通过无损检测技术控制结构件焊接质量

通过无损检测技术控制结构件焊接质量韦欢（柳州柳工挖掘机有限公司）摘要：无损检测的技术庞大，全世界报道的无损检测方法不下于70种，其发展日新月异，随着时间的推移，新理论、新技术和新设备源源不断的涌现，无损检测的最初目的是对被检对象中各类缺陷的检测，通过被检对象中所含缺陷的种类、大小、数量和位置等进而达到对被检对象所处的技术状态进行评价的最终目的。与其他常规检测方法相比，超声检测具有被检对象广泛、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无危害以及便于使用等特点。超声检测是目前国内外应用最广泛、使用频度最高且发展速度最快的一种无损检测技术。本文重点介绍超声波检测技术对结构件的焊接质量的控制手段。关键词：无损检测、超声波探伤检测、焊接缺陷前言 无损检测技术是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。在世界各国广大无损检测工作者的共同努力下，无损检测受到越来越广泛的关注，从业队伍不断的壮大，各种学术组织相逢建立，积极开展学术活动。我国在1987年11月成立了全国性的无损检测学术组中国特种设备检验协会。开展无损检测研究与实践的意义是多方面的，主要表现有：1改进生产工艺：采用无损检测方法对制造用原材料直至最终的产品成品进行全程检测，可以发现某些工艺环节的不足之处，为改进工艺提供指导，从而也在一定程度上保证了最终的产品质量。2提高产品质量：无损检测可对制造过程的原材料、各工艺环节直至最终的产品实行全过程检测，为保证最终产产品的质量奠定了基础。3降低生产成本：在产品的设计制造阶段，通过无损检测，将存在有缺陷的工件及时清理出去，可免除后续无效的加工环节，减小原材料和能源的消耗，节约工时，降低生产成本。4保障设备的安全运行：由于破坏性试验只能抽样检测，不可能进行100%的全检测，所得的检测结论只反映同类被检对象的平均质量水平。一、无损检测基础知识何为无损检测？所谓无损检测，就是利用物质的声、光、磁、电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出的缺陷大小、缺陷位置、缺陷性质和缺陷数量的信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。无损检测包括哪些？据不完全统计，世界各国业已报道的无损检测方法不少于几十种，其中，理论基础比较成熟、应用比较广泛的无损检测方法主要有：超声（UT:Ultrasonic Testing）、射线（RT:Radiographic Testing）、磁粉（MT:Magnetic Particle Testing）、渗透（PT:Penetrnt Testing）、涡流（ET：Eddy Current Testing）这五大常规技术，以及声发射（AE）、红外线检测（IR）激光全息检测（HNT）等几种比较新的无损检测方法。柳州柳工挖掘机有限公司成立于2006年1月，2007年无损检测技术在结构件推广应用，结构件的焊缝质量主要采用超声波、磁粉探伤检测来控制。以下对超声检测方法的简要工作原理、性能特点及主要应用作详细描述。二、超声检测基础知识：何为超声波？频率高于20000Hz的机械波称为超声波，无损检测用的超声波频率范围为0.225MHz，其中最常用的频率段为0.510MHz。超声检测的基本原理是：利用超声波在界面（声阻抗不同的两种介质的结合面）处的反射和折射以及超声波在介质中传播过程中的衰减，由发射的探头向被检件发射超声波，由接收探头接收从界面(缺陷或本底)处反射回来的超声波（反射法）或透过被检件后的透射波（透射法），以此检测被检件内部是否存在缺陷，并对缺陷进行定位、定性、定量，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检查和表征，并进而对其特性进行评价的技术。