影響手動(dòng)超聲法檢測(cè)焊接接頭橫向缺餡可行性的關(guān)鍵因素

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(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

影響手動(dòng)超聲法檢測(cè)焊接接頭橫向缺餡可行性的關(guān)鍵因素

張佳銀，鄭暉

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

通過(guò)分析現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊接接頭進(jìn)行超聲檢測(cè)的相關(guān)規(guī)定，基于焊接接頭在焊接過(guò)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(shí)際需求和可操作性的理論出發(fā)，提出了解決上述問(wèn)題的方法，對(duì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的錯(cuò)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(dòng)區(qū)寬度

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

1.1檢測(cè)區(qū)寬度

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

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

圖1 V型坡口對(duì)接接頭檢測(cè)區(qū)示意

(3) 超聲檢測(cè)應(yīng)覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)[1]。

1.2斜探頭掃查方法

1.2.1 縱向缺陷的檢測(cè)

檢測(cè)焊接接頭縱向缺陷時(shí)，斜探頭應(yīng)垂直于焊縫中心線(xiàn)放置在掃查面上，作鋸齒型掃查(見(jiàn)圖2)。探頭前后移動(dòng)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(dòng)的同時(shí)，掃查時(shí)還應(yīng)作10°～15°左右的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 鋸齒型掃查示意

1.2.2 橫向缺陷的檢測(cè)

檢測(cè)焊接接頭橫向缺陷時(shí)，可在焊接接頭兩側(cè)邊緣使斜探頭與焊接接頭中心線(xiàn)成不大于10°作兩個(gè)方向的斜平行掃查(見(jiàn)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(gè)方向的平行掃查(見(jiàn)圖4)[1-2]。

圖3 斜平行掃查

圖4 平行掃查

2 手動(dòng)常規(guī)超聲法檢測(cè)焊接接頭橫向缺陷相關(guān)規(guī)定引出的問(wèn)題

(1) 首要的問(wèn)題就是現(xiàn)有超聲檢測(cè)文獻(xiàn)及現(xiàn)行超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，均沒(méi)有對(duì)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(wèn)題。

(2) 對(duì)于余高未磨平的焊接接頭，當(dāng)要求檢測(cè)其橫向缺陷時(shí)，如果采用“使斜探頭與焊接接頭中心線(xiàn)成不大于10°作兩個(gè)方向斜平行掃查”的掃查方法，實(shí)際上絕大多數(shù)被檢測(cè)焊接接頭均不可能存在使“超聲檢測(cè)應(yīng)覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)”的條件。也就是說(shuō)，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(gè)檢測(cè)區(qū)的問(wèn)題。

(3) 如果采用“保持探頭垂直焊縫作前后移動(dòng)的同時(shí)，掃查時(shí)還應(yīng)作10°～15°的左右轉(zhuǎn)動(dòng)”檢測(cè)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(xiàn)成15°～80°的缺陷都將會(huì)漏檢。

(4) 現(xiàn)行的“檢測(cè)和評(píng)定橫向缺陷時(shí)，應(yīng)將各線(xiàn)靈敏度均提高6 dB”的要求，將檢測(cè)焊接接頭中縱向缺陷和橫向缺陷進(jìn)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(zhǎng)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(duì)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(xiàn)，B1為掃查面對(duì)面探頭側(cè)焊縫熔合線(xiàn)。采用使斜探頭與焊接接頭中心線(xiàn)成10°的斜平行掃查方式。

圖5 斜探頭斜平行掃查有余高對(duì)接接頭時(shí)的俯視圖

3.1直射波法

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

此時(shí)，可得到探頭入射點(diǎn)到A1的垂直距離為：

直射波主波束中軸線(xiàn)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(xiàn)上波束覆蓋對(duì)面整個(gè)檢測(cè)區(qū)寬度的條件為：

ΔADZ=Kt·sin10°-(W·cos10°+l0·sin10°)-

當(dāng)式(1)成立時(shí)，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(guò)分析式(1)中的相關(guān)參數(shù)可知，對(duì)于板厚不太大的焊接接頭和非窄間隙對(duì)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(cè)時(shí)，采用直射波檢測(cè)這些焊接接頭中的橫向缺陷是不可能的。實(shí)際上這種情況現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)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(xiàn)上波束覆蓋對(duì)面整個(gè)檢測(cè)區(qū)寬度的條件為：

