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山东大学硕士学位论文 数字超声技术在角焊缝检测中的应用研究 摘要 由于技术的发展锅炉和压力容器中出现了承受压力的角焊缝，标准规定对 这种角焊缝必须进行检测。由于角焊缝检测时受到空间拘束、焊脚等的影响， 尤其是薄板角焊缝，采用x 射线探伤技术难以进行准确的检测，这就需要采用 超声波探伤技术。目前国家尚未出台角焊缝超声探伤标准，因此本课题对角焊 缝超声波探伤技术及缺陷的定量定性进行研究，为制定相应标准提供科学依据。 本论文深入研究了数字超声技术的特点，以及目前国家对锅炉、压力容器 主焊缝的检测要求，根据角焊缝的结构特点，提出了角焊缝探伤时的具体方法， 在翼板和腹板外侧用两种k 值的斜探头结合探伤，在翼板外侧焊缝位置处用直 探头探伤。并通过理论和试验分析，确定了8 - - 2 0 0 m m 内角焊缝探伤时的探头 的各种参数，提出了使用超声仪自动制作误差极小的d a c 曲线的设想，将有助 于提高探伤的效率和准确率。 本论文采集了大量的试验数据，对这些数据进行了回归分析，证实了采用 相对灵敏度法对角焊缝内部缺陷定量分析是十分有效的。探伤得到的平面型缺 陷的指示长度误差在允许的范围之内，不需再进行大的调整。然而体积型缺陷 的指示长度误差需要加减误差值的5 0 进行调整，使之在误差范围之内，这就 弥补了相对灵敏度法测量体积型缺陷时的方法性误差。并证实了采用端点峰值 法确定缺陷深度位置的有效性。 此外，归纳总结出静态波形和动态波形的特征，并根据实际探伤经验，绘 制了将角焊缝内部缺陷定性为平面型缺陷和体积型缺陷的流程图，为下一步采 用超声仪对角焊缝内部缺陷进行自动定性奠定理论基础。 关键词：超声波探伤角焊缝平面型缺陷体积型缺陷 山东大学硕士学位论文 a b s r t a c t f i l l e tw e l ds u p p o r t i n gp r e s s u r em o r ea n dm o r ea p p e a r si nt h eb o i l e r sa n d p r e s s u r ev e s s e l sa n d i tm u s tb ei n s p e c t e db yt h ed e m a n d b u tb e c a u s ei ti se a s yt ob e i n f l u e n c e db ys p a c er e s t r a i n ta n dl e gw h e n t e s t i n g ，i ti sd i f f i c u l tt od e t e c tw i t hx - r a y r a d i o g r a p h i ci n s p e c t i o nt e c h n o l o g y , a b o v ea l lt od e t e c tt h el a m i n o s ef i l l e tw e l d i n g ， a n du l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g ym u s tb eu s e d t h e r ei sn o ts t a n d a r da b o u tf i l l e t w e l di no a rc o u n t r y t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e su l t r a s o n i c t e s t i n gm e t h o da n dt h e m e t h o d o f d e t e r m i n i n g t h eq u a n t i t ya n d d e t e r m i n i n gt h eq u a l i t y , s oa st oo f f e rs c i e n c e g i s tf o rc o n s t i t u t i n gt h es t a n d a r do f u l t r a s o n i ct e s t i n gi nf i l l e tw e l d t h e p a p e rr e s e a r c h e sf u l l yo nt h ef e a t u r e so fd i g i t a lu l t r a s o n i ct e c h n o l o g ya n d t h et e s t i n gd e m a n df u rt h em a i nf i l l e tw e l di nt h eb o i l e r sa n dp r e s s u r ev e s s e l s ， a c c o r d i n g a st h ef e a t u r e so ff i l l e t ss t r u c t u r e ，i tg i v e st h em e t h o do f i n s p e c t i o n ：t w o k i n d so fk p r o b et o g e t h e ri n s p e c to nt h eo u t b o a r ds u r f a c e so f a l a rp l a t ea n dv e n t r a l p l a t e ；s t r a i g h tp r o b ei n s p e c to nt h eo u t b o a r ds u r f a c eo fa l a rp l a t ev e r t i c a l t ot h e w e l d i n g w h a t sm o r e ，b ya n a l y s i so ft h e o r ya n de x p e r i m e n t a t i o n ，t h ep a r a m e t e ro f p r o b ei sc o n f i r m e dw h e ni n s p e c t i n gf i l l e to f8 - 2 0 0 h lt h i c kp l a t e 。a n dw i t ht h e p r a c t i c a le x p e r i e n c e ，o nt h eb a s i so ft h e o r yt h ep a p e rt e l l st h en o r m a ld a c c u r v e w h i c hc a ni m p r o v e e f f i c i e n c ya n dv e r a c i t yo n t h eq u a l i t yt e s t i n g t h ep a p e rg a t h e r san u m b e ro ft e s t i n gd a t aa n dd e a l sw i t ht h ed a t aw i t ht h e m e t h o do fr e g r e s s i o na n a l y s i s a l lo ft h e s ep r o v et h a ti ti se f f e c t i v eu s i n gr e l a t i v e r e s p o n s ew a yi nd e t e r m i n i n gt h eq u a n t i t y o ft h ed e f e c t t h ee r r o ro ff l a td e f e c t r e s p e c t e di si nt h ea l l o w a b l er a n g e ，a n di sn o ta d j u s t e d b u tt h ee r r o ro f c u b i cd e f e c t i sa d j u s t e db y5 0 p e r c e n to f t h ee r r o ri no r d e rt ot h em e t h o d o l o g i c a le r r o ro fr e l a t i v e r e s p o n s ew a y a n dt h ew a y o ft e r m i n a lp e a kv a l u ea p p r o v e di sv a l i dt os c a l et h e l o c a t i o no ff l a w b e s i d e st h i s ，i tc o n c l u d e st h ec h a r a c t e ro fs t a t i cw a v ea n dd y n a m i cw a v e ， a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c eo ft e s t i n g ，i tt e l l st h ef l o wp r o c e s sw h i c hc a l ls t e pb y i i 山东大学硕士学位论文 s t e pd i v i d et h ed e f e c ti nt h ef i l l e ti n t of l a ta n dc u b i cd e f e c t i te s t a b l i s h e st h eb a s ef o r a u t o m a t i c a l l yd e t e r m i n i n gt h eq u a l i t yw i t hc o m p u t e rb e f o r el o n g k e y w o r d ：u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n ；f i l l e t ；f l a td e f e c t ；c u b i cd e f e c t ； 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：垄垫! 