程 茂，仇 飛，黃文大，毛 煒，梁 全，胡德友

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020；3. 浙江智?；ぴO(shè)備工程有限公司，湖州 313200)

在鋁制承壓設(shè)備的無損檢測方法中，能夠檢測焊縫內(nèi)部缺陷的方法主要有射線檢測和超聲檢測[1]。射線檢測有較多優(yōu)點(diǎn)，能較為直觀地表現(xiàn)出缺陷的形狀和尺寸，便于對缺陷進(jìn)行定性定量研究，但是射線檢測也有一定的局限性，檢測效率較低，同時(shí)只宜檢測體積型缺陷，難以檢測間隙很小的裂紋和未熔合缺陷，以及工件內(nèi)部的分層性缺陷[2]。此外，射線檢測過程中產(chǎn)生的射線對人體有害，需要采取防護(hù)措施[3]，生產(chǎn)膠片需要耗費(fèi)銀和石油資源，長期檢測產(chǎn)生大量的底片，需要占用場地保存，暗室處理使用的化學(xué)藥水會污染環(huán)境等[4],這些缺點(diǎn)都影響著射線檢測技術(shù)的發(fā)展。

與射線檢測相比，超聲檢測具有面積型缺陷檢出率高、檢測速度快、成本低、使用安全、儀器體積小、重量輕、使用方便、適宜檢測厚壁焊縫等優(yōu)點(diǎn)[5]。超聲檢測通過觀察脈沖回波來獲得缺陷信息，缺陷位置根據(jù)回波的位置來確定，其在缺陷定性方面存在一定的困難[6]。在定量方面，缺陷的當(dāng)量尺寸及指示長度與實(shí)際缺陷尺寸誤差較大，因?yàn)橛绊懖ǜ叩囊蛩剌^多，所以容易夸大良性缺陷的危害，且無直接檢測記錄[7]。鑒于射線檢測和超聲檢測的缺點(diǎn)，鋁制承壓設(shè)備需要一種更合適的無損檢測技術(shù)。

超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)是近年來興起的一種無損檢測技術(shù)，其檢測結(jié)果可以記錄保留，已在鋼制承壓設(shè)備焊接接頭的無損檢測中得到較多的應(yīng)用。但目前國內(nèi)缺少鋁制承壓設(shè)備焊接接頭TOFD檢測的實(shí)際應(yīng)用案例，且尚無關(guān)于TOFD技術(shù)在鋁制承壓設(shè)備應(yīng)用中的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，文章對不同厚度并且含有多種焊接缺陷的模擬試板進(jìn)行TOFD檢測，將檢測結(jié)果與射線檢測的結(jié)果相比較，以驗(yàn)證該技術(shù)用于鋁制焊接接頭檢測的可靠性。

在實(shí)際檢測過程中，部分壓力容器由于內(nèi)件遮擋或因結(jié)構(gòu)原因無法實(shí)施100 %射線檢測。如果能夠使用TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測，則可以確保焊縫得到100 %檢測。另外，相比于射線檢測，TOFD技術(shù)可以與制造過程中的焊接等其他工序同步進(jìn)行，無需人員的避讓和夜間作業(yè)，可以大大減少產(chǎn)品制造過程中的停工期。

1 鋁制承壓設(shè)備焊縫特點(diǎn)及模擬缺陷

鋁合金的表面容易氧化，產(chǎn)生阻礙焊接的氧化膜，由于表面氧化膜的存在，一方面會妨礙母材熔化和熔合，易造成夾渣、未熔合、未焊透等缺陷；另一方面會吸水分，易使焊縫出現(xiàn)氣孔[8]。鋁及其合金的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳鋼和低合金鋼的兩倍多，是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過程中，大量的熱量被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，形成較大的焊接熱影響區(qū)；當(dāng)熔池凝固時(shí)，體積收縮率較大，易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋等缺陷，同時(shí)焊件的應(yīng)力和變形相應(yīng)增加，直接影響焊接質(zhì)量。此外，鋁在液態(tài)時(shí)能溶解大量的氫，固態(tài)時(shí)幾乎不溶解氫，液態(tài)和固態(tài)下的氫溶量相差近20倍，鋁的低熔點(diǎn)和良好的導(dǎo)熱性導(dǎo)致焊接熔池的凝固時(shí)間短，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔[9]。

文章針對鋁合金焊接過程中產(chǎn)生的主要缺陷類型制作了含有不同模擬缺陷的試板。試板母材采用5083-H112鋁鎂合金，焊材采用牌號為ER 5183的鋁鎂焊絲，試板厚度分別為10 mm和30 mm。母材機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3880.1-2012 《一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材 第一部分：一般要求》，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3190-2008 《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》，焊材質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10858-2008 《鋁及鋁合金焊絲》。厚度為10 mm的試板的焊接方法采用鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)，保護(hù)氣體為氬氣，焊縫寬度為10 mm(包括熱影響區(qū))；厚度為30 mm的試板的打底層焊接方法采用GTAW，覆蓋層采用熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)，保護(hù)氣體為氬氣，焊縫寬度為30 mm(包括熱影響區(qū))。模擬試板外觀如圖1所示，紅色箭頭所指方向?yàn)樵囼?yàn)過程中探頭的掃查方向。

