小直徑導(dǎo)管點(diǎn)焊接頭的射線檢測(cè)方法

王增勇，楊桂珠，李建文，孫朝明，湯光平

（中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900）

小直徑導(dǎo)管的擠壓點(diǎn)焊技術(shù)是電阻焊接方法的一種特殊形式，其焊接對(duì)象為直徑不大于5mm、壁厚不大于2mm的小直徑奧氏體不銹鋼薄壁導(dǎo)管。由于焊接接頭具有管材直徑小、焊接面與管內(nèi)壁緊密熔合、焊縫質(zhì)量尤其是密封性能要求高的特殊性，常規(guī)無損檢測(cè)手段如射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)等難以對(duì)該構(gòu)件焊縫質(zhì)量進(jìn)行有效地檢測(cè)，因此有必要研究適宜于構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的無損檢測(cè)方法，對(duì)其焊縫質(zhì)量進(jìn)行控制。

為了確保焊接接頭質(zhì)量，一方面需要進(jìn)行大量的工藝技術(shù)試驗(yàn)，獲得可靠的工藝技術(shù)參數(shù)，另一方面就需要對(duì)焊后產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測(cè)。目前國內(nèi)相關(guān)報(bào)道基本上都是基于大工件電阻焊接質(zhì)量檢測(cè)方面的文獻(xiàn)，涉及的無損檢測(cè)方法主要有聲發(fā)射、X射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)技術(shù)。使用X射線檢測(cè)可以檢查焊接部位的焊后宏觀缺陷和焊接接頭形狀［1］；使用超聲波檢測(cè)技術(shù)［2］與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)結(jié)合可以研究焊接部位的質(zhì)量穩(wěn)定性。其它如介紹人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電阻點(diǎn)焊焊縫超聲無損檢測(cè)中的應(yīng)用分析［3］，以及采用部分電阻焊接參數(shù)作為觀察對(duì)象來控制焊縫質(zhì)量［4－6］等，其針對(duì)的應(yīng)用對(duì)象的工件尺寸都較大，對(duì)小直徑導(dǎo)管焊接質(zhì)量檢測(cè)參考意義不大。

筆者對(duì)于直徑不大于5mm的小直徑導(dǎo)管點(diǎn)焊焊接接頭的檢測(cè)，采用先垂直于焊接平面透照，再旋轉(zhuǎn)90°透照的兩次透照射線檢測(cè)方法，開展了射線檢測(cè)方法研究。

1 檢測(cè)方法選擇

由小直徑導(dǎo)管的焊接工藝及結(jié)構(gòu)可知，小徑管在熱擠壓焊接過程中，最可能產(chǎn)生的是局部焊接貼合不良和裂紋等平面型缺陷。由圖1可知，小徑管焊接部位為中間細(xì)小，兩端逐漸變厚的雙月牙形結(jié)構(gòu)。超聲檢測(cè)時(shí)，存在以下難題：① 由于結(jié)構(gòu)限制，不能采用水浸聚焦檢測(cè)方法，只能采用接觸法手動(dòng)檢測(cè)。② 檢測(cè)部位既小又薄，對(duì)設(shè)備尤其是超聲換能器的要求非常嚴(yán)格，只能采用微晶片換能器。③ 缺陷尺寸很小，且工件貼合緊密，超聲波檢測(cè)時(shí)，容易產(chǎn)生聲波透射而導(dǎo)致漏檢，必須采用較高的檢測(cè)頻率，來保證足夠的檢測(cè)靈敏度。

圖1 小徑管焊接接頭外形圖

顯然，超聲檢測(cè)法難于解決上述問題，但若采用射線檢測(cè)尤其是微焦點(diǎn)射線檢測(cè)技術(shù)，通過優(yōu)選射線檢測(cè)參數(shù)和控制射線檢測(cè)方向，有可能實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)靈敏度。

2 射線檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 常規(guī)射線檢測(cè)試驗(yàn)

由于導(dǎo)管點(diǎn)焊接頭部位的最大厚度不超過5mm，可以采用低能量的小焦點(diǎn)或微焦點(diǎn)射線源，對(duì)焊接部位進(jìn)行不同角度的傾斜透射，探討不同角度下的缺陷檢出效果。

采用型號(hào)MCN160，焦點(diǎn)1mm的射線機(jī)進(jìn)行檢測(cè)根據(jù)曝光曲線可知對(duì)5mm左右的鋼透照厚度，焦距700mm時(shí)，透照電壓110kV是比較合適的。由于該類接頭屬于大厚度比焊縫，宜采用適當(dāng)提高管電壓、縮短曝光時(shí)間的透照工藝來提高檢測(cè)靈敏度和厚度寬容度。

