大厚度鈦合金窄間隙TIG焊縫的超聲檢測

王伏喜，李 斌，王海登，鄂 楠

(洛陽船舶材料研究所，洛陽 471039)

大厚度鈦合金窄間隙TIG焊縫的超聲檢測

王伏喜，李 斌，王海登，鄂 楠

(洛陽船舶材料研究所，洛陽 471039)

針對以不同超聲檢測探頭對某大厚度(大于30 mm)鈦合金窄間隙(坡口間隙小于20 mm)TIG焊縫進(jìn)行超聲檢測時(shí)，檢測結(jié)果存在差異的問題，對焊縫進(jìn)行多次解剖，結(jié)合射線透照檢測方法，分析了差異產(chǎn)生的原因，最終將位于判廢線以上Ⅲ區(qū)缺陷判定為非危害性缺陷，對不同檢測條件下檢測結(jié)果的分析可供同行參考。

超聲檢測；窄間隙焊縫；鈦合金；缺陷

窄間隙TIG(非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊)焊接技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中厚板(一般大于30 mm)結(jié)構(gòu)的首選技術(shù)[1]。與普通的TIG焊接技術(shù)相比，窄間隙TIG焊接技術(shù)坡口間隙小(板厚小于200 mm時(shí)，坡口間隙小于20 mm),不僅生產(chǎn)效率高、成本低，還具有焊接接頭殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，在鈦合金焊接中應(yīng)用很廣。

大厚度鈦合金焊縫的內(nèi)部缺陷檢查一般采用超聲檢測方法，筆者參考標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》對鈦合金焊縫進(jìn)行了檢測，并對不同檢測條件下的檢測結(jié)果差異進(jìn)行了探討。

1 案例概述

某鈦合金工件壁厚為60 mm，采用窄間隙TIG焊接工藝焊接而成。根據(jù)NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)部缺陷檢查選擇超聲檢測。由于該標(biāo)準(zhǔn)是以附錄H(規(guī)范性附錄)《鋁和鋁合金制及鈦承壓設(shè)備對接接頭超聲檢測方法和質(zhì)量分級》的形式規(guī)定鈦合金焊縫超聲檢測要求的，而對橫向缺陷檢測方面的規(guī)定并不詳盡；因此，在檢測過程中，參照了鐵素體鋼制承壓設(shè)備焊縫的超聲檢測要求，具體參見NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)第6章節(jié)《承壓設(shè)備焊接接頭超聲檢測方法和質(zhì)量分級》。

為了提高缺陷的檢出率，選擇了2種角度的斜探頭(K1、K2)分別對該鈦合金工件進(jìn)行檢測。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，檢測級別為C級時(shí)，應(yīng)對焊接接頭進(jìn)行橫向缺陷的檢測(靈敏度提高6 dB)，而且對工件厚度大于40 mm的對接接頭，還應(yīng)增加直探頭檢測，本案例選擇的直探頭型號為5Pφ14。采用斜探頭對工件進(jìn)行橫向缺陷檢測、縱向缺陷檢測和焊接接頭檢測，窄間隙焊縫已打磨光滑。

筆者對焊縫進(jìn)行超聲檢測時(shí)，根據(jù)試塊實(shí)測的距離-波幅(DAC)曲線建立評定線、定量線和判廢線，并將評定線以上區(qū)域分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。圖1為斜探頭K1橫向缺陷檢測時(shí)的檢測結(jié)果，波幅位于判廢線以上Ⅲ區(qū)。表1匯總了采用直探頭和K1,K2斜探頭的超聲檢測結(jié)果，可以看出不同檢測條件下的檢測結(jié)果差異很大。

表1 超聲檢測結(jié)果

圖1 斜探頭K1橫向缺陷檢測時(shí)的檢測結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 結(jié)果評定

對于橫波斜探頭(K1,K2)的檢測結(jié)果，缺陷波幅在Ⅱ區(qū)且為點(diǎn)狀缺陷時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其質(zhì)量評級為Ⅰ級。詳細(xì)的結(jié)果評定如下：