坠：日期： 妒q 辱 0 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘塾塑导师签名：童! i 垄走日期：垄竺兰竺夕 山东大学硕士学位论文 1 前言 无损检测技术是提高产品质量。促进技术进步不可缺少的手段，特别是随 着新材料、新技术的广泛应用，各种结构零件向高参量、大容量方向发展，这 就对无损检测技术提出了更高的要求，不仅要保证缺陷检测的准确率和可靠性， 而且需要把传统的无损检测技术和现代信息技术结合起来，实现无损检测的数 字化、图像化、实时化、智能化。 无损检测技术在现代工业的各个方面都有着广泛应用，如在改进产品质量、 产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个环节，在新材料和新技术 的研究中，在保证机器零件、最终产品的可靠性和安全性等方面。1 。另外，随着 工程断裂学和损伤力学的发展，不仅要对被检对象中缺陷的存在性及其类型、 尺寸、形状、耿向等加以检测确定，而且还要对被检对象的使用寿命进行估算。”。 再者，随着工业自动化程度的提高，要求把无损检测技术直接运用到机器生产 的每一步骤，以便能够实现在线检测和实时监控等”1 。超声探伤作为种重要的 无损检测技术具有穿透能力强、设备简单、使用条件和安全性好、检测范围广 等根本性的优点，被广泛地应用于压力容器、机械、化工机械、轻工等领域。 超声波检测的输出信号为波形，可与当前发展迅速的计算机信号处理、模式识 别和人工智能等高新技术结合起来，应用于检测过程中，从而提高检测的精确 度和可靠性”1 。 超声探伤作为无损检测的一种重要方法，其研究热点主要集中在研制适应 性强、灵敏度高的探头：为判断缺陷性质雨对各种缺陷数学模型的建立；缺陷 的检出和信号分析技术；无损评价的量化研究以及拓展超声检测在其它领域的 应用“1 等方面。 山东大学硕士学位论文 1 1 无损检测技术的发展及现状 没有先进的无损检测技术，机械工业就不可能得到长足的发展。统计资料 显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为5 ，国防、宇航、 原子能产品为1 2 1 8 ，火箭为2 0 左右。德国奔驰公司汽车几千个零件经 过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍。这就充分说明了无损检测的重要 性。无损检测技术不但要在不损伤被检对象使用性能的前提下，判断缺陷的位 置、大小、形状和性质，还应能对被评价对象的固有属性、功能、状态和发展 趋势( 安全性和剩余寿命) 等进行分析、预测，并做出综合评价。无损检测技 术应当为保护生态环境服务、为预防地球的温室效应服务、为提高人类生活质 量服务。一些新的无损检测领域正在兴起，诸如生态环境无损检测技术等”1 3 。 无损检测的自动化装置也充分体现出无损检测仪器的发展趋势，即检测的 自动化、图像化、计算机化。电子技术和微计算机技术的迅速发展为研制高度 智能化的无损检测仪器奠定了良好的基础。未来的无损检测仪器应当具备如下 功能： ( 1 ) 模块化和插卡化各种无损检测卡( 含数据采集和数据处理及接口的 插卡) 将大量问世，借助于高速、高容量计算机，无损检测仪器的研制将变得 十分容易。 ( 2 ) 高智能化和图像显示功能未来的无损检测仪器应当是高度智能化 的，且检测结果可用图像显示出来。高智能化表现在具有良好的用户友好界面， 它能开机自检；用菜单选择仪器测试参数；可调用或可存储仪器设定参数( 探 伤工艺) 及与主计算机进行通讯或传输数据。图像显示技术目前已取得很大进 步，但在x 射线实时成像、磁检测结果成像和声发射源成像显示等方面还有很 多工作要做。 ( 3 ) 数据库及自识别功能未来无损检测仪器的一个重要进步是具有对 2 山东大学硕士学位论文 被检对象的状态进行自动评价的功能。因此，应当拥有比较完备的数据库和专 家评判系统。 ( 4 ) 自动检测系统的研制各部门对无损检测技术的要求是提高检测自 动化程度和缩短检测时间。在环境特别恶劣的地方，自动检测系统更具有决定 意义。目前，各种自动检测仪器的发展相当快，把握这方面的发展动态、跟上 国际发展潮流是十分必要的。由于国外自动检测设备价格十分昂贵，在这方面 投入研究具有重大意义“”。 1 2 超声波探伤技术的发展及研究现状 近二三十年来，微机技术、信息技术及微电子技术得到了飞速发展，以此 带动了相关行业的进步。在无损检测技术领域，人们同样愈来愈多地采用信息 技术对检测方法、手段及仪器设备进行改革。作为无损检测中用途最广的超声 技术，由于其检测频率一般在兆赫数量级，因此对超声信号进行数字化处理比 较困难。近年来，随着科学技术的发展，超声波信号的数字化和常规处理变得 相当方便。目前，超声探伤的发展集中体现在自动化、无耦合和复合材料检测 技术研究等方面。 超声换能器技术，特别是复合材料压电换能器和i o o m h z 以上超高频换能器 是超声检测技术领域研究的一个重点。但总体而言，超声探伤更多的进展集中 在仪器和检测自动化程度上。英国s o n a t e s t 公司研制的超声波管道机器人探测 器，在管道接头处，该爬行器可自动调节位置和角度，使超声波探头始终处于 良好耦合状态。