為達(dá)到較好的檢測(cè)效果，采用膠片成像法進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)中使用的設(shè)備固定，膠片固定為AGFA C7，Pb0.05mm增感，固定1 000mm的長焦距以降低幾何不清晰度，管電壓在110～150kV間以10kV遞進(jìn)，曝光量根據(jù)管電壓變化以10mA·min為基準(zhǔn)微調(diào)，并在試驗(yàn)中不斷調(diào)整檢測(cè)參數(shù)和透射角度以優(yōu)化檢測(cè)效果。

對(duì)照底片質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，對(duì)于該類焊接結(jié)構(gòu)，在1 000mm焦距時(shí)，130kV管電壓，10mA·min左右的曝光量效果最好。從厚度最薄方向透照的焊縫區(qū)的黑度在3.0左右，從厚度最厚方向透照的焊縫影像也非常清晰，缺陷易于識(shí)別，見圖2。

圖2 焊縫常規(guī)射線檢測(cè)優(yōu)化結(jié)果

采用優(yōu)化的射線檢測(cè)參數(shù)，對(duì)一批焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明：垂直于導(dǎo)管擠壓焊接接頭平面的正面透照效果最好，可發(fā)現(xiàn)的缺陷最多，對(duì)氣孔、管體撕裂的檢出效果明顯，見圖3（a）～3（d）。但對(duì)圖3（e）所示的未熔合缺陷卻不能檢出，需要將檢測(cè)角度旋轉(zhuǎn)90°透照方能發(fā)現(xiàn)。由此可知，為保證內(nèi)部缺陷完全檢出，必須要選取互為90°的兩次透照方式，其中一次的透射方向?yàn)榇怪庇诤附悠矫妗?/p>

圖3 小徑管焊縫典型常規(guī)射線檢測(cè)結(jié)果

2.2 檢測(cè)效果對(duì)比

2.2.1 超聲檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)

為比較超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)方法對(duì)導(dǎo)管焊縫內(nèi)部缺陷的檢出能力，對(duì)射線檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)缺陷的試管焊縫重新采用超聲直接接觸法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。檢測(cè)時(shí)采用高性能超聲波探傷儀，配以10MHz微焦點(diǎn)聚焦換能器，換能器的晶片直徑4.75mm，延遲塊長度8mm，端頭接觸面直徑約為φ1.5mm。具體的檢測(cè)參數(shù)為：方波脈沖寬度50ns，換能器衰減200Ω，脈沖波激發(fā)電壓300V，抑制50%，檢測(cè)范圍5mm，增益適當(dāng)。

對(duì)圖3所示導(dǎo)管焊接試樣的含缺陷焊接區(qū)域進(jìn)行細(xì)節(jié)掃查，掃查面為射線檢測(cè)對(duì)應(yīng)的接頭正面。結(jié)果表明，在導(dǎo)管焊接的中心平整部位，超聲波底波反射信號(hào)比較穩(wěn)定，很容易檢出圖3（c）～3（e）中的幾類缺陷，典型的缺陷信號(hào)見圖4（a）。但在將換能器由焊縫中心向兩側(cè)移動(dòng)掃查如圖3（b）所示缺陷時(shí)，隨著換能器向邊緣圓弧面的靠攏，延遲塊端部與工件表面的耦合效果急劇降低，檢測(cè)信號(hào)越來越不穩(wěn)定，使缺陷信號(hào)難于捕捉。且由于手的移動(dòng)，探頭與工件的接觸方向難于把握，導(dǎo)致回波信號(hào)非常雜亂，有無缺陷區(qū)域的信號(hào)差異不大，信號(hào)難于解釋，見圖4（b）。

對(duì)比試驗(yàn)表明，射線檢測(cè)方法對(duì)該類小徑管焊接質(zhì)量的檢測(cè)是非常有效的。而高頻聚焦超聲直接接觸法只對(duì)焊縫中心平整部位的缺陷檢測(cè)有優(yōu)勢(shì)，對(duì)導(dǎo)管焊縫邊沿檢測(cè)面不平整部位和撕裂類缺陷，超聲信號(hào)就不易檢出和分析，導(dǎo)致工程應(yīng)用的難度較大。

