焊缝超声波串列扫查探伤方法中的几个问题.docx

J OU RNALO FFU SHU NP E TROL EU MIN S T I TU T E1 9 9 8 年 3 月Mar . 1998焊缝超声波串列扫查探伤方法中的几个问题吴群王岳(抚顺石油学院化工机械系 ,辽宁抚顺 113001)简述了焊缝超声波串列扫查探伤方法的基本原理 、特点 、推导了焊缝缺陷的定位公式 ,并对该摘 要方法具体应用中探头的选择 、盲区的位置与消除 、以及对筒体纵焊缝探伤的适用性进行了探讨 。实践证明 ,超声波串列扫查探伤方法作为一种检验特定缺陷的辅助手段 ,在超声波探伤中是十分有效的 。关键词中图分类号焊接 ; 超声波探伤 ; 串列扫查TB551(2) 由于探头 B 接收的是经缺陷反射后的声波 ,所以串列扫查时 ,若无缺陷存在 ,探头 A 发射 的声波向前递进 ,探头 B 接收不到反射波 ,荧光屏上无波型显示 。只有遇到缺陷 ,入射波受到反射 ,被探头 B 接收时 ,才显示波型 ,而且缺陷波在荧光 屏上出现的位置是固定不变的 。在厚板对接焊缝和窄间隙焊缝的焊接 过 程中 ,由于热影响区大 ,焊接溶池小 ,能量分散 ,以及 操作时运条速度 ,到位程度等因素的影响 ,往往出现走向与焊缝方向一致 ,且垂直于焊缝表面的缺陷 ,如未焊透 ,未熔合等 。用单斜探头对焊缝进行 超声波探伤时 ,缺陷的反射平面与入射声束轴线成较大的倾角 ,单斜探头难以接收反射波 ,因而很 难发现这类缺陷 ,造成漏检 。为了在厚板焊缝探伤中发现这类缺陷 , 可以 采用串列扫查法进行辅助探伤 。根据 J B4730 - 94标准 ,当壁厚大于 40 mm 且单侧坡口角度小于 5 时 ,应采用串列式检测 。并在标准的附录 P 中对该种检测方法作了比较详细的规定3 。目前这种方法在探伤实践中应用的还不是很 多 ,在应用的过程中遇到了许多问题 ,因此对该方法作一较系统的阐述 ,并对其中一些问题进行探 讨 ,是有必要的 。图 1 串列扫查法原理示意图(3) 串列法探伤中 ,发 、收探头应始终保持相 对于串列基准线等距离移动 ,否则接收探头 B 将 接收不到超声波 。两个探头之间的距离随探测深 度的增加而缩小 ,一般有横方形扫查和纵方形扫 查两种方法 。如图 2 所示 。1串列扫查法的原理及其特点串列扫查探伤方法如图 1 所示 。探伤时 , 采用两个相同的探头 ,一个用于发射超声波 ,另一个 用于接收超声波 。如果焊缝中存在垂直于探伤面的缺陷 ,探头 A 发射的超声波在缺陷表面进行反 射 ,反射的超声波经工件表面再次反射 ,被探头 B接收 ,在荧光屏上显示出缺陷波 。(1) 发射探头和接收探头间的超声波传播声 程是恒定不变的 , 其声程为 : s = 2 T / co s 。其中 T 为被探工件的厚度 ,为探头的折射角度 。图 2 横方形扫查和纵方形扫查缺陷的定位2串列法探伤中 ,不管缺陷在何深度位置 ,缺陷波总出现在荧光屏的固定位置上 ,因此无法在荧收稿日期 :1997 - 07 - 05第一作者 :男 ,43 岁 ,工程师 。45第 1 期吴群等. 焊缝超声波串列扫查探伤方法中的几个问题光屏上对缺陷定位 ,而只有靠两个探头在探伤面上的相对位置来确定 。在图 3 中 , Y 为发现缺陷时两探头入射点间 的距离 , h 为缺陷与上表面的距离 , L 为缺陷到探 头 A 入射点的水平距离 , T 为母材厚度 。绝对灵敏度法测量缺陷指示长度 ,即进行左右扫描 (横方形串列扫查) ,以波幅超过评定线的探头 移动范围作为缺陷指示长度 。3 串列扫查法应用中的几个问题3 . 1 探头的选择应选用折射角度相同的两个探头作为收 、发 探头 ,J B4730 - 94 标准推荐选用公称折射角均为45的两个探头 。考虑到探头制作时的误差 ,两探头入射点最短间距应小于 20 mm 。折射角相差不 超过 2,探头前沿长度相差不超过 2 mm ,为了便 于探测厚板焊缝坡口边缘未熔合缺陷 , 可选用两 个不同角度的探头 ,但两个探头折射角均应在 3555范围 ,严格来讲 ,厚焊缝 U 型坡口边缘未熔合缺陷的方向与探伤面不垂直 ,因此超声波主声 束在工件中传播的路线不符合理想的串列扫查法 几何条件 ,两探头的相对移动不再以串列基准线 为对称轴 ,收 、发探头的选择角度不相同 , 应根据 实际焊缝的坡口角度预测可能出现未熔合缺陷的方向 ,来选择探头角度 。如图 5 所示 ,接收探头折 射角 2 与发射探头折射角 1 之间的关系为 :图 3 缺陷定位公式的推导关系示意图在A CD 和B E F 中有关系式如下 :L = h t g Y + L = ( 2 T - h) t g 解 (1) 、(2) 式组成的方程组 ,可得 :h = T - Y / ( 2 t g ) L = T t g - Y / 2( 1)( 2)( 3)( 4)利用这两组公式 ,在探伤中只要量出两个探头入射点之间的距离 Y ,就可以计算出缺陷的水 平位置和埋藏深度 。有资料介绍推导该公式时采用两个探头折射 角不同 ,这在概念上是错误的 。因为在理想的几何条件下 ,超声波传播方向是由发射探头角度决 定的 ,与接收探头的晶片角度无关 。