意大利航空公司展示的飞机发动机内壁和叶片等结构件的超声 波自动检测装置，其机器人操作系统采用c a d ( 计算机辅助设计) 或c a t i a ( 计 算机增强的三维交互作用设计) 技术，扫查装置使用五维操纵器，由于计算机 五轴控制，将换能器置于任意形状结构件需要探测的位置，五轴分别是x ，y ，z ， 旋转轴和万向接头。“。 3 山东大学硕士学位论文 设计对缺陷灵敏、并能输出高信噪比信号的探头及提高缺陷检出率是超声 探伤一个很重要的研究方向。超声波探头是超声探伤设备中的一个关键部件。 如果探头结构不合理，就可能探测不出缺陷或测出的信号具有很大的噪声，以 致分辨不出缺陷信号。因此设计一个对缺陷灵敏、并能输出高信噪比信号的探 头是超声探伤一个很重要的研究方向。从探头输出的信号难免带有噪声，尤其 是在探头结构相对于缺陷的形状不太合理或在出现某种异常情况时，就需利用 信号分析技术，从中提取缺陷信息。目前，在提高缺陷检出率和可靠性方面， 成功应用的信号处理方法有能谱分析法、倒谱分析法、滤波分析法、相谱分析 法、相关函数自动调解法、梯形平均能量尖峰法、正态平均反向矢量法、自回 归模型法、传递函数法、时间渡越衍射技术、裂谱分析法、人工神经网络等。 另外，为了克服超声探伤结果依然停留在经验和各种图表上，过多的受人为主 观因素影响的缺点，发展了超声信号自动识别技术。它首先通过数字信号处理 和分析技术，在统计大量同类缺陷信号的时域波形、幅值谱、功率谱密度、小 波变换等的特征，得到确实反映缺陷性质的特征量，然后通过模式识别、人工 神经网络及专家系统等方法进行缺陷自动识别，从而达到判断缺陷类型和性质 的目的“”。 利用先进的计算机技术，使超声探伤技术数字化也是超声探伤技术的重要 研究方向。上世纪8 0 、9 0 年代，当计算机与传统的超声探伤系统相结合时被认 为是超声探伤技术向数字化，智能化方向发展的一个突破。计算机控制的超声 探伤系统具有自动选择检测参数、相互校正自动选择操作工艺、自动记录数据、 进行换能器的自动补偿和检测结果的自动判断等功能。目前研制的数字式超声 仪，承袭了常规超声波探伤仪的基本模式，具有常规超声波探伤仪的基本性能， 再加上计算机技术的介入，使数字化超声波探伤仪具有数据存储和运算功能， 实现了探伤过程中自动判伤、自动读出和显示缺陷的位置和当量值，存储并打 印输出探伤报告。不仅解决了超声探伤记录的问题，而且减少了人为误差，提 4 山东大学硕士学位论文 高了探伤结果的可信度1 。 数字化、智能化技术的发展，促进了超声探伤实时监控技术的提高。为了 保证产品质量，就需对产品进行检测和高质量的管理。据统计，制造业中约有 4 0 的人力资源花费在产品检测和质量管理上。在现代化的生产线上，每分钟 生产几百上万个零件的产品，次品率需保持在十万分之一以内，甚至要求达到 零次品率。传统的基于统计的人工抽检法无论在检测速度还是精度上都不可能 达到生产的要求。而基于各种传感器的自动检测装置要求高效、在线、非接触、 无损等优点。以便能够长期连续地、无疲劳地对所有产品进行全检，检测速度 和检测精度也将大大提高。目前研究的非接触超声探头有电磁声法、静电耦合 法、空气耦合及激光超声波等，再加上与计算机技术的很好配合，使它用在生 产线上的实时监控成为可能。国内外一些厂家开始试用这项新技术。但问题是 当超声探伤与生产同步进行时，由于仪器工作中的电噪声、设备的要求以及纳 米材料、人工晶体、陶瓷纤维复合材料等新材料的应用使得某些缺陷的检出率 较低“。 随着科学技术和经济的发展，对材料、部件、产品的无损检测已不满足于 评定缺陷当量及质量等级，而是要求对其质量，尤其是含有超标缺陷的工件质 量，在探伤检测过程中进行全面的综合评价，包括评定缺陷性质、严重程度、 危害程度、产生原因和克服缺陷的技术措施，给出一个有说服力的质量评价报 告。目前，超声检测也开始智能化，智能化就是利用计算机技术把无损检测和 无损评价有机的结合起来。现在已经根据超声检测信号输出的特点，成功研制 出数字式超声仪，使得超声检测智能化成为可能，但此项的研究目前还处于探 索阶段。 山东大学硕士学位论文 1 3 锅炉压力容器对质量的要求 锅炉和压力容器是工业生产以及人们生活中的常用设备，其安全性直接关 系到人们的生命财产安全，为此我国专i 3 n 定了制造及在用锅炉和压力容器的 安全规程，以对锅炉和压力容器的制造和使用进行强制性的监督检验。锅炉和 压力容器的主要加工工艺是焊接，焊接质量的好坏直接影响其质量、安全使用 性能和寿命，因此锅炉压力容器检验的主要工作之一就是对焊缝质量进行检测。 1 3 1 对焊接接头表面质量的要求 国家锅炉和压力容器安全技术监察规程规定，压力容器焊接接头的表 面质量应符合如下要求： ( 1 ) 形状、尺寸以及外观应符台热核标准和设计图样的规定。 ( 2 ) 不得有表面裂纹、未焊透、未熔合、表面气孔、弧坑、未填满和肉眼可 见的夹渣等缺陷，焊缝上的熔渣和两侧的飞溅物必须清除。 ( 3 ) 焊缝与母材应圆滑过渡。 ( 4 ) 焊缝的咬边要求如下： a 使用抗拉强度规定值下限大于等于5 4 0 m p a 的钢材及铬、钼低合金钢材制 造的压力容器，奥氏体不锈钢、钛材和镍材制造的压力容器，低温压力容器， 球形压力容器以及焊缝系数取1 0 的压力容器，其焊缝表面不得有咬边。 