楊 斌,劉國(guó)波
(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司 研究院,湖北 武漢 430080)
超聲波檢測(cè)技術(shù)在平板對(duì)接焊縫探傷中的應(yīng)用
楊 斌,劉國(guó)波
(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司 研究院,湖北 武漢 430080)
在焊接金屬材質(zhì)鑄件的過(guò)程中,受鑄件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)熱脹冷縮的影響,會(huì)產(chǎn)生熱劣化裂紋損傷,致使工件強(qiáng)度、韌性和焊接性能下降,從而埋下事故隱患[1]。因此,如何快速、準(zhǔn)確定位金屬材料焊縫缺陷是至關(guān)重要的。射線探傷和超聲波探傷是對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的主要方法。對(duì)于焊縫中裂紋、未熔合等面狀危害性缺陷,超聲波探傷比射線探傷的檢出率更高。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(UT)能準(zhǔn)確定位焊縫缺陷,分辨其形狀和大小,且不損壞材料和工件制品,能在很大程度上消除隱患,避免事故的發(fā)生[2]。結(jié)合超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的原理和焊縫的缺陷類型,簡(jiǎn)明扼要地分析了超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在平板對(duì)接焊縫探傷中的應(yīng)用,以期為日后的相關(guān)工作提供參考。
超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù);焊縫;探測(cè)頻率;耦合劑
焊縫的超聲波檢測(cè)分為直射聲束法或斜射聲束法(無(wú)需磨平余高)。在實(shí)際探傷過(guò)程中,超聲波能在均勻介質(zhì)中傳播,遇缺陷形成反射。此時(shí),缺陷可以被看作新的波源,其發(fā)出的波被探頭接收,波峰曲線可以直觀顯現(xiàn)在屏幕上。缺陷越小,缺陷回波越不會(huì)擾亂探頭聲場(chǎng)[3]。由于焊接工藝和材質(zhì)不同,且焊縫有增強(qiáng)量、表面不光滑以及大多危險(xiǎn)性缺陷(比如裂縫、未焊透)垂直于平板面,因此,對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)一般都用斜探頭在焊縫兩側(cè)與鋼板直接接觸時(shí)所產(chǎn)生的折射橫波來(lái)進(jìn)行掃描探測(cè)[4],如圖1所示。
圖1 焊縫探傷一般方法
在缺陷檢測(cè)時(shí),要在焊縫截面前后、左右移動(dòng)探頭,這樣才能保證超聲波掃查到整個(gè)探測(cè)面。為此,通常要對(duì)探測(cè)表面進(jìn)行修整,清除探測(cè)面的焊接飛濺、氧化鐵皮、銹蝕、凹坑油漆等,以免其影響聲波耦合和缺陷判斷。常用的清理工具有鏟刀、鋼絲刷和砂輪機(jī)等。
探測(cè)面的修整寬度按GB 11345—89標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。
檢測(cè)區(qū)寬度為焊縫本身加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度30%的區(qū)域(5~10 mm)。
探頭移動(dòng)區(qū)寬度的計(jì)算公式是:
式(1)中:T為母材厚度;K為斜探頭折射角的正切值,K=tgβ.使用一次反射法檢測(cè)時(shí),焊縫兩側(cè)的修整寬度(探頭移動(dòng)區(qū))應(yīng)大于或等于1.25P;使用一次直射法檢測(cè)時(shí),焊縫兩測(cè)的修整寬度(探頭移動(dòng)區(qū))應(yīng)大于或等于0.75P。
C級(jí)檢測(cè)要求應(yīng)進(jìn)行母材檢測(cè)。而母材檢測(cè)要求則是:①選擇2~5 MHz直探頭,晶片直徑為10~25 mm;②檢測(cè)靈敏度時(shí),將無(wú)缺陷處第二次底波調(diào)整為屏幕滿刻度的100%;③應(yīng)對(duì)信號(hào)幅度超過(guò)20%的缺陷作標(biāo)記并記錄。
