不锈钢焊缝缺陷尺寸的超声波探伤定量研究

摇摇摇第41卷摇第1期摇

2019年1月摇

SHANGHAIMETALS摇

上摇海摇金摇属摇

January,2019

Vol.41,No.1

不锈钢焊缝缺陷尺寸的超声波探伤定量研究

(1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海摇200072;2.上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室,

上海摇200072;3.上海大学材料科学与工程学院,上海摇200072)

杨摇静1摇罗四维1摇刘摇峰1摇张摇梅1,2,3摇张恒华1,2,3

2、3、4、5和6mm的不锈钢试样中的横通孔进行了超声波探伤。在探伤过程中,记录每组横通V鄄波幅,G鄄当量)曲线,并对该曲线的变化规律进行了分析研究。试验验证表明,该AVG曲线可以用来对不锈钢焊缝中直径当量为准1~3mm的缺陷的尺寸进行定量。

揖关键词铱摇超声波探伤摇缺陷尺寸摇定量摇AVG曲线

摇摇揖摘要铱摇为了确定不锈钢焊缝中缺陷的尺寸,对直径分别为1、2和3mm,长度分别为1、孔的回波高度达到基准波高时的增益值(用分贝dB表示),随后绘制出相应的AVG(A鄄距离,

QuantitativeStudyonSizeofDefectinStainlessSteel

WeldbyUltrasonicTesting

(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedSpecialSteel,Shanghai200072,China;2.ShanghaiKey

LaboratoryofAdvancedFerrometallurgy,Shanghai200072,China;3.SchoolofMaterials

ScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)YANGJing1摇LUOSiwei1摇LIUFeng1摇ZHANGMei1,2,3摇ZHANGHenghua1,2,3

摇摇揖Abstract铱摇Inordertodeterminesizeofdefectsinstainlesssteelweld,crossthroughholesinstainlesssteelspecimens,havingasdimensionas1mm,2mmand3mmindiameterby1mm,2mm,3mm,4mm,5mmand6mminlength,respectively,weresubjectedtoultrasonictesting.Indistance,V鄄amplitude,G鄄equivalent)curvesweredrawn,andtheirchangewasinvestigated,too.defectsequivalentto1鄄mm鄄to3鄄mm鄄diaminstainlesssteelweld.摇摇近年来,随着重工业的快速发展,对焊接质量控制的要求也越来越高。因此,各种无损检测方法在焊接质量控制中得到了广泛应用。超声波检测是五大常规无损检测技术之一,是目前国内外应用最广泛且发展较快的一种无损检测技术。焊接过程中,由于操作不当或焊接工艺参数波动,将会导致在焊缝及热影响区产生焊接缺陷,并导致

基金项目:上汽科技发展基金会1619项目

作者简介:杨静,女,主要从事超声波无损检测研究,E鄄mail:1299099865@qq.com通信作者:张恒华,男,教授,博导,电话:021鄄56331911,E鄄mail:hhzhang@shu.edu.cn

ultrasonictesting,gainvaluesoftheeachgroupofcrossthroughholeswererecordedwhentheirecho鄄heightreachedastandardwaveheight,beingrepresentedbydecibelsdB.Subsequently,AVG(A鄄FromtheexperimentalverificationitwasseenthattheAVGcurvescanbeusedtoquantifysizeof

揖Key摇Words铱摇ultrasonictesting,defectsize,quantification,AVGcurve

钢结构存在安全隐患。因此很有必要采用超声波技术定量检测焊接结构中缺陷的尺寸。

在超声波探伤过程中,除了简单地确定缺陷在焊缝中的位置外,更重要的是如何对缺陷的尺寸进行定量。相关文献中对缺陷进行定量研究的方法有很多。曹天宝等[1]通过仪器显示屏上的闸门线截取振幅鄄深度曲线对缺陷进行定量;冯挺

