中厚板对接焊缝超声检测—毕业设计论文

1 绪论
1.1课题的研究背景和意义
钢铁材料是工程上所使用的最重要的材料之一，应用范围极其广泛。

焊接是各种工业生产和国防建设等领域不可缺少的先进制造技术，在世界范围内，发达国家利用焊接方法来加工的钢材已超过钢材总产量的一半，伴随着科学技术的的发展和进步，焊接的发展趋势也朝着高参数、轻量化及大型化发展，由于钢焊接其性能出众和经济效果显著等特点，在焊接中的应用越来越广泛，成为国内外众多研究者和工程人员重点研究的方向。

焊接是指通过加热或加压，或两者兼用，而且用或不用填充材料，使工件达到原子结合的一种加工方法。

钢制对接焊缝焊接以其强度高、重量轻、塑性和韧性好、材质均应，制造方便、密封性好等优异特点，已经得到了非常广泛的应用。

在传统的一些工业部门，如工业和民用建筑行业的建筑结构；交通运输业中的车辆、飞机、船舶、桥梁；电力部门的高架塔桅；机械工业中的一般工程机械、重型机械等方面，而且在新兴的宇航工业、海洋工程等诸多领域也不可缺少。

由于焊接种类繁多、强度较大，因此对焊缝的可靠性提出了更高的要求[1]。

近一个世纪以来，焊接已成为应用最广的材料加工技术之一。

从核电技术到微电子技术的发展，从探索宇宙空间到开发海洋资源，从汽车行业到家电产品制造，均离不开焊接技术。

焊接工艺技术的应用规模之大、范围之广，是别的工艺技术不能比拟的。

焊接技术现在以及将来仍面临着许多重大的挑战。

钢材失效比例中有55%是由疲劳引起的，16%由材料腐蚀所致，因为钢材在焊接过程中存在产生目视不可见、隐蔽性和
危害性都极高的各种内部缺陷，这将导致钢材的使用性能和寿命大幅度降低。

因此钢制对接焊缝缺陷定性的研究，受到了人们高度重视[2]。

主要有以下几种（见图1.1）。

图1.1对接焊接接口的坡口形式
超声检测是五大常规无损检测技术之一，也是目前国内外应用最广泛、使用频率最高而且发展较快的一种无损检测技术。

超声检测是产品制造中实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产效率的重要手段，也是设备维护中不可或缺的手段之一。

超声检测是检测焊接接头缺陷并为焊接接头质量评价提供重要数据的主要无损检测手段之一[3]。

超声波形成机理的研究始于19世纪初，但它在无损检测中的应用大约是从20世纪20年代才开始。

在30年代，超声波技术才广泛应用于无损检测。

在随后的1955年，超声波技术发展迅速，技术的进步促进了超声波设备的快速发展。

从20世纪80年代直到今天，计算机技术的进步使得超声波设备体积更小、性能更稳定、功能更强大。

最近几年，超声波测绘技术得到了极大的发展。

超声波探测试验中需要采集精确的数据，这种
需求进一步推动了定量测量技术的发展。

同时，基于超声波能量形成和非接触检测技术的发展也促进了激光器和电磁传感器的技术进步。

如今，便携式设备中已经运用了相控阵式激光技术。

采用这种技术，单一发生器定时或定相发射的超声波元素阵列，能够精确截取被测对象的超声波波形。

超声波探伤的原理是通过对被测物体发射超声，然后利用其反射、多普勒效应、透射等来获取被测物体内部的信息并经过处理形成图像。

目前应用最多的是反射法。

反射法是基于超声波在通过不同声阻抗组织界面时发生较强反射的原理工作的，声波在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射，而且介质之间的差别越大反射就会越大，所以对一个物体发射出穿透力强、能够直线传播的超声波，然后对反射回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后、幅度等情况就可以判断出这个组织中含有的各种缺陷的大小、分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息，从而判断出该被测物体是否有异常。