在探傷過(guò)程中,為了使超聲波能順利傳入工件,探傷前,必須在探測(cè)面上涂上合適的耦合劑。常用的耦合劑有機(jī)油、化學(xué)糨糊、水、甘油、潤(rùn)滑脂(黃油)等。其中,機(jī)油不利于清除,且會(huì)給焊縫返修造成不便;糨糊有利于進(jìn)行垂直、頂面探傷。當(dāng)工件表面光潔度較好時(shí),各種耦合劑聲透性能相差不大,但當(dāng)工件表面光潔度較差時(shí),選用聲阻抗較大的耦合劑,比如甘油,可以獲得較好的聲透性能[5]。
在選用耦合劑時(shí),其應(yīng)具備以下幾個(gè)性能:①良好的聲透性能和合適的聲阻抗值;②探測(cè)頻率;③耦合劑均勻,且不含固體粒子或氣泡,能提供合適的潤(rùn)滑度,便于探頭移動(dòng);④保存和使用方便,避免污染,且無(wú)腐蝕、毒性或危害,不易燃;⑤在檢測(cè)條件下,不易凍結(jié)或汽化,且檢測(cè)后易于清除,同時(shí),使用通常的探頭和耦合劑時(shí),受檢表面溫度最高不得超過(guò)500℃。
為了保證純橫波探測(cè),對(duì)于鋼質(zhì)材料,探頭入射角應(yīng)滿足27.5°(第一臨界角)<α<57°(第二臨界角)的要求。另外,國(guó)內(nèi)外使用方式不同,國(guó)內(nèi)之前使用的探頭均用入射角角度表示,比如30°、40°、50°、55°等。近年來(lái),為了使缺陷定位更加方便,均改用K值探頭(K=tgβ),比如K=0.8,K=1,K=2,K=2.5,K=3等。而國(guó)外則普遍使用折射角表示,比如β=35°,β=45°,β=60°,β=80°等。
選擇探頭K值時(shí),要注意以下4點(diǎn)。
3.1.1 注意要素
在選擇探頭時(shí),要注意以下3點(diǎn):①主聲束能覆蓋整個(gè)焊縫截面;②聲束中心線盡量與主要危害性缺陷垂直;③保證探傷靈敏度。
3.1.2 選擇K值時(shí)的注意要點(diǎn)
如圖2所示,為了保證整個(gè)焊縫截面為聲束覆蓋,用一次波和二次波探測(cè)時(shí),探頭K值需滿足式(2)的要求,即:
式(2)中:a為上焊縫寬度的1/2;b為下焊縫寬度的1/2;l為斜探頭前沿距離;T為平板工件板厚。
圖2 探頭K值選擇
為了保證能掃查到整個(gè)焊縫截面,必須要求y1+y2≤T,即
當(dāng)y1+y2>T時(shí),因?yàn)槌暡o(wú)法掃查到焊縫中間一小塊棱形面積,所以,可能會(huì)導(dǎo)致缺陷漏檢。焊縫中間的菱形如圖3所示。
圖3 焊縫中間菱形
3.1.3 根據(jù)工件厚度選擇K值
薄工件采用大K值探頭,以避免近場(chǎng)探傷,提高定位和精度;厚工件采用小K值探頭,縮短聲程,減小衰減,提高探傷靈敏度,同時(shí),還可減少打磨寬度。各種焊縫探傷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探頭角度的具體規(guī)定如表1所示。
3.1.4 K值隨工件聲速和探頭磨損而變化
K值隨工件聲速和探頭磨損的變化規(guī)律是:聲速快,探頭后面磨損嚴(yán)重,K值隨之變大。所以,在檢驗(yàn)缺陷前,要對(duì)K值進(jìn)行校驗(yàn)。
表1 NB/T 47013—2015推薦K值
探測(cè)頻率越大,其波長(zhǎng)越小,可檢測(cè)出的缺陷尺寸也越小(一般為λ/2),所以增大探測(cè)頻率有利于缺陷檢出。然而,在焊縫中,危險(xiǎn)性缺陷大都與超聲波入射方向成一定角度,頻率過(guò)高,雖然缺陷反射指向性越好,但探頭不易接收回波信號(hào)。為了保證超聲波檢驗(yàn)的靈敏度,探測(cè)頻率要適當(dāng)[7]。
GB 11345—89標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,檢驗(yàn)頻率f一般在2~5 MHz范圍內(nèi)選擇,且推薦選用2~2.5 MHz公稱頻率檢驗(yàn)。
JB 1152—81標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)于厚板焊縫和材質(zhì)衰減明顯的焊縫,為了保證探傷靈敏度,探測(cè)頻率一般采用2.5 MHz;對(duì)于薄板焊縫,為了提高分辨力,探測(cè)頻率可選用5 MHz。
