小径薄壁管焊接接头超声波探伤方法探讨

王鹏祥

中车大同电力机车有限公司 山西大同 037000

摘要：针对小直径薄壁钢管焊缝的超声检测，提出了以焊缝的普通根波和管壁反射波为参照波，对比判断焊缝的缺陷，并对其进行了分析。

关键词：变形波；超声波探伤；比较法

   1小径管对接焊缝超声波探伤所具有的特点

1.1较小直径的管道具有较薄的管壁和较宽的焊缝

从电力部发布的工业标准（主要是《电力建设施工及验收技术规范》）的要求可以看出，一般小直径管焊缝比管壁厚宽2-3倍，且常规焊接缝无法实现，如，小直径管壁厚4mm，焊接缝宽12mm。由于其具有较高的尺寸精度要求，因此必须采用超声波探伤技术来完成对管道焊缝质量的控制。按常规超声检测方法进行，利用一次波对焊缝根部缺陷进行了探测，那么探头入射角β正切值就会介于2.7-3.2之间，很难在焊缝的中部，中部、上部分缺陷得到了有效鉴定，很容易引起表面波，继而给缺陷定位与量化带来负面影响。

1.2对超声近声场区域进行有效处理的必要性

超声检测时，由于声束近场区轴向最大声压较多，在探测中，一定要把近场区最大压力限制在三个或更大，以确保缺陷的发现。特别适用于管径较小时，因管壁较厚，这个问题就更为严重了。本文介绍了通过采用适当大小的换能器来减小近场区内的最大声压和利用声波传播理论进行分析计算而得到的解决方法。该方法可以使近场区的面积达到最小，是比较行之有效的途径。

1.3在管道内部和外部存在较大的表面声能量损耗

而小径管因管径小曲率大，其内、外表面超声波均可出现较明显聚束、发散等现象，应格外加以重视。对于大直径的管子，则需进行特殊处理才能满足探伤要求。介绍小直径钢管超声检测专用试片DL—1。该试片由两个相同厚度的钢板焊接而成。使用对应圆弧形状，增大接触区域。

    2小径管超声波探伤过程中较为常见的技术性问题

2.1选择测针

超声波检测小直径管接焊缝过程中，要尽可能选择较大探针，为了使声束在所有焊缝截面上都能尽量被扫描。由于采用了适当的探头位置和较长的时间来探测整个焊缝，所以能够准确地发现焊缝中存在的裂纹等微小缺陷。但是，若探针角度过大，便使声波发生散射，极易发生形变，从而影响准确判断缺陷。为此，我们设计了一种新型的超声探伤用探针，其最大优点是能够克服上述缺点。同时由于主声波要能够扫描焊接底部四分之一厚，还需要探针有更大的移动距离。另外，对于一些较深的焊缝，如带有裂纹等缺陷，需要采用较长的探头才能保证其探测精度和灵敏度。才能切实达到这一领域的要求，除增大声束的入射角外，也可使探头声束的入射点与探头正面的距离减小。在实际生产中，由于不同类型的工件需要选择合适的超声波发生器以及相应的换能器，从而导致了探头种类繁多。所以怎样正确选择探针，保证检测结果准确度是基础和前提条件。

2.2以检测敏感性为调整目标

对直径较小的管道对接焊缝，其超声波检测等，以使用一次波为主，也使用二次波。其中，一次波检测具有较高的灵敏性，但当受到一些外界因素干扰后，就会使检测结果产生误差。所以如何调整一次波和二次波探测灵敏度，非常关键，这样就会对超声波检测的准确性，全面性产生直接的影响。为了达到这个目的，就必须要合理地控制好检测过程中的各种参数。从过去经验看，在小径管焊接接头的探测距离—波幅曲线的研究中，由于3条线的检测由于受反射杂波的影响而不能进行，因此，需有效调整检测灵敏度，确保它满足相关的要求。

2.3利用抑制性

对管径较细的管材而言，因其对接焊处管壁薄、曲率大，超声检测中很容易产生比较复杂的形变波，林状回波等，很容易和缺陷波混在一起，影响准确判断缺陷。为了准确地提取和定位焊缝上存在的各种不同类型缺陷，需要采用多种方法来抑制这些干扰信号。这时，部分干扰波必须得到适当压制，为了降低干扰程度，使缺陷波在检测时更易辨识，提高了检测准确率。