第1期摇杨摇静等:不锈钢焊缝缺陷尺寸的超声波探伤定量研究

摇99

等[2]采用端点反射回波法和端点衍射法对缺陷进行定量;王小保等[3]采用6dB法测长对常见缺陷进行定量;文献[4鄄6]用DAC+dB或者SL+dB的方法来表示缺陷当量(DAC为距离鄄波幅曲线,SL线为定量线)。但采用这些方法定量的结果大都存在一定差异且缺少验证过程。因此,本文采用在焊缝探伤中绘制AVG曲线的方法对缺陷的尺寸进行定量。

屏的80%,该波高即为“基准波高冶,记下此时的dB值。

(3)在3组试块上检测孔深为2mm的横通

孔,使反射回波达到最高。此时由于声程的增加,超声波的衰减也随之增大,其反射回波降低,即低于基准波高。调节“增益冶,将回波调至基准波高,记下此时的dB值。

(4)重复第3个步骤,依次测3件试块上孔深

本文在3件不锈钢试块上制作了多组不同直径和长度的横通孔,通过记录每组横通孔回波高度达到基准波高时的增益值AVG(A鄄距离,V鄄波幅,G鄄当量,进而绘制出相应的的变化规律)曲线,并对该曲线

AVG进行分析研究。试验验证表明,该准1~3曲线可以用来对不锈钢焊缝中直径当量为1摇mm的缺陷的尺寸进行定量。

1.1摇试验材料与方法试验用材料为试验材料

3件100mm伊10mm伊10mm

的不锈钢试块,分别在每件试块上制作如图1所示的不同直径和长度的横通孔。图1中:(a)1号3、4、5试块上的6组孔直径均为1mm,长度分别为1、2、

2均为mm,和3长度同6mm;(b)2mm,长度同上(a);(c)3号试块上的6组孔直径均为。

号试块上的6组孔直径图1摇3种不锈钢试块

1.2摇试验方法

Fig.1摇Threestainlesssteelspecimens

AVG(1)(2)测定探头入射点和探头曲线的具体绘制步骤如下分别将探头置于3件不锈钢试块中长度

K值:

。

为1mm的横通孔内,调节探头位置使反射回波达到最高,调节“增益冶,使该反射回波占据示波

为3、4、5、6mm的横通孔,记下相对应的dB值,如表1所示。摇

Table表1摇1摇不同直径和长度横通孔的dB值

differentdBvaluesdiametersofthecrossandthroughlengths

holesof

孔长/mm123456准1mm/dB53.757.061.463.864.065.0准2mm/dB44.047.049.652.253.054.1准3mm/dB

43.4

44.0

45.8

47.2

48.0

50.0

2摇试验结果与分析2.1摇曲线变化

将表1中数据以孔长为横坐标、dB值为纵坐标绘制AVG曲线,如图2所示。该曲线即为采用探头5P9伊9K3分别对直径1、2和3mm横通孔进行焊缝检测的实用AVG曲线。

图2摇AVG曲线

摇摇如图1所示Fig.,3条曲线的总体变化规律类似2摇AVGcurves

:随着孔长度的增加,dB值即回波强度降低。本文从横向a)、纵向两个方面深入分析曲线变化规律。

如图横向比较

1所示,每组曲线的回波强度随着孔长

摇100摇上摇海摇金摇属摇第41卷

的增大而降低,但是降低速度越来越缓慢,即曲线越来越平缓。关于回波强度的变化速率趋于平缓的原因,可采用超声波衰减规律进行解释。在超声波传播过程中,主要考虑散射引起的衰减,规律为:

Px=P0e-ax

(1)

大,超声波有效扫描角度兹也增大,但增长速率缓慢下降,即曲线越来越平缓,如图4所示。

式中:px—离压电晶片表面x处的声压,Pa;P0—超声波原始声压,Pa;e—自然对数的底;a—金属材料的(散射)衰减系数,dB/m;x—超声波在材料Fig.3摇Effectiveechoangleofultrasonicwave

图3摇超声波的有效回波角

中传播的距离,m。

从式(1)看,声压按负指数规律衰减,即随着声程的增大,声压的衰减速率越来越小,衰减曲线也越来越趋于平缓。在检测过程中,波幅高度反映的是声压大小,当超声波探伤仪垂直线性较好时,仪器示波屏上的波高与声压成正比,这时有:

