CN108226303A - 一种异种钢电子束焊缝超声检测试块及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种异种钢电子束焊缝超声检测试块及检测方法，试块由厚度均为T的母材Ⅰ和母材Ⅱ组成，母材Ⅰ和母材Ⅱ之间包含一条用于连接二者的对接焊缝，其中，母材Ⅰ和母材Ⅱ的材质和厚度分别与待测异种钢相同，对接焊缝的焊接工艺与待测异种钢的焊接工艺一致；对接焊缝的中心线上沿试块的厚度方向设有三个长横孔，三个长横孔从上至下依次位于试块厚度的、和位置，且对接焊缝上位于其中心线上的根部设有沿其宽度方向延伸的刻槽。本发明能够解决异种钢电子束焊接接头超声检测问题，操作简单，缺陷检出率高，能够检测出当量尺寸大于φ1mm的长横孔的内部缺陷，结合相控阵的扇形，显示能够检测出焊缝根部深度超过2mm的未熔缺陷。

Description

一种异种钢电子束焊缝超声检测试块及检测方法

技术领域

本发明涉及超声波探伤技术领域，具体涉及一种异种钢电子束焊缝超声检测试块及检测方法。

背景技术

异种钢电子束焊接产品一般应用在腐蚀性强、温度高等特殊环境中，对焊接的质量要求很高，不允许存在根部未熔、内部大尺寸孔洞类缺陷。异种钢电子束焊接厚度较小时，可采用射线检测，但不能对缺陷的深度定位，而且随厚度的增大灵敏度在逐渐降低，根部未熔缺陷的检测效果很差。除此之外，采用电子束焊接的产品结构一般较为复杂，如插入式管座结构、弧形角接结构等，这些较为复杂的焊接结构无法进行射线检测。

异种钢焊接的超声检测难度与两种材质的声学特性差异相关，焊缝两侧材质的超声传播特性差异越大，超声检测的难度也就越大，采用普通的超声检测试块调整检测灵敏度时与实际产品存在很大误差，影响缺陷的评定，甚至造成超标缺陷的漏检。与普通焊接相比，电子束焊接时，无需开坡口，对焊接件的装配精度要求很高，否则就容易产生根部未熔缺陷，其它孔洞类缺陷也一般集中在焊缝中、下部位，且受能量波动和材质影响时，对接焊缝中还可能产生竖孔型缺陷，这些缺陷的特征与其他焊接缺陷不同，所需要的检测条件也就有所不同。

电子束焊接的根部缺陷贴近焊缝底面，其缺陷空间分布的特点使得普通超声检测方法的适用性很差，缺陷回波容易与底面反射波混淆，识别难度很大。超声检测能够检测出对接焊缝中的内部缺陷，在各类焊接接头检测中具有广泛的应用，相关的评判标准也较为完善，目前，普通超声检测用对比试块由于未考虑异种材质的声学特性差异，在进行检测时会造成定位、定量误差，而且试块中采用长横孔作为参考反射体，未对根部焊接缺陷设置独立的参考反射体，容易漏判；且常规超声检测工艺很容易受异种钢焊接缺陷空间取向影响，需要选择多种角度的探头进行检测，效率很低，无法实现对焊缝的快速、准确检测。

相控阵超声的声束聚焦功能使得其在缺陷识别方面具有独特的优势，可用于根部缺陷的检测，目前尚未见有针对异种钢电子束焊接内部、根部缺陷的超声检测、相控阵超声检测的应用研究，以及相关的结果评价标准。

发明内容

本发明的目的是提供一种异种钢电子束焊缝超声检测试块及检测方法，采用相控阵超声与常规超声结合综合检测的方法，实现焊缝内部、根部缺陷的有效检测。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种异种钢电子束焊缝超声检测试块，试块由厚度均为T的母材Ⅰ和母材Ⅱ组成，母材Ⅰ和母材Ⅱ之间包含一条用于连接二者的对接焊缝，其中，母材Ⅰ和母材Ⅱ的材质和厚度分别与待测异种钢相同，对接焊缝的焊接工艺与待测异种钢的焊接工艺一致；对接焊缝的中心线上沿试块的厚度方向设有三个长横孔，三个长横孔从上至下依次位于试块厚度的、和位置，且对接焊缝上位于其中心线上的根部设有沿其宽度方向延伸的刻槽。

