（机械工程专业论文）a型超声回波的c扫描成像方法及其在角焊缝探伤中的应用研究.pdf

中文摘要 摘要 超声波探伤技术是一项成熟的应用技术，在机械零部件内部缺陷检测方面得 到了广泛的应用。但将其应用于换热器管子一管板角焊缝( 以下简称角焊缝) 的 缺陷探测和识别时，由于其结构的限制和实施的难度，其效果并不理想，导致焊 缝内部缺陷无法有效检出，造成设备安全隐患，成为安全生产的一大难题。由于 影响角焊缝质量的因素很多，导致角焊缝中的缺陷也呈多样化、复杂化，而其探 测又十分困难。因此，角焊缝缺陷探测识别一直是困扰化工机械的一大难题。准 确地、迅速地探测识别角焊缝缺陷对化工企业安全生产有着十分重要的意义。 因此，研究和发展智能化的角焊缝缺陷探测识别技术和设备，是化工机械技 术和自动控制技术等多学科交叉的前沿研究课题。角焊缝缺陷自动探测识别技术 是一项非常复杂的系统工程，涉及的相关学科领域较多，与现场实践经验联系十 分密切，它受到机械行业的极其重视。， 本文在总结和借鉴前人关于超声波探伤技术、自动控制技术与计算机图像处 理技术的基础上，重点研究了角焊缝缺陷的探测识别方法，研制了“管子一管板 角焊缝”专用c 扫描自动超声探伤系统，并成功地应用于高温高压列管式换热器 管子一管板角焊缝的探伤检测。通过对试验样机及分析方法的研究，得出了一些 具有实用价值的结论，并提出了可靠和实用的角焊缝缺陷自动超声探测识别的新 方法，进一步丰富和推进了机械缺陷超声探测识别技术。由角焊缝缺陷自动超声 探测识别技术实现的“管子一管板角焊缝”专用自动超声探伤系统，经试验表明 其能够讯速、有效地探测角焊缝缺陷，为大型化工设备的安全运行提供了一种新 的技术保障，将产生重大的社会效益和可观的经济效益。 关键词：超声探伤，缺陷识别，计算机控制，c 扫描 鍪塞塑至 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g y o fu l t r a s o n i ci n s p e c t i o ni st h em a t u r ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y i ti s w i d e l yu s e df o rt h ei n n e rd e f e c to fm e c h a n i c a lp a r t s b u ti t i sn o ti d e a lm e t h o dw h e ni t i su s e df o rt h et u b ea n dt u b e s h e e tw e l d sr s i m p l i f i e da st u b ew e l d s ) i tc a nr e s u l ti nt h em i s t a k e nt e s ta n dl o s tt e s t ，a n dr e s u l ti nt h ep r o b l e m so f e q u i p m e n t ss a f e t y , i tb e c o m e s o n eo ft h ed i f f i c u l tp r o b l e m si np r o d u c t i o ns a f e t y d u et o t h ef a c t o r si n q u a l i t y o fw e l d s ，t h ed e f e c t so ft u b ew e l d si sm o r ec o m p l e xa n d c o m p l i c a t e d ，a n di t i sv e r yd i m c u l tt ot e s tt h e m ，t h e n ，i ti sm o r ed i f f i c u l tp r o b l e m st o d e t e c ta n dv e r i f yt h ed e f e c to ft u b ew e l d s i ti st h em o s ti m p o r t a n tt ot e s tt h ed e f e c to f t u b ew e l d sq u i c k l ya n d p r o p e r l yi nc h e m i c a lm a n u f a c t u r i n ga n ds a f e t y t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya n di n s t a l l a t i o nf o rt e s t i n gt h e d e f e c to ft u b ew e l d si st h es u b j e c to fm u l t i p l es c i e n c ei nt h ez o n eo fc h e m i c a l m e c h a n i c a lt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y i ti st h ec o m p l i c a t i o ns y s t e m e n g