    3探伤前的准备

3.1修整探伤面

修整探伤面后，在探头活动的有效范围内，应消除飞溅，油漆、氧化物及其他杂物。通常用手工或者电动磨头对探头进行粗磨或精磨，然后再抛光处理。通常用手工或者电动砂轮磨削比较容易。切不可用机械打磨去修整，此法会使整个探伤面成圆周多面状，却使工件探测面粗糙度增大。因此必须对探伤面进行研磨处理。若用超声波法检测，便可避免以上问题的发生，但是无法消除因磨削而产生的效应，由于超声波在向被检对象内传播时，仍然有与其相互干扰的声脉冲产生。因此，用普通超声测厚仪测量时就会发现，随着表面质量的提高，其波速降低，而声速增加。探测表面粗糙度大于1/10波长时，声耦合显着变差，出现较大的侧向散射现象，声束轴线上的声压降低，声压的形状改变。此外，随着超声频率增加，回波衰减速度加快。因工件与探头之间有相对运动，在超声波的传播路径上，还存在着多次偏转现象。这种情况下，回波波形会出现严重畸变。探伤时，侧向反射信号很容易误判为轴线上的缺陷；如果采用传统方法进行测量时，则会因为回波相位信息丢失而造成漏判或误判。此外，因为超声波的传播距离较短，探头无法探测全部范围，因此，有必要重视提高探头相对于工件的位置精度及间距，确保有效地接收。此外，随着超声技术应用范围的扩大，其回波频率越来越高，这使得声波通过介质时能量衰减加快。此外，随着超声技术应用范围的扩大，人们发现一些表面裂纹也是很难检出的。所以，检测时必须对工艺参数进行严格控制，为了改善信噪比，提高分辨率，以免漏检。同时如果焊缝余高过高、过宽或有不明显回波信号地区也应进行修磨，使之符合检查的要求。

3.2选择耦合剂

适宜选择浸润性充分的材料、声阻抗较大的机油、甘油或者100%熔涨完全的化学纤维素做耦合剂。由于其粘度低，对超声换能器影响小，可以直接与油接触而不需任何附加设备。化学纤维素糊状物的粘稠度应中等，稠时，糊状物会聚于探头前端，形成声波漫射，容易出现变形波；稀则容易丢失，很难发挥耦合作用。若采用水基或植物油基的耦合剂时，应注意避免加入过多水分。优选采用油基的耦合剂。

    4探伤过程及方式

小径薄壁管曲率较大，探头与工件的接触面积小，所以探头移动面积及移动速度不能过快，手持探头的方式也应该不同于一般大晶片探头的方式。在进行检测的时候，用右手将探头握紧，用一根或两根手指蘸满了耦合剂，将其紧贴在探头的前端，并将其压在上面，然后随着探头的运动而运动。在检测过程中，右手将探头沿着轴线向焊缝的方向运动，而左手则是将探头沿着轴线向背离焊缝的方向运动，双手互相约束来控制探头的运动速度，在这个过程中，探头切不可左右摆动。另外，在进行一次电波检测时，探测器的前向和后向的位移不能太大。对于较小直径的管道焊缝，如被测物为4毫米，焊缝宽度5毫米，采用前、后波探伤，采用前端为5毫米，前端为K3的探测器，利用该探测器可以扫描到焊缝1/4毫米以上的壁厚，探测器只能沿着管道的前部和后部做轴向移动，不能旋转，不能倾斜，也不能做Z字形扫描。在检测到有缺陷的情况下，可稍稍转动探针，以确定缺陷的波高及动态包络的范围。这时，只有根部波，缺陷波，零点始波才会在仪表的显示屏幕上显示，从而使各类形变波得到了有效的抑制。在实际检测中，如果焊缝厚度为4毫米，则从根部波之前到0点始波的可评区域达2毫米，如果将扫描比例尺适当扩大，0点始波、根部波和缺陷波的差异就会非常明显。

    结论

虽然在小径薄壁管焊接接头超声波探伤过程中,影响缺陷判别的因素很多,但只要探伤前充分了解母材材质特性、焊接方法、坡口形式、焊材特点等直接或间接影响探伤评判的因素,同时结合使用对比试块、正常根部波和管内壁回波作为参照波比较,加上多积累经验,就能熟练地解决探伤中遇到的各种问题。

参考文献：

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