本文针对中厚板对接焊缝进行超声A扫描检测和动态波形分析，广泛适用于焊接接头的检测。

随着社会日新月异的发展和进步，许多大型设备，大型储油罐，大型刚结构的运用，对接焊越来越广泛运用，工程上对对接接头焊缝的要求越来越高。

目前对于这种焊接形式，普遍的检测方式是采用超声检测。

1.2研究现状
1.2.1中厚板的应用
中厚板是指厚度4.5-25.0mm的钢板，厚度25.0-100.0mm的称为厚板，厚度超过100.0mm的为特厚板。

中厚板在各行各业有着广泛的应用, 主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁建造等。

还可以用来制造各种容器、炉壳、炉板、桥梁及汽车静钢钢板、低合金钢钢板、造船钢板、锅炉钢板、压力容器钢板、花纹钢板、汽车大梁钢板、拖拉机某些零件及焊接构件等。

1.2.2中厚板超声检测发展趋势
超声波探伤作为一种重要的无损检测技术, 是目前对中厚板内部质量进行检测判定的主要手段。

根据使用方式的不同, 超声波探伤分为人工手动探伤和自动探伤, 特别是在线自动探伤装置具有检测速度快、效率高以及占用生产场地少等优点, 已成为近年国内外新建现代化中厚板厂的首选。

国外自20 世纪60 年代末期便开始了自动超声波探伤技术的研发, 70 年代中后期该技术得到了广泛应用目前, 在国内外中厚板生产领域内已投人运行的自动超声波探伤装置中,应用最广数量最多的是以压电效应为原理的自动探伤装置(即PET自动探伤装置) 。

国内自宝钢5m 厚板厂于2002年成功引进压电式在线自动超声波探伤装置以来, 近年来新
建的中厚板厂纷纷仿效。

但压电式超声波探伤装置在使用过程中存在可探伤钢板温度范围窄，探伤过程需消耗大量耦合水，探伤过程易受干扰而出现误判等问题, 促使技术人员不断寻求更适宜于中厚板生产的无损检测新方式。

随着计算机技术的发展和磁性材料技术的进步, EMAT探伤技术, 即利用电磁超声波进行无损检测的技术, 得到了快速发展, 现已走出实验室进入了实际应用领域。

俄罗斯、乌克兰、土耳其和日本等国的中厚板厂已成功投产多套EMAT自动探伤装置, 这些EMAT自动探伤装置的成功运行, 显示出EMAT探伤技术在工业化应用领域良好的发展前景[4]。

1.2.3超声检测的优缺点[5-6]
1.超声波检测方法的优点
1）适用于金属、非金属、复合材料等多种材料制件的无损评价。

2）穿透能力强，可对较大厚度范围的试件内部缺陷进行检测，可进行整个试件体积的扫查。

如对金属材料，既可检测厚度1~2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件。

3）灵敏度高，可检测材料内部尺寸很小的缺陷。

4）可较准确地测定缺陷的深度位置，这在很多情况下是十分需要的。

5）对大多数超声技术的应用来说，仅需从一侧接近试件。

6）设备轻便，对人体及环境无害，可作现场检测。

2.超声波检测方法的局限性
1）由于纵波脉冲反射法存在的盲区，以及缺陷取向对检测灵敏度的影响，对位于表面和非常近表面的延伸方向平行于表面的缺陷常常难于检测。

2）试件形状的复杂性，如小尺寸、不规则形状、粗糙表面、小曲率半径等，对超声检测的可实施性有较大影响。

3）材料的某些内部结构，如晶粒度、相组成、非均匀性、非致密性等，会使小缺陷的检测灵敏度和信噪比变差。

4）对材料及制件中的缺陷作定性、定量表征，需要检验者较丰富的经验，且常常是不准确的。

5）以常用的压电换能器为声源时，为使超声波有效地进入试件一般需要有耦合剂。

世界各国出版的无损检测书籍、资料文献中, 超声探伤所占的数量都是首屈一指的。

有关资料表明,国外每年大约发表3000篇涉及无损检测的文献资料，全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占45%，特别是2000年10月在罗马召开的第十五届世界无损检测会议(WCNDT)收录的663篇论文中，超声检测就占250篇。