吟=20lg

PP0=20lgHH

0

(dB)(2)

式中—:原始声压吟—分贝;H0P—波高基准;H—波幅高度;0当声压的衰减速率越来越慢时;P—声压。

,波幅的衰减

速率也越来越慢。即用来反映波幅大小的dB值的变化也越来越缓慢,因此图1中每条曲线都是随着声程的增大而越来越平缓b)。

在孔长相同时纵向比较

,随着横通孔直径的增大,3组曲线的反射回波强度也越大,但增大的速率越来越慢,即曲线与曲线间的间距越来越小。这种非线性变化与超声波的传播特性有关,超声波在无限大介质中传播时是一直向前传播不改变方向的,但遇到异质界面时会发生反射和折射。也就是说,一部分超声波在界面上反射回第一介质,另一部分透过界面折射进入第二介质,反射回来的超声波即以波高表现。

超声波在发射之初其声束角是一定的,但当检测过程中遇到不同尺寸的缺陷时,反射回波的有效反射回波角度也会发生变化,这种变化与缺陷的直径和长度有关,如图3所示。

有效反射回波角度可以用式(3)表示。

兹=2arctan(准/2h)

(3)

式中:兹—孔径为准的有效回波角度,(毅);准—缺

陷直径,mm;h—缺陷长度,mm;

在孔长h相同时,随着横通孔直径准的增

图4摇超声波有效回波角兹值的变化

Fig.4摇Changeultrasonicofeffectivewave

echoangle兹of2.2摇采用曲线定量缺陷尺寸

对一两对接板厚度均为5.5mm的不锈钢手工氩弧焊焊缝进行了超声波探伤,检测过程中在距探头位置(X=12.50mm,Y=1.17mm)和(X=14.93mm,Y=3.02mm)各发现1处缺陷,记录了缺陷和回波高度为显示屏的80%时的dB值,结果列于表1。摇

Table1摇表Lengths1摇两处缺陷的长度和anddBvaluesofthedB值

twodefects

缺陷缺陷长度/mm

dB值11.1758.72

3.02

51.8

摇摇在图1中将两缺陷的位置标记出来,如图5所示。缺陷1位于准1mm曲线以下,因此缺陷直径当量应小于准1mm,但根据曲线变化规律约为准0.8mm。缺陷2则在准2mm曲线上,因此缺陷直径当量应为准2mm。2.3摇焊缝缺陷的金相检验

本文采用绘制AVG曲线的方法对超声波探伤过程中不锈钢焊缝缺陷尺寸进行定量,并通过对两处缺陷所在位置进行了金相检验,结果如图

第1期摇杨摇静等:不锈钢焊缝缺陷尺寸的超声波探伤定量研究

摇101

6所示,证实了所绘制的AVG曲线可以用来对不锈钢焊缝中直径当量为准1~3mm的缺陷的尺寸进行定量。

检验结果表明,缺陷1为气孔,当量直径为0.3mm,位置2的缺陷为未熔合,直径当量为1.9测,这是允许的。3摇结论

mm,最大误差当量为准0.5mm,对于一般超声检

(1)根据对不锈钢试样中不同直径和长度的

横通孔80%波幅时dB值的超声检测结果记录绘制相应的AVG曲线,通过对未知焊缝缺陷的定量

Fig.5摇Positionsoftwowelddefectsonthecurves

图5摇两处焊缝缺陷在曲线中的位置

验证,证明该曲线可以用来对直径当量为准1~3mm的缺陷的尺寸进行定量。

摇摇(2)随着缺陷长度的增加,AVG曲线的回波幅度逐渐下降且速度越来越慢,即曲线越来越平缓;随着缺陷直径的增大,曲线与曲线间的间距减小。这一变化规律对于直径当量不在准1~3mm范围内的缺陷尺寸的定量也有参考意义。

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收修改稿日期:2018鄄05鄄28