6 mm 鋁合金母線殼體焊縫超聲波檢測(cè)研究

孫慶峰，孫子安，羅宏建，金江舟，徐 強(qiáng)，張小菊

（1.浙江省電力鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所有限公司，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；3.桐廬電力開(kāi)發(fā)有限公司，杭州 311500；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）設(shè)備母線殼體一般選用厚度為6 mm 的鋁鎂合金板材卷制對(duì)接焊接而成，其焊接缺陷主要有裂紋、坡口未融合、根部未焊透、氣孔等。在運(yùn)行中，殼體對(duì)接頭焊接缺陷受應(yīng)力、交變載荷、內(nèi)部介質(zhì)和外部環(huán)境等因素影響，極易發(fā)生SF6泄漏事故。因此，為了保證GIS 設(shè)備的安全運(yùn)行，有必要開(kāi)展GIS設(shè)備殼體對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)[1-2]。

對(duì)于板厚為6 mm 的鋁鎂合金制母線殼體，生產(chǎn)廠家一般僅進(jìn)行來(lái)料機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試和氣密性試驗(yàn)，特別是把氣密性試驗(yàn)當(dāng)作檢驗(yàn)殼體密封性能的重要手段[3]。只有規(guī)模較大的殼體制造廠家或斷路器廠附屬殼體廠家才進(jìn)行對(duì)接焊縫質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)，無(wú)損檢測(cè)內(nèi)容主要是表面探傷及X 射線工業(yè)電視檢測(cè)。表面無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是借助儀器設(shè)備對(duì)表面和近表面缺陷較易檢出，而對(duì)于殼體對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷無(wú)法檢出。X 射線工業(yè)電視檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員要求較低，對(duì)氣孔類(lèi)體積型缺陷探傷靈敏度較高；缺點(diǎn)是分辨率較低，容易漏檢，尤其對(duì)諸如裂紋、未融合和根部未焊透等危害性較大的面積型缺陷探傷靈敏度較低，當(dāng)面積型缺陷的角度和射線的角度大致垂直時(shí)，很難發(fā)現(xiàn)缺陷[4-5]。

相對(duì)于在工廠內(nèi)部實(shí)施的X 射線工業(yè)電視檢測(cè)，超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方便，探傷靈敏度高，幾乎不受現(xiàn)場(chǎng)條件制約，而且對(duì)于面積型缺陷檢出率很高[6]。但是，針對(duì)8 mm 以下厚度鋁合金制殼體超聲波檢測(cè)，我國(guó)缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[7]。針對(duì)該現(xiàn)狀，本文通過(guò)理論分析及工程論證，提出8 mm 以下厚度鋁合金制殼體超聲波檢測(cè)工藝，給GIS 設(shè)備母線殼體質(zhì)量檢驗(yàn)提供參考。

1 焊接缺陷分析

鋁合金因渦流損耗小、防腐蝕能力強(qiáng)、自重輕及美觀等優(yōu)點(diǎn)已成為GIS 設(shè)備殼體主流選材。根據(jù)各高壓開(kāi)關(guān)廠設(shè)計(jì)圖紙顯示，GIS 設(shè)備殼體主要由5083 鋁鎂合金卷筒焊接而成，焊接方法主要有MIG（熔化極惰性氣體保護(hù)）焊、TIG（惰性氣體鎢極保護(hù)）焊或MIG+TIG 焊[8]。近年來(lái)，隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，等離子焊也逐漸應(yīng)用于電力系統(tǒng)GIS 設(shè)備殼體焊接[9]，本文著重討論MIG 焊和TIG 焊的焊接缺陷成因。

1.1 焊接工藝

圖1、圖2 為某高壓斷路器廠家生產(chǎn)的GIS設(shè)備母線殼體，選用5083 高強(qiáng)防銹鋁合金卷板焊接，板材厚度為6 mm?？v焊縫A 類(lèi)焊接接頭、環(huán)焊縫B 類(lèi)焊接接頭均采用MIG 單面焊雙面成型技術(shù)[10]。

圖1 A 類(lèi)焊縫坡口形式

A 類(lèi)焊接接頭采用了MIG 單面焊雙面成型技術(shù)，預(yù)開(kāi)V 形坡口，根部留有2 mm 鈍邊。先用MIG 焊打底；然后依次對(duì)焊道內(nèi)壁坡口進(jìn)行填充，在內(nèi)壁坡口根部作清根處理，剔除可能的焊縫根部缺陷，并確保隨后焊透整個(gè)焊縫坡口；接著采用不填絲TIG 電弧焊接方法，對(duì)殼體外壁焊縫進(jìn)行重熔整形，完成整個(gè)焊道焊接，TIG 焊整形可充分提高焊縫外觀質(zhì)量；焊接完成后對(duì)GIS 設(shè)備殼體內(nèi)壁的焊縫余高進(jìn)行打磨。