以上这些都说明超声检测在无损检测中的突出贡献与重要地位和研究势头, 所以超声检测一直以来都是研究的热点。

超声波探伤以其探伤距离大、探伤装置体积小、重量轻、便于携带、检测速度快、检测费用低等优势，在压力容器制造和在役检测工作中得到越来越多的应用。

1.3主要研究内容
本文利用超声A型脉冲回波法和射频信号提取动态波形的方法综合分析了中厚板对接焊缝的典型缺陷的主要形式和特点，主要研究内容如下：
由于钢制对接焊板的广泛应用，焊板的焊接质量的评估也显得尤为重要，所以对于钢制对接焊板常出现缺陷的部位及其原因的认识也逐渐加深，缺陷的种类很多，最常见的缺陷有五种，分别是气孔、裂纹、未焊透、未熔合、夹渣。

气孔是焊接过程中熔池高温时吸收了过量的气体或冶金反应产生的气体，在冷却凝固之前来不及逸出而残留在焊缝金属内形成的孔穴。

根据形状、分布情况可分为：球形气孔、条形气孔、虫形气孔、表面气孔、均布气孔、链状气孔和局部密集气孔。

内部气孔一般为球形孔，常出现在焊缝中央。

原因：焊接电流过大；电极过快；电弧过长；焊接部位不干净；焊条保存不当受潮。

裂纹是在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙，危害性极大。

它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征。

焊接裂纹根据其部位、尺寸、形成原因和机理的不同，可以分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、结晶裂纹、液化裂纹和淬火裂纹等。

未焊透常见于单面焊的根部，接头部分金属未完全熔透，它不仅使焊接接头的力学性能下降，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载后会引起裂纹。

因焊接电流小；焊速过快；坡口角度小；间隙
小；坡口加工不规范；焊偏；钝边过大等原因所至。

未熔合是指焊缝金属与母材金属，或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。

按其所在部位，未熔合可分为坡口未熔合，层间未熔合和根部未熔合（即未焊透）三种。

未熔合是一种面积缺陷，坡口未熔合和根部未熔合对承载截面积的减小都非常明显，应力集中也比较严重，其危害性仅次于裂纹。

产生原因主要是焊接热输入太低，电弧指向偏斜，坡口侧壁有绣垢及污物，层间清渣不彻底等。

夹渣是指焊缝中残留在焊缝中的熔渣，可能是线状的、孤立的、成簇的，是典型的固体类夹杂。

形成原因有：焊接过程中的层间清渣不干净；焊接电流太小；焊接速度太快；焊接过程中操作不当；焊接材料与与母材化学成分匹配不当；坡口设计加工不合适等[7-9]。

2 超声检测原理
超声检测技术中对缺陷评定的三大关键内容是缺陷的定位、定量和定性。

缺陷定位与定量方法已较成熟,而对缺陷定性仍存在许多实际困难。

目前,在原位检测中应用最广泛的是A型超声脉冲反射式检测仪,根据其示波屏显示的缺陷回波静态波形与动态波形,再结合具体产品或材料特点和制造工艺等来评估缺陷的性质。

缺陷的超声波反射特性取决于缺陷的取向和几何形状、相对超声波传播方向的长度和厚度、缺陷的表面粗糙度、缺陷内含物以及缺陷性质等,还与所用超声检测系统特性有关,因此,超声检测中获得缺陷的超声响应是一个综合响应。