i n e e r i n gt ot e s tt h et u b ed e f e c ta u t o m a t i c a l l y ，i tc o n c e r nt os o m er e l a t e ds c i e n t i f i c z o n e ，t i g h t l yc o n t a c tw i t ht h ee x p e r i e n c ea tj o bs i t e ，a n de m p h a s i z e db yt h em e c h a n i c e n t e r p r i s e s t h ee m p h a s i so ft h i sa r t i c l ei st h a tr e s e a r c ho f t e s t i n gt h et u b ed e f e c t s ，o nt h eb a s i s o ft h ee x p e r i e n c ec o n c e r n e dt ou l t r a s o n i ct e c h n o l o g y ，a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d t h et e c h n o l o g yo fp i c t u r ep r o c e s sb yc o m p u t e r , t h es p e c i f i cd e t e c ts y s t e mh a sb e e n f i n i s h e di nt u b ea n dt u b e s h e e tw e l d st e s t i n gs y s t e m ，a n ds u c c e e d e di nt h ea p p l i c a t i o n f o rt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r et u b eh e a te x c h a n g e rt h r o u g ht h er e s e a r c ho f t h et e s ta n da n a l y s i s ，i tg e t st h ec o n c l u s i o nf o ra p p l i c a b l ev a l u e , a n d p r o v i d e st h en e w m e t h o do ft u b ea n dt u b e s h e e tw e l d s ，a n df u r t h e rt or i c ha n d i m p r o v e t h et e c h n o l o g yo f u l t r a s o n i ct e s t sf o rt h em e c h a n i c a ld e f e c t s t h i sd e t e c t i n gs y s t e mi su s e dt ot h et e s ta tj o bs i t e ，a n di s e f f e c t i v e l y i tp r o v i d e s t h ea s s u r a n c eo fn e wt e c h n i c a ls a f e t y ，a n db r i n go u tt h ee c o n o m i cp r o f i ta n ds o c i a l e f f i c i e n c y k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n ，d e f e c tv e r i f y , c o m p u t e rc o n t r o l ，cs c a n n i n g i i 1 绪论 1绪论 1 1 本课题的提出及研究意义【1 】 2 3 】 4 】 超声波技术是一项成熟的现代技术，已广泛应用于工业探伤、汽车防撞以及 医疗检测等技术领域。其最： 要的应用足超声波探伤，最早利用超声波探测物体 内部缺陷和结构是出原苏联的萨卡洛夫( s o k o l o v ) 于1 9 2 9 年提出来的。1 9 3 1 年 德国科学家提出了使用超声波进行无损检测应用的可能性。在二次世界大战中， 由于雷达技术和脉冲技术的发展以及战争的需要，大大促进了超声检测技术的发 展，1 9 4 4 年美国的e a f i r e s t o n e 发表采用超声脉冲法的探伤仪的报告，1 9 4 6 年英 国d o s p r o u l e 制成a 型脉冲反射式超声波探伤仪，并用于钢材的探伤。到了本世 纪5 0 年代，a 型脉冲反射式超声波探伤仪已广泛应用于先进国家的钢铁、机械制 造和造船工业领域。1 9 6 4 年前联邦德国扯k r a m e r 公司研制成功小型超声探伤 仪，其主要性能指标取得了突破性进展，标志着跨入了近代超声探伤技术阶段。 在本世纪七八十年代，由于超声全息、回波频谱分析、超声探头和大规模集 成电路、计算机技术的迅速发展，使得数字化、自动化、智能化超声检测和超声 成像技术变成了热点。