b 上述a 款以外的压力容器的焊缝表面的咬边深度不得大于0 5 m m ，咬边的 连续长度不得大于l o o m m ，焊缝两侧咬边的总长不得超过该焊缝长度的1 0 。 ( 5 ) 角焊缝的焊脚高度，应符合技术标准和设计图样要求，外形应平缓过渡。 6 山东大学硕士学位论文 1 3 2 对焊缝内部质量的要求 锅炉受压元件的全部焊缝( 包括非受压元件与受压元件的连接焊缝) 除应 进行外观检查外，还需进行无损检测检查。 对于对按接头无损检测比例的要求，一般分为全部( 1 0 0 ) 和局部( 大于 等于2 0 ) 两种。对铁索体钢制低温容器，局部无损检测的比例应大于等于5 0 。 符合下列情况之一时，压力容器的对接接头，必须进行全部射线或超声检测： ( 1 ) 标准中规定进行全部射线或超声检测的压力容器。 ( 2 ) 第三类压力容器。 ( 3 ) 第二类压力容器中易燃介质的反应压力容器和储存压力容器。 ( 4 ) 设计压力大于5 o m p a 的压力容器。 ( 5 ) 设计压力大于0 6 m p a 的管壳式余热锅炉。 ( 6 ) 设计选用焊缝系数为l _ 0 的压力容器( 无缝管制简体除外) 。 ( 7 ) 疲劳分析设计的压力容器。 ( 8 ) 采用电渣焊的压力容器。 ( 9 ) 使用后无法进行内外部检验或耐压试验的压力容器。 ( 1 0 ) 符合下列之一的铝、铜、镍、钛及其合金制压力容器： a 介质为易燃或毒性程度为极度、高度、中度危害的。 b 采用气压试验的。 c 设计压力大于等于1 6 m p a 的。 压力容器焊接接头检测方法的选择要求如下： ( 1 ) 压力容器壁厚小于等于3 8 m m 时，其对按接头应采用射线检测。由于结 构等原因，不能采用射线检测时，允许采用可记录的超声检测。 ( 2 ) 压力容器壁厚大于3 8 m m ( 或小于等于3 8 m m ，但大于2 0 m m 且使用材料搞 7 山东大学硕士学位论文 拉强度规定值下限大于等于5 4 0 m p a ) 时，其对接接头如采用射线检测，则每条 焊缝还应附加局部超声检测。如采用超声检测，则每条焊缝还应附加局部射线 检测。无法进行射线检测或超声检测时，应采用其他检测方法进行附加局部无 损检测。附加局部检测应包括所有的焊缝交叉部位，附加局部检测的比例为规 程规定的原无损检测比例的2 0 。 ( 3 ) 对有无损检测要求的角接接头、t 形接头，不能进行射线或超声检测时， 应做1 0 0 表面检测。 ( 4 ) 铁磁性材料容器的表面检测应优先选用磁粉检测。 ( 5 ) 有色金属制压力容器对接接头应尽量采用射线检测。 焊缝用超声波和射线两种方法进行探伤时，按各自标准均合格者，方可认 为焊缝探伤合格。从以上规定中可以看出，承受压力的焊缝必须进行射线或超 声检测”。”。国家锅炉和压力容器安全技术监察规程规定，锅炉承受主要压 力的焊缝中不允许出现角焊缝，随着科学技术的飞速发展和新材料的开发与应 用，国内外的许多锅炉和压力容器采用了平顶封头，从而出现了承受压力的角 焊缝，这就对角焊缝的检测提出了新的要求。 1 4 超声波探伤和射线探伤方法比较 在役锅炉和压力容器的定期检验除采用磁粉法和着色法检验焊缝表面缺陷 外，还必须采用射线和超声波探伤检查焊缝内部缺陷。与射线探伤方法相比， 超声波探伤具有成本低，对人体无伤害并且可与其他工序平行作业等特点( 见 下表1 ) 。此外，超声波探伤适合于对复杂的焊接接头的检验，对裂纹的发现率 也特别高，同时，超声波探伤又可以从单面进行，而不必象射线检测那样，扒 开容器的保湿层，这对于石油化工容器就更为重要。 山东大学硕士学位论文 表l 射线探伤与超声波探伤方法比较 比较项目4 - - 9 m e y 加速器 4 0 0 k vx 线机3 0 0 k vx 线机 超声波检验 ( 固定式)( 固定式)( 便携式)( 便携式) 设备投资5 2 6 2 万美元1 2 万美元4 万美元1 5 3 万人民币 检验材料1 0 8 元米 1 0 8 元米1 0 8 元米1 2 元米 检验周期长长长短 对人体损害有有 大无 灵敏度不灵敏不灵敏不灵敏灵敏 对于板一扳角焊缝，由于其位置和形状的特殊性，较难使用直观、准确、 结果可以长期储存的射线探伤。对角焊缝进行超声波探伤时，容易受到焊缝的 余高、焊脚、板面多次反射波的干扰，对缺陷的识别就存在一定的困难，然而 使用超声波探伤对未焊透和裂纹等缺陷容易检测。普通的超声波探伤仪由于其 灵敏度的限制漏检率较高，难以对缺陷进行准确的定位，且探伤结果不连续， 再现性差，检测结果无法保存。但是数字式超声仪的灵敏度高，可以对缺陷进 行准确的定位，同时还可以通过计算机对数据进行处理，对检测结果进行长期 存储，利用这一点，可以探索对角焊缝探伤的有效方法。研究出对角焊缝探伤 的方法和定量定性分析的方法，这将对锅炉和压力容器的定检及商检具有十分 重要的意义。 数字式超声波探伤仪是在常规模拟式超声波探伤仪的基础上发展起来的， 它保留原超声波探伤仪的基本性能，利用计算机系统的功能对接收到的回波 波形记录、存储、分析并打印输出。