如何观察波形并把反映缺陷性质的有用信息从综合响应中分离出来,这对缺陷的定性评定尤为重要。

超声波探伤的原理是通过对被测物体发射超声，然后利用其反射、多普勒效应、透射等来获取被测物体内部的信息并经过处理形成图像。

目前应用最多的是反射法。

反射法是基于超声波在通过不同声阻抗组织界面时发生较强反射的原理工作的，声波在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射，而且介质之间的差别越大反射就会越大，所以对一个物体发射出穿透力强、能够直线传播的超声波，然后对反射回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后、幅度等情况就可以判断出这个组织中含有的各种缺陷的大小、分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息，从而判断出该被测物体是否有异常[10-13]。

2.1 超声A扫描原理
所谓A型超声脉冲反射显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检
测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。

在
一个对接焊缝中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢
材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，
当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射,反射回来的能量又被
探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射
波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。

本实验
使用该方式测定缺陷的位置和大小[14]。

1.选择探头
1）K值的选择
探头K值的选择应从以下三个方面考虑：
（1）使声束能扫查到整个焊缝截面；
（2）使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直；
（3）保证有足够的探伤灵敏度
设工件厚度为T，焊缝上下宽度的一半分别为a和b，探头K值为K，
探头前沿长度为L0，则有：
K （a+b+L0）/T (2.1)
一般斜探头K值可根据工件厚度来选择，较薄厚度采用较大K值，如
8~14厚度可选K3.0~K2.0探头,以便避免近场区探伤，提高定位定量精度；较厚工件采用较小K值，以便缩短声程，减小衰减，提高探伤灵敏度。

如15~46厚度可选K2.0~K1.5探头，同时还可减少打磨宽度。

在条件允许的情况下，应尽量采用大K值探头。

探头K值常因工件中的声速变化和探头的磨损而产生变化，所以探伤前必须在试块上实测K值，并在以后的探伤中经常校验。

2）频率选择
焊缝的晶粒比较细小，可选用比较高的频率探伤，一般为2.5~5.0MHz。

对于板厚不大的焊缝，可采用较高的频率；对于板厚较大，衰减明显的焊缝，应选用较低的频率。

2.探头移动区宽度
焊缝两侧探测面探头移动区的宽度P一般根据母材厚度而定,如图2.1。

图2.1. 探头移动区和检测区
厚度为8 ~46mm的焊缝采用单面两侧二次波探伤，探头移动区宽度为：
P ≥ 2KT+50 (mm) (2.2)
厚度为大于46mm的焊缝采用双面两侧一次波探伤，探头移动区宽度
为：
P ≥ KT+50 (mm) (2.3)
式中K----探头的K值； T-----工件厚度。