另一方面，由于各种新型材料，特别是高性能功能材料的 发展( 如先进复合材料、功能陶瓷材料、微电子材料等) ，使得超声检测广泛地应 用于材料的物性评价和工程寿命评估，超声检测技术与断裂力学和材料科学发生 了更加深入密切的联系，在工业领域中得到广阔的用武之地。 到目前为止，超声波探伤技术已经发展的比较成熟，并且已广泛的应用于主 要重工业的质量控制和材料检验，包括机械设备制造业、石化设备的制造、石化 生产装置中所使用的设备、管道的检验。以及钢铁、铝、钛的生产，飞行器构架 制造，喷气发动机和船舶的制造的检验。同时，超声技术还用于防止运输设备、 施工设备、轧钢设备、采矿设备等机器部件的破坏。 试验表明，有可能将超声技术应用于许多尚未解决的问题，例如：强化层厚 度和硬度、合金组分析和晶粒细化的冶金分析和控制；金属起始裂纹检查；理论 结晶学和冶金学；液体和塑料的力学性能等。 目前超声波探伤技术正在向自动化以及超声探伤设备的数字化、智能化方向 发展，同时和其他学科相结合，大大拓宽了超声波的应用范围，超声波探伤技术 将会随着科技的发展而不断进步。 超声波探伤技术对提高产品质量、促进安全生产有着十分重要的意义。特别 是随着新材料、新技术的广泛应用，各种结构零件向高参量、大容量方向发展， 不仅要提高缺陷检测的准确率和可靠性，而且要把传统的无损检测技术和现代信 重庆大学硕士学位论文 息技术斗h 结合，实现无损检测的数字化、图像化、实时化和智能化。因此，有必 要对现有超声波探伤技术进行改进和完善，以适应各种工业应用的需要。 超声探伤不仅具有穿透能力强、设备简单、使用条件和安全性好、检测范围 广等根本性的优点，而且其输出信号是以波形的方式体现，使得当前飞速发展的 计算机信号处理、模式识别和人工智能等高新技术能被方便地应用于检测过程， 从而提高检测的精确度和可靠性。 随着工程断裂力学和损伤力学的发展，不仅要对被检对象中缺陷的存在性及 其类型、尺寸、形状、取向等加以检测。而且还要对被检对象的使用寿命进行估 算。再者，随着大工业自动化程度的提高，要求把无损检测技术直接运用在机器 生产的每一步，以便能够实现在线检测和实时监控。所有这些需求，正好使超声 无损探伤发挥出独特的优势。 1 2 国内外技术现状【2 j 【3 j 最近十年来，超声探伤技术的发展十分迅速，一方面各国科研机构在加强其基 础研究和应用研究。另一方面，已有生产厂家推出了实用、高效的超声探伤仪器， 在工业上起了积极的推动作用。 超声探伤技术作为一种重要的无损检测技术，在现代工业的各个方面都有着 广泛的应用，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服 役的各个阶段；体现在新材料和新技术的研究中；也体现在保证机器零件、最终产品 的可靠性和安全性上，世界各国对它的研究都非常重视。例如美国为了保持它在 世界上科学技术的领先地位，早在1 9 7 9 年的政府工作报告中提出要成立的六大技 术中心中，无损检测技术便是其中之一。日本最近制定的2 1 世纪优先发展四大技 术领域之一的设备延寿技术中，也把无损探伤放在十分重要的位置。另外，无损 探伤技术所能带来的经济效率也是明显的，目前我国的投入不比日本少，而国民 生产总值只有日本的三分之一左右，这种现象主要是由于我国产品质量上存在问 题而导致大量产品报废所致。据测算，我国不良品的年损失约2 0 0 0 亿元。再者， 无损探伤的经济效益还表现在产品的竞争能力上，在无损技术支持下提高产品质 量和可靠性，是保证产品进入国际市场的决定性因素之一。例如，日本小汽车生 产中3 0 零件采用无损检测后质量迅速超过美国，市场扩大而严重威胁美国的汽 车工业，德国奔驰汽车公司对汽车的几千个零件全部进行无损检测后，运行里程 增加一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力。 近年来，国内外在超声探伤技术方面的研究与应用有如下趋向： 1 ) 由定性探伤向定量探伤和直接显示缺陷的图像发展。经过上个世纪的科研 积累，以及计算机图像科学的发展，现在由定性地判断缺陷的有无发展为对缺陷的 2 1 绪论 位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显示缺陷的 二维、准三维图像。 2 ) 把信号处理领域的新成果引入到超声信号的处理中，如各种快速计算技术， 分离谱处理，小波分析等方法，使得超声探伤的准确性和快速性大大提高。 3 ) 把超声探伤技术与自动化技术与人工智能相结合，向在线自动探伤和仪器 的智能化发展，其中非接触超声探伤技术将有突破性进展。 4 ) 超声探伤和断裂力学相结合，对于重要工程构件的寿命进行评价。 5 ) 超声探伤和材料的物性评价相结合，在新材料的设计、加工和工程应用中 迅速得到发展。 6 ) 努力扩大超声波的应用范围，已取得了新的进展。 其中，最明显的特点就是超声信号图像处理技术，以及超声技术与其他学科的 融合。 1 _ 3 存在的问题与解决方法【1 】【2 j 【3 j 1 3 1 换热器角焊缝超声探伤的难题2 】【3 】【4 ) 【1 4 】【7 ) 【8 】【9 】【1 0 】【1 1 】 大型化工设备用的高温高压列管式换热器中“管子一管板角焊缝”的焊接质量 是保证整台设备长期正常运行，不发生泄漏事故的关键。