-PAGE10-焊接超聲波探傷摘要：本畢業(yè)設(shè)計的課題是板材焊縫超聲波探傷測試。主要任務(wù)是在掌握過程設(shè)備制造流程和焊接缺陷及其產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，研究超聲波探傷技術(shù)在鋼制壓力容器對接焊接接頭探傷檢測中的應(yīng)用，并給出焊縫返修的具體方案。

本文詳述了國內(nèi)外超聲檢測技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀，并在簡述過程設(shè)備制造、焊接及無損探傷的基礎(chǔ)上詳細介紹了超聲波探傷技術(shù)及其在焊縫無損探傷中的應(yīng)用及評定等級和注意事項。

針對給定的板材焊縫，通過實驗檢測該焊縫的缺陷，本文詳細介紹了試塊選用，設(shè)備調(diào)試，現(xiàn)場探傷中的常見問題及解決方法。同時給出了現(xiàn)場探傷、缺陷定位和長度測量的具體方法，并通過GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)對試驗中檢測到的缺陷進行了等級評定并得出了檢測工藝卡。

關(guān)鍵詞：焊縫；超聲波探傷；缺陷評定過程設(shè)備是各個工業(yè)部門不可缺少的重要生產(chǎn)設(shè)備，用于供熱、供電和儲存各種工業(yè)原料及產(chǎn)品，完成工業(yè)生產(chǎn)過程必需的各種物理過程和化學(xué)反應(yīng)。因此它成為石油、化工、電站、核能和軍工等工業(yè)部門的重要生產(chǎn)裝備。其制造工藝以焊接為主，質(zhì)量要求比較高。焊縫質(zhì)量直接決定著壓力容器的使用安全和使用壽命，因此在制造和使用過程中的焊縫檢測顯得尤為重要。因此，迫切需要尋找一種高效、經(jīng)濟、簡便可行的無損檢測技術(shù)及缺陷評定方法。無損檢測技術(shù)主要包括射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷、聲發(fā)射等方法其中超聲波探傷和射線探傷是檢測壓力容器焊縫內(nèi)部缺陷的主要手段。超聲波探傷以其探傷距離大、探傷裝置體積小、重量輕、便于攜帶、檢測速度快、檢測費用低等優(yōu)勢，在過程設(shè)備制造和在役檢測工作中得到越來越多的應(yīng)用。

由于歷史的原因，在用過程設(shè)備的檢驗、檢測及缺陷評定仍存在很大的問題。具體表現(xiàn)在：①在役過程設(shè)備(其中包括國外進口設(shè)備)由于設(shè)計、制造與安裝等所采用的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，其檢驗、檢測要求難以統(tǒng)一，制造質(zhì)量難以保證，給設(shè)備的維護和在用管理帶來很大難度。②過去對過程設(shè)備的驗收管理不嚴(yán)，導(dǎo)致了現(xiàn)今在役設(shè)備焊縫中存著大量超標(biāo)缺陷。焊接缺陷的類型主要包括未焊透、未熔合、裂紋、氣孔及夾渣等。③國內(nèi)外關(guān)于缺陷評定的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。這些缺陷如不進行定期檢查及有效的安全評定而盲目使用勢必會造成重大惡性事故，給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟損失。因此，怎樣實現(xiàn)對焊縫內(nèi)部缺陷的精確定位、定量和定性分析及缺陷評定，是需迫切解決的課題。在焊縫缺陷檢測中，超聲檢測是目前公認(rèn)的最有效的常規(guī)無損檢測方法之一，與其它常規(guī)檢測相比具有明顯的優(yōu)勢。焊縫超聲檢測一方面以其較為經(jīng)濟、操作輕便靈活而在質(zhì)量控制和在役設(shè)備安全性能檢查中得到廣泛的應(yīng)用，而在另一方面由于焊縫超聲檢測的不直觀性，以及檢測人員、檢測對象、儀器探頭等諸多因素，可能產(chǎn)生漏檢或誤判。因此，針對超聲檢測技術(shù)顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大以及探傷結(jié)果不便保存等技術(shù)難點，深入學(xué)習(xí)和掌握超聲檢測技術(shù)，在搞清原理、掌握使用的同時發(fā)揮創(chuàng)新精神探索超聲檢測過程中的出現(xiàn)的問題并加以解決。針對焊縫內(nèi)部缺陷的超聲波檢測及安全評定過程中所涉及的關(guān)鍵性問題進行系統(tǒng)的分析，并依據(jù)缺陷檢測所得到的結(jié)果進行缺陷評定具有重要意義。