NB/T 47013—2015標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試塊有CSK-IA、CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、CSK-ⅣA。CSK-ⅠA 試塊用于超聲波儀器、探頭系統(tǒng)性能校準(zhǔn)和檢測(cè)校準(zhǔn),CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、CSK-ⅣA試塊用于超聲波檢測(cè)校準(zhǔn),CSK-IA、CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、CSK-ⅣA試塊適用于檢測(cè)曲面率半徑大于等于250 mm的焊接接頭超聲檢測(cè),CSK-IA、CSK-ⅡA和CSK-ⅣA試塊適用于工件壁厚為6~500 mm的焊接接頭超聲檢測(cè)。其中,CSK-ⅡA適用于工件壁厚范圍為6~200 mm的焊接接頭,CSK-ⅣA系列試塊適用于工件壁厚大于200~500 mm的焊接接頭。對(duì)于工件壁厚范圍為8~120 mm的焊接接頭超聲檢測(cè),也可以采用CSK-ⅢA試塊,但應(yīng)對(duì)靈敏度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,與CSK-ⅡA試塊保持一致。
在檢測(cè)不同工件厚度對(duì)接接頭時(shí),可根據(jù)較大工件厚度確定試塊厚度,可根據(jù)簿側(cè)工件厚度確定掃查靈敏度和質(zhì)量等級(jí)。CSK-ⅡA、CSK-ⅣA試塊的人工反射體為長(zhǎng)橫孔,其反射波在理論上與焊縫光滑的直線熔渣相似。同時(shí),利用橫孔對(duì)不同的聲束折射角也可以得到相等反射面,但需要深度不同的對(duì)比孔。長(zhǎng)橫孔遠(yuǎn)場(chǎng)變化規(guī)律因距離變化而類似于未焊透。在長(zhǎng)橫孔試塊上繪制曲線,測(cè)定靈敏度,適用于未焊透類型缺陷的檢測(cè)。CSK-ⅢA試塊的人工反射體為短橫孔。短橫孔遠(yuǎn)場(chǎng)變化規(guī)律因距離變化類似于球孔。在短橫孔試塊上繪制曲線時(shí),檢測(cè)靈敏度可有效控制點(diǎn)狀缺陷,但對(duì)中厚板而言靈敏度偏高。
2種反射體試塊因反射體類型不同,檢測(cè)靈敏度、反射規(guī)律、曲線規(guī)律和所控制檢測(cè)對(duì)象都不同,所以,二者要區(qū)別看待,不得混用。
在焊縫探傷中,探頭移動(dòng)有4種基本方式,即左右移動(dòng)、前后移動(dòng)、定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和環(huán)繞轉(zhuǎn)動(dòng),如圖4所示。前后移動(dòng)、左右移動(dòng)、定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合使用時(shí),即為鋸齒形掃查,具體如圖5所示。除此之外,為了檢測(cè)橫向裂縫,還可以采用斜平行掃查、交叉掃查等。但是,對(duì)厚板中出現(xiàn)的垂直于板面的裂縫和未焊透,還應(yīng)進(jìn)行串列式掃查等。
具體情況如下:①鋸齒形掃查——粗掃查,為最常用的掃查方式,探頭與焊縫垂直,前后移動(dòng)的同時(shí)還應(yīng)10°~15°左右轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方式的特征是,檢測(cè)速度快,易于發(fā)現(xiàn)傾斜缺陷。②左右、前后掃查。左右掃查可測(cè)定缺陷長(zhǎng)度,前后掃查可測(cè)定缺陷自身高度和深度。③轉(zhuǎn)角掃查可推斷缺陷方向。④環(huán)繞掃查可推斷缺陷形狀。當(dāng)環(huán)繞掃查時(shí),發(fā)現(xiàn)波高不變,可判定為點(diǎn)狀缺陷。⑤平行、斜平行掃查主要用于檢查焊縫和熱影響區(qū)的橫向缺陷,具體如圖6所示。⑥串列掃查用于厚板窄間隙焊縫或垂直于表面缺陷檢測(cè)。它多采用K1兩個(gè)探頭串列式掃查。這種方式的特征是,串列掃查回波位置不變,存在掃查盲區(qū)。串列掃查方式如圖7所示。
圖4 探頭移動(dòng)的4種基本方式
圖5 鋸齒形掃查方式
圖6 平行掃查和斜平行掃查
在材料焊接過(guò)程中,有可能出現(xiàn)危害性缺陷,所以,應(yīng)根據(jù)工件構(gòu)造、坡口形式和角度選用主聲束與其垂直的入射方向[8]。
6.1.1 縱向缺陷檢測(cè)
縱向缺陷檢測(cè)時(shí)要注意以下3點(diǎn):①當(dāng)T=8~46 mm時(shí),單面雙側(cè)(直射波和一次反射波法)檢測(cè)。②當(dāng)T>46~120 mm時(shí),雙面雙側(cè)(直射波法)檢測(cè)。如果受幾何條件的限制,也可以在雙面單側(cè)或單面雙側(cè)采用2種K值探頭分別檢測(cè)。③當(dāng)T>120~400 mm時(shí),雙面雙側(cè)(2種K值,直射波法)檢測(cè),兩探頭折射角相差≥10°。