优选的，试块的厚度T=40mm，试块的长度为300mm，宽度为40mm；刻槽沿试块厚度方向的高度为2mm，刻槽的宽度为0.5mm；长横孔的孔径为2mm，且刻槽与长横孔的两端均贯通试块相对设置的两个侧面。

利用一种异种钢电子束焊缝超声检测试块的检测方法，在制作专用的对比试块调节灵敏度的基础上，采用常规超声检测对接焊缝，并结合相控阵超声扇形显示对对接焊缝异常反射波进行定性，包括以下步骤：

步骤一、对比试块的制作：根据以上要求制作试块，备用；

步骤二、根据母材Ⅰ和母材Ⅱ分别制作DAC曲线，设置检测灵敏度：

（1）、设置常规超声和相控阵超声的基本参数，常规超声选用45~63°角度的横波斜探头，相控阵超声选择零度角扇形扫查，声束的角度设置为-30~30°，激发孔径16通道以上，焦点位置设置为试块的厚度T位置；

（2）、利用钢制CSK-ⅠA超声波探伤标准试块完成常规超声的声速校准、斜探头前沿长度测量、K值测量，及相控阵超声的延迟校准；

（3）、利用钢制CSK-ⅡA超声波探伤标准试块对相控阵超声进行TCG校准；

（4）、在步骤（2）校准后的常规超声的基本上，利用试块上的三个长横孔和一个刻槽作为四个参考反射体，在对接焊缝的两侧分别制作长横孔的常规超声的DAC曲线，并根据超声检测标准要求设置长横孔的评定线、定量线和判废线；

（5）、在步骤（2）和步骤（3）校准后的相控阵超声的基本上，在对接焊缝的两侧设置刻槽的DAC曲线，并根据超声检测标准要求设置刻槽的评定线、定量线和判废线，以刻槽的反射波的满屏80%作为基准灵敏度；

步骤三、检测与评定：

根据步骤二（5）中设置的基准灵敏度，采用常规超声分别在试块的对接焊缝两侧进行扫查，对接焊缝两侧的缺陷信号的评定分别按照NB/T47013—2015中超声检测中对应材质的评级要求进行评判；

当对接焊缝内部缺陷反射波幅达到定量线，缺陷长度超过2/3T；或对接焊缝内部缺陷反射波幅达到判废线时，判定为不合格；

当对接焊缝的根部反射波幅超过评定线时，采用相控阵超声进行复验，当对接焊缝的根部反射波幅超过刻槽的基准反射波幅时，则确认为对接焊缝的根部未熔合，直接判定为不合格；反之，则合格。

本发明中，相控阵超声的探头的频率为2~5MHz，常规超声的探头的K值为1或2，常规超声的探头的频率为2.5MHz。

相控阵超声与常规超声结合的综合检测方法，采用特殊设计的试块设置检测灵敏度，利用常规超声检测对接焊缝，对对接焊缝的根部存在反射波超出评定线的位置，结合相控阵超声的扇形扫描成像进行判定，可以实现焊缝内部、根部缺陷的有效检测。

本发明根据异种钢电子束焊接的特点，设计了用于调节超声检测灵敏度的专用试块，在制作灵敏度曲线的基础上，采用常规超声检测焊接缺陷，对根部存在异常反射波的部位，利用相控阵超声的聚焦、二维成像显示功能进行复验，确定是否存在根部未熔缺陷，两者配合能够保证对异种钢电子束焊接内部缺陷、根部缺陷的检测，并准确的定位、定量，提高了缺陷检测率和检测效率，解决了异种钢电子束焊接超声检测的技术问题。

本发明与现有技术相比，其显著优势在于：1、解决了采用普通单材质试块检测灵敏度调节误差较大的问题，通过两侧灵敏度的设置提高了缺陷评定的可靠性。2、对接焊缝根部的刻槽的设计，提高了根部未熔缺陷的检出率。3、采用相控阵超声的聚焦和精确定位确认焊接根部未熔缺陷，保证了根部未熔缺陷判定的准确性，操作简单，实用性强。4、本发明能够解决异种钢电子束焊接接头超声检测问题，操作简单，缺陷检出率高，能够检测出当量尺寸大于φ1mm的长横孔的内部缺陷，结合相控阵的扇形，显示能够检测出焊缝根部深度超过2mm的未熔缺陷。5、本方法可以检测异种钢电子束焊缝根部未熔缺陷，及焊缝内部缺陷，保证焊接质量。

附图说明

图1为本发明试块的示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为相控阵超声复验试块的对接焊缝的根部缺陷扫查示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为40mm厚异种钢电子束焊接板的碳钢侧超声检测的缺陷波形图；