基于以上原因，本文重點研究過程設(shè)備制造工藝、焊接缺陷的成因及焊縫內(nèi)部缺陷的超聲波檢測方法，并選用GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)進行缺陷評定和質(zhì)量分級，從而對焊接缺陷進行有效的安全評定。1.超聲檢測技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

無損探傷技術(shù)是檢測壓力容器焊縫內(nèi)部缺陷的主要手段。無損探傷是指利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，進而判定被檢對象所處技術(shù)狀態(tài)的所有技術(shù)手段的總稱。工業(yè)生產(chǎn)中常用的無損檢測方法有射線檢驗(RT)、超聲檢測(UT)、磁粉檢測(MT)和液體滲透檢測(PT)

四種。其中射線探傷和超聲波探傷是檢測壓力容器焊縫內(nèi)部缺陷的主要手段。國際超聲檢測技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

無損檢測技術(shù)歷經(jīng)一個世紀(jì)，盡管無損檢測技術(shù)本身并非一種生產(chǎn)技術(shù)，但其技術(shù)水平卻能反映該部門、該行業(yè)、該地區(qū)甚至該國的工業(yè)技術(shù)水平。超聲無損檢測技術(shù)(UT)作為四大常規(guī)檢測技術(shù)之一，由于其與其它常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，它具有被測對象范圍廣，檢測深度大；缺陷定位準(zhǔn)確，檢測靈敏度高；成本低，使用方便，速度快，對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點，因而世界各國都對超聲無損檢測給予了高度的重視。目前，國外工業(yè)發(fā)達國家的無損檢測技術(shù)已逐步從NDI和NDT向NDE過渡。無損探傷(NDI)、無損檢測(NDT)和無損評價(NDE)是無損檢測發(fā)展的三個階段。超聲波無損探傷是初級階段，它的作用僅僅是在不損害零部件的前提下，發(fā)現(xiàn)其人眼不可見的內(nèi)部缺陷，以滿足工業(yè)設(shè)計中的強度求。超聲無損檢測是近20年來應(yīng)用最廣泛的術(shù)語，它不僅要檢測最終產(chǎn)品，而且還要對生產(chǎn)過程的有關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測。超聲無損評價是超聲檢測發(fā)展的最高界，不但要探測缺陷的有無，還要給出材質(zhì)的定量評價，也包括對材料和缺陷的物理和力學(xué)性能的檢測及其評價。本文建立在NDI的基礎(chǔ)上，在過程裝備制造與維護過程中，對焊縫進行有效檢測，并進行缺陷分析和計算，從而對過程裝備進行有效的安全評估。

我國超聲無損檢測發(fā)展現(xiàn)狀

近年來我國超聲無損檢測事業(yè)取得了巨大進步和發(fā)展。超聲無損檢測已經(jīng)應(yīng)用到了幾乎所有工業(yè)部門，其用途正日趨擴大。超聲無損檢測的相關(guān)理論和方法及應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究正在逐步深入，已經(jīng)取得了許多突破性進展。比如，用戶友好界面操作系統(tǒng)軟件；各種掃描成象技術(shù)；多坐標(biāo)、多通道的自動超聲檢查系統(tǒng)；超聲機器人檢測系統(tǒng)等。無損檢測的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，檢測儀器的數(shù)字化、智能化、圖象化、小型化和系列化工作也都取得了較大發(fā)展。我國已經(jīng)制訂了一系列國標(biāo)、部標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且引進了ISO，ATSM等一百多個國外標(biāo)準(zhǔn)。無損檢測人員的培訓(xùn)也逐漸與國際接軌。但是，我國超聲無損檢測事業(yè)從整體水平而言，與發(fā)達國家之間仍存在很大差距。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：1）檢測專業(yè)隊伍中高級技術(shù)人員和高級操作人員所占比例較小，極大阻礙了超聲無損檢測技術(shù)向自動化、智能化、圖象化的進展。由于經(jīng)驗豐富的老一輩檢測工作者缺乏把實踐經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為理論總結(jié)，而年輕的檢測人員缺乏切實的實踐經(jīng)驗，這有可能導(dǎo)致現(xiàn)有的超聲檢測軟件系統(tǒng)不同程度的缺陷，降低了檢測的可靠性。