对于这种设备，目前国 内多使用放大镜及渗透探伤进行表面检查，或用水、空气、氨气以及氮气作泄漏 检查，而对焊缝内部的探伤还无有效手段( 亦有采用x 射线进行探伤的报导，但 此种方法速度慢，不适用于大型设备的检测) 。大型化工设备用的高温高压列管式 换热器由于列管多达2 0 0 0 根以上，列管的直径都较小( c2 5 m m e 4 0 r a m ) ，排列 极紧凑，焊接难度较大，焊缝的浅表面很容易发生未融合、夹渣、气孔、裂纹等 缺陷。在高温、高压、存在强腐蚀介质的工艺条件下，角焊缝中存在内部缺陷会 使设备在运行过程中因腐蚀产生泄漏，造成整套装置被迫停车，国内几个大型尿 素生产装置都发生过此类事故。因此，在设备投入运行前的制造过程以及运行中， 必须对设备进行严格的检验，对角焊缝的探伤就是最重要的检验步骤之一。 焊缝的检测有多种手段，主要有射线探伤、超声探伤、磁粉探伤和渗透探伤。 相对于其他的探伤方法，超声波探伤方法简单、成本低，对人体无害，并且检测 效果好，因而得到了广泛的应用。 传统的超声探伤是用手工进行的，操作人员凭经验对探伤仪上显示的波形予 以判断，带有主观性和局限性。这些经验是可贵的，但是效率低，容易发生漏检 和误检，并且无法对超声信号进行各种处理和变换，诸如概率统计、图像识别、 频率分析和数字滤波等领域中的理论和方法来揭示和提取缺陷信号特征。近年来， 工业发达国家广泛的将计算机技术、自动化技术和超声原理结合，研制各种自动 重庆大学硕士学位论文 化超声无损探伤的计算机数据采集和分析系统，以提高探伤的精度、可靠性和直 观性，为科学地评价缺陷提供了有力的工具。 1 3 2 换热器“管子一管板角焊缝”自动超声探伤的可行性 经过几十年的研究发展，超声波探伤技术已经比较成熟。本系统的关键是把 理论与实践相结合，开发出高质量的产品来。泸天化集团贯重视设备的引进工 作。为了保证引进设备的质量，公司专门成立了设备检测中心，对引进的设备进 行检测。为了提高检测水平，保证设备的长期正常运行，公司对检测中心在资金 上给予了重点支持，这就为课题的设霞、研究、开发与应用提供了坚实的物质基 础。 由于换热器的特殊结构，焊缝中隐藏的缺陷，用普通的方法无法检测出来， 而用超声波探伤的方法却相对容易，系统基本原理如下： 采用a 型脉冲反射式超声探伤仪一定的频率发射电脉冲，该脉冲加到换能器 ( 探头) 上，激发换能器发出超声波，超声波进入焊缝，超声波除了在焊缝的前 后表面发生反射外，如果焊缝中存在缺陷( 不连续性) ，超声波将会在该处发生反 射，反射波被换能器接收后，转换成电信号，显示在荧光屏上。实践证明，反射 波的波幅大小与缺陷的大小成正比，通过观察反射波的波幅，就可以判断是否有 缺陷，以及缺陷的大小。这就是a 型脉冲反射式超声探伤仪探伤的基本原理。 如果仅用探伤仪和探头，也可以进行焊缝的探伤，但是，对于列管数量多达 2 0 0 0 根以上的这样庞大的换热器设备，手工检测不但效率太低，而且容易发生漏 检和误检。解决的办法是：将计算机技术和数据处理技术相结合，设计专用的机 械扫描装置，让其带动探头扫描焊缝，在扫描的同时，用数据采集卡采集相应超 声回波信号，并由计算机进行数据处理，达到检测过程的自动化。这样既提高了 检测效率，又提高了检测数据评判的可靠性。 本课题的前期研究工作包括对泸天化集团现有引进的国外“管子一管板角焊 缝”超声波探伤仪的分析研究、对现场检测条件和使用方法的研究以及对客户要求 的研究等。同时对自动化检测技术、数据库技术和图像处理技术也作了充分的调 研和资料准备，因此，该课题的研究具有充分的可行性。 1 4 本论文研究内容与目标 1 4 1 主要研究内容 研究“管子一管板角焊缝”的主要缺陷检测技术；研究专门的机械扫描装置以准 确控制探头的旋转运动和直线运动；研究超声回波采集处理方法；研究基于计算 机技术对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量识别的方法；研究利用成像技 术直接显示缺陷的图像；建立基于数据库技术的缺陷识别方法。其成果将使大型 4 1 绪论 化工设备的安全隐患得到治理。具体研究内容如下： 1 1 研究“管子一管板角焊缝”的缺陷检测实施方法，达到迅速、有效的检测目 的； 2 ) 研制准确控制探头的旋转运动和直线运动的机械部件，以保证焊缝检测的 完整、准确，避免人为操作误差导致的误检和漏检； 3 ) 研究回波信号与缺陷的对应关系，对检测结果进行识别： 4 ) 研究超声波信号的数字信号处理和成像技术； 5 ) 建立角焊缝缺陷数据库。 1 4 2 研究目标 本论文研究的目标是研究一套能直接将角焊缝缺陷成像并进行识别的技术和 相应的设备，与其他技术配合对高温高压列管式换热器的角焊缝缺陷进行检测和 识别。这套技术必须满足大型化工设备安全生产的需要。 研究的系统是为检测化工设备中的“管子一管板角焊缝”的焊接质量而研制的 专用自动超声探伤系统。在设备投入运行之前以及在装置运行停车大修时使用该 系统对设备进行检测，查出其中的焊接缺陷并进行评判，并对超标缺陷的焊缝进 行处理，就可以减少和避免泄漏事故的发生，保证设备的正常运行。 1 4 3 技术难点与研究方法 本文研究的难点是角焊缝缺陷情况分析、识别参数及成像技术。