超声波之所以被广泛应用于无损检测，基于其拥有如下特性：指向性好。是一种频率很高，波长很短的机械波，在无损检测中使用的超声波波长为毫米数量级。它向光波一样具有很高的指向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中寻找所需物品一样在被检材料中发现缺陷。穿透能力强。超声波的能量较高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距离远，穿透能力强，在有些金属材料中，其穿透能力可达到数米，在钢中一般可达510m。在截面处会发生反射、折射和波形转换。利用这些特性，可使超声波检测具有很大的灵活性（单面、双面，横波、纵波、表面波）。超声波对人体基本无危害，不存在类似射线检测的安全隐患，操作安全。三、超声波探伤常见的缺陷与伪缺陷回波的辨别（一）常见的缺陷回波状况：气孔：单个气孔回波高度低，波形稳定，从各个方向探测，反射波大致相同，稍一移动探头就消失，密集气孔为一族反射波(草波)，其波高随气孔的大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象，如图一。夹渣：点状夹渣的回波信号与点状气孔相似，条状夹渣回波信号多呈锯齿状，反射率低，一般波幅不高，波形常呈树枝状，主峰边上有小峰，探头平移时波幅有变动，从各个方向探测，反射波幅高度不相同。未焊透：在板厚双面焊缝中，未焊透位于焊缝中部，声波在未焊透缺陷表面上类似镜面反射，用单斜探头探测时有漏检的危险，对于单面探测根部未焊头，类似端角反射，探头平移时，未焊透波形稳定，焊缝两侧探伤时，均能得到大致相同的反射波幅，如图二。未熔合：当超声波垂直入射到其表面时，回波高度大，当探头平移时，波形较稳定，两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一面探测，如图二。裂纹：一般来说，裂纹回波较大，波幅宽，会出现多峰。探头平移时，反射波连续出现，波幅有变化，探头转动时，波峰有上下错位的现象，如图三。咬边反射：一般情况下，此种缺陷反射波的位置分别出现在一次与二次波的前边。当探头在焊缝两侧探伤时，一般都能发现，当探头移动出现最高反射信号处固定探头，适当降低仪器灵敏度，用手指沾油轻轻敲打焊缝边缘咬边处，观察反射信号是否有明显的跳动现象，若信号跳动证明是咬边反射信号。（图一应该是数字1、2、等阿拉伯数字。你把所有的大写的数字都改了吧） （图二） （图三）气孔回波 未熔合、未焊透回波 裂纹回波（二）常见的伪缺陷波仪器杂波：在不接探头的情况下，由于仪器性能不良，灵敏度调节过高，荧光屏上出现单峰或者多峰波形，接上探头工作时，此波在荧光屏上的位置固定不变，一般情况下，降低灵敏度后，此波即消失。探头杂波：仪器接上探头后，在荧光屏上显示山脉冲波幅很高、很宽的信号，无论探头是否接触好，它都存在且位置不随探头移动而移动，即固定不变。耦合剂反射回波：如果探头的折射角度大，而探伤灵敏度又调得较高，则有一部分能量转换成表面波，这种表面波传播到探头前沿耦合剂堆积处，造成反射信号，只要探头固定不动，随着耦合剂的流大、波幅慢慢降低，很不稳定，用手擦掉探头前面的耦合剂时，信号就会消失。焊缝表面和沟槽反射波:在多道焊缝表面形成一道道沟槽。当超声波扫查到沟槽时，会引起沟槽反射，鉴别的方法是，一般出现在一次、二次波处或稍偏后的位置，这种反射信号的特点是不强烈、迟钝。焊缝上下错位引起的反射波：由于焊缝上下焊偏，在一侧探伤时，焊角反射波很像焊缝内的缺陷，当探头移到另一侧时，在一次波前没有反射波或测得探头的水平距离的焊缝的母材上。