20（G）板不同焊接缺陷的磁記憶信號(hào)檢測分析

孫燕華　王威強(qiáng)　宋明大　閆紀(jì)憲（1.山東大學(xué) 濟(jì)南 50061）（.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 濟(jì)南 50101）（3.山東省特種設(shè)備安全工程技術(shù)研究中心 濟(jì)南 50061）

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20（G）板不同焊接缺陷的磁記憶信號(hào)檢測分析

孫燕華1，2王威強(qiáng)1，3宋明大2閆紀(jì)憲2
（1.山東大學(xué) 濟(jì)南 250061）
（2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 濟(jì)南 250101）
（3.山東省特種設(shè)備安全工程技術(shù)研究中心 濟(jì)南 250061）

摘 要：使用TSG-2M-8型應(yīng)力集中磁記憶測試儀對(duì)15塊材質(zhì)為20鋼的焊接試塊表面磁場進(jìn)行掃描測試，通過與射線、超聲、TOFD三種試塊無損檢測結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)磁記憶信號(hào)能有效反應(yīng)氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。存在氣孔、未焊透、夾渣等缺陷時(shí)，磁場強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)過零點(diǎn)，存在裂紋或未熔合等缺陷時(shí)，磁場強(qiáng)度曲線則出現(xiàn)峰值?？衫迷撎卣鲗?duì)在役特種設(shè)備焊縫進(jìn)行無損檢測。

關(guān)鍵詞：磁記憶 焊接缺陷 無損檢測

在焊接過程中，焊縫中會(huì)有殘余磁化現(xiàn)象產(chǎn)生，其殘余磁化分布的方向和性質(zhì)完全取決于焊接完成后金屬冷卻時(shí)殘余應(yīng)力的分布和焊接工藝缺陷的性質(zhì)。散射磁場具有突躍性變化。通過測量在焊接過程中形成的散射磁場變化，可以完成對(duì)焊接實(shí)際狀態(tài)的整體鑒定［1］。

目前國內(nèi)有關(guān)金屬磁記憶方法或檢測的文獻(xiàn)中，大多是對(duì)表面缺陷或開口缺陷的研究［2-5］，而鮮少對(duì)金屬焊縫的埋藏缺陷的研究。李光霽等用金屬磁記憶法進(jìn)行焊接缺陷檢測，驗(yàn)證了磁記憶檢測方法的有效性，取得了一些有益的經(jīng)驗(yàn)［6］。李運(yùn)濤等以HP345基氣瓶瓶身內(nèi)壁加工的尖角槽為隱藏缺陷，研究了缺陷對(duì)磁記憶信號(hào)的影響，提出了通過加載識(shí)別真?zhèn)涡盘?hào)的方法［7］。俄羅斯學(xué)者杜波夫闡述了焊接工件固有磁場參數(shù)與缺陷特點(diǎn)之間的聯(lián)系，提出了用金屬磁記憶法評(píng)估管道焊接質(zhì)量的準(zhǔn)則［8］。前期學(xué)者未對(duì)典型缺陷進(jìn)行系統(tǒng)性檢測分析，尚無對(duì)各種缺陷下磁記憶信號(hào)的特點(diǎn)的對(duì)比性研究，筆者對(duì)含缺陷的焊接試塊進(jìn)行試驗(yàn)，分析了磁記憶信號(hào)對(duì)不同缺陷的敏感程度及信號(hào)特征。不同缺陷對(duì)于磁記憶信號(hào)的反應(yīng)可用于在線檢測特種設(shè)備焊接缺陷的存在。

1 試驗(yàn)方案

選用規(guī)格為20mm×300mm×300mm的20鋼板對(duì)接焊縫試塊，首先采用TSC-2M-8型八通道應(yīng)力集中磁記憶測試儀沿焊縫掃查，然后按縱向分區(qū)1～6垂直焊縫進(jìn)行掃查，箭頭表示掃查方向，如圖1所示。儀器設(shè)置測試步長為1mm，探頭提離試塊表面5mm?？紤]地磁場影響，試塊在同一位置進(jìn)行測量。

圖1　磁記憶掃查分區(qū)及方向

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁記憶信號(hào)有突變現(xiàn)象，為確定突變信號(hào)所示缺陷類型，對(duì)焊接試塊分別進(jìn)行RT、UT 及TOFD檢測，并保留檢測結(jié)果。UT檢測儀器型號(hào)CTS-9003，探頭規(guī)格2.5P 8×12 K2；TOFD檢測儀器型號(hào)Olympus MXU-2.0R10，TOFD檢測礙于探頭尺寸，試塊兩端各有25mm檢測死區(qū)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試塊010檢測結(jié)果對(duì)比分析