一般还备有标准视频接口，与计算机联机 使用。总体来说数字超声波探伤仪的应用特点主要有： ( 1 ) 操作方式 常规超声波探伤仪采用旋钮操作，一个旋钮对应一个功能。如d b 衰减器、 9 山东大学硕士学位论文 测量范围、工作频率等。 数字化超声波探伤仪则采用键盘以人机对话操作方式，般有菜单式和功 能键式两种。菜单式按键少，人机对话功能强，但操作繁琐；功能键式直接与 探伤人员的原习惯较吻合，但键数太多，操作也麻烦。为此，目前一般采用菜 单式和功能键式混合使用。这样既能充分发挥仪器功能又方便操作。 ( 2 ) 波形显示方式 数字式超声波探伤仪有全数字化和数字、模拟复合式两种。目前多数为全 数字化，全数字化超声波探伤仪均采用显象管荧屏显示波形，并能显示文字、 图形，因此在显示波形的同时，显示一些必要的探伤参数、功能和工作状态。 也可同时显示回波和距离一波幅曲线，根据探伤人员的需要，波形可快速实时 显示，也可冻结在屏幕上。 ( 3 ) 波形记录、存储和分析功能 数字化探伤仪可存储多组探伤条件参数，便于对各种不同工件或构件的探 伤，可存储几十幅至百幅左右回波波形和探伤数据，并对存储波形进行分析测 试。可通过标准视频接口对动态波形全过程记录，亦可打印输出包括缺陷回波 在内的探伤报告。 ( 4 ) 自动判伤 仪器衰减档调节时，仪器读出并在荧屏上显示d b 值，因此在测量闸门内缺 陷回波时，微机系统读出回波高度d b 值。当用d a c 曲线判断缺陷时，则可读出 闸门内缺陷的当量值，并显示在荧屏上。当量值的读出精确度取决于衰减器的 精度和a d 变换器。从采样角度来说，是对回波的等分割采集，希望采样频率 远高于脉冲超声频率。这样就能保证通过d a 恢复的信号不畸变，且不丢失峰 值。有人提出要高出数十倍，以十倍计，工作频率为i o m h z 时，采样频率就要 高达i o o m h z ，即使这样也难保证峰值点不漏。由于过高的采样速率将大大提高 整机的成本。多数仪器在当量测量时采用全波检波后的信号进入a d ，由于检波 1 0 山东大学硕士学位论文 后波形为回波脉冲包络，因此对采样频率的要求就下降。有些仪器采用随机采 样的办法，这时a d 的时钟处于自由运行状态，使采样点和回波信号不可能同 步，即构成随机采样条件，采样存入循环缓冲器，一旦有了新的采样就改写老 的采样。就是说，随机采样实际上提高了采样的频率，它能保证峰值采集，但 回波显示丢失具体参数。有些数字化超声波探伤仪采用此原理进行回波峰值搜 索。即使这样，采样频率亦不宜过低。 缺陷位置测定，对于纵波直探头来说，就是回波时间计数测量，其计算精 度取决于声速值的精度和采样频率的高低。声速值可在探伤前校准，因此精度 就取决于采样精度，以4 0 m h z 采样钢中纵波探伤时距离测量精度为0 1 5 m m 左右。 横波斜探头探伤时，垂直和水平距离的测量精度和折射角的精确度有关， 因此为取得正确的定位，在探伤前，应先对探头k 值校准。 ( 5 ) 信号处理 目前有部分数字化超声波探伤仪具有一些信号处理功能。时域处理有信号 的多次平均处理，探头扫查时，回波峰值包络显示，b 扫描显示等。频域处理有 对视频回波脉冲进行频谱分析，可用于缺陷信号的识别，亦可用于探头频谱分 析。数字化超声波探伤仪一般均配有标准视频接口，以便外接计算机，为对超 声信号进行概率统计、频域分析、数字滤波、声成像等，为缺陷的模式识别研 究提供条件 2 0 - 2 4 】。 1 5 本课题的目的、意义 锅炉和压力容器一般在高温、高压下工作，对其安全性能要求很高，为此 我国专门制定了制造锅炉和压力容器的安全规程，要求对锅炉和压力容器的制 造进行强制性的监督检验，对在用的锅炉和压力容器进行定期检验。另外，根 据我国的有关规定，对进出口的锅炉和压力容器也要进行检验。锅炉和压力容 器的主要加工工艺是焊接，焊接质量的好坏直接影响到产品的质量、使用性能 l l 山东大学硕士学位论文 和寿命，因此锅炉和压力容器检验的主要工作之一就是对焊缝质量进行检测。 过去锅炉和压力容器主要承受压力的焊缝不允许有角焊缝，随着科学技术 的发展和新材料的应用，国内及国外进口的锅炉和压力容器由于使用了平状封 头而承受压力的角焊缝，这是因为应用平状封头可以大大地降低生产成本，提 高生产率。但目前，我国还没有对主焊缝为角焊缝检测方面的相应规程。随着 我国的对外开放，在锅炉和压力容器中承受压力的角焊缝会越来越多，对焊缝 质量的要求也会越来越高，这就给焊接检测提出了更高的要求，如何用可靠、 安全、有效、经济的探伤方法对角焊缝进行检验成为一个急待解决的问题。对 于角焊缝来说，由于其位置和形状的特殊性，有时很难使用直观、准确、结果 可以长期储存的x 射线探伤，而只能用超声波探伤。然而普通的超声波探伤仪 有一些缺点，比如，由于其灵敏度的限制，漏检率较高，难以对缺陷进行准确 的定位，且探伤结果不连续，再现性差，检测结果无法保存等，因此需要使用 一种漏检率低，能够对缺陷准确定位，检测结果可以保存，以便用于定检和商 检的数字式的超声波探伤仪。 数字式超声技术在对接焊缝探伤中的应用研究，目前国内才刚剐起步，而 在角焊缝探伤中的应用还没有开展。