(1) 斜探頭縱向缺陷檢測時(shí)，K1、K2的檢測結(jié)果都評定為Ⅰ級。

(2) 斜探頭橫向缺陷檢測時(shí)，K1探頭檢測出的缺陷波位于判廢線以上，直接評定為Ⅲ級；而K2探頭檢出的缺陷依然為Ⅰ級。

(3) 直探頭檢出的缺陷當(dāng)量為φ1.58 mm，屬于允許范圍內(nèi)的缺陷。

綜合上述結(jié)果，可得出應(yīng)用不同探頭進(jìn)行超聲檢測時(shí)，在本案例中存在兩點(diǎn)差異：

(1) 斜探頭K1、K2的缺陷檢出能力不同。

(2) 在不同的檢測條件下，斜探頭檢測結(jié)果的質(zhì)量評定等級差異很大，影響產(chǎn)品焊接質(zhì)量的最終評定。

2.2 結(jié)果差異分析

斜探頭的K值越大，則聲程越大，同一缺陷處的聲壓也就越小，導(dǎo)致缺陷的反射能量不足，靈敏度降低；隨著工件厚度的增大，所選的斜探頭K值應(yīng)該相應(yīng)減小。但有時(shí)也需要考慮缺陷的取向，因此關(guān)于第(1)點(diǎn)的差異此處不做詳細(xì)討論。

對鈦合金焊縫橫向缺陷的檢測，標(biāo)準(zhǔn)并未給出要求；參照對鐵素體鋼制焊縫的要求，在進(jìn)行橫向缺陷檢測和評定時(shí)，靈敏度需提高6 dB。本案例中，K1斜探頭檢出的橫向缺陷為點(diǎn)缺陷，但波幅卻位于Ⅲ區(qū)，按照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)評定為Ⅲ級。但其他檢測條件下的檢測結(jié)果評級卻為Ⅰ級。如果缺陷為非危害性缺陷，但卻評定為不合格，會造成生產(chǎn)浪費(fèi)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲檢測結(jié)果等級評定的差異很可能與參考靈敏度有關(guān)。在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，普通焊縫(非管狀)的靈敏度曲線同樣是選擇長橫孔作為參考反射體制作的；但在不同的檢測厚度下，長橫孔的直徑并不相同。在被檢工件厚度為50～100 mm時(shí)，ASME標(biāo)準(zhǔn)選擇的長橫孔直徑為φ5 mm;為便于比較，將其轉(zhuǎn)化為φ2 mm直徑的長橫孔進(jìn)行比較[2]。

直徑不同的長橫孔之間的回波分貝差為：

(1)

式中：A為回波的分貝差；φ5與φ2分別為不同的長橫孔直徑。

通過公式計(jì)算，可以換算出ASME標(biāo)準(zhǔn)中，在φ2mm×40mm反射體條件下DAC曲線的靈敏度。圖2為不同標(biāo)準(zhǔn)下的定量曲線。在對60mm厚焊縫進(jìn)行檢測時(shí)，二者的差值達(dá)到12dB。也就是說，NB/T47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中不允許的缺陷在ASME標(biāo)準(zhǔn)中可能是合格的。這很可能是不同檢測條件下，評級差異很大的原因之一。

圖2 不同標(biāo)準(zhǔn)下的定量曲線

除此之外，質(zhì)量評級標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的評級要求不隨工件厚度變化進(jìn)行調(diào)整也可能是另一個(gè)原因。一般而言，工件的厚度越大，所允許的最小缺陷尺寸也就越大。針對鋼質(zhì)焊縫，標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.3-2015根據(jù)厚度的不同設(shè)定了3組靈敏度曲線。但標(biāo)準(zhǔn)對鈦合金設(shè)備的焊接接頭的靈敏度曲線并未細(xì)化，在適用厚度下判廢線均為φ2mm-4dB。在檢測大厚度工件時(shí)，對鈦合金焊縫中深度較大的缺陷，檢測靈敏度會變得過高，尤其是在進(jìn)行橫向缺陷檢測時(shí)，很可能會導(dǎo)致缺陷的過判。