在充分研究 了国内外超声波探伤方法中存在的问题及现状后，计划从以下几个方面着手研究： 1 ) 对角焊缝缺陷形成的机理进行探讨，特别是对影响因素、分布规律进行研 究； 2 ) 研究自动识别技术及实现方法； 3 ) 研究角焊缝探测识别的成套技术及设备； 4 ) 研究该系统的适用性及合理使用参数； 5 ) 研究该技术发展的可能性，以及深入研究的方向。 1 5 小结 本章首先论述了本论文研究的目的和意义，对国内外相关技术、现状及发展 趋势进行了研究。然后，综述了现有超声波探伤技术存在的问题。最后提出了本 文的主要研究内容与目标。 2 角缝焊缺陷机理与超卢探伤方法的研究 2角焊缝缺陷机理与超声探伤方法的研究 2 1 角焊缝缺陷形成机理的研究3 4 】【5 】 6 【7 删9 】【1 0 1 1 【1 2 】 2 1 1 焊接过程 焊接是在母材和电极( 多半用填充金属作电极，也有用钨棒作电极的) 之间形成 电弧，由于电弧的高温使填充金属熔化并与母材熔合。在焊接时，由药皮产生的气体 保护电弧，从焊条熔化的金属变成熔滴或喷雾状。熔化的金属进入由电弧熔化而形成 的熔池。熔池中的熔化金属，因电弧的压力而被抬起，在熔池后面形成焊缝的加强高 ( 余高) 。焊缝被焊剂或气体覆盖，一面防止氧化，一面冷却下来而凝固。在此过程 中会产生各种缺陷，如掺进气体与焊剂，由电流不足形成未焊透，或因凝固时收缩变 形而产生裂纹等。 2 1 2 角焊缝缺陷形成的物理因素 金属材料焊接时，由于焊接条件选择不当或焊工操作不正确等因素，常使得焊缝 及热影响区出现各种缺陷。按缺陷的分布位置可分为外部缺陷和内部缺陷。按缺陷的 性质分析，有的属于几何尺寸和外观等方面的缺陷，有的则属于冶金缺陷。 管材与管板间的角焊缝由于其零件形状、焊接位置等原因使其焊接难度加大，再 加上材质因素和操作因素等原因，易形成焊接缺陷。角焊缝缺陷分为外部缺陷和内部 缺陷。 外部缺陷通常可用目测检查。常见的缺陷有焊缝尺寸不精确、焊缝不规则、咬边、 焊瘤、表面气孔、表面裂纹、烧穿、严重飞溅等。其中有些缺陷仅影响设备的外观质 量，如咬边、焊瘤和飞溅等：而有些缺陷将造成安全隐患，如气孔、裂纹和烧穿等。 外部缺陷的特点是易于检查和采取补救措施。 内部缺陷属于隐性缺陷，采用常规方法不能检测和发现这些缺陷，主要有夹渣、 夹杂物、未焊透、未熔合、内部气孔、内部裂纹等。由于内部缺陷具有隐蔽性，因此 危害更大，是安全事故的主要隐患。 导致内、外部焊接缺陷的主要原因： 1 ) 焊缝污染：手工焊条的药皮、药芯中，埋弧焊的焊剂中，以及焊接部件本身 所含的水气，可引起氢致裂纹和气孔。而焊接部件表面、成盘焊丝表面上涂的润滑剂 和接拨时用的化合物，也可带来如硫、磷和碳等杂质。 2 ) 热应力：由于冷却速度、预热及层间温度的不同，导致热应力的存在，影响 马氏体量的增减和氢致裂纹的危险性程度。 3 ) 焊接工艺、技术：直接影响焊接质量，包括人为因素，可引起各种焊接缺陷。 重庆火学硕士学位论文 2 1 3 角焊缝缺陷的分类 1 ) 气孔：熔池内的气体在金属凝固时未能及时逸出而截留下来形成空穴状缺陷， 影响焊接强度和造成渗漏。手工焊一般缝中的气孔多数是单个分散存在，但亦有密集 存在或成链状的，或存在于表面层中。自动焊的气孔多数是单个的，大而深，基本上 在一条线上。电渣焊合气体保护焊中的气孔大都成密集状。 气孔的形成与焊接溶池在焊接过程中吸收和析出气体有关。在焊接过程中可能促 成形成气孔的气体有氮、氢和氧与碳的氧化反应产生的一氧化碳。 气孔形成的过程有两种形式，一种是气体在高温下单纯物理溶解于金属熔池。当 熔池金属冷却时，金属对气体的溶解度降低而处于过饱和状态，气体急剧向外析出。 如果析出的气体被正在凝固的金属所包围，则就形成气孔。另一种是熔池金属中的元 素。如：碳氧化反应产生的气体或坡口表面的氧化膜的氧化反应、水分的蒸发、有机 物的分解产生的氢气进入熔池而产生的气孔。 在焊接电弧保护不完善时，钢水吸收0 2 和n 2 亦会产生气孔，这种气孔特别是因 为涂药电焊条的制造不良，焊接时运条不当，用c o ：保护时，气体保护不良和非气 体保护焊时焊枪操作方法不对等原因而产生。 气孔是一种不容许存在的缺陷，当气孔的尺寸和数量超过一定容限时，会大大削 弱焊缝的强度、塑性和韧性。 2 ) 夹渣、夹杂物：焊接过程中熔渣未能全部排除，部分残留在焊缝中形成夹渣； 而焊接冶金反应所产生的杂质( 如氧化物、硫化物) 残留在焊缝中则称之为夹杂物。 夹渣和夹杂物将严重影响焊接质量，是主要焊接缺陷之一。 夹渣产生的主要原因是焊道层间清渣不干净，特别是当坡口侧壁咬边较深时，焊 渣嵌入咬边深处，焊接过程中来不及清理而残留在焊缝中。另外，焊条运棒不当，焊 丝突然偏离坡口侧壁，焊接电流过小，也能产生夹渣。 3 ) 未焊透、未熔合：未焊透是焊接时接头根部未完全熔合而残留母材部分原坡 口；熔焊时焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合称之为未熔合。未焊透 和未熔合影响焊接强度，同时也是渗漏的原因之一。 未焊透和未熔合均由于规范选择不合适，操作不当而引起的缺陷。 未焊透主要是规范参数选择不当，如电流过小或焊速过快，电弧电压偏高而产生。 其次与坡口的几何形状及尺寸有关。 未焊透会造成较大的应力集中，是必须排除的缺陷之一。有未焊透缺陷存在时， 往往从其末端产生裂纹。 