圖1 模擬試板外觀

2 表面盲區(qū)及鋁合金聲速

2.1 盲區(qū)試塊及聲速測量

為確定應(yīng)用TOFD技術(shù)檢測鋁合金焊縫時(shí)的盲區(qū)高度，制作了200 mm×200 mm×19 mm(長×寬×厚)的鋁合金盲區(qū)試塊，標(biāo)記A，B，C，D共4個(gè)側(cè)面，每個(gè)側(cè)面均有2個(gè)側(cè)孔，每個(gè)側(cè)孔直徑均為2 mm。A面?zhèn)瓤?的埋藏深度為1 mm(深度規(guī)定為側(cè)孔的上沿距離上表面的距離)，側(cè)孔2埋藏深度為5 mm。同理，B面?zhèn)瓤?埋深為4 mm，側(cè)孔2埋深為8 mm；C面?zhèn)瓤?埋深為3 mm，側(cè)孔2埋深為7 mm；D面?zhèn)瓤?埋深為2 mm，側(cè)孔2埋深為6 mm。盲區(qū)試塊及四個(gè)側(cè)面的側(cè)孔分布如圖2所示。

圖2 盲區(qū)試塊及其4個(gè)側(cè)面的側(cè)孔分布

使用HS700數(shù)字式超聲波探傷儀及直探頭，在盲區(qū)試塊無孔洞處進(jìn)行縱波聲速測量，測量結(jié)果如圖3所示。試板厚度測量結(jié)果為19 mm，與實(shí)際一致；聲速測量結(jié)果為6 365 m·s-1，與理論值6 320 m·s-1相差45 m·s-1，誤差率僅為0.71%。

圖3 鋁合金聲速測量結(jié)果

2.2 上表面盲區(qū)

經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)對比，厚度為10 mm的試板宜采用頻率為15 MHz，直徑為3 mm的探頭，主聲速角度為70°的楔塊。聚焦深度為2t/3(t為試塊的厚度) 時(shí)，探頭間距為36.6 mm。由于探頭的前沿長度為14 mm，焊縫寬度為10 mm，為保證掃查時(shí)楔塊不接觸到焊縫，探頭間距設(shè)置為43 mm，此時(shí)聚焦深度為7.82 mm。試驗(yàn)測得該探頭直通波覆蓋厚度為4.5 mm[見圖4(a)]，可檢測最小深度為2.1 mm[見4(b)]，比實(shí)際側(cè)孔深度深0.1 mm。

圖4 探頭上表面盲區(qū)高度測量結(jié)果

厚度為30 mm的試板宜采用頻率為5 MHz，直徑為6 mm的探頭，主聲速角度為60°的楔塊，聚焦深度為2t/3，探頭間距為69.3 mm。試驗(yàn)測得該探頭直通波的覆蓋厚度為8.4 mm[見圖4(c)]，可檢測最小深度為3.2 mm[見圖4(d)]，比實(shí)際側(cè)孔深度深0.2 mm。由于上表面盲區(qū)不可避免，檢測時(shí)可對焊縫進(jìn)行雙面掃查以覆蓋上表面盲區(qū)。

2.3 下表面盲區(qū)

下表面盲區(qū)主要指軸偏離底面盲區(qū)。由于焊縫具有一定的寬度，底面偏離檢測區(qū)域的缺陷的檢測信號到達(dá)接收探頭的時(shí)間在底波之后，因而被底波淹沒不能檢出。按TOFD檢測一收一發(fā)的方式布置探頭，超聲波衍射信號傳輸時(shí)間相等的位置構(gòu)成一個(gè)橢圓軌跡。軸偏離底面盲區(qū)如圖5所示，圖5中的橢圓軌跡為與底波信號傳輸時(shí)間相等的衍射點(diǎn)的位置(圖中發(fā)射探頭與接收探頭對稱于焊縫中心線布置，S為探頭至焊縫中心線的距離，H為工件厚度)，如果缺陷在橢圓以外的區(qū)域，則缺陷信號出現(xiàn)在底波之后，無法檢出。此外還需說明，橢圓軌跡上超聲衍射信號傳輸時(shí)間相等的特性除了會導(dǎo)致軸偏離底面盲區(qū)的存在外，還會導(dǎo)致深度測量出現(xiàn)誤差。

圖5 軸偏離底面盲區(qū)示意

該盲區(qū)的重要特點(diǎn)是其高度與距兩探頭中心線的相對距離x(即軸偏離值)有關(guān)，由圖5可知，距中心線越遠(yuǎn)，盲區(qū)高度就越大。在檢測焊縫時(shí)，檢測區(qū)域的最大軸偏離值是熱影響區(qū)至焊縫中心的距離。軸偏離值為x時(shí)的軸偏離底面盲區(qū)高度Δh可按式(1)計(jì)算。