工件表面的粗糙度直接影响探伤结果，一般要求表面粗糙度不大于
6.3μm，否则应予以修整。

3. 耦合剂的选择
在焊缝探伤中，常用的耦合剂有机油、甘油、浆糊、润滑脂和水等，
实际探伤中用的最多的是浆糊和机油。

4.探头前沿的测定
a. 开启仪器后调节相关旋钮，使时基线亮度清晰。

b. 将探头放在CSK-IA试块上，使声束对准R100圆弧面，尽量使声束轴线
与试块两侧面相平行。

c. 调节增益和深度旋钮，使R100圆弧面反射回波出现在荧光屏上易于观
察的位置。

d. 移动探头使R100圆弧面反射回波达到最高，固定探头。

e. 用直尺测出探头端面到圆弧端面的距离M1。

f. 重复d～e 两步骤，测出M2、M3。

并计算出平均值M0则L0=100-M0 ,则距
探头端面L0处为探头的入射点。

5.K值的测定
a. 开启仪器调节相关旋钮，使时基线清晰明亮。

b. 将探头置于CSK-IA试块上，使声束对准直径50的有机玻璃横孔，调节增益和深度旋钮，使直径50 的有机玻璃横孔反射回波显示在荧光屏上容易观察的位置。

c. 移动探头找到直径50 最高反射回波时，固定探头。

d. 用直尺测量出探头端面到试块端面的距离L1。

e. 重复c～d 测出L2、L3。

计算出L的平均值L4。

则探头K值为：K=(L1+L0-35)/30。

斜探头K值的测定，也可以用CSK-IIIA试块在调节仪器扫描线比例时同时进行。

具体方法是在测定某一深度的φ 1⨯6短横孔时，找到孔的最大反射回波后用入射点至该孔的水平距离除以该孔的深度值，商即为K值。

可用不同深度的孔测得数值反复计算几次求得平均值，这样较为精确。

6.按声程1:1定标，使用试块CSK-IA型
a.将斜探头置于试块上，移动探头，找到R50的最大回波处，出现最大
回波后，固定探头，调节波门框住R50的最大回波，再调“始波偏移”
量，调“+”或“-”键，使示波屏上“PS”读数为50.00mm。

b.移动斜探头，在试块上找到R100的最大回波处，出现最大回波后，固
定探头，调节波门框住R100的最大回波，再调“声速”量，调“+”
或“-”键，使示波屏上“PS”读数为100.00mm。

c.再找R50的最大回波，调“始波偏移”量，使示波屏上“PS”读数为
50.00mm；再找到R100的最大回波，调“声速”量，使示波屏上“PS”
读数为100.00mm。

多次反复以上步骤，直至调准为止，即完成声程1:1定标。

7.表面补偿+4dB
8.制DAC曲线
a．将探头对CSK-ⅢA试块上深度为10mm的横孔，移动探头找到该横孔的最高回波后固定探头，调节增益，使其最高回波的波峰达到荧光屏满深度的80%，并标记在荧光屏上。

b．在增益不变的情况下，逐次将探头分别对准深度为20mm、30mm、40mm、50mm的各横孔，移动探头分别找到各横孔的最高回波将各个波峰标记在荧光平面上，连接各波峰峰点，绘制出一条曲线。

c．按标准JB/T4730.3-2005中规定，以绘制的曲线为基准，分别增益-9dB、-3dB、+5dB ，即得评定线、定量线、判废线。

则距离波幅曲线绘制完成。

9.缺陷扫查
在中厚板焊缝检测中常用如下几种扫查方式：
a．锯齿型扫查
如图2.2.探头以锯齿的路线进行运动，每次前进的齿距不得超过探头晶片直径，间距过大会造成漏检。

为发现与焊缝成一定角度的倾斜缺陷，探头在做前后锯齿运动时，可同时作 10º~15º转动。

图2.2.锯齿型扫查
b．斜平行和平行扫查
为了发现并检出焊缝或热影响区的横向缺陷，可将探头沿焊缝两侧边缘与焊缝成一定角度（10º~30º）做斜平行扫查，见图2.3。

对于磨平的焊缝可直接在焊缝及热影响区作平行移动，见图2.4。

图2.3. 斜平行扫查图2.4. 平行扫查
c．其他方式扫查,如图2.5
1）左右扫查与前后扫查：当用锯齿扫查发现缺陷后，可用左右扫查与前后扫查找到缺陷的最大回波，用左右扫查来确定缺陷沿焊缝方向的指示长度；用前后扫查来确定缺陷的水平距离或深度。

2）转角扫查：发现缺陷后用转角扫查可以大致推断缺陷的方向。

3）环绕扫查：发现缺陷后用环绕扫查可以大致推断缺陷的形状。

用此种方法扫查时，如果单一回波的高度变化不大，则可判断为点状缺陷，如果回波的高度变化较大，则可判断为面积缺陷。

图2.5.发现缺陷后的四种基本扫查方法
10.缺陷的定位与定量
检测中发现缺陷波后，应根据示波屏上缺陷波位置以及探头与焊缝的距离，来确定缺陷在焊缝中的实际位置。

还应根据不同距离的波高确定缺陷的大小以及指示长度。

A.缺陷位置的测定
首先在焊缝的两侧找到缺陷的最大回波处，然后调节增益，把回波高度降至80%满刻度，固定线探头，用钢直尺量出探头前沿至焊缝中心线的距离X 1及探头中心线至焊缝边缘的距离S 3。

