因該缺陷一側當量為φ2×40+0 dB；另一側當量為φ2×40－20 dB，水平、深度相差均1～2 mm，綜合坡口型式和角度可判定該缺陷為坡口未融合，該結果經DR 檢測得以確認為坡口未熔合。為了驗證超聲波和DR檢測結果，經與廠方協商，在返修過程中，從殼體內部用磨頭打磨清潔后經PT 檢測，發現缺陷如圖6 所示。最終判定缺陷為坡口未熔合，驗證超聲波檢測結果正確。

圖6 PT 驗證

4 結語

針對6 mm 厚鋁鎂合金板制GIS 設備母線殼體對接焊縫質量檢測缺乏有效的驗收手段，且現行國家標準、行業標準對8 mm 以下厚度鋁合金對接焊縫超聲波檢測的規范要求尚屬空白，本文介紹了一種常規超聲波檢測技術，經現場應用表明，該方法能有效檢出GIS 設備母線殼體對接焊縫焊接缺陷，為變電站GIS 設備安全運行提供了技術保障。