ΔASZ=Kt·sin10°-

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

通過(guò)分析式(4)中的相關(guān)參數(shù)可知，對(duì)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(duì)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(cè)焊接接頭下部橫向缺陷時(shí)，一定先要用式(4)進(jìn)行判斷，確保優(yōu)選出(K值較大、尺寸較小)滿(mǎn)足式(4)的，且檢測(cè)靈敏度、信噪比也滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的探頭。

此時(shí)對(duì)應(yīng)的被檢對(duì)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(cè)橫向缺陷的焊接接頭。

單面雙側(cè)、直射波法檢測(cè)焊接接頭下部橫向缺陷時(shí)的探頭移動(dòng)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(kāi)A1線(xiàn)并垂直于A1線(xiàn)進(jìn)行移動(dòng)。當(dāng)探頭移動(dòng)到一段距離、正好使直射波主波束中軸線(xiàn)上波束與B1線(xiàn)相交時(shí)，掃查面對(duì)面母材表面產(chǎn)生的反射波才開(kāi)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(xiàn)上波束覆蓋掃查面整個(gè)檢測(cè)區(qū)寬度的條件為：

當(dāng)式(6)成立時(shí)，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(guò)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(gè)先決條件成立，則式(6)一定成立。

由此可見(jiàn)，當(dāng)采用單面雙側(cè)、斜平行掃查方式檢測(cè)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(shí)，只需要用式(5)進(jìn)行判別就可以了。

單面雙側(cè)、一次反射法檢測(cè)焊接接頭上部橫向缺陷時(shí)的探頭移動(dòng)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(jìn)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(xiàn)上波束覆蓋對(duì)面整個(gè)檢測(cè)區(qū)寬度的條件為：

ΔBSZ=Kt·sin10°-

當(dāng)式(8)成立時(shí)，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(guò)比較式(8)與式(4)可知，對(duì)于確定的被檢對(duì)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(shí)，更加有利于使式(8)成立。

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

所以，對(duì)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(cè)板厚不太大的焊接接頭時(shí)，應(yīng)考慮到掃查面的選擇。也就是說(shuō)，掃查面也是檢測(cè)接頭橫向缺陷時(shí)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(cè)焊接接頭下部橫向缺陷時(shí)的探頭移動(dòng)區(qū)寬度LBSZ為：

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

即當(dāng)式(10)成立時(shí)，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(guò)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(duì)于將焊縫余高寬度較小的一面作為掃查面的情況，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，對(duì)式(8)(直射波檢測(cè)接頭下部橫向缺陷的情況)和式(10)(一次反射波檢測(cè)接頭上部橫向缺陷的情況)均應(yīng)進(jìn)行判別，才能決定選定的探頭參數(shù)是否滿(mǎn)足可實(shí)施檢測(cè)的要求。

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

4 對(duì)導(dǎo)出計(jì)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(xiàn)成不大于10°的掃查方法，對(duì)厚度不同的有余高的平板對(duì)接接頭進(jìn)行橫向缺陷檢測(cè)時(shí)，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(xiàn)成不大于10°”的掃查方法檢測(cè)接頭橫向缺陷時(shí)，所舉例中只有厚度較大的焊接接頭不受檢測(cè)面的影響；當(dāng)被檢對(duì)象的厚度較小時(shí)，無(wú)論在接頭的哪一面進(jìn)行掃查，都不具備檢測(cè)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(xiàn)成不大于30°”的掃查方法，對(duì)厚度不同、有余高的平板對(duì)接接頭進(jìn)行橫向缺陷檢測(cè)時(shí)，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(xiàn)成不大于30°”的掃查方法檢測(cè)接頭橫向缺陷時(shí)，所舉例中只有厚度較大的焊接接頭不受檢測(cè)面的影響；當(dāng)被檢對(duì)象的厚度較小時(shí)，只有選擇在接頭的焊縫寬度較大的一面進(jìn)行掃查，才具備檢測(cè)條件。

表1 斜探頭與焊接接頭中心線(xiàn)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(xiàn)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(cè)焊接接頭橫向缺陷時(shí)，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(gè)焊接接頭的被檢區(qū)域。

應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)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(cè)靈敏度和信噪比都滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行檢測(cè)時(shí)，只需對(duì)直射波的覆蓋情況作出判斷。