2）專業(yè)無損檢測人員相對較少，現(xiàn)有無損檢測設(shè)備有待改進。從而導(dǎo)致目前我國產(chǎn)品的質(zhì)量普遍存在較大問題。更嚴(yán)重的后果是產(chǎn)品的競爭能力差，焊縫的超聲波檢測技術(shù)研究影響產(chǎn)品進入國際市場。3）對無損檢測技術(shù)領(lǐng)域的信息技術(shù)應(yīng)用重視不夠。我國對無損檢測信息技術(shù)的建設(shè)工作還處在相當(dāng)薄弱的階段。4）無損檢測的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范多而雜。我們相信，隨著超聲檢測的廣泛應(yīng)用和對超聲檢測重視程度的不斷提高，我國的超聲檢測將獲得更加快速的發(fā)展和進步。

2.超聲波探傷方法

超聲波探傷作為無損檢驗的一種重要手段，在工業(yè)上已獲得廣泛的應(yīng)用。目前，從儀器品種、探頭種類、探傷方法、自動化水平等各方面都在不斷的革新和發(fā)展中。在超聲波探傷中，由于使用的波型、發(fā)射和接收的方法、信號的顯示方式、探頭與工件耦合的特點、工件形狀和缺陷類型、實現(xiàn)探傷的手段等都不相同，所以從不同的方面出發(fā)，就可以按不同的歸納方式分類。如按自動化程度可以分為自動化探傷、半自動化探傷、手工探傷：按缺陷在熒屏上顯示的方式可以分為：顯示缺陷深度及反射波幅度的A型顯示、顯示在橫截面上缺陷的形狀和分布情況的B形顯示、顯示水平截面上缺陷形狀和分布情況的C型顯示。脈沖反射法是目前運用最廣泛的一種超聲波探傷法。它使用的不是連續(xù)波，而是有一定持續(xù)時間按一定頻率發(fā)射超聲脈沖。探傷結(jié)果用示波器顯示。脈沖發(fā)射法包括縱波直探頭探傷法及橫波斜探頭探傷法兩種。

3.超聲探傷的設(shè)備與器材

超聲檢測設(shè)備與器材包括超聲檢測儀、探頭、試塊、耦合劑等，其中儀器和探頭對超聲檢測系統(tǒng)的能力起關(guān)鍵性作用。了解其原理、構(gòu)造和作用及其主要性能，是正確選擇檢測設(shè)備與器材并進行有效檢測的保證。

（1）超聲波探傷儀

超聲探傷儀是超聲檢測的主體設(shè)備，它的主要作用是產(chǎn)生電震蕩并施加于換能器（探頭）上，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時接收來自探頭的電信號，將其放大后以一定方式顯示出來，從而得到被檢工件中有關(guān)缺陷的信息。超聲波檢測儀按其指示參量可以分為以下三類：

第一類指示聲的穿透能量，稱為穿透視檢測儀。這種儀器發(fā)射頻率不變的超聲連續(xù)波，根據(jù)透過工件的超聲波強度變化判斷工件中有無缺陷及缺陷大小。這種儀器靈敏度低，且不能確定缺陷深度位置，須從兩側(cè)接近工件，目前已很少使用。