6.1.2 橫向缺陷檢測(cè)
橫向缺陷檢測(cè)時(shí)要注意以下3點(diǎn):①在焊縫兩側(cè),聲束軸線與焊縫中心線夾角10°~20°作斜平行探測(cè)(正反兩個(gè)方向);②如果焊縫磨平,可以在焊縫和熱影響區(qū)掃查;③電渣焊易出現(xiàn)橫裂紋,可用K1探頭45°夾角在焊縫兩側(cè)作正反方向的斜平行掃查。
C級(jí)檢驗(yàn)時(shí)要注意以下4點(diǎn):①將焊縫余高磨平,焊縫兩側(cè)斜探頭掃查區(qū)域的母材用直探頭檢測(cè)。②當(dāng)T=8~46 mm時(shí),單面雙側(cè)(兩K值,探頭折射角相差≥10°,其中一個(gè)為45°,一次反射法)檢測(cè)。③當(dāng)T>46~400 mm時(shí),雙面雙側(cè)(兩K值,探頭折射角相差≥10°,一次反射波)檢測(cè)。對(duì)于單側(cè)坡口小于5°的窄間隙焊縫,采用串列掃查法。④應(yīng)進(jìn)行橫向缺陷檢測(cè)。
在CSK-IA試塊上,利用R50、R100圓孔進(jìn)行前沿測(cè)定。將探頭放置在CSK-IA試塊上前后移動(dòng),尋找最高波,然后測(cè)量探頭前端至試塊R100端的距離X.此探頭前沿尺寸即為L(zhǎng)0=100-X.
測(cè)定K值時(shí),要注意以下2點(diǎn):①利用CSK-IA試塊Φ50反射體。探頭前后移動(dòng),尋找最高波,測(cè)量探頭前沿距試塊端部水平距離L.②利用CSK-ⅢA試塊Φ1×6孔(深20 mm較好避開(kāi)近場(chǎng)),尋找最高波,測(cè)量水平距離L.
距離—dB曲線是表格形式,用數(shù)字標(biāo)注;距離—波幅曲線由評(píng)定線、定量線、判廢線3條線組成3個(gè)不同的區(qū)域,各線檢測(cè)靈敏度依不同標(biāo)準(zhǔn)而定。
探頭入射點(diǎn)、K值測(cè)定:調(diào)節(jié)掃描速度,將探頭放置在標(biāo)準(zhǔn)試塊上,測(cè)距表面最近人工反射體,定位最高波;調(diào)增益,使波高至80%,記下此時(shí)顯示屏讀數(shù)與孔深度;然后依次測(cè)不同深度孔(深度達(dá)檢測(cè)最大深度),調(diào)增益使各孔波高達(dá)80%,標(biāo)記此時(shí)顯示屏dB數(shù)。
探頭入射點(diǎn)、K值測(cè)定:調(diào)節(jié)掃描速度,將探頭置于標(biāo)準(zhǔn)試塊上,測(cè)距表面最近人工反射體,尋找最高波;調(diào)增益使波高至80%,保持探頭不動(dòng),記下顯示屏讀數(shù);點(diǎn)擊波峰記憶值。保持增益不動(dòng),依次測(cè)其他深度孔,并連接屏幕面板上各孔波峰點(diǎn),即成為該反射體距離—波幅基準(zhǔn)線。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各條線靈敏度,調(diào)增益,屏幕上這3條基準(zhǔn)線即可任意轉(zhuǎn)換。
8.2.1 距離—波幅曲線實(shí)用
如果超聲波探傷中發(fā)現(xiàn)一缺陷波,找到最高波峰值,保持探頭不動(dòng)。調(diào)節(jié)增益,使該波峰顯示到距離—波幅曲線上(此屏幕上顯示定量線SL),記錄衰減器讀數(shù)f,并計(jì)算f與定量線SL差值(△dB)。該缺陷波幅記錄為SL±△dB。如果時(shí)基線按深度法調(diào)節(jié),在時(shí)基線上直接讀出缺陷深度H,并計(jì)算水平距離L;如果時(shí)基線按水平法調(diào)節(jié),則在時(shí)基線上直接讀出缺陷水平距離L,并計(jì)算深度H。深度法,L=KH;水平法,H=L/K。
8.2.2 分段繪制曲線
如果被檢工件厚度比較大,屏幕上,在最大檢測(cè)距離處距離—波幅曲線位置低,掃查過(guò)程中的回波動(dòng)態(tài)變化不易觀察到,易導(dǎo)致缺陷漏檢(曲線應(yīng)繪制在屏幕20%高度以上區(qū)域)。分段繪制曲線的步驟是:在原曲線上某一點(diǎn)(中間或2/3處)調(diào)增益,將靈敏度提高10 dB(記錄此讀數(shù));再按常規(guī)方法依次將后面深度反射體波高標(biāo)在屏幕上。在實(shí)際探傷時(shí),此點(diǎn)之前深度范圍內(nèi)用增益之前靈敏度探傷,此點(diǎn)之后深度范圍用增益提高10 dB以后的靈敏度探傷。