板厚不太大時(shí)，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(jìn)行掃查時(shí)(此面為受條件限制時(shí)才采用)，應(yīng)對(duì)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(cè)橫向缺陷的探頭后，為了確保檢出焊接接頭整個(gè)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(dòng)區(qū)寬度計(jì)算公式，計(jì)算出最小探頭移動(dòng)區(qū)寬度，并嚴(yán)格按照計(jì)算值進(jìn)行掃查。

4.5應(yīng)用可行性分析五

應(yīng)對(duì)手動(dòng)常規(guī)超聲法檢測(cè)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)相一致的定義，即缺陷指示長(zhǎng)度的方向與焊接接頭長(zhǎng)度方向的夾角大于或等于300時(shí)，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(duì)手動(dòng)常規(guī)超聲法檢測(cè)焊接接頭橫向缺陷掃查方法的修改意見(jiàn)：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(cè)文獻(xiàn)及現(xiàn)行超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)焊接接頭橫向缺陷時(shí)，可在焊接接頭兩側(cè)邊緣使斜探頭與焊接接頭中心線(xiàn)成不大于60°作兩個(gè)方向斜平行掃查”。

與此同時(shí)，還應(yīng)將手動(dòng)常規(guī)超聲法檢測(cè)焊接接頭縱向缺陷的掃查方法修改為：檢測(cè)焊接接頭縱向缺陷時(shí)，斜探頭應(yīng)垂直于焊縫中心線(xiàn)放置在掃查面上，作鋸齒型掃查。探頭前后移動(dòng)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(dòng)的同時(shí)，掃查時(shí)還應(yīng)作0°～30°的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。

這樣修改后，既保持了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)焊接接頭缺陷分類(lèi)定義的一致性，也不會(huì)因檢測(cè)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(cè)技術(shù)規(guī)定的角度避免了焊接接頭中各個(gè)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(shí)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(zhǎng)度方向與焊接接頭中心線(xiàn)成0°～30°的缺陷)及橫向缺陷(指示長(zhǎng)度方向與焊接接頭中心線(xiàn)成30°～90°的缺陷)都檢測(cè)出來(lái)。

4.7應(yīng)用可行性分析七

(1) 從焊接接頭的焊接工藝過(guò)程分析可知，焊接接頭中產(chǎn)生縱向缺陷的幾率遠(yuǎn)大于橫向缺陷。所以，在焊接接頭進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，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(guò)程中產(chǎn)生橫向缺陷的幾率和實(shí)際檢測(cè)橫向缺陷的必要性，再規(guī)定是否需要進(jìn)行橫向缺陷檢測(cè)。這恰好是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭超聲檢測(cè)進(jìn)行技術(shù)等級(jí)分級(jí)的意義所在。如果在檢測(cè)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(méi)有必要將這兩類(lèi)缺陷在檢測(cè)和評(píng)定時(shí)的靈敏度進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。

(2) 對(duì)于同一個(gè)被檢產(chǎn)品(例如某壓力容器本體)而言，當(dāng)其同時(shí)存在環(huán)向焊接接頭和縱向焊接接頭時(shí)，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(jiàn)，將這兩類(lèi)缺陷在檢測(cè)和評(píng)定時(shí)的靈敏度進(jìn)行區(qū)別對(duì)待是缺乏依據(jù)的。

(3) 通過(guò)上面給出的檢測(cè)橫向缺陷時(shí)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(shuō)，此時(shí)聲波在被檢工件中的傳播距離會(huì)較長(zhǎng)，相應(yīng)地其聲能的衰減將會(huì)增大。當(dāng)被檢對(duì)象材料的聲能衰減較大時(shí)，如果再將檢測(cè)和評(píng)定縱向缺陷靈敏度提高6 dB，此時(shí)檢測(cè)的信噪比將進(jìn)一步降低，甚至有可能降低到信噪比不能進(jìn)行檢測(cè)操作的程度。

由此可見(jiàn)，對(duì)于聲能衰減較大的焊接接頭，“檢測(cè)和評(píng)定橫向缺陷時(shí)，應(yīng)將各線(xiàn)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(cè)的可操作性。

[1] 鄭暉,林樹(shù)青.超聲檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：284-289.

[2] NB/T 47013.3-2015 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)[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(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)工作

張佳銀，zhangjiayin8338@sina.com

10.11973/wsjc201711007

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0031-05