圖2 B 類(lèi)焊縫坡口形式

B 類(lèi)焊接接頭也采用了MIG 單面焊雙面成型技術(shù)，預(yù)開(kāi)V 形坡口，預(yù)先機(jī)械開(kāi)設(shè)V 形內(nèi)坡口，焊接方法同A 類(lèi)焊接接頭[11]。

1.2 缺陷成因

關(guān)于鋁合金焊接缺陷產(chǎn)生原因的研究文獻(xiàn)很多[12-14]，如劉建軍等對(duì)GIS 設(shè)備殼體焊縫開(kāi)裂進(jìn)行了分析，提出工藝控制不當(dāng)是焊接接頭失效的主因[15]。裂紋、未熔合、未焊透、氣孔等缺陷的成因不盡相同，但鋁合金具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，其焊接缺陷產(chǎn)生的原因可歸納如下：

（1）鋁合金焊接裂紋通常是熱裂紋。一般是在焊接應(yīng)力和其他因素共同作用下，焊道中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞形成新界面而產(chǎn)生的縫隙；如果焊絲選擇不當(dāng)，Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%或Fe，Si 等雜質(zhì)超出規(guī)定時(shí)，會(huì)增大裂紋傾向。

（2）鋁合金具有較大的熱導(dǎo)率，加上GIS 設(shè)備母線殼體壁厚較小，在焊道焊接過(guò)程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)，導(dǎo)致熱能輸入量不足打破焊道表面的氧化膜，極易在坡口側(cè)產(chǎn)生未融合缺陷；焊接接頭處接頭夾角不夠大，焊絲伸出過(guò)長(zhǎng)也容易產(chǎn)生未熔合缺陷。

（3）當(dāng)焊接工藝控制不當(dāng)，如速度過(guò)快、弧長(zhǎng)過(guò)大、電流過(guò)小、鈍邊過(guò)大等，容易在根部產(chǎn)生未焊透缺陷；V 形內(nèi)坡口的根部清理（毛刺、污垢）不徹底時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生未焊透現(xiàn)象。

（4）氫是鋁合金產(chǎn)生氣孔的主要原因，而MIG焊的特性決定了氣孔很難被避免。焊接時(shí)，溶滴通過(guò)弧柱滴入熔池，弧柱溫度最高，溶滴比表面積很大，這利于溶滴吸收氫；在凝固時(shí)，氫的溶解度從0.69 mL/100 g 突降到0.036 mL/100 g，與鋼相差10 倍左右，這是鋁合金焊縫產(chǎn)生氣孔的重要原因。保護(hù)氣體純度低、流量不足或過(guò)量、濕度大、污垢等也會(huì)產(chǎn)生氣孔缺陷。

2 檢測(cè)工藝

當(dāng)GIS 設(shè)備母線殼體運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)之后，按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》規(guī)定只能進(jìn)行X 射線檢測(cè)。X 射線檢測(cè)的特點(diǎn)是對(duì)缺陷的方向性敏感度強(qiáng)，容易漏檢面積型缺陷[16]。而且，X射線檢測(cè)的輻射安全問(wèn)題決定了在現(xiàn)場(chǎng)幾乎無(wú)法實(shí)施規(guī)?；膽?yīng)用。因此，通過(guò)制訂合理的超聲波檢測(cè)工藝，采用超聲波檢測(cè)方法將很好地解決GIS 設(shè)備殼體對(duì)接焊縫的檢測(cè)問(wèn)題。