未熔合形成主要有以下几点原因：焊丝偏离坡1 3 侧壁的距离太大、电弧偏吹、焊 条药皮偏心，熔池位置下倾、电流选择不当或焊接龟流突然减小，焊条运棒不当，摆 动宽度不够、焊条和焊丝倾角不恰当等。 2角缝焊缺陷机理与超卢探伤方法的研究 4 ) 裂纹：纹情况比较复杂，生成部位不一，造成开裂的因素也很多。裂纹主要 由材质、热应力和工艺等原因引起，常产生于低合金高强度钢中，有时在焊后j 发生 的称为延时裂纹。 裂纹有高温裂纹和低温裂纹。高温裂纹一般是在1 4 0 0 0 c 左右产生的为主，是高 强度钢经常发生的一种常见焊接缺陷。 低温裂纹主要是在低于2 0 0 0 c 的低温下，约束力大时产生的各种形态的裂纹。 低温裂纹主要有焊道下裂纹、边界裂纹( 焊脚裂纹) 、根部裂纹、显微裂纹以及 由这些裂纹发展起来的肉跟可见的横向裂纹、纵向裂纹等。这些裂纹主要是出焊接部 位所含氢过饱和造成的；而1 5 0 k g c m 2 的超高强度钢含有微量的p 和s 也会产生裂 纹。 裂纹的产生主要是由于熔敷金属在凝固时出现收缩，但母材因并未加热故而不会 出现收缩，因此，使熔敷金属产生残余拉应力，而母材则受压缩。在这种状态下，在 熔敷部位及其附近便产生裂纹。 一般情况下，管材与管板间的角焊缝存在的主要缺陷为未焊透、未熔合、夹渣、 气孔。 2 - 2 超声探伤的原理研究2 】【3 】 6 】 超声波是指频率f 2 0 k h z 的弹性波。一般人耳能昕到声音的频率范围在1 6 h z 2 0 k h z 之间，因此频率f 2 0 k h z 的波叫超声，当f 1 0 9h z 时 叫微波超声。超声波具有波动的普遍性质，但还有自身的特点。正是因为有这些特点 而在工业上获得了广泛的应用。 2 2 1 超声波探伤的物理特性 工业探伤用的超声频率通常在1 m h z1 0 0m h z 之间，由于频率较高，故般可 以用几何超声学来解释超声波的传播过程，其波的振动方向如图2 1 所示。 1 ) 超声波在介质中传播波形有很多种，用于探伤的有如下几种： 纵波：当介质中质点的振动方向于超声波的传播方向相同时，此种超声波为 纵波波型。如图2 1 ( a ) 所示。任何介质，当体积发生交替变化时均产生纵波。由于纵 波的产生和接收都很容易，在超声无损检测中得到广泛的应用。 横波：当介质中质点的振动方向于超声波的传播方向相互垂直时，此种超声 波横波波型，如图2 i ( b ) 所示。以超声波入射的固体材料的界面为基准，横波又可分 为垂直偏振和水平偏振两类。 表面波：表面波又称瑞利波，质点振动发生在于物体表面垂直而与波形传播 方向平行的平面内，并沿表面传播，振动的幅度随深度的增加而很快衰减，在与传播 方向垂直到平面内无质点位移，如图2 1 ( c ) 所示。用表面波进行探伤时，一般只能在 重庆大学硕士学位论文 介质表面一个波长的范围内进行，它对表面缺陷十分敏感，分辨率比横波和纵波高。 板波：板波又称兰姆波，质点的振动方向及行进方向是有平行板面和垂直板面 的横波组成，质点的振动作椭圆运动。板波的产生是在板材厚度与入射波声波波长可 以相比较时形成。板波按位移分为s 型对称板波和a 型非对称板波二类，如图2 1 ( d ) 所示。 - h p 波再薪向 ( a ) 纵波的振动方向 ( c ) 表面波的振动方向 - - - - - - - - 波传播方向 ( b ) 横波的振动方 s 型对称扳波 a 型对称板波 ( d ) 板波的振动方向 图2 1 超声波的常见波形与振动方向 f i g2 1 c o m m o nu l t r a s o n i cw a v cf o r m 2 ) 超声波探伤主要利用以下几种声学特性： 指向性 任何一个振动的辐射器，当振动频率提高到一定传动时，其辐射的声场具有一定 的指向性。其指向性主要取决于声波辐射器( 换能器) 的几何尺寸d 和声波波长五之 比( _ d ) ，不同的比值其理想指向性形状如图2 2 所示。 l 、(璎落 导：呲 孚* 旱；旱。s旱；，s a 图2 2 不同比值的理想化指向性形状 f i g 2 2t h es h a p eo f u l t r a s o n i cd i r e c t i o nw h e ni sd i f f e r e n t 1 0 2 角缝焊缺陷机理与超声援伤方法的研究 当缺陷直径d 为波长的2 倍以上时，具有较好的指向性，缺陷波也较强；当缺陷 直径d 低于上述值时候，缺陷波指向性变坏甚至缺陷波能量分布呈球形，强度将降低。 从辐射器表面到声波扩散前的一部分声场称近场区，如图2 3 所示。其l o 为近场 区。 驴等 在五 d 时， 驴等= ； d r = 一 为换能器的半径。 图2 3 近声场与指向角的示意图 f i g 2 3t h es k e t c hm a po f n e a ru l t r a s o n i cf i e l da n dd i r e c t i o na n g l e ( 2 1 ) ( 2 2 ) 反射和折射 超声波在介质中传播，遇到另一介质的界面就产生反射，折射或透射，按光学 定律，声波在第一介质或者第二介质中继续传播。当超声波垂直入射界面时，入射波 束与反射波重叠但传播方向相反；当超声波与界面成一定角度入射时，在固体介质中 将发生波形转换，原来入射的纵波在第一和第二介质中除有纵波外，还将被转换成横 波，两种波形传播方向不同，如图2 4 所示，并可按反射定律和折射定律计算： l ：上：上：l ：上 f 23 1 s i n ts i n 鼠s i n 风s i n 吼s i n 居 、。 