由于数字式超声仪的灵敏度高，可以对缺 陷进行准确的定位，同时还可以通过计算机对数据进行处理，对检测结果进行 长期存储，这一点对锅炉和压力容器的定检及商检具有十分重要的意义。因为 根据规定，一些大型锅炉和压力容器的定检周期一般为l 3 年，如果用普通的 超声波进行检验，在进行下次检查时，上次的检验结果因无法保存而不利于对 缺陷进行跟踪和比较：另外商检索赔时，数字超声检验结果的保存有利于调查 取证。总之，数字超声技术及在角焊缝探伤中的应用研究具有十分重要的意义。 目前国家还没有角焊缝的相关标准和规范，企业和监检部门无法对角焊缝 进行统一有效地检测。本课题就是利用数字超声技术的以上优点，确定对角焊 缝进行超声波探伤的直探头、斜探头参数，探伤的具体方法，以免探伤时漏检， 1 2 山东大学硕士学位论文 造成严重事故，并确定探伤时的其它技术条件，以及对角焊缝内部缺陷进行定 位、定量、定性分析。本工作可以为进一步制定角焊缝探伤相关标准和规范提 供参考。 1 3 山东大学硕士学位论文 2 角焊缝超声波探伤的试件、设备及方法 2 1 超声波探伤的试件及设备 试件的材质选用普通低碳钢或低合金钢，焊接方法采用手工电弧焊，板厚 为8 m m 、1 6 r a m ，结构为角焊缝。 缺陷的设置： a 两种试件的角焊缝根部，设置未焊透长5 0 l o o m m ，缺陷设置在试件长 度方向的中部深l 3 m m 处： b 两种试件角焊缝根部裂纹长3 0 5 0 m m ，缺陷设置在试件长度方向距端 5 0 r a m 左右。 c 气孔缺陷设置在试件焊缝中部，设置的单个及密集( 2 0 m m 范围内气孔5 1 0 个) 缺陷2 处，位置距端5 0 r a m 左右。 试件的型式如下 b u ( 讯( 取( 碌呶( 讯丽( ( 盯 3 0 0 m m 图2 1 角焊缝试件结构型式( a 、b ) 试验所使用的设备为：s d 3 0 0 数字式超声波探伤仪、c s k i i i a 标准试块、 c s k - ia 标准试块、各种探头等。 探伤面的修整：为使探头能平稳地放置于探伤面的任意位置且能按给定的 1 4 山东大学硕士学位论文 高度入射超声波以及有利于探头平稳地扫查并保证良好的声耦合，探伤面上不 允许凹凸不平。为此必须在探伤前对探伤面进行修整，清理掉探伤面上的锈蚀、 氧化皮、焊接飞溅、油垢以及其它阻碍声耦合的外部杂质。清理时一般采用砂 轮、锉刀和钢丝刷等，使钢板露出金属光泽。修整后的探伤面应平整光滑，其 表面粗糙度应不超过6 3um ，必要时应进行打磨。另外，对要求去除余高的焊 缝，应将余高打磨到与邻近母材平齐。保留余高的焊缝，如焊缝表面有咬边。 较大的隆起和凹陷等也应进行适当的修整，并作圆滑过渡以免影响检验结果的 评定1 。 2 2 角焊缝的质量分析 锅炉和压力容器采用平顶封头结构，其原因在于，此结构具有生产制造工 艺简单，生产周期短，制造成本低，节省人力和物力等优点。在锅炉和压力容 器上，一般是锅炉壳体与平管板连接，以及炉胆与平管板连接，采用角焊缝结 构。这种结构经常采用两种型式，一种是单边v 型坡口的角焊缝( 如图2 2 a ) ， 一种是双边v 型坡口的角焊缝( 如图2 2 b ) 。锅炉和压力容器上较常采用单边v 型坡口的角焊缝结构。由于受到焊缝外形、外力及各种因素的影响，角焊缝一 般为应力集中较严重的部位。应力集中容易导致各种缺陷的产生，直接影响角 焊缝的质量，降低安全系数。为了降低应力集中带来的不利影响，对锅炉和压 力容器的角焊缝结构，一般采取以下措施： a 尽量采用全焊透结构，且需背面加焊( 小型锅炉可免背焊) 。 b 适当改变角焊缝的型式，缓解应力集中现象。 c 采取一些附加的工艺措施，例如局部加压、焊前预热、焊后热处理等。 1 5 山东大学硕士学位论文 图2 2 a 单边开v 型坡口的角焊缝图2 2 b 双边开v 型坡口的角焊缝 在角焊缝中最容易出现未焊透、夹渣、气孔等缺陷，有时由于焊接工艺不 当，也会产生裂纹。裂纹的形成原因一般为熔池过深，且为一次焊接成形，焊 缝在冷却过程中因存在横向收缩应力，会引起纵向裂纹。规程中规定，锅炉 和压力容器上的主焊缝( 筒体的对接焊缝、管板与筒壳、简体与封头、炉胆的 角焊缝) 不得存在裂纹、未焊透、未熔合等危害性缺陷，这就要求对角焊缝进 行严格的检测。 2 3 角焊缝超声探伤方法确定 焊缝中的缺陷按其形状可分为体积型缺陷和平面型缺陷。其中气孔、夹渣 属于体积型缺附“】，在不同方向上探伤，缺陷回波无明显变化，缺陷波密集且 彼此互连，在不同方向上探伤，缺陷回波情况类似。平面型缺陷在不同方向上 探伤，其缺陷回波高度显著不同，在垂直于缺陷方向上探伤，缺陷回波高，在 平行于缺陷方向上探伤，缺陷回波低，甚至无缺陷回波。由于探伤平面型缺陷 和体积型缺陷，探伤方向与缺陷方向位置关系的不同，得到的结果不一样，有 时难以发现缺陷波。因此，对角焊缝进行全面扫查，防止缺陷漏检，就需要选 择好的探伤方法对其进行探伤，尽量使探伤方向垂直于缺陷的方向。 1 6 山东大学硕士学位论文 图2 3 角焊缝的探伤方法 为了对角焊缝作全截面探伤，能够探测到焊缝边缘、焊脚部位、近表面的 缺陷，本课题采用直探头和斜探头相结合的探伤方法。在实际情况下，一般是 不能在腹板和翼板的内侧进行探伤的，因此本论文主要考虑的是在翼板和腹板 的外侧探伤。