2.1 探頭及試塊的選用

對(duì)于壁厚僅為6 mm 的GIS 設(shè)備母線殼體，因其選用的板材較薄，根據(jù)聲學(xué)原理，在不考慮介質(zhì)衰減的情況下，液體介質(zhì)中超聲波波源附近會(huì)由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大、極小值的區(qū)域，稱(chēng)為超聲波近場(chǎng)區(qū)[17]。超聲波近場(chǎng)區(qū)對(duì)缺陷的定量有一定的影響，且GIS 設(shè)備母線殼體母材厚度較薄，其對(duì)接焊縫處于近場(chǎng)區(qū)區(qū)域，減小探頭直徑或減小頻率可縮短近場(chǎng)長(zhǎng)度。當(dāng)頻率減小時(shí)，發(fā)散角相應(yīng)擴(kuò)大，波束較寬，而較大尺寸探頭的集束性較好。為了平衡波長(zhǎng)和波束對(duì)探傷靈敏度的影響，同時(shí)考慮母線殼體管徑曲率對(duì)探頭和試件接合面耦合的影響，經(jīng)綜合試驗(yàn)對(duì)比，最終采用頻率為2.5 MHz、晶片尺寸為8 mm×10 mm 的單晶探頭。

根據(jù)焊道坡口形式，GIS 設(shè)備母線殼體一般采用角度為60°～70°的V 形坡口。相關(guān)文獻(xiàn)表明，K 值越大（K 為超聲波斜探頭折射角的正切值），則探頭的折射角越大，聲程相應(yīng)增大，近場(chǎng)區(qū)干擾減小[18]。鋁合金的橫波傳播速度為3 140 m/s，利用Snell 折射定律計(jì)算出橫波聲速在鋁合金中的折射角，探頭標(biāo)稱(chēng)K 值2.5 在鋁合金中K 值為1.93，NB/T 47013 中推薦采用的斜探頭折射角工件厚度為6～25 mm 時(shí)，折射角63°～72°對(duì)應(yīng)K 值為2～3，因此6 mm 母線殼體超聲波檢測(cè)探頭K值采用2.5。

當(dāng)檢測(cè)面曲率半徑R≤0.25W2時(shí)（W 為探頭長(zhǎng)度），需采用與檢測(cè)面曲率半徑相同或相近的對(duì)比試塊。同時(shí)，考慮聲阻抗相差較大的介質(zhì)，即使聲速接近，聲壓往返透射率隨著折射角的變化存在較大的差異，影響前沿距離和K 值的測(cè)量。因此，選用壁厚為6 mm 的5083 鋁鎂合金按實(shí)際檢測(cè)面曲率半徑焊接，且保持余高，直徑2 mm 通孔埋在焊道內(nèi)。

2.2 檢測(cè)區(qū)域

圖3 為超聲波掃查示意圖，檢測(cè)區(qū)由焊接接頭檢測(cè)區(qū)寬度和焊接接頭檢測(cè)區(qū)厚度表征。焊接接頭檢測(cè)區(qū)寬度應(yīng)是焊縫本身加上焊縫熔合線兩側(cè)各10 mm 確定。對(duì)接接頭檢測(cè)區(qū)厚度應(yīng)為工件厚度加上焊縫余高。

圖3 超聲波檢測(cè)掃查示意

圖4 為聲強(qiáng)示意圖，其中，P 為聲壓，P0為波源的起始聲壓，X 為到波源的距離，N 為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。由圖4 可知：近場(chǎng)區(qū)聲強(qiáng)有劇烈的起伏，存在較多極小聲強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的探傷盲點(diǎn)將影響對(duì)缺陷定位的準(zhǔn)確性；而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)隨著距離的增加，聲強(qiáng)逐漸減弱趨于平穩(wěn)。因此，對(duì)于6 mm 厚的GIS 設(shè)備母線殼體超聲波檢測(cè)，應(yīng)以一次波檢測(cè)根部部位、二次波檢測(cè)為主，這樣就能覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域。

圖4 聲強(qiáng)示意

2.3 檢測(cè)準(zhǔn)備

焊縫的超聲波檢測(cè)應(yīng)在外觀質(zhì)量檢測(cè)合格的基礎(chǔ)上進(jìn)行。實(shí)施檢測(cè)時(shí)，如發(fā)現(xiàn)焊縫的不規(guī)則狀態(tài)影響檢測(cè)結(jié)果的正確性和完整性，應(yīng)先對(duì)其表面進(jìn)行處理。對(duì)于焊縫兩側(cè)的母材，檢測(cè)前應(yīng)采用脈沖回波測(cè)量其厚度[19]。對(duì)于環(huán)焊縫，至少每隔90°測(cè)量1 個(gè)點(diǎn)；對(duì)于直焊縫，至少需要測(cè)定6 個(gè)點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)做好記錄，以便檢測(cè)時(shí)參考。