式中c ，和c 。为第一介质纵波速度和横波速度，c ：和c ；为第二介质纵波速度和横 波速度，f 。为纵波入射角，以为纵波反射角，0 纵波折射角，风为横波反射角，毋 为横波折射角。 根据反射定律和折射定律，可以改变入射角和第一介质的材料来获得横波、表面 波、板波等各种不同的波形。从公式2 3 可以得出： 重庆大学硕士学位论文 9 0 0 时，纵波反射入第一介质， 而在第二介质内就只有横波存在了。 反射率和折射率 在超声波探伤中，声波反射能量或穿透能量还是用来确定缺陷大小的主要依据， 而反射能量和穿透能量的分配于材料的性质有关，取决于两种介质声阻抗z 的比值。 z = p c( 2 6 ) 式中p 为衰减为材料密度，c 未材料声速。 在法线方向上声波反射声压和入射声压之比称反射率，可以按下式计算： 驴鲁= 翳 ( 2 i ， 式中尸r 为反射声压，尸为入射声压，z 。、z ：分别为第和第二介质中的声阻抗。 入射声压和透射声压的比称透射率r ，垂直入射时可以按下式计算： ，：要：黑 ( 2 8 ) p( z i + z 2 ) 2 、 1 2 2 角缝焊缺陷机理与超声探伤方法的研究 式中p 为透射声压，只为入射声压。 声速c 超声波在介质中传播的速度与介质的密度和弹性模量有关，材料的声速是探伤测 距离的主要参数，也是表征材料声学特性的主要参数，在固体中传播的声速可以按下 式计算： 在无限介质中纵波声速： c ：，ie ( 1 - 0 - ) _ ( 2 9 ) 肌l t 0 - ) ( 1 2 0 - ) 在无限介质中横波声速： 厂1 _ c s 2 j 土2 p ( 1 + 0 - ) ( 2 1 0 ) 板中的纵波速度： 厂i r c 。= ，f _ 天 ( 2 1 1 ) 。 vp ( 1 一盯2 ) 卜 棒中的纵波速度： 压 c 6 = 1 一 ( 2 1 2 ) vp 表面波的速度： ，0 8 7 + 1 1 2 0 、 。一2 ( 再了一k ( 2 1 3 ) 式中e 为杨式模量，0 - 为泊松比，p 为密度。 从以上公式可见，若介质的弹性模量大，密度小，则声波在介质中的传播速度快， 声速在常温下是常数，随着温度升高而变小。 衰减 从理论上讲，衰减的起因有以下几个方面： a 由声束扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面波的声束不断扩展增大，因 此单位面积上的声能( 或声压) 随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减 扩散衰减仅取决与波的几何形状而与传播介质的性质无关。在远离声源的声场 中，球面波的声压p 与至声源的距离，成反比。即pz 土，而柱面波则为p ：、仁。 对于平面波，声能( 或声压) 不随距离而变化，不存在扩散衰减。 b 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中有外来杂质、金属中的第二相析 重庆大学硕士学位论文 出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗的不均，从而引起声的散射。被 散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终将变成热能，这种衰减称为散 射衰减。 c 由介质吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一 部分声能转换成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热 交换，从而导致声能的损耗，以及分子弛豫造成的吸收，这就是介质的吸收现象，这 种衰减称为吸收衰减。 超声波的衰减特性在探伤中有很实际的用途，如果能掌握经过介质后的超声波的 性质，就可以对介质的特性进行某些判断。 2 2 - 2 超声波探伤原理 根据以上的超声波的主要特性，超声波探伤是利用声速的指向性对缺陷进行定 位，利用声反射或者穿透声压的大小来鉴别材料缺陷的大小，根据声速和声波在介质 中的传播至缺陷所需的时间可以测定缺陷的距离r ， r = 二f 式中 r 2 1 4 ) c 材料中的声速，r r d s ； t _ 一声波遇到缺陷时的来回传播时间，s 。 当缺陷的尺寸 2 时，由于超声波衍射作用而不产生明显的反射信号，从而无 法显示伤痕，因此缺陷尺寸最小检测缺陷为丑2 。为此从这一角度讲超声波探伤所用 的频率应愈高愈好( 即波长愈短愈好) ，但是频率愈高达超声波在介质中传播衰减大。 一般取频率为o 5 m h z 1 0 m h z 之间。 2 3 超声波探伤设备的分析2 】【3 】【4 】【6 】 一个完整的超声无损检测系统是由超声发射设备、超声换能器和超声接收设备组 成。超声探伤仪是进行超声波检测的关键设备，而超声换能器( 简称探头) 是监测仪 器的耳目。超声波探伤仪的发射电路发射出一定频率和功率的高频电信号，激励超声 换能器转换成超声波，发射到物体中，再由它的接收器检测出被检测物体的声场特性， 用以检测和识别被检测物试样的内部缺陷。