第二類指示頻率可變的超聲連續(xù)波在工件中形成駐波的情況，可用于共振測厚，但由于只適宜檢查與檢測面平行的缺陷，目前已很少使用。

第三類指示脈沖波的幅度和運行時間，稱為脈沖波檢測儀。這類儀器通過探頭向工件周期性地發(fā)射一持續(xù)時間很短的電脈沖，激勵探頭發(fā)射脈沖超聲波，并接收從工件中反射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間和幅度判斷是否存在缺陷和缺陷大小等情況，稱為脈沖反射式超聲檢測儀。目前還出現(xiàn)了采用一發(fā)一收雙探頭方式，接收從工件中衍射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間來判斷是否存在缺陷和缺陷大小等情況，稱為衍射時差法超聲檢測儀，目前也在迅速的發(fā)展之中。脈沖波檢測儀的信號顯示方式可分為A型顯示和超聲成像顯示，其中超聲成像顯示又可分為B、C、D、S、P型顯示等類。其中A型脈沖反射式超聲檢測儀是適用范圍最廣、最基本的一種類型。

按缺陷顯示方式分類，超聲波探傷儀分為三種。A型：A型顯示是一種波形顯示，探傷儀的屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播距離，縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。

B型：B型顯示是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表探頭的掃查軌跡，縱坐標(biāo)代表聲波的傳播距離，因而可直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型：C型顯示也是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都代表探頭在工件表面的位置，探頭接收信號幅度以光點輝度表示，因而當(dāng)探頭在工件表面移動時，屏上顯示出被探工件內(nèi)部缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。目前，探傷中廣泛使用的超聲波探傷儀都是A型顯示脈沖反射式探傷儀。

除了上述按照原理的差異分類以外，根據(jù)采用的信號處理技術(shù)，超聲檢測儀還可分為模擬式和數(shù)字式。目前使用的超聲檢測儀多為數(shù)字式。

（2）探頭超聲波探頭是組成超聲波檢測系統(tǒng)的最重要組件之一。探頭的性能直接影響超聲檢測能力和效果。下面介紹探頭的工作原理、主要性能及其及結(jié)構(gòu)。

壓電效應(yīng)

某些晶體材料在交變拉壓應(yīng)作用下，產(chǎn)生交變電場的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。反之當(dāng)晶體材料在交變電場作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。

超聲波探頭中的壓電晶片具有壓電效應(yīng)，當(dāng)高頻電脈沖激勵壓電晶片時，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能(機械能)，探頭發(fā)射超聲波。當(dāng)探頭接收超聲波時，發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換為電能。不難看出超聲波探頭在工作時實現(xiàn)了電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換，因此常把探頭叫做換能器。

2）探頭的種類和結(jié)構(gòu)

直探頭用于發(fā)射和接收縱波，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如板材、鍛件探傷等。

斜探頭可分為縱波斜探頭、橫波斜探頭和表面波斜探頭，常用的是橫波斜探頭。橫波斜探頭主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫、汽輪機葉輪等。當(dāng)斜探頭的入射角大于或等于第二臨界角時，在工件中產(chǎn)生表面波，表面波探頭用于探測表面或近表面缺陷。

雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發(fā)射超聲波，另一塊用于接收超聲波。根據(jù)入射角不同，分為雙晶縱波探頭和雙晶橫波探頭。

雙晶探頭具有以下優(yōu)點：

靈敏度高

b.雜波少盲區(qū)小

c.工件中近場區(qū)長度小

d.探測范圍可調(diào)

雙晶探頭主要用于探傷近表面缺陷。

聚焦探頭種類較多。

探頭型號

探頭型號的組成項目及排列順序如下：

基本頻率-晶片材料-晶片尺寸-探頭種類-特征

基本頻率：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為MHz。

晶片材料：用化學(xué)元素縮寫符號表示。

晶片尺寸：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為mm。

探頭種類：用漢語拼音縮寫字母表示。

探頭特征：斜探頭鋼中折射角正切值（K值）用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

（3）耦合劑

超聲耦合是指超聲波在檢測面上的聲強透射率。聲強透射率高，超聲耦合好。為了改善探頭與工件間聲能的傳遞，而加在探頭和檢測面之間的液體薄層稱為耦合劑。耦合劑可填充探頭與工件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入工件，這是使用耦合劑的主要目的。耦合劑還有減少磨擦的作用。