DAC（距離-波幅）曲線以所用儀器和探頭在母線殼體專(zhuān)業(yè)對(duì)比試塊實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)設(shè)定。探頭對(duì)準(zhǔn)埋在試塊焊縫中不同深度和位置的直徑2 mm通孔，找出試塊中各點(diǎn)最大反射波幅并記錄，將記錄各點(diǎn)連成平滑曲線，形成DAC 曲線。缺陷定量檢測(cè)參照NB/T 47013—2015 執(zhí)行。

3 驗(yàn)證

以某特高壓基建工程入廠金屬技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)為例，該工程母線三通殼體對(duì)接焊縫有A 類(lèi)、B類(lèi)焊縫，其中：A 類(lèi)對(duì)接焊縫經(jīng)超聲波厚度檢測(cè)得到，上、下側(cè)母材厚度均為6 mm；B 類(lèi)對(duì)接焊縫經(jīng)超聲波厚度檢測(cè)得到，下側(cè)母材厚度為6 mm，上側(cè)母材厚度為7 mm。

經(jīng)查閱設(shè)計(jì)圖紙，得知該批次母線殼體A 類(lèi)和B 類(lèi)對(duì)接焊縫均采用V 型60°～70°坡口，根部開(kāi)2 mm 的鈍邊，采用MIG 單面焊雙面成型技術(shù)焊接，采用TIG 焊進(jìn)行表面重熔處理。

使用本文介紹的超聲波檢測(cè)工藝進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中有2 只GIS 設(shè)備母線殼體對(duì)接焊縫存在超標(biāo)缺陷信號(hào)顯示。為了驗(yàn)證超聲波檢測(cè)工藝是否合理并且有效，分別以不合格殼體1 和不合格殼體2 命名，對(duì)超聲波超標(biāo)缺陷位置進(jìn)行數(shù)字X 射線DR（成像技術(shù)）和PT（滲透檢測(cè)技術(shù)）的驗(yàn)證。

3.1 DR 檢測(cè)

不合格殼體1（鋼印號(hào)PC15-08-ZB54）用一、二次波粗掃，二次回波顯示定位，其對(duì)接環(huán)焊縫存在1 處超標(biāo)缺陷信號(hào)：當(dāng)量為φ2×40-5 dB，深度為5 mm，長(zhǎng)度為37 mm，缺陷位于焊縫中心。使用以色列VIDSCO 數(shù)字射線機(jī)對(duì)該殼體超聲波檢測(cè)超標(biāo)缺陷信號(hào)顯示位置進(jìn)行了驗(yàn)證，源采用XRS-3 型便攜式脈沖射線機(jī)，成像板采用VIDSCO 配套非晶硅成像板，成像尺寸22 cm×22 cm。透照參數(shù)采用60 個(gè)脈沖，焦距250 mm，采用墻體厚度宏模式進(jìn)行射線檢測(cè)。經(jīng)DR 檢測(cè)，超聲波超標(biāo)缺陷顯示位置存在根部未焊透缺陷，如圖5 所示。

3.2 PT 檢測(cè)

圖5 DR 驗(yàn)證

不合格殼體2（鋼印號(hào)FY15-03-979）用一、二次波粗掃，一次波和二次回波共同定位，其對(duì)接縱焊縫存在1 處超標(biāo)缺陷信號(hào)：當(dāng)量為φ2×40+0 dB，深度為5.5 mm，長(zhǎng)度為10 mm，缺陷位于焊縫中心偏下約1.5 mm。因該缺陷一側(cè)當(dāng)量為φ2×40+0 dB；另一側(cè)當(dāng)量為φ2×40－20 dB，水平、深度相差均1～2 mm，綜合坡口型式和角度可判定該缺陷為坡口未融合，該結(jié)果經(jīng)DR 檢測(cè)得以確認(rèn)為坡口未熔合。為了驗(yàn)證超聲波和DR檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)與廠方協(xié)商，在返修過(guò)程中，從殼體內(nèi)部用磨頭打磨清潔后經(jīng)PT 檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷如圖6 所示。最終判定缺陷為坡口未熔合，驗(yàn)證超聲波檢測(cè)結(jié)果正確。

圖6 PT 驗(yàn)證

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)6 mm 厚鋁鎂合金板制GIS 設(shè)備母線殼體對(duì)接焊縫質(zhì)量檢測(cè)缺乏有效的驗(yàn)收手段，且現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)8 mm 以下厚度鋁合金對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)的規(guī)范要求尚屬空白，本文介紹了一種常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該方法能有效檢出GIS 設(shè)備母線殼體對(duì)接焊縫焊接缺陷，為變電站GIS 設(shè)備安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。