焊角回波：焊缝一般都有一定的余高，余高与母材的交界处称为焊角，由焊角产生的回波称为焊角回波。在阶梯试块上做试验：如下图四、图五所示，从A、B两个相反的方向检测同一个台阶，探头在A位置时会有回波，在B位置时没有回波。 （图四） （图五）由上述试验可知，角焊回波的特点是：a、探头在工件上A位置处会有焊角回波产生，在B位置处则无焊角回波产生。b、焊角回波高度与余高高度有关，余高高时焊角回波高度高，余高低时焊角回波高度低，余高到一定程度时，无焊角回波。当探头沿焊缝平行移动时，焊角回波的位置不会改变，当探头垂直焊缝作前后移动时，焊角回波的位置会相应的移动一段距离，如果根据最高焊角回波的位置计算出它的水平位置和垂直距离，计算出的焊角位置与工件上的实际焊角位置相同；如果用手沾油轻轻敲击工件的焊角处，焊角回波会上下跳动。根据角焊缝回波的这些特点就可以识别焊角回波。如图五、图六所示为我公司生产的工装装置腹板对接焊缝，单面焊双面成型。在焊缝检测中，由于工件结构的特殊、表面状况和焊接状况等原因还会产生一些其它非缺陷回波，如上下错位回波、单面回波等。只要仔细观察工件结构、表面状况、焊接状况，精确对回波定位，认真分析回波特点，寻找反射条件，就可以识别非缺陷回波，避免误判。 （图六） （图七）正面焊缝成型 背面焊缝成形 单面焊双面成型焊缝四、焊缝中常见的缺陷、危害、产生原因及防止措施气孔：气孔是在焊接过程中焊接熔池高温时吸收了过量的气体或冶金反应产生的气体，在冷却凝固之前来不及逸出而残留在焊缝金属内所形成的空穴。气孔大多呈球形或椭圆形，气孔分为单个气孔、链状气孔和密集气孔。危害：影响焊缝外观质量，削弱焊缝的有效工作截面，降低焊缝的强度和塑性，贯穿性气孔则使焊缝的致密性破坏而造成渗漏。产生原因：焊接区保护受到破坏；焊丝和母材表面有油污、铁锈和水分；焊接材料受潮，烘焙不充分；焊接电流过大或过小，焊接速度过快；电弧过长，电弧电压偏高；引弧方法或接头不良等。 防止措施：提高操作技能，防止保护气体（焊剂）给送中断；焊前仔细清理母材和焊丝表面油污、铁锈等，适当预热除去水分；采用合适的焊接电流、焊接速度，并适当摆动；采用引弧板或回弧法的操作技术。 未焊透：未焊透是指焊接接头根部母材未完全熔透的现象。未焊透分为根部未焊透、中间未焊透和层间未焊透。危害：削弱焊缝的工作截面，降低焊接接头的强度并会造成应力集中。焊接技术条件中不允许焊接接头中超过一定容限量的未焊透。 产生原因：坡口钝边太厚，角度太小，装配间隙过小；焊接电流过小，电弧电压偏低，焊接速度过大；焊接电弧偏吹现象；焊接电流过大使母材金属尚未充分加热时而焊条已急剧熔化；焊接操作不当，焊条角度不正确而焊偏等。 防止措施：正确选用和加工坡口尺寸，保证装配间隙；正确选用焊接电流和焊接速度；认真操作，保持适当焊条角度，防止焊偏。 未熔合：主要是指填充金属与母材之间没有熔合在一起或填充金属之间没有熔合在一起。未熔合分为坡口面未熔合和层间未熔合。危害：未熔合属于面状缺陷，易造成应力集中，危害性很大（类同于裂纹）。焊接技术条件中不允许焊缝存在未熔合。 产生原因：多层焊时，层间和坡口侧壁渣清理不干净；焊接电流偏小；焊条偏离坡口侧壁距离太大；焊条摆动幅度太窄等。 防止措施：仔细清除每层焊道和坡口侧壁的熔渣；正确选择焊接电流，改进运条技巧，注意焊条摆动。 夹渣：是指焊后残留在焊缝金属内的熔渣或非金属杂物。夹渣分为点状和条状。危害：减少焊接接头的工作截面，影响焊缝的力学性能（抗拉强度和塑性）。焊接技术条件中允许存在一定尺寸和数量的夹渣。 产生原因：多层焊时，每层焊道间的熔渣未清除干净，坡口清理不干净，焊接电流过小，焊接速度过快；焊接坡口角度太小，焊道成形不良；焊条角度和运条技法不当；焊条质量不好等。 