常用耦合劑有水、甘油、機油、變壓器油、化學(xué)糨糊等。水的優(yōu)點是來源方便，缺點是容易流失，容易使工件生銹，有時不易潤濕工件。液浸檢測中常使用水作耦合劑，使用時可以加入潤濕劑和防腐劑等。甘油的優(yōu)點是聲阻抗大，耦合效果好，缺點是要用水稀釋，容易使工件形成腐蝕坑，價格較昂貴。機油和變壓器油的附著力、黏度、潤濕性都較適當(dāng)，也無腐蝕性，價格又不貴，因此是最常用的耦合劑?；瘜W(xué)糨糊的耦合效果比較好，也是一種常用的耦合劑。4.焊縫的超聲波探傷及缺陷評定

超聲波探傷作為無損檢測一種方法，因其探傷效率高、成本低、穿透能力強，而被廣泛應(yīng)用。它是利用頻率超過20KHz的高頻聲束在試件中與試件內(nèi)部缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）中傳播的特性，來判定是否存在缺陷及其尺度的一種無損檢測技術(shù)。

超聲檢測因其固有特點，它比較適合于檢測焊縫中的平面型缺陷，如裂紋、未焊透、未熔合等。焊縫厚度較大時，其優(yōu)點愈明顯。

焊縫超聲波探傷

焊縫探傷主要采用斜探頭橫波探傷，斜探頭使聲束斜向入射，斜探頭的傾斜角有多種，使用斜探頭發(fā)現(xiàn)焊縫中的缺陷與用直探頭探傷一樣，都是根據(jù)在始脈沖與底脈沖之間是否存在傷脈沖來判斷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊縫中存在缺陷之后，根據(jù)探頭在試件上的位置以及缺陷回波在顯示屏上的高度，就可確定出焊縫的缺陷位置和大小。這是因為在探傷前按一定的比例在超聲儀熒光屏上作有距離—波幅曲線。下面詳細介紹。

檢測條件的選擇

由于焊縫中的危險缺陷常與入射聲束軸線呈一定夾角，基于缺陷反射波指向性的考慮，頻率不宜過高，一般工作頻率采用2.0-5.0MHz：板厚較大，衰減明顯的焊縫，應(yīng)選用更低一些的頻率。

探頭折射角的選擇應(yīng)使聲束能掃查到焊縫的整個截面，能使聲束中心線盡可能與主要危險性缺陷面垂直。常用的探頭斜率為K1.5~K2.5。

常用耦合劑有機油、甘油、漿糊、潤滑脂和水等，從耦合劑效果看，漿糊與機油差別不大，但漿糊粘度大，并具有較好的水洗性，所以，常用于傾斜面或直立面的檢測。(2)檢測前的準(zhǔn)備

(3)探測面的修整

探測面上的焊接飛濺、氧化皮、銹蝕和油垢等應(yīng)清除掉，探頭移動區(qū)的深坑應(yīng)補焊后用砂輪打磨。探測面的修整寬度B應(yīng)根據(jù)板厚t和探頭的斜率K計算確定，一般不應(yīng)小于2.5Kt。

斜探頭入射點和斜率的測定

1)

斜探頭的入射點測定。斜探頭聲束軸線與探頭楔塊底面的交點稱為斜探頭的入射點，商品斜探頭都在外殼側(cè)面標(biāo)志入射點，由于制造偏差和磨損等原因，實際入射點往往與標(biāo)志位置存在偏差，因此需經(jīng)常測定。其測定方法如下：

用CSK-2B或IIW試塊測定，將斜探頭置于試塊R100圓心處，探測R100圓弧，如圖4-1所示。前后移動探頭，使所獲得的反射回波最高。此時探頭殼側(cè)面與R100圓心的刻度線所對應(yīng)的點即為入射點。

圖4-1斜探頭入射點的測定

2)斜探頭K值的測定。斜探頭的標(biāo)稱K值為斜探頭聲束在鋼中折射角的正切值。K值與入射點等參數(shù)的準(zhǔn)確性對缺陷定位精度影響很大，