图6为40mm厚异种钢电子束焊接板的不锈钢侧超声检测的缺陷波形图；

图7为碳钢侧超声检测的根部反射波；

图8为不锈钢侧超声检测的根部反射波；

图9为碳钢侧相控阵扇形扫描检测结果图；

图10为不锈钢侧相控阵扇形扫描检测结果图。

附图标记：1、母材Ⅰ，2、母材Ⅱ，3、对接焊缝，4、长横孔，5、刻槽，6、相控阵超声探头。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征以及达成的目的便于理解，下面结合实施例，进一步阐述本发明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

一种异种钢电子束焊缝超声检测试块，如图1所示，试块由厚度均为T的母材Ⅰ1和母材Ⅱ2组成，母材Ⅰ1和母材Ⅱ2之间包含一条用于连接二者的对接焊缝3，其中，母材Ⅰ1和母材Ⅱ2的材质分别与待测异种钢相同，试块的厚度与待测异种钢的厚度相同，对接焊缝3的焊接工艺与待测异种钢中的电子束焊缝的焊接工艺完全相同。其中，母材Ⅰ材质为碳素钢，母材Ⅱ材质为不锈钢。

其中，如图1和图2所示，对接焊缝3的中心线上沿试块的厚度方向设有三个长横孔4，三个长横孔4从上至下依次位于试块厚度的、和位置，且对接焊缝3上位于其中心线上的根部设有沿其宽度方向延伸的刻槽5。

本发明选用的试块的厚度T=40mm，试块的厚度即其高度；试块的长度为300mm，宽度为40mm；刻槽5沿试块厚度方向的高度为2mm，刻槽5的宽度为0.5mm；参照NB/T47013—2015中超声检测对比试块参考反射体，长横孔4的孔径为2mm，且刻槽5与长横孔4的两端均贯通试块相对设置的两个侧面。

本发明中，试块的最大厚度可以为80mm，适用于厚度不大于80mm的异种钢电子束焊接检测。

利用一种异种钢电子束焊缝超声检测试块实现的检测方法，在制作专用的对比试块调节灵敏度的基础上，采用常规超声检测对接焊缝，并结合相控阵超声扇形显示对对接焊缝异常反射波进行定性，包括以下步骤：

步骤一、对比试块的制作：根据以上要求制作试块，备用；

步骤二、由于对接焊缝两侧的材质存在差异，故应根据母材Ⅰ和母材Ⅱ分别制作DAC曲线，其中，DAC曲线是指距离-波幅曲线，设置检测灵敏度：

（1）、设置常规超声和相控阵超声的基本参数，常规超声选用角度为45~63°的横波斜探头，相控阵超声选择零度角扇形扫查，声束的角度设置为-30~30°，激发孔径16通道以上，焦点位置设置为本发明试块的厚度T位置；

（2）、利用已知钢制CSK-ⅠA超声波探伤标准试块完成常规超声的声速校准、斜探头前沿长度测量、K值测量，及相控阵超声的延迟校准；

（3）、利用已知钢制CSK-ⅡA超声波探伤标准试块对相控阵超声进行TCG校准；

本发明中，钢制CSK-ⅠA超声波探伤标准试块和钢制CSK-ⅡA超声波探伤标准试块为现有技术中的标准试块；步骤二（2）、（3）的校准调试，其过程包括声速、探头延迟校准，角度测量、TCG校准，校准调试方法属于现有已知技术，在此不再赘述。

（4）、在步骤（2）校准后的常规超声的基本上，利用试块上的三个长横孔和一个刻槽作为四个参考反射体，在对接焊缝的两侧分别制作长横孔的常规超声的DAC曲线，并根据超声检测标准要求设置长横孔的评定线、定量线和判废线；长横孔灵敏度曲线见下表1和表2；

表1 碳钢侧距离-波幅曲线的灵敏度

表2 不锈钢侧距离-波幅曲线的灵敏度

本发明是根据NB/T47013—2015中的要求设置灵敏度曲线即评定线EL、定量线SL和判废线RL，但并不局限于NB/T47013—2015标准，也可根据产品要求采用其他超声检测标准；评定线（包括评定线）与定量线为Ⅰ区，定量线（包括定量线）与判废线之间为Ⅱ区，判废线及以上区域为Ⅲ区；焊缝质量分级：评定指标根据缺陷引起的反射波幅（所在区域Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区）、允许的单个缺陷指示长度、多个缺陷累计长度最大允许值；根据质量要求检验等级分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个级，Ⅰ级最高。