探測(cè)靈敏度反映檢測(cè)缺陷的能力。靈敏度高,檢測(cè)缺陷能力大;靈敏度低,檢測(cè)缺陷能力也低。如果要把焊縫中所有缺陷都檢測(cè)出來(lái),靈敏度越高越好,但受工件材質(zhì)、表面狀況、儀器性能和焊接構(gòu)件使用狀態(tài)不同的限制,檢測(cè)靈敏度也有一定的限制,具體的探測(cè)靈敏度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3—2015中的規(guī)定執(zhí)行。
探測(cè)靈敏度的選擇應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①距離波幅—曲線選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靈敏度;②檢測(cè)橫向缺陷時(shí),應(yīng)將各線靈敏度均提高6 dB;③當(dāng)檢測(cè)面曲率半徑R≤W2/4時(shí),距離—波幅曲線的繪制應(yīng)在與檢測(cè)面曲率相同的對(duì)比試塊上進(jìn)行;④當(dāng)跨距聲程內(nèi)最大傳輸損失差大于2 dB時(shí),應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償;⑤掃查靈敏度不低于最大聲程處的評(píng)定線靈敏度。
如果用K2斜探頭對(duì)板厚為10~24 mm對(duì)接焊縫中存在的自然缺陷進(jìn)行探測(cè),其缺陷反射波高,測(cè)定的大致情況如表2所示。
表2 各種自然缺陷的反射波高
將探頭移至缺陷出現(xiàn)最大反射信號(hào)(最大波峰)的位置測(cè)定波幅大小,并確定區(qū)域。
例如,時(shí)基線調(diào)節(jié)為水平1∶n.在實(shí)際探傷中發(fā)現(xiàn)一缺陷,屏幕讀數(shù)40,該缺陷水平距離即為n×40 mm,埋藏深度為n×40/K.
例如,時(shí)基線調(diào)節(jié)為深度1∶n.在實(shí)際探傷中,如果發(fā)現(xiàn)一缺陷,屏幕讀數(shù)40,該缺陷埋藏深度為n×40,水平距離為 n×40×K.
缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定要注意以下3點(diǎn):①當(dāng)缺陷波只有一個(gè)高點(diǎn),且位于Ⅱ區(qū)及以上時(shí),波幅降到滿刻度的80%后,用6 dB法測(cè)長(zhǎng),如圖8所示;②當(dāng)缺陷波有多個(gè)高點(diǎn),且位于Ⅱ區(qū)及以上時(shí),波幅降到滿刻度的80%后,用端點(diǎn)6 dB法測(cè)長(zhǎng),如圖9所示;③當(dāng)缺陷波位于Ⅰ區(qū),如果有必要記錄時(shí),左右移動(dòng)探頭使波幅降到評(píng)定線,以此測(cè)定長(zhǎng)度(絕對(duì)靈敏度法)。
圖8 6 dB法測(cè)長(zhǎng)
圖9 端點(diǎn)6 dB法測(cè)長(zhǎng)
超聲波檢測(cè)是當(dāng)前最重要的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù),是現(xiàn)階段多種安全檢測(cè)的首選方式,其在金屬材料焊接工藝和平板對(duì)接焊縫缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用成為近年來(lái)新的發(fā)展方向。因此,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,工作人員在熟悉了金屬焊接性能和焊縫超聲波探傷知識(shí)后,能通過(guò)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確定位焊縫缺陷位置、類型和數(shù)量,為金屬鋼鐵工藝品提供質(zhì)量保證,從而確保工業(yè)生產(chǎn)安全。
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TG441.7
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.027
2095-6835(2017)20-0027-05
楊斌(1984—),男,主要從事金屬材料無(wú)損檢測(cè)方面的工作。
〔編輯:白潔〕