圖2是其中試塊編號(hào)為010的對(duì)接焊縫（含夾渣、未焊透、裂紋等缺陷）在不加載狀態(tài)下不同無損檢測的結(jié)果。

圖2　試塊編號(hào)010不同無損檢測結(jié)果

試塊010的檢測數(shù)據(jù)顯示見表1。通過對(duì)磁記憶檢測曲線與其他無損檢測方法對(duì)比分析可知，Hp-1曲線可靈敏的檢測出缺陷的位置，而且背掃曲線較正掃曲線更明顯。由UT及TOFD檢測的缺陷深度可知，磁記憶檢測對(duì)近表面的缺陷更為敏感。

夾渣是焊縫中殘留的熔渣。固體夾渣屬于體積缺陷，焊縫表面只有輕微受損，由于沒有出現(xiàn)明顯縫隙，焊縫缺陷處的應(yīng)力集中比較明顯，磁場梯度值明顯增大。

未焊透是指焊接金屬母材之間，未被電弧熔化而留下的空隙。掃查到空隙處時(shí)，磁力線通過的介質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致缺陷端部會(huì)出現(xiàn)磁場強(qiáng)度曲線過0點(diǎn)。

裂紋是在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下使焊接接頭局部地區(qū)的金屬原子結(jié)合力遭到破壞，而形成新的界面。鐵磁材料被磁化后，只要材料的形狀不是閉合形的或不是無限長的，材料內(nèi)部的總磁場強(qiáng)度將小于外磁場強(qiáng)度。按磁荷的觀點(diǎn)，磁場是由正到負(fù)，退磁場的大小與磁荷數(shù)值及材料的形狀有關(guān)。磁力線在通過裂紋處時(shí)空間介質(zhì)發(fā)生改變，或金屬中通過的磁力線數(shù)量發(fā)生改變，從而使磁場強(qiáng)度發(fā)生變化。

表1　不同無損檢測結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 試塊008各種檢測結(jié)果對(duì)比

圖3是其中試塊編號(hào)為008的對(duì)接焊縫（含氣孔、未熔合等缺陷）在不加載狀態(tài)下不同無損檢測的結(jié)果。試塊008的檢測數(shù)據(jù)顯示見表2，檢測結(jié)果與試塊010相符，均為近表面信號(hào)明顯。

表2　不同無損檢測結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

氣孔是焊接溶池在高溫時(shí)吸收了過多的氣體，而在冷卻時(shí)氣體在金屬中的溶解度急劇下降，氣體來不及逸出而殘留在焊縫金屬中形成的。在磁記憶檢測過程中，由于氣孔的存在，曲線會(huì)產(chǎn)生過零點(diǎn)的現(xiàn)象，且位置偏差一般不會(huì)超過5mm。

未熔合是焊縫金屬與母材之間，多焊道時(shí)焊縫金屬之間彼此沒有完全熔合在一起的現(xiàn)象。當(dāng)母材坡口或前一層焊縫表面有銹或臟物，焊接時(shí)由于溫度不夠，未將其熔化而覆蓋上填充金屬，就形成層間或邊緣未熔合，其磁記憶機(jī)理與裂紋缺陷類似，在缺陷后端磁場強(qiáng)度梯度會(huì)出現(xiàn)最大值。

2.3 試塊010分區(qū)縱向掃查結(jié)果

分區(qū)縱向掃查結(jié)果如圖4所示。2#區(qū)域（夾渣）焊縫左側(cè)邊緣Hp-6線過零點(diǎn)，焊縫中間偏右位置Hp-1線出現(xiàn)反向最大值，與RT顯示的缺陷位置（見圖2）相符。3#區(qū)域（未焊透）焊縫左右兩側(cè)邊緣Hp-1線出現(xiàn)反向最大值-138A/m及-125.75A/m，焊縫中間偏右位置Hp-6線過零點(diǎn)，磁場梯度出現(xiàn)峰值dH1/dx：8.2 （A/m）/m，與RT顯示的缺陷位置（如圖2）相符。5#區(qū)域（裂紋）焊縫兩側(cè)dH1/dx出現(xiàn)峰值dH1/dx：10 （A/m）/m及9.5 （A/m）/m，焊縫中間位置Hp-1線出現(xiàn)反向最大值-185.6A/m，與RT顯示的缺陷位置（見圖2）相符。焊縫兩側(cè)出現(xiàn)突變信號(hào)的位置處于焊接熱影響區(qū)。

圖3　試塊編號(hào)008不同無損檢測結(jié)果

圖4　試塊010縱向掃查磁記憶信號(hào)