再读出此时的埋深（PY ：Y 2，PX ：X 2）、增益：A 。

要判断回波是母材上的还是焊缝上的，可根据公式
2M X X -L X 21÷≤=+
（2.4）
式中:M--焊缝宽度
来判断，若该式成立，则在焊缝内，反之母材上。

必要时还要从焊缝的另一侧进行探测验证，检测是否为焊缝缺陷。

缺陷实际埋深的确定：
a ．当缺陷埋深PY<T(板厚)时，PY 等于缺陷距离探测面的实际埋深Y
（一次波或直射波）。

b.当T<PY<2T 时，Y=2T-PY(二次波或一次反射波)。

c.当2T<PY<3T 时，Y=PY-2T （三次波或二次反射波）。

缺陷最大点的坐标表示为（X 1，S 3，Y ）
B.定量
在定位时已经记下了缺陷最大回波时的增益读数A ，然后根据此缺陷的深度，在DAC 曲线上找到其对应定量线的dB 值B ，即()[]A --B =∆。

则缺陷当量可表示为()[]∆+⨯3-61φ，即表示缺陷当量比此处的定量线大∆（正为大，负为小）。

C.缺陷大小的测定
1）缺陷波幅度与指示长度的测定：当缺陷最大回波高度达到DAC 曲线的II 区时，必须测量其指示长度。

落在I 区时一般不予考虑，但危险型缺陷除外；落在III 区即为判废缺陷。

当缺陷只有一个最大回波（即单个缺陷）时，可用6dB 法测长；当缺陷回波不止一个最大回波，而有多个峰值时，应采用端部峰值6dB 测长法。

2）缺陷指示长度计量的规定：当焊缝中存在两个或两个以上的相邻缺陷时要计量缺陷总长。

JB4730-2005规定：当相邻两缺陷间距小于较小缺陷长度时，以两缺陷指示长度之合作为一个缺陷的指示长度（不包含间距长度）。

缺陷指示长度小于10mm 者，按5mm 计。

2.2 动态波形分析
传统的超声缺陷定性方法是根据缺陷波形状和高度的变化,结合缺陷的位置和焊接工艺及探伤者的经验,对缺陷的性质进行综合判断。

超声波入射到不同性质的缺陷上，其动态波形是不同的。

为了便于分析估计缺陷的性质，常绘制动态波形图。

一般可使用回波包络图，即探头移动过程中最大反射波幅连线图。

回波动态波形反映了超声波束延平行或垂直焊缝扫查时，缺陷反射信号高度和信号形状相对应的变化形态。

2.2.1 动态波形分析原理
1.点状缺陷
a.概述
点状缺陷是指气孔或小夹渣等小缺陷，大多呈球形，也有不规则形状，属小的体积性缺陷。

可出现在焊缝中不同部位。

b.特征
回波当量较小，探头左右、前后和转动扫查时均显示动态波形Ⅰ（见缺陷回波波形1.波形Ⅰ），对缺陷作环绕扫查时，从不同方向，用不同声束角度探测时，若保持声程距离不变，则回波高基本相同。

2.线状缺陷
a.概述
这种缺陷可测指示长度，但不易测其断面尺寸（高度和宽度），如线状夹渣、未焊透或未熔合等，在长度方向也可能是间断的，如链状夹渣或断续未焊透或断续未熔合等。

b.特征
探头对准这类缺陷前后扫查时，一般显示波形Ⅰ的特征，左右扫查时，显示波形Ⅱ的特征（见缺陷回波波形2.波形Ⅱ），当缺陷断面尺寸变化时，会出现波形Ⅲa或Ⅲb的特征（见缺陷回波波形3.波形Ⅲ），只要信号不明显断开较大距离，缺陷基本连续，如在长度方向缺陷波高明。