防止措施：每层应认真清除熔渣；选用合适的焊接电流和焊接速度；适当加大焊接坡口角度；正确掌握运条手法，严格控制焊条角度可焊丝位置，改善焊道成形；选用质量优良的焊条。 裂纹：是指在焊接过程中或焊后，在焊缝或母材的热影响区局部破裂的缝隙。按裂纹形成分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹等，热裂纹是由于焊接工艺不当在施焊时产生的，冷裂纹是由于焊接应力过高、焊条焊剂中含氢量过高或焊件刚性过大造成的，常在焊件冷却到一定温度后才产生，因此又称延迟裂纹，再热裂纹一般是焊件在焊完后再次加热（消除应力热处理或其他加强过程）而产生的裂纹。焊缝中的气孔、夹渣是立体型缺陷，危害性较小，而裂纹、未熔合是平面型缺陷，危害性大。五、超声检测在结构件的应用超声波检测的应用是多方面的，即可用于铸件、锻件、板材、管材、棒材以及焊缝等的检测，又可用于液位、涂层厚度、硬度以及材料的弹性模量、晶粒度、残余应力等的检测。结构件是柳工挖掘机的核心部件，而焊接决定了结构件的质量，焊缝的内部缺陷是导致焊缝开裂的最主要原因。超声波可以在不破坏工件的前提下就能发现焊缝的内部质量状况，因此超声波探伤是适用性强、简洁方便、无危害的检验方法。目前柳工挖掘机结构件主要生产四大部件动臂、斗杆、回转平台和组合式行走架。2007年无损检测超声波探伤在结构件推广应用，当时检测内容只有中型机动臂对接焊缝质量的探伤，超声波检测技术通过4年多的应用研究，已逐步加大超声波的检测范围，如：1）对接焊缝检测，不在是单一的动臂对接焊缝，增加到斗杆、小型机动臂、行走架、主平台的对接焊缝；2）钢板厚度及钢板质量检测；3）铸件、锻件检测；4)角焊缝焊接残余量检测等。同时利用直探头对新产品的轴座进行探伤检验，可以发现内部砂眼、缩孔夹灰等缺陷.在拼焊前发现轴座的内部缺陷可以避免机加后发现问题而堆孔，同时可以保证轴座的质量。结构件通过无损超声波探伤检测，由2007年90.6%的超声波探伤合格率提升至2010年的97.9%；无损检测超声波探伤对结构件的质量控制是非常有效的，这是无损检测技术在结构件推广、应用的一大进步，四年7.3个百分点，这是无损超声波探伤检测在结构件推广应用的一项突飞猛进的产品质量提升过程！开展无损检测的研究与实践的意义：a、改进生产工艺通过无损检测超声波探伤在结构件的推广应用，许多焊接工艺得到了验证，20吨级动臂下翼板对接焊缝采用了机器人焊接，由于机器人焊接质量比较稳定，取消了之前由人工在地坑焊接，这样同时也提高了生产效率，如图八所示；20吨级腹板对接焊缝采用了铜管通水冷却方法，单面焊双面成型，取消了之前带垫板的对接焊缝，由于垫板的取消大大的节约了生产成本，如图九所示；角焊缝的焊接残余量检测，如图十所示；工作装置前后支座加强板对接焊缝的检测；大型机动臂前支座八字探伤及铸件探伤等等、（图八） （图九） （图十）20吨级动臂下翼板对接焊缝机器人焊接 20吨级工作装置腹板铜管焊接 角焊缝焊接残余量检测b、提高产品质量案例一：外反馈的动臂后腹板与后支座对接焊缝开裂，将开裂位置刨到底部发现是由于焊缝根部存在未熔合引起的开裂。（如图十一）案例二：外反馈的斗杆左前腹板和前支座对接焊缝整条气孔，我们可想而知这样的焊缝！受力面积有多少？（如图十二）综合以上案例，2007年5月份的外反馈质量信息有90%的焊缝内部都存在焊接质量。 （图十一） 裂纹缺陷 （图十二）气孔缺陷结构件通过超声波探伤检测，生产的大部分产品焊缝质量得到了有效的控制，柳工挖掘机工件A的单台外费损失由2009年的4723.8元降到2010年的381.7元，工件B的单台外馈损失由2009年的1693.5元降到2010年的200.2元；同时故障件外反馈率也得到控制，如工件A 2009年2000小时内的反馈率占了8.11%降到2010年的0.55%，工件B 2009年2000小时内的反馈率占5.76%降到20