(1)

厚度為10 mm的試板檢測范圍的邊界距離焊縫中心5 mm，此時(shí)按式(1)計(jì)算得Δh為0.23 mm，標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測》要求Δh小于1 mm，因此無需進(jìn)行偏置非平行掃查。厚度為30 mm的試板檢測范圍的邊界距離焊縫中心15 mm，此時(shí)按式(1)計(jì)算得Δh為1.65 mm，因此需要進(jìn)行偏置非平行掃查。由于焊縫有余高，探頭最多只能接近焊縫邊緣，此時(shí)偏置量最多為5 mm，計(jì)算得Δh為0.72 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

依據(jù)探頭在鋁合金中的縱波聲速和上下表面盲區(qū)的測量結(jié)果，通過計(jì)算和試驗(yàn)對比，對于不同厚度的試板，探頭楔塊參數(shù)的選擇如表1所示。

表1 不同厚度試板的探頭楔塊參數(shù)

3 兩種檢測方法結(jié)果對比

3.1 厚度為10 mm的試板檢測結(jié)果

分別用射線檢測技術(shù)和TOFD檢測技術(shù)對厚度為10 mm的模擬缺陷試板進(jìn)行檢測，掃查方式均為非平行掃查。不同缺陷類型的射線檢測底片與TOFD檢測圖譜如圖611所示，總計(jì)14個(gè)缺陷，圖譜只展現(xiàn)直通波至底波區(qū)域。其中序號為5，6和12的缺陷由于底片模糊，故放大顯示。

圖6 密集氣孔和單個(gè)氣孔缺陷底片及TOFD顯示

圖7 氣孔和夾鎢缺陷底片及TOFD顯示

圖8 未熔合和條形缺陷底片及TOFD顯示

射線檢測可以判斷缺陷的性質(zhì)和長度，圖6～11中的14個(gè)缺陷包含1處密集氣孔、3處氣孔、1處夾鎢、2處條形、2處未熔合、3處未焊透、2處裂紋。TOFD檢測可以得到缺陷的長度、深度和自身高度。RT(射線檢測)與TOFD檢測結(jié)果的對比如表2所示(表中單個(gè)氣孔以點(diǎn)為單位統(tǒng)計(jì))。由表2可知，射線檢測得到的缺陷長度與TOFD檢測得到的缺陷長度基本一致。

圖9 未焊透缺陷底片及TOFD顯示

圖10 裂紋缺陷底片及TOFD顯示

圖11 氣孔、條形缺陷和未熔合缺陷底片及TOFD顯示

表2 10 mm厚試板的RT與TOFD檢測結(jié)果對比 mm

3.2 厚度為30 mm的試板檢測結(jié)果

分別用射線檢測技術(shù)和TOFD檢測技術(shù)對厚度為30 mm的模擬缺陷試板進(jìn)行檢測，掃查方式均為非平行掃查。射線底片與TOFD檢測圖譜如圖12～16所示，總計(jì)16個(gè)缺陷。TOFD圖譜只展現(xiàn)直通波至底波的區(qū)域。其中序號為9的缺陷由于底片模糊，故放大顯示。TOFD圖譜中的部分缺陷在底片中并未得到體現(xiàn)，說明對于相同的焊縫，TOFD檢出率要高于射線檢測。

圖12 密集氣孔、未熔合和密集夾鎢缺陷底片及TOFD顯示

圖13 未熔合和密集夾鎢缺陷底片及TOFD顯示

圖14 夾鎢、未熔合和未焊透缺陷底片及TOFD顯示

圖15 條形缺陷和氣孔缺陷底片及TOFD顯示

圖16 裂紋和夾鎢缺陷底片及TOFD顯示

圖12～16中的16個(gè)缺陷包含1處密集氣孔、2處氣孔、3處密集夾鎢、1處夾鎢、2處條形、5處未熔合、1處未焊透、1處裂紋。RT與TOFD檢測結(jié)果的對比如表3所示，由表3可知，對于自身高度較高的缺陷，射線檢測得到的缺陷長度與TOFD檢測得到缺陷長度基本一致。但是對于自身高度較小的缺陷，射線檢測得到的缺陷長度明顯小于TOFD的。說明對于厚度越大的焊縫，自身高度越小的缺陷在底片上越難顯示，但TOFD檢測卻不受此影響，這也反應(yīng)出TOFD技術(shù)在較厚的工件檢測中比較有優(yōu)勢。

表3 30 mm厚試板的RT與TOFD檢測結(jié)果對比 mm

4 結(jié)語

通過對兩種厚度并含有模擬缺陷的試板進(jìn)行試驗(yàn)對比分析，發(fā)現(xiàn)TOFD檢測技術(shù)不僅能將所有缺陷檢出，而且可對缺陷的長度、深度及自身高度等參數(shù)進(jìn)行定量，并且缺陷檢測率高于射線檢測，說明了TOFD檢測技術(shù)可以適用于鋁制承壓設(shè)備厚度為1030 mm焊縫的檢測。