型角焊缝超声波探伤方法的探讨.docx

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型角焊缝超声波探伤方法的探讨

1绪论1...........................................................

1.1超声波在无损检测中的应用......................................1

1.2T型角焊缝缺陷特点............................................2

2本文的主要研究内容及实验方案3.............................

2.1本文主要的研究内容...........................................3

2.2实验方案......................................................5

3编写工艺6......................................................

3.1直探头的选择..................................................6

3.2斜探头K值的选择..............................................6

3.3探头前沿L允许的最大值的计算..................................6

3.4在腹板侧用二次波侧检测时扫查范围L'的确定......................9

3.5耦合剂的选择.................................................10

3.6探头的选择...................................................10

3.7灵敏度补偿...................................................11

3.8距离－波幅曲线...............................................11

3.9扫查方式.....................................................11

3.10缺陷位置测定及缺陷最大反射波幅的测定........................12

3.11缺陷定量....................................................12

3.12缺陷评定....................................................12

4实验过程、检测数据及分析13.................................

4.1缺陷L1的检测步骤图及分析....................................16

4.2缺陷L2的检测步骤图及分析....................................18

4.3缺陷L3的检测波形图及分析....................................20

22实验的缺陷数据...............................................4.4

5结论23..........................................................

参考文献24.........................................................

致谢..........................................................25

论绪1.1超声波在无损检测中的应用

随着社会的发展和科学的进步，压力容器、桥_门式起重机和水工钢闸门、大型桥梁架设设备和大型空间结构的运用，钢结构焊缝越来越多，工程上对焊缝的要求也越来越高，T型贴角焊缝就是一种常见的典型焊缝。

这种结构一般要求有较大的承载能力，所以必须保证其焊接质量，对焊缝要进行探伤检查。

无损检测技术（Nondestructive，NDT）是新兴的综合性应用学科，它是在不破坏被检测对象的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价，它是产品质量控制中不可缺少的基础技术，随着产品复杂程度增加和对安全性的严格要求，无损检测技术在产品质量控制中发挥着越来越重要的作用。

无损检测技术经历一个世纪的发展，尽管它本身并非一种生产技术，但其技术水平能反映该部门、该行业、该地区甚至该国家的工业水平。

无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。

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、成品检测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。

超声波检测技术是工业无损检测技术中应用最为广泛的检测技术之一，也是无损检测领域中应用和研究最为活跃的技术之一。

如用声速法评价灰铸铁的强度和石墨含量，超声衰减法和阻抗法确定材料的性能，超声衍射和临界角反射法来检测材料的力学性能和表层深度，超声显像法和超声频谱分析法的进展与应用，以及激光等新型声源的研究和超声波的接收，及其新型超声检测仪器的研究等，都是比较典型和集中的研究方向。

超声检测的基本应用范围大致为：

（1）大型锻件超声检测；

（2）铸件缺陷的超声检测；

（3）小型压力容器壳体超声检测；

（4）复合材料超声检测；

（5）各类构件焊缝的超声检测等等。

1

T型角焊缝的检测应用在我国水利、水电工程方面、水工机械设备上，如启闭机、平面闸门、弧形闸门、航道船闸用人字闸门等,除了主梁、腹板及翼板上的对接焊缝和其它重要部位的对接焊缝以外,有很多T型焊缝或十字形焊缝允许有一定未焊透的特殊检测方法凸显出来，但是总体来说，而对其内部质量缺乏有效的检测手段，不同行业对T型焊缝的研究也有不同的成果。

国内外对于全熔透的对接接头有较为成熟的探伤标准,探伤方法也经过大量的实践验证,其内部缺陷无论是采用射线探伤还是超声波探伤都较容易检出。

而全熔透的T型接头和角焊缝接头,采用射线的方法,实施困难,透照厚度也不一致,底片黑度也不均匀,检测效果欠佳,采用超声波探伤,将是对这类焊缝较为合适的检测方法。

对这类接头的检测方法,特别是超声波检测方法的研究远不及对接焊缝成熟。

T型角焊缝超声波探伤主要有两种方法：

直探头法和斜探头法。

但是，由于缺陷的形状综乱复杂及受到热影响区的影响，检测时会出现较多的杂波，对缺陷的定位比较困难，容易误判，特别是当条形缺陷与直探头的激发波传播方向平行时，条形缺陷很容易判为点状缺陷。