為驗(yàn)證上述分析，采用焊縫解剖結(jié)合射線檢測的方法對該鈦合金產(chǎn)品焊縫中的缺陷進(jìn)行深層次的分析[3]。

3 缺陷解剖驗(yàn)證

為確定缺陷的具體形態(tài)，對該鈦合金產(chǎn)品焊縫的缺陷部位進(jìn)行切割，圖3所示為一次解剖后的樣塊實(shí)物及尺寸示意。

圖3 一次解剖后的樣塊實(shí)物及尺寸示意

該樣塊的尺寸(長×寬×高)為60 mm×45 mm×42 mm，為方便論述，在尺寸示意中標(biāo)示x、y和z方向。由于射線檢測的靈敏度受焊縫透照厚度影響較大，故又對樣塊進(jìn)行了3次解剖，并進(jìn)行射線檢測。

表2為樣塊解剖后的射線檢測結(jié)果。由于缺陷尺寸較小，第1，2次解剖后的厚度較大，射線檢測的靈敏度較低，并未發(fā)現(xiàn)缺陷。在透照厚度為10，12 mm的條件下，均可發(fā)現(xiàn)圓形缺陷，圖4所示為第3，4次解剖后射線檢測透照底片。

根據(jù)缺陷的兩個(gè)方向射線檢測透照底片圖像特征分析可知：該缺陷為點(diǎn)狀缺陷，尺寸較小，應(yīng)該為焊接時(shí)產(chǎn)生的小氣孔，氣孔在后續(xù)的熱處理過程中產(chǎn)生了形變，并非為裂紋類危害性缺陷。由此也驗(yàn)證了對于大厚度鈦合金焊縫橫向缺陷的超聲檢測，并不能完全參照鐵素體鋼制焊縫的橫向缺陷檢測方法，尤其在結(jié)果評定時(shí)需綜合分析。

表2 樣塊解剖后的射線檢測結(jié)果

圖4 樣塊第3，4次解剖后射線透照底片

4 結(jié)語

(1) 超聲檢測時(shí)，采用兩個(gè)K值的斜探頭對縱向及橫向缺陷進(jìn)行檢測，能夠發(fā)現(xiàn)直徑大于φ0.6mm的圓形缺陷；但斜探頭的K值不同，鈦合金焊縫的檢測結(jié)果可能會存在較大差異。

(2) 鈦合金焊縫厚度較大時(shí)，其橫向缺陷的檢測不能完全按照鐵素體鋼制焊縫的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測；因?yàn)闄z測條件不同，可能存在缺陷評判過嚴(yán)的情況。此時(shí)，需要結(jié)合直探頭檢測或其他檢測方法對缺陷進(jìn)行綜合判斷，避免過判。

[1] 張富巨，羅傳紅.窄間隙焊及其新進(jìn)展[J].焊接技術(shù)，2000,29(6):33-35.

[2] 孫盛業(yè)，耿富強(qiáng)，高超. ASME和JB/T 4730標(biāo)準(zhǔn)在焊縫超聲波檢測中靈敏度對比[J].化工裝備技術(shù)，2012，33(5)：57-60.

[3] 吉宏林，孫光祥.射線檢測和超聲檢測對焊縫內(nèi)同一缺陷檢測的結(jié)論差異[J].無損檢測，2015，37(10)：69-71.

Ultrasonic Testing of Narrow-gap TIG Weld of Large Thickness Titanium Alloy

WANG Fu-xi, LI Bin, WANG Hai-deng, E Nan

(Luoyang Ship Material Research Institute，Luoyang 471039, China)

Ultrasonic testing was used to detect the large thickness (more than 30 mm) and narrow-gap (less than 20 mm) weld in a titanium alloy product. Under different detecting conditions, the results were found to be different, and a defect whose wave amplitude was located in area III above rejection line was even found. This paper further analyzed the causes of the diference, and the defect was ultimately identified as non-dangerous defect by dissection and radiography of the weld. This paper can work as a reference to those who are concerned.

Ultrasonic testing; Narrow-gap weld; Titanium alloy; Defect

2016-10-21

王伏喜(1963-),男，學(xué)士，高級工程師，主要從事無損檢測和質(zhì)量管理工作。

王海登,E-mail: 15236179377@163.com。

10.11973/wsjc201703018

TG115.28

B

1000-6656(2017)03-0074-03