3 結(jié)果討論與分析

UT檢測是利用超聲波的良好的方向性，在不同介質(zhì)的界面邊緣會(huì)發(fā)生折射、反射及波的轉(zhuǎn)換，通過獲取缺陷界面的回波檢測缺陷的位置及尺寸。RT檢測是基于射線對(duì)材料的穿透能力強(qiáng)，當(dāng)遇到一定尺寸的缺陷存在時(shí)其衰減會(huì)發(fā)生較大改變，穿透材料的射線強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，從而表現(xiàn)在膠片上。而TOFD檢測采用一發(fā)一收兩個(gè)寬帶窄脈沖探頭進(jìn)行檢測，探頭相對(duì)于焊縫中心線對(duì)稱布置。發(fā)射探頭產(chǎn)生非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面?zhèn)鞑ケ唤邮仗筋^接收，部分波束經(jīng)底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號(hào)及其時(shí)差來確定缺陷的位置和自身高度。磁記憶檢測利用外磁場（地球磁場）下的漏磁場變化，檢測缺陷存在位置，鐵磁材料的內(nèi)部磁場在遇到缺陷時(shí)，磁路中材料介質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，磁導(dǎo)率隨之改變，部分磁感應(yīng)線發(fā)生偏離，從而產(chǎn)生表面漏磁場。

經(jīng)分析可知，TOFD檢測所檢測出的缺陷長度比UT及RT檢測缺陷長度要長；UT與RT檢測結(jié)果相近。當(dāng)存在應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，所有通道會(huì)同時(shí)出現(xiàn)符號(hào)的改變；通道上出現(xiàn)磁場分量Hp突然的不同極性分布，或者是某個(gè)通道的劇烈跳變表現(xiàn)了殘余應(yīng)力水平，對(duì)于焊縫表明在焊縫體中有局部缺陷。磁記憶檢測結(jié)果顯示：

1）存在夾渣時(shí)，缺陷端部會(huì)出現(xiàn)磁場強(qiáng)度曲線過0點(diǎn)，吻合程度達(dá)85%以上，磁場梯度出現(xiàn)最大值；

2）存在未焊透時(shí)，缺陷端部會(huì)出現(xiàn)磁場強(qiáng)度曲線過0點(diǎn)，背掃曲線信號(hào)更為明顯，吻合程度達(dá)80%；

3）存在裂紋時(shí)，磁場強(qiáng)度曲線在缺陷前端出現(xiàn)反向峰值，缺陷后端出現(xiàn)正向峰值；

4）存在未熔合時(shí)，缺陷后端磁場強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)最大值，偏差在20mm內(nèi)；

5）存在氣孔時(shí)，磁場強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)過0點(diǎn)，吻合程度可達(dá)80%。

6）縱向掃查結(jié)果在缺陷處信號(hào)更明顯，但焊縫邊緣及熱影響區(qū)域會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾，無法完全準(zhǔn)確的判斷缺陷位置及缺陷類型。

4 結(jié)論

磁記憶信號(hào)能有效反應(yīng)氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷，但無法明確缺陷類型，且熱影響區(qū)等無缺陷的部位也會(huì)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。存在氣孔、未焊透、夾渣等缺陷時(shí)，磁場強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)過零點(diǎn)，且有夾渣時(shí)，磁場梯度出現(xiàn)最大值；存在裂紋或未熔合等缺陷時(shí)，磁場強(qiáng)度曲線則出現(xiàn)峰值。為進(jìn)一步進(jìn)行加載狀態(tài)下缺陷處磁記憶信號(hào)的檢測分析提供了基礎(chǔ)?？衫迷撎卣鲗?duì)在役特種設(shè)備焊縫進(jìn)行無損檢測，且操作方便，不受空間限制，可大大提高檢測效率。

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Magnetic Memory Signal Detection and Analysis of Different Welding Defects in 20 （G） Plate

Sun Yanhua1，2Wang Weiqiang1，3Song Mingda2Yan Jixian2
（1. Shandong University Ji'nan 250061）
（2. Shandong Provincial Special Equipment Inspection and Research Academy Ji'nan 250101）
（3. Engineering and Technology Research Center for Special Equipment Safety of Shandong Province Ji'nan 250061）

AbstractThe surface magnetic field of 15 welded block of 20 steel was tested by using TSG-2M-8 type stress concentration magnetic memory tester. By comparative analysis with three kinds of test results of the test block with radiographic test， ultrasonic test and TOFD， we found that magnetic memory signal can be effective response to the pores， lack of penetration， incomplete fusion and other welding defects. When there are defects such as pores，lack of penetration， slag， etc.， the magnetic field strength curve will appear over zero. In the presence of cracks or incomplete fusion， the magnetic field strength curve will appear the peak value. We can use this feature to carry out nondestructive testing of the welding seam of the special equipment in service.

KeywordsMetal magnetic memory testing Welding defect Nondestructive examination

中圖分類號(hào)：X924.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）05-0033-05

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.05.007

作者簡介：孫燕華（1987～），女，碩士，助理工程師，從事特種設(shè)備設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)工作。

收稿日期：（2015-12-09）