用斜探头在腹板侧进行二次波探伤时，由于扫查面的对面还有焊缝，超声波的反射点很可能出现在扫扫查面的对立面的焊缝内，这样会出现干扰波或检测到对立面的焊缝缺陷，给扫查面所在的焊缝缺陷判断带来困难。

但是，这种焊缝最佳的无损检测方式仍是超声波探伤，此方法能最大限度地检测出焊缝中的危害性缺陷，所以在实际检测中，一般采用超声波探伤法，充分利用超声波的特点和优点，可以既经济又迅速地检测出焊缝中存在地缺陷。

1.2T型角焊缝的特点

坡口开在腹板上。

T型接头焊缝由翼板和腹板焊接而成T型角焊缝一般可分为不开坡口、双U形坡口、单边V形坡口等

如下图：

形坡口）单边（坡口）双（）不开坡口（12U3V2

T型角焊缝常见的缺陷：

热影响区裂纹、焊口裂纹、条状夹渣、层状撕裂、钝边未焊透、根部未焊透、焊跟裂纹、边壁未熔合、焊趾裂纹等，如图1所示。

图1T型角焊缝常见缺陷的分布模式

T型贴角焊缝常见危险性的缺陷是未焊透。

未焊透常出现在单面焊的根部和双面焊的中部。

它不仅使焊接接头的力学性能降低，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载后会引起裂纹。

未焊透产生的原因是焊接电流太小；运条速度太快；焊接角度不当或电弧发生偏吹；坡口角度或根部隙太小；焊件散热太快；氧化物和熔渣等阻碍了金属间充分熔合等。

凡是造成焊条金属和母材金属不能充分熔合的因素都会引起未焊透的产生。

2本文的主要研究内容及实验方案

2.1本文的主要研究内容

本文主要研究内容：

T型角焊缝超声波探伤方法的探讨。

T型接头焊缝中的缺陷主要有裂纹、未焊透、未熔合、夹杂和气孔等。

焊缝中裂纹位于焊缝中心,约与腹板呈45度；翼板侧裂纹位于翼板的熔合线附近,呈层状撕裂焊角裂纹位于焊缝近表面的腹板及翼板侧的熔合线附近翼板侧未熔合缺陷位于翼板的熔合线附近腹板侧未熔合缺陷位于腹板的坡口熔合线附近缺陷缺陷位于焊缝坡口的钝边附近夹杂、气孔在焊缝任何部位都有可能产生。

鉴于焊缝的结构特点，不便于射线检测，目前国内对于T型角焊缝一般仅进行外观检查或表面磁粉探伤，而对其内部质量缺乏有效的检测手段。

因此，在这里展开对T3

型角焊缝超声波检测方法的探讨具有重要的意义。

在实际检测中，一般采用超声波探伤法，充分利用超声波的特点和优点，能经济又迅速地检测出焊缝中存在的缺陷。

长期以来，T型贴角焊缝一直被视为超声检测的难点。

究其原因，主要有形状复杂、声束宽而检测区域小、影响因素多、近场干涉严重、波形不易识辨及缺陷定量困难等。

其难点主要体现在：

（1）用斜探头对T型角焊缝进行检测时，有一部分焊缝扫查不到。

如图2所示：

图2不同角度探头在焊缝中的扫查区域

（2）从图3可以看出无论从翼缘板还是腹缘板侧进行直射法探伤，对探伤过程中发现的缺陷进行准确定位都比较困难，故应尽可能采用一次反射法进行探伤即二次波检测。

图3一次波和二次波检测的检测示意图

（3）探头移动范围和声程范围的确定比较困难。

由于T型角焊缝的自身特4

点，导致腹板与翼板连接出存在一个天然的“缺陷”，若探伤前不确定探头的移动范围，避开这个然的“缺陷”，就容易在仪器上产生干扰波，影响探伤人员对真实缺陷的判断。

探伤人员必须根据板材的厚度和焊脚尺寸计算出探头移动范围和检测焊缝全截面声程范围。

（4）用斜探头在腹板侧进行二次波探伤时，由于扫擦面的对面还有焊缝，超声波的反射点很可能出现在扫擦面的对立面的焊缝内，这样会出现干扰波或检测到对立面的焊缝缺陷，给扫擦面所在的焊缝缺陷判断带来困难，同样的，也必须据板材的厚度和焊脚尺寸计算出探头移动范围。