（5）、在步骤（2）和步骤（3）校准后的相控阵超声的基本上，在对接焊缝的两侧设置刻槽的DAC曲线，并根据超声检测标准要求设置刻槽的评定线、定量线和判废线，以刻槽的反射波的满屏80%作为基准灵敏度；

步骤三、检测与评定：

根据步骤二（5）中设置的基准灵敏度，采用常规超声分别在试块的对接焊缝两侧进行扫查，对接焊缝两侧的缺陷信号的评定分别按照NB/T47013—2015中超声检测中碳素钢、不锈钢评级要求进行评判；

当对接焊缝内部缺陷反射波幅达到定量线，缺陷长度超过2/3T；或对接焊缝内部缺陷反射波幅达到判废线时，判定为不合格；

当对接焊缝的根部反射波幅超过评定线时，采用相控阵超声进行复验，当对接焊缝的根部反射波幅超过刻槽（参考槽体）的基准反射波幅时，则确认为对接焊缝的根部未熔合，直接判定为不合格；反之，则合格。

其中，用相控阵超声的探头对对接焊缝进行检测时，无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，而相控阵超声探头6沿着对接焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成，也采用手动方式完成，可实现快速检测，检测效率高，能够检测出焊缝根部深度超过2mm的未熔缺陷及当量尺寸大于φ1mm长横孔的内部缺陷，且能够得到缺陷的2D图像。

本发明中，相控阵超声的探头的频率为2~5MHz，常规超声的探头的K值为1或2，常规超声的探头的频率为2.5MHz。

以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

结合图1至图4说明本发明的一种异种钢电子束焊缝超声检测试块的检测方法，包括以下步骤：

一、对比试块的制作：

选择与母材相同的异种钢材料类型（碳钢、奥氏体不锈钢）、焊接工艺、厚度（40mm）制作对比试块，试块的尺寸应满足图1的要求，分别在焊缝中心线深10mm、20mm、30mm处加工φ2×40mm长横孔，并在焊缝根部制作0.5×2×40mm的刻槽；

二、检测灵敏度调节：

1）常规超声选择频率为2.5MHz的K1探头，相控阵超声选择频率5MHz的32晶片探头，楔块角度为0度，声束扫描角度设置为-30°~30°，激发孔径16晶片，焦点位置设置为40mm。

2）利用钢制CSK-ⅠA试块进行常规超声的声速校准、斜探头前沿长度测量、K值测量，及相控阵超声的延迟校准。

3）利用钢制CSK-ⅡA试块对相控阵超声进行TCG曲线的校准，TCG曲线即为深度补充曲线。

4）在上述步骤的基础上，利用长横孔和根部刻槽四个参考反射体在焊缝两侧分别制作常规超声的DAC曲线，并参考NB/T47013—2015中的要求设置灵敏度曲线，不锈钢侧灵敏度设置的依据见表2，碳钢侧灵敏度设置的依据见表1。

5）在校准相控阵设备的基础上，分别在焊缝两侧设置根部槽的灵敏度，以根部槽反射波的满屏80%为基准灵敏度。

三、检测与评定：

采用机油耦合剂，根据设置的灵敏度，采用普通超声在焊缝两侧进行检测，两侧的缺陷信号分别按照NB/T 47013.3—2015对焊缝两侧进行单独评级，评级标准按碳钢、不锈钢要求进行，以最严重的评级为最终级别。当焊缝根部反射波超过评定线时，采用相控阵超声进行评定，反射波幅超过参考槽体的反射波时，则确认为根部未熔合，直接判定为不合格。

其中，图5、图6分别为40mm厚异种钢电子束焊接板的碳钢侧、不锈钢侧超声检测的缺陷波形，按照标准要求分别进行评级，碳钢侧波幅高于判废线，直接定为Ⅲ级，不锈钢波幅未超过判废线，且经过测量缺陷指示长度为10mm，评定为Ⅱ级，综合评定为Ⅲ级。

图7、图8分别为碳钢侧、不锈钢侧超声检测的根部反射波，波幅高于评定线，深度在40mm附近，则应采用相控阵进行精确判定。图9、图10分别为碳钢侧、不锈钢侧相控阵扇形扫描检测结果图，扇形扫描成像图中，除底面成像外，还存在异常的根部成像，深度在40mm附近，且反射波均超过80%，判定为根部未熔合缺陷，评定为不合格。