由于超声波探伤仪的选择与探伤方法紧密 相关，因此本文将对所研究的系统要用到的超声探伤仪进行详细的分析研究。 超声波探伤仪是根据超声波的传播原理、声电转换原理和无线电测量原理而设计 的。超声波探伤仪种类繁多，按超声波的特征分类，可以分为脉冲超声探伤仪、连续 波超声探伤仪和调频波超声探伤仪；按缺陷的显示方式分，可以分为a 型显示、b 1 4 2 角缝焊缺陷机理与超卢探伤方法的研究 型显示、c 型显示和其他显示方式。但是在实际探伤中，a 型脉冲反射式超声波探伤 仪应用得最为广泛，本课题中也是使用这种超声波探伤仪，因此，将对其作较详细的 介绍。 ， ( a ) ( b ) ( c ) 凿舒皂 囤：磬； ( a ) a 型址示( b ) b 型址示( c ) c 型显示 一工件探测面；2 缺陷；3 一工件底面：t 一始波；f _ 缺陷波；肛底波 图2 5 a ，b ，c 型三种缺陷显示方式 f i g25 t h e d i s p l a yo f a - s c a n ，b s c a na n d c - s c a n a 型脉冲反射式超声波探伤仪采用的不是连续波，而是按一定频率间隔发射的具 有一定持续时间的超声波脉冲，结果以a 扫描的形式在荧光屏上显示。所谓a 扫描， 是就脉冲检测仪的图形显示而言。它利用超声波的反射特性，在荧光屏上以纵坐标代 表反射回波的幅度，以横坐标代表反射回波的传播时间，根据反射回波的幅度和时间， 来确定缺陷的大小和位置，如图2 5 所示。 2 3 1a 型脉冲反射式超声波探伤仪3 6 】 1 1 工作原理 当被检测的均匀材料中存在缺陷时，将造成材料的不连续性，这种不连续性往往 伴随着声阻抗的突变，由超声传播理论可知，超声波在两个不同声阻抗的交界面上将 发生反射，反射能量的大小取决于交界面两边材料声阻抗的取向和尺寸，脉冲反射式 超声波探伤仪正是根据这个原理设计的。图2 6 表示了a 型脉冲反射式超声波检测仪 的电路框图。 a 型仪器的工作原理如下：同步电路产生周期性的同步脉冲信号，一方面它触发 发射电路，( 或经触发延迟再时间上作适当延迟后触发发射电路) 产生一个持续时间 极短的电脉冲加到探头内的压电换能器上，激励晶片产生脉冲超声波。另一方面，同 步脉冲经扫描延迟，在时间上适当延迟后控制扫描发生器产生线性较好的锯齿波，经 x 轴放大器放大后加到示波管x 轴偏转板上，使光点从左到右随时间作线性的移动。 重庆大学硕士学位论文 超声波透过耦合剂射入试件，这种超声回波可以由已停止激振的原探头接收( 单 探头工作方式) ，或由另一接收探头接收( 双探头工作方式) 转变成电脉冲输入高频 放大器，经检波电路再由视频放大器进一步放大后加到示波管的y 轴偏转扳上。 这时，光点不仅在水平线上按时间作线性移动而且还要受y 轴偏转扳上电压的 影响作垂直运动，从而在扫描线上就出现波形。根据反射回波在扫描线上的位置可确 定试件中界面或缺陷与换能器之间的距离，荧光屏上显示的波高一般与换能器接收到 的超声波声压成f 比，故可据以评定反射回波的声压大小。 图2 6 a 型超声波探伤仪方框图 f i g 2 6t h es k e t c hm a po f a - s c a nu l t r a s o n i cd e t e c t i n gi n s t r u m e n t 同步脉冲的产生频率即为仪器的重复频率，而超声换能器经过同步脉冲激励产生 的振动频率是工作频率。图2 7 给出了晶片振动与时间之间的关系。 t r 一重复周期：t w 一与工作频率对应的振动周期：t p 一脉冲持续时间( 脉冲宽度) 图2 7 晶片振动与时间之间的关系 f i g2 7 t h er e l a t i o no f v i b r a t i o na n dt i m eo f c r y s t a l 1 6 2 角缝焊缺陷机理与超卢探伤方法的研究 在两次脉冲之间的时间1 1 日j 隔r ，晶片不发射超声波而处于静止状态，正好用来接 收回波信号势由仪器显示。本系统将采集检波后的信号并对其处理。 2 ) a 型脉冲反射式超声波探伤仪的基本特点。 与其他探伤仪相比，脉冲反射式超声波探伤仪具有器独特的特点： 缺陷定位精度高：由探测面至缺陷的声程距离可以用缺陷波在荧光屏时基轴 上的位罱表示，据此可以对缺陷进行定位，通常仪器的水平线性误差小于2 ，因此 该类仪器定位精度很高；对不同声程上相邻缺陷的分辨力也较强。 能确定缺陷的当量尺寸：缺陷波在垂直坐标上的高度取决于缺陷的反射面积， 以此确定缺陷当量的大小。 灵敏度高：当缺陷回波达到入射波起始声压的1 时，即可检测出来。 4 ) 适应范围广：采用不同的换能器，可以实现纵波、横波、表面波或者板波探伤， 改变耦合的方式，可进行直接接触法或液浸法探伤。 2 3 2 压电效应与超声波换能器1 】【2 】【3 【4 】 5 】【6 超声波换能器是完成超声波发射和接收的关键器件，是超声检测设备的重要组成 部分。所谓换能器就是进行能量转换的器件，它可将一种形式的能量转换为另外一种 形式的能量。能量的形式是多种多样的，因而换能器的形式也各不相同，超声换能器 是一个可以把电能转换为高频声能，并且也能把声能转换为电能的器件，它是超声检 测系统最基本的单元之一。 换能器按能量转换原理，可以分为磁性换能器和电性换能器，磁性换能器是基于