针对上述问题，笔者在此对T型贴角焊缝探伤所选用的探头K值及探头移动范围与板厚、焊脚尺寸的关系进行了探讨，并编写检测工艺。

2.2实验内容及方案

2.2.1实验内容：

（1）设计与加工相关T型角焊缝；；

（2）相关探头的选择；

（3）选择T型角焊缝超声检测方法，确定检测范围；

（4）编写工艺；

2.2.2实验方案：

（1）准备好T型角焊缝试块；

（2）根据检测焊缝，确定探头和检测范围；

（3）调整好仪器，开始在试块上进行扫查，注意仔细观察当探头扫查

到缺陷，无缺陷的各部位时的波形；

（4）采用实验分析法，对不同探头扫查在不同缺陷位置，时的波形进行

观察、记录、分析和对照、比较，总结出T型角焊缝不同检测方法

的规律。

5

3编写工艺

3.1直探头的选择

根据JB/T4730--2005

对于频率为2.5MHz的探头，宽度不大于15mm；

对于频率为5MHz的探头，宽度不大于10mm；

3.2斜探头K值的选择

根据JB/T4730--2005

在翼板侧进行超声波探伤时，使用K1的探头

在腹板一侧检测时根据表1进行选择。

板厚T，mm

K值

6～25

3.0～2.0（72～60）°°

25～46

2.5～1.5（68～56）°°

120～46

2.0～1.0（60～45）°°

400

120～

2.0～1.0（60～45）°°

1

表3.3探头前沿L允许的最大值的计算

图4焊缝未能完全被扫查

6

根据图4，探头顶到焊缝时，焊缝仍未能完全被扫查，所以必须对探头的最大值进行计算。

3.3.1在翼板外侧进行一次波检测时探头前沿不作严格要求

5斜探头在翼板外侧进行一次波检测示意图图

根据图5，由于探头在扫查过程中没受到焊缝的阻碍，焊缝都能被扫查到，所以斜探头在翼板外侧进行一次波检测时，对探头前沿不作严格要求。

3.3.2在翼板内侧进行二次波检测时探头最大前沿L的确定

图6在翼板内侧进行二次波检测示意图

根据图6，得L+H≤2KT，即L≤2KT－H

（1）f翼翼f

7

3.3.3在腹板侧进行一次波检测时探头最大前沿L的确定

图7在腹板侧进行一次波检测示意图

--≥，≤－H（2H0KT即L）根据图7，得KTLff腹腹

L的确定在腹板侧进行二次波检测时探头最大前沿3.3.4

8在腹板侧进行二次波检测示意图图--≥－≤）（3，即L，得根据图82KTH0L2KTHff腹腹

8

3.4在腹板侧用二次波侧检测时扫查范围L'的确定

图9在腹板侧用二次波检测时一次波反射点受对立面焊缝的影响

根据图9，斜探头在腹板侧进行二次波探伤时，由于扫查面的对面还有焊缝，超声波的反射点很可能出现在扫查面的对立面的焊缝内，这样会出现干扰波或检测到对立面的焊缝缺陷，给扫查所在的焊缝缺陷判断带来困难，所以必须进行扫查范围的计算。