如上图2 3 所示，在处采用直探头，在两处采用不同k 值 的斜探头探伤。在实际探伤时，可从方便经济有效性考虑，选用+ 或+ ，或者+ + 的方法，选用方法的目的是尽量使探伤方向垂直于缺陷的 方向。在探伤时，为了避免余高的不必要的影响，尽量把余高磨平，对于磨平 的焊缝可将斜探头直接放在焊缝上作平行移动，来检验焊缝或热影响区的横向 缺陷。在处扫查时，直探头在翼板上作平行移动扫查，尤其注意焊缝热影响 区部位是否存在未焊透、未熔合等缺陷，并使探头晶片中心不越过腹板边缘。 在两处扫查时，斜探头应作锯齿形扫查，同时注意其在翼板和腹板外侧上 应扫查区域，这样不仅有利于对焊缝进行全面扫查，而且容易分辨缺陷波。 1 7 山东大学硕士学位论文 2 4 小结 1 8 超声探伤试验。选用1 6 r a m 、8 m m 两种板厚低合金钢角焊缝试件，内部缺 陷设置有未焊透、气孔、夹渣。 试验设备为s d 3 0 0 数字式超声波探伤仪等。 角焊缝试件的结构一般采用全焊透，单边或双边开v 型坡口型式，目前 对锅炉和压力容器的角焊缝探伤，主要是对管板与筒壳、简体与封头、 炉胆的角焊缝进行探伤。 在本课题中，把探伤到的角焊缝内部缺陷分为两种，平面型缺陷和体积 型缺陷。平面型缺陷主要包括裂纹、未熔合、未焊透；体积型缺陷主要 包括气孔、夹渣等。一般是平面型的缺陷对角焊缝的性能危害大。 为了对角焊缝进行全面扫查探伤，尽量使探伤方向垂直于缺陷方向，防 止缺陷漏检，本课题采用了直探头和斜探头结合的方法直探头在翼板外 侧扫查，不同k 值斜探头在翼板和腹板外侧进行锯齿形扫查的方法。 n q 似 山东大学硕士学位论文 3 角焊缝超声波探伤时各参数的确定 3 1 探头各种参数对探伤影响的理论分析 3 1 1 探头的声压分布对探伤的影响 可以根据声压分布情况确定探头近场区长度，进而确定探头的参数。直探 头圆晶片波源的声压分布情况：圆盘的声压p ，计算结果为： p ：2 p 0s i n 要( 厢一x )( 3 1 1 1 ) 式中：p 。波源起始声压； r 声源半径； x 波长；x 一一声源声束轴线上任点距离： 若考虑介质衰减则有 p ：2 p os i n 罢( 厨一x ) 盯“ 为了计算及应用的方便，常作以下简化： 当x d ( 直径d = 2 r ) 时，可简化为： 删n 篆 这时，可进一步简化为： p 。p o f 肤 式中：f _ 波源的面积，f = 譬 由( 3 1 1 4 ) 式可知当距波源的距离足够大时，声束轴线上的声压与波源 面积成正比，与波长及距离成反比。对于确定的探头和工件，当f 和 值一定 1 9 山东大学硕士学位论文 面积成正比，与波长及距离成反比。对于确定的探头和工件，当f 和x 值一定 时，波束轴线上的声压与距离成反比，这正是球面波的声压变化规律。 p p 0 3 2 1 0 p 棚o 【 ： ，一p 目p e y y 、， | 图3 1圆盘源轴线上声压分布 由图3 1 可知，波源附近轴线上声压起伏变化，存在若干个极大值极小值。 且离波源距离越近，声压极大值极小值的分布越密。在声学上，把由于波的干 涉，在波源附近的轴线上产生一系列声压极大值极小值的区域称为超声场的近 场区，长度用n 表示。近场区长度n 可以用公式计算 ：生生。堡：生： 4 4 a五兢 由式( 3 1 1 5 ) 可知，超声场的近场区长度与波长成反比，与波源面积成 正比。超声波的频率越高，波长越短，超声场的近场区长度就越长。波源面积 越大，近场区长度就越长。由于近场区存在声压极大值极小值，处于声压极大 值处的较小缺陷可能回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回波较低， 这样就可能引起误判或漏检。因此超声波探伤应尽量避免在近场区进行缺陷的 定位、定量、定性判断。 斜探头的声压计算与直探头有些类似，但因声波在界面处发生了转换，就 与直探头的声压分布大不相同。横波声场是由纵波声场在界面处发生波型转换 得到的。设实际圆形纵波波源的直径为d ，则其几何投影为一椭圆，椭圆长轴为 d ，短轴为d 。其中 山东大学硕士学位论文 d ，：do c o s f l c o s 口 式中：a 纵波入射角； p 横波入射角； 由图3 2 可知，入射点至假想波源的距离也出现了变化。设入射点至实际 纵波波源的距离为l ，则入射点至假想波源的距离为l ? 为：l ：= 厶 爹汊 n ：_ 曼 b 、 t g t g p 横波声场与纵波声场一样，由于波的干涉存在近场区，在近场区内出现声 压极大值极小值。近场区长度可用下式计算。 ：旦 删j 2 式中：f e 为假想波源面积，凡：f c o s f l c o s 口 f 一实际波源的面积 2 1 山东大学硕士学位论文 五。介质i i 中横波波长。 由( 3 1 1 7 ) 式计算得到的近场区长度是由设想波源中心算起的”。2 。近 场区分布在两种介质中，在介质i i 中近场区长度为： i 2 z = 石f 忑c o s f l c o s 器 ( 3 1 l 8 ) 兢。 口 垃矽 常用k 值探头所对应的。5 s 口见下表2 a 表2k 值对应的c o sb c o sa 值 k 值 1 01