2.2.2 金相檢驗(yàn)分析

為驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果，對(duì)射線檢測(cè)后尤其是射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷的位置，采用金相解剖的方法進(jìn)行驗(yàn)證分析。為了保證完整地評(píng)價(jià)整個(gè)擠壓焊封區(qū)域，采取了縱向（平行于管軸線方向）和橫向（垂直于管軸線方向）兩個(gè)斷面方向的取樣剖面，以觀察整個(gè)焊接長度內(nèi)的焊接質(zhì)量總體情況。

圖4 超聲檢測(cè)結(jié)果

典型的含缺陷焊縫部位的金相解剖圖見圖5（b）和（c）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于焊縫內(nèi)毫米量級(jí)缺陷，金相解剖結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這說明制定射線檢測(cè)工藝對(duì)該種焊縫內(nèi)部的缺陷控制是有效的。

對(duì)照射線檢測(cè)結(jié)果同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圖6所示的焊縫中長度和寬度均為微米量級(jí)的微觀熱裂紋等缺陷，采用一般工業(yè)射線機(jī)的檢測(cè)效果不理想，不能發(fā)現(xiàn)內(nèi)部長約30～50μm的微裂紋缺陷。

圖5 焊縫內(nèi)氣孔缺陷對(duì)比結(jié)果圖

圖6 焊縫內(nèi)微觀裂紋對(duì)比圖

3 微焦點(diǎn)射線DR成像檢測(cè)及對(duì)比

為盡量提高射線檢測(cè)的缺陷檢出能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量，探索了微焦點(diǎn)射線數(shù)字成像技術(shù)。該系統(tǒng)為最小焦點(diǎn)不大于6μm的225kV數(shù)字成像射線系統(tǒng)。其技術(shù)參數(shù)為：像素?cái)?shù)1 024×1 024，像素間距200μm，動(dòng)態(tài)范圍大于80dB的平板式數(shù)字成像器。

對(duì)某射線檢測(cè)后的焊接接頭，開展了微焦點(diǎn)DR成像檢測(cè)，試驗(yàn)參數(shù)為200kV，400μA，放大倍數(shù)16倍，檢測(cè)完成后進(jìn)行金相解剖試驗(yàn)。不同方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見圖7。由圖7可知，對(duì)比普通X射線檢測(cè)結(jié)果，采用微焦點(diǎn)X射線源DR檢測(cè)的焊縫成像質(zhì)量更好，焊接接頭兩側(cè)管體擠壓后形成的熔合線從開始變形到最后熔合的成型影像非常清晰。結(jié)合數(shù)字成像的后期圖像處理技術(shù)，更有利于內(nèi)部缺陷的檢出。

由圖7中的金相解剖圖像可知，焊縫右側(cè)的邊緣熔合較好，左側(cè)焊縫的熔合存在一些問題，有較長一段區(qū)域存在未熔合，見圖7（e）和（f）。圖7（e）和（f）是對(duì)工件解剖后在體視顯微鏡下觀察的結(jié)果，為原始放大倍數(shù)12倍的未熔合區(qū)域。在400倍的顯微鏡下，測(cè)出平均的縫隙尺寸約為25μm左右。對(duì)照射線檢測(cè)結(jié)果，表明即使采用微焦點(diǎn)DR成像技術(shù)，也未發(fā)現(xiàn)該段未熔合。因此，對(duì)該類微米量級(jí)缺陷的控制，只能通過對(duì)比金相測(cè)試結(jié)果，不斷優(yōu)化焊接參數(shù)來消除。

圖7 不同方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語

（1）對(duì)直徑不大于5mm的小直徑導(dǎo)管點(diǎn)焊接接頭的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，設(shè)計(jì)了先垂直于焊接平面透照，再旋轉(zhuǎn)90°透照的兩次透照射線檢測(cè)工藝，通過優(yōu)化射線檢測(cè)參數(shù)，可以很好地控制焊縫質(zhì)量。

（2）驗(yàn)證試驗(yàn)表明射線檢測(cè)工藝對(duì)該種焊縫內(nèi)部毫米量級(jí)的缺陷控制是有效的，而超聲直接接觸法對(duì)該類小直徑管材焊縫質(zhì)量檢測(cè)的工程化應(yīng)用限制較多。

（3）對(duì)于該類焊縫中即使采用微焦點(diǎn)DR成像技術(shù)也難于檢出的微米量級(jí)缺陷，可通過采取金相測(cè)試方法，不斷優(yōu)化焊接工藝參數(shù)來消除。

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