图10腹板二次波检测时一次波反射点的极限图

为了保证探头的二次波检测时一次波反射点不在扫查面的对立面的焊缝内，

-L≤L'（根据图10得：

当KT4）时，是二次波检测；腹

-）时，是一次波检测。

（5'≥KT同样的，当LL腹

9

编写本工艺根据JB/T4730--2005工件尺寸：

T翼为16mm，T腹为9mm，焊角尺寸H为13mm。

（如图11所示）f

实验所用的工件图11

3.5耦合剂的选择

本工件应采用透声性好，且不损伤检测表面的耦合剂，如机油、浆糊、甘#（涂耦合剂前应对工件表面进行清洁）油、水等，这里推荐使用30机油。

3.6探头的选择

（1）斜探头的前沿L、K值的选择及扫擦范围的确定

A.在翼板外侧进行一次波检测时，对前沿L不作严格要求，

K值选K1；

B.在翼板内侧进行二次波检测时，K值使用K1；

≤2KT－H，其中T=16mm，L1）H=13mm，求出前沿L小于根据公式（ff

19mm；

C.在腹板一侧进行一次波检测时，K值选3.0～2.0（72～60），°°≤KT－H求出前沿允许的最大值（其中2）LT=9mm，根据公式（，f

-L≥L'，T求出。

=13mmH）。

扫查范围，根据公式（5）当K腹fD.在腹板一侧进行二次波检测时，K值选3.0～2.0（72～60），°°≤2KT－H求出前沿允许的最大值（其中T=9mm，L根据公式（3），f

-L≤L'求出。

KT4）=13mmH。

扫查范围根据公式（）腹f

（1）直探头的选择

10

对于频率为2.5MHz的探头，宽度不大于15mm；

对于频率为5MHz的探头，宽度不大于10mm；

3.7灵敏度补偿

包括耦合剂补偿和衰减补偿，一般补偿4dB

3.8距离－波幅曲线

斜探头：

试块类型评定线定量线判废线

CSK－ⅡAφ2×40－18dBφ2×40－12dBφ2×40－4dB

CSK－ⅢAφ1×6－12dBφ1×6－6dBφ1×6＋2dB

直探头：

评定线定量线判废线

平底孔Φ4mm平底孔Φ2mm平底孔Φ3mm3.9扫查方式

a）用斜探头从翼板的外侧进行一次波扫查，见图12位置1；

b）用斜探头从翼板一侧进行二次波扫查，见图12位置3；

c）用直探头或双晶直探头在翼板外侧沿焊接接头探测，见图12位置2；

4；12d）用斜探头从腹板一侧进行二次波扫查，见图位置

扫查方式12图

11

缺陷指示长度小于10mm时，按5mm计；

相邻两缺陷在一直线上，其间距小于其中较小的缺陷长度时，

应作为一条缺陷处理，以两缺陷长度之和。

3.10缺陷位置测定及缺陷最大反射波幅的测定

缺陷位置测定应以获得缺陷最大的反射波的位置为准；

将探头移至缺陷出现最大反射波信号的位置，测定波幅的大

小，并确定它在距离波幅－曲线中的区域。

3.11缺陷定量

根据缺陷最大反射波幅确定缺陷当量直径或缺陷指示长度△L.

（1）缺陷当量直径，用当量平底孔直径表示，主要用于直探头检测，可采用公式计算，距离－波幅曲线和试块对比来确定缺陷的当量尺寸。

（2）缺陷指示长度△L的检测采用以下方法：

a）当缺陷反射波只有一个高点，且位于Ⅱ区或Ⅱ区以上时，使

波幅降到荧光屏满刻度的80%后，用6dB法侧其指示长度。

b）当缺陷反射波波峰值起伏变化，有多个高点，且位于或Ⅱ区

以上时，应以端点6dB法侧其指示长度。

c）当缺陷反射波位于Ⅰ区，如有认为有必要记录时，将探头左

右移动，使波幅降到评定线，以此测定缺陷指示长度。

3.12缺陷评定

超过评定线的信号应注意其是否具有裂纹性缺陷，如有

怀疑时，应采取改变探头K值、增加检测面、观察动态波形并

结合构件工艺特征作判定；

缺陷指示长度小于10mm时，按5mm计；

相邻两缺陷在一直线上，其间距小于其中较小的缺陷长度时，应作为一条缺陷

处理，以两缺陷长度之和作为其指示长作为其指示长（间距不计入缺陷长度）。

12

质量分级（对缺陷进行等级评定时均以腹板厚度为准）mm

等级

反射波幅所在区域

单个缺陷的指示L长度△

L`多个缺陷累计长度△

Ⅰ

Ⅰ区

非裂纹类缺陷

Ⅱ区

，最小为T/3△L≤，最大不超过1030

焊缝长度范围内9T在任意T

不超过△L`

Ⅱ

Ⅱ区

，最小2T/3L≤△最大不超过为1240

焊缝长度范围4.5T在任意TL`不超过内△

Ⅲ

Ⅱ区

超过Ⅱ者

超过Ⅱ者

Ⅲ区

所有缺陷

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区

裂纹等危害性缺陷

4实验过程、检测数据及分析11），Hf=13mm（图T翼=16，T腹=9mm工件尺寸：

探头参数：

）12中，位置31.直探头2.5P14Z（图斜探头2.0.97K值13K1--D,）在翼板侧扫查，2.5P13前沿9mm，实测a×），探头前沿允许最大值根据公式（4b）在腹板侧一律使用二次波扫查，选K2.5≤≤，所选探头为H=13mm求出前沿HL），12mm（其中LT=9mm－2KTff，