但接收探头 的折射角应尽量取与发射探头相同 。以提高声能 的接收效率 。还可以推导出深度方向上的缺陷尺寸计算公式 (见图 4) :1 = 2 = 3 = 23 + = 4 - 4 = 12 + = 1 - 其中 :是单侧坡口角度 。2= 1 - 2图 5 接 、发探头折射角的关系在该情况下 ,为了保持接收探头始终接收到 超声波主声束 ,接收探头移动速度小于发射探头 的移动速度 。在实际探伤中 , 由于厚板焊缝坡口角度 一 般较小 ,两探头的移动速度差别不是很大 ,为方便操作 ,仍可以将两探头相对于串列基准线作等速 移动扫查 。但必须清楚 ,此时接收探头接收的声波信号是超声波侧声速造成的 。限制 两 个 探 头 的 折 射 角 均 在 35 55范 围 内 ,主要是考虑端角反射效应 ,因此 ,横波入射 ,入 射角为 3555时 ,钢/ 空气界面的端角反射率最图 4 深度方向缺陷尺寸公式的推导关系示意图h = h2 - h1= ( T - Y 2 / ( 2 t g ) )- ( T - Y 1 / ( 2 t g ) )= ( Y 1 - Y 2 ) / ( 2 t g ) = Y / ( 2 K)其中 , K = t g 。对于焊缝方向上的缺陷尺寸 ,J B4730 - 94 附 录 P 中规定 : 采用以评定灵敏度为测长灵敏度的 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 46抚顺石油学院学报第 18 卷高 ,选择 这 样 的 探 头 角 度 , 可 能 减 少 有 用 声 能 损失 ,提高缺陷的检出能力 。3 . 2 串列扫查探伤法的盲区盲区即利用某种探伤方法探测不到的区域 ,用串列扫查探伤法探测焊缝内部垂直缺陷时 , 如 果焊缝余高磨平 ,并且可以进行双面双侧检验时 ,则不存在盲区 。否则 ,下列几种情况可能会造成盲区 : (缺陷的水平位置不同时 ,盲区的情况也不 同 ,以下列焊缝中心未焊透缺陷为例) 。a . 由于焊缝余高阻止了发射探头移动使 d1段缺陷无法探测 : d 1 = ( a + L 1 ) / t g , 其中 a 是 上焊缝宽度的一半 , L 1 是探头前沿长度 。如图 6(a) 所示 。b. 由于缺陷平面反射波打在焊缝余高不规 则处 ,便得接收探头无法收到反射回波 ,此时的盲区为 : d 2 = b t g , 其中 b 是下焊缝宽度的一半 ,如图 6 ( b) 所示 。c. 由于探头自身结构中前沿 ,后沿有一定长 度 ,使探头的入射点无法重合而造成的盲区 ,当可 进行双面检验时 ,可消除之 ,如图 6 (c) 所示 。3 . 3 串列扫查法探伤筒体纵缝的适用性探测有曲率的筒体时 ,与平板焊缝情况不同 , 应考虑几何结构造成的声程偏差 ,从图 7 中可知 , 当选择 K 探头 (折射角为 45) ,曲面内外径之比 90 % , 声 程 校 正 系 数 约 为 1 . 05 , 声 程 偏 差 为5 % ,此时 ,对筒体纵缝尚可应用串列扫查法探伤 , 当 r/ R 90 %时 , 值急剧增大 ,声程偏差急剧增 大 ,串列扫查法探伤无法实施 。图 6 串列扫查的盲区图 7 随 r/ R 变化的曲线参考文献1234云庆华等 . 无损探伤 . 北京 :劳动出版社 ,1982云庆华 . 锅炉压力容器无损探伤技术 . 天津 :天津科学技术出版社 ,1984国家考委会 . 超声波探伤 . 北京 :劳动人事出版社 ,1988JB4730 - 94压力容器无损检测标准. 北京 :劳动人事出版社 ,1994So me Pro blems of Weld Ult raso nic Series Scanni ng Flaw Detecti ng Met ho dWu Q unWang Yue( M echanical En gi neeri n g Depa rt ment , Fus h u n Pet rol uem I nst i t ute , L i aoni n g Fus h u n 113001)Abstract A brief int roductio n about general p rinciples and characteristics of weld ult raso nic series scanning flaw detecting met hod is given. And t he formula of locating flaw is deduced. Probe selectio n , blindness positio ning and relieving and suitability for lo ngit udinal weld flaw detecting of t he cylinder has been discussed. Result s show t hat ult raso nic series scanning flaw detect2 ing met hod is fairly effective as