进一步的，对40mm厚的碳钢、不锈钢异种钢电子束焊接模拟件进行检测，模拟件中制作有4个模拟缺陷，模拟缺陷的尺寸及参照NB/T47013—2015评定的结果见表3。按照设置的灵敏度能够检测出各个缺陷，缺陷的深度定位误差不大于2mm，综合评级避免了缺陷的误判。

表3 模拟缺陷及检测结果信息

本实施例中所使用的各个检测参数均只对本实施例有效，并不影响本发明其他实施方式。

本发明其他未述内容属于现有技术。

以上实施例使为了说明本发明的技术方案，其目的是在于使本领域技术人员能够了解本发明的内容并予以实施，但并不以此限制本发明的保护范围。凡是依据本发明的实质内容所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种异种钢电子束焊缝超声检测试块，其特征在于：试块由厚度均为T的母材Ⅰ和母材Ⅱ组成，母材Ⅰ和母材Ⅱ之间包含一条用于连接二者的对接焊缝，其中，母材Ⅰ和母材Ⅱ的材质和厚度分别与待测异种钢相同，对接焊缝的焊接工艺与待测异种钢的焊接工艺一致；对接焊缝的中心线上沿试块的厚度方向设有三个长横孔，三个长横孔从上至下依次位于试块厚度的、和位置，且对接焊缝上位于其中心线上的根部设有沿其宽度方向延伸的刻槽。

2.如权利要求1所述的一种异种钢电子束焊缝超声检测试块，其特征在于：试块的厚度T=40mm，试块的长度为300mm，宽度为40mm；刻槽沿试块厚度方向的高度为2mm，刻槽的宽度为0.5mm；长横孔的孔径为2mm，且刻槽与长横孔的两端均贯通试块相对设置的两个侧面。

3.利用如权利要求1所述的一种异种钢电子束焊缝超声检测试块的检测方法，其特征在于：在制作专用的对比试块调节灵敏度的基础上，采用常规超声检测对接焊缝，并结合相控阵超声扇形显示对对接焊缝异常反射波进行定性，包括以下步骤：

步骤一、对比试块的制作：根据权利要求1的要求制作试块，备用；

步骤二、根据母材Ⅰ和母材Ⅱ分别制作DAC曲线，设置检测灵敏度：

（1）、设置常规超声和相控阵超声的基本参数，常规超声选用角度为45~63°的横波斜探头，相控阵超声选择零度角扇形扫查，声束的角度设置为-30~30°，激发孔径16通道以上，焦点位置设置为试块的厚度T位置；

（2）、利用钢制CSK-ⅠA超声波探伤标准试块完成常规超声的声速校准、斜探头前沿长度测量、K值测量，及相控阵超声的延迟校准；

（3）、利用钢制CSK-ⅡA超声波探伤标准试块对相控阵超声进行TCG校准；

（4）、在步骤（2）校准后的常规超声的基本上，利用试块上的三个长横孔和一个刻槽作为四个参考反射体，在对接焊缝的两侧分别制作长横孔的常规超声的DAC曲线，并根据超声检测标准要求设置长横孔的评定线、定量线和判废线；

（5）、在步骤（2）和步骤（3）校准后的相控阵超声的基本上，在对接焊缝的两侧设置刻槽的DAC曲线，并根据超声检测标准要求设置刻槽的评定线、定量线和判废线，以刻槽的反射波的满屏80%作为基准灵敏度；

步骤三、检测与评定：

根据步骤二（5）中设置的基准灵敏度，采用常规超声分别在试块的对接焊缝两侧进行扫查，对接焊缝两侧的缺陷信号的评定分别按照NB/T47013—2015中超声检测中对应材质的评级要求进行评判；

当对接焊缝内部缺陷反射波幅达到定量线，缺陷长度超过2/3T；或对接焊缝内部缺陷反射波幅达到判废线时，判定为不合格；

当对接焊缝的根部反射波幅超过评定线时，采用相控阵超声进行复验，当对接焊缝的根部反射波幅超过刻槽的基准反射波幅时，则确认为对接焊缝的根部未熔合，直接判定为不合格；反之，则合格。

4.如权利要求3所述的利用一种异种钢电子束焊缝超声检测试块的检测方法，其特征在于：相控阵超声的探头的频率为2~5MHz，常规超声的探头的K值为1或2，常规超声的探头的频率为2.5MHz。