）。

扫查范围根据公式（2.564前沿12mm，实测K值9K2.5--D,2.5P9×-见图'10.11L≤'求出≤LLKT腹3.仪器选择仪器的要求如下：

（1）为了更好的定位，要求其水平线性误差较小。

要求探伤仪要具有较高的灵敏度余量、信噪比高、功率大。

（2）13

（3）为了有效的地发现高强螺栓近表面缺陷和区分相邻缺陷，要求仪器盲区小、分辨力好。

（4）要求探伤仪要体积小、重量轻、荧光屏亮度高、抗干扰能力强。

综上所述,本次实验选用检测仪器为PXUT—27数字型超声波探伤仪（如图下

所示）。

本实验用到的仪器是PXUT-27型，如下图

图13PXUT-27仪器

1——增益/补偿；2——声程/标度；3——声速/抑制；4——位移/始偏；

5——探头/通道；6——K值/折射角；7——波门；8——回车键↙；

9——DAC记录键；10——记录/查询；11——“＋”键；12——“－”键

PXUT—27型全数字智能超声波探伤仪是一款紧密结合了无损检测实际应用的数字式超声波探伤仪。

其功能实用、性能稳定、可靠性好、操作简便，在数字化超声波探伤仪的技术和性能取得了突破性的进展。

基本的操作：

增益补偿，测前沿，测K值，定标，做DAC曲线等；

仪器的重复频率及参数测量数据由数码管显示,循环工作的通道数及屏幕显示的通道均由面板开关控制选择,并由数码管显示。

仪器的主要技术指标如下：

（1）重复频率：

1-10KHz；

（2）工作频率：

2.5MHz，5MHz；

（3）显示：

四个通道中任意通道；

（4）探测深度：

分三档10mm、50mm、250mm，最大为1000mm；

（5）水平线性误差：

≤1%；

（6）垂直线性误差：

≤51%；

14

（7）衰减器：

总衰减100dB，最小0.1dB；

（8）动态范围：

≥30dB；

（9）报警闸门：

闸门起位5μS～120μs，闸门宽度5μS～120μs，触发方式为同

步脉冲触发或跟踪界面触发；

（10）报警方式声：

声、光报警,灯光有总报警灯和通道报警灯

4.试块：

Φ2--25mm平底孔，CSK－ⅢA；

图14CSK－ⅢA试块

灵敏度：

按上文工艺中的灵敏度；5.

图15直探头在试块φ2--25mm上的反射波形，波高50%，显示22.8dB

15

4.1缺陷L1的检测步骤图及分析

直探头声程16.2mm波高50%，衰减器读数16.7dB，当量Φ2--25mm—6dB

图16直探头的检测位置和波形图

PY15.916.1端角反射图分析：

在图16.1中，移动探头，使左起的第一个波波高达到坐高时，检测时位置正好处于腹板焊接面处，左起第一个波形PY为15.9，接近T翼16，是端角反射。

在图16中，移动探头使左起第二个波达到最高，探头位置距离腹板焊接面2mm，该波是缺陷波，T翼≤直探头PY≤T翼+Hf，即16≤16.2≤16+13，缺陷在焊缝上，缺陷中心距翼板焊接面0.2mm，距离腹板焊接面2mm。

16

SL+12.8dB，当量，K1PS24.1mmPX16.8mm，PY17.2mm的位置和波形图图17翼板外侧一次波检测K1

分析：

，即Hf，且16+13L+X-PX=x≤+Hf，即16≤17.2≤翼T翼≤K1的PY≤T，）y（1.2mm9+12-16.8=4.2≤13，说明缺陷在焊缝上，缺陷中心距翼板焊接