高频焊接钢管焊缝的超声波自动检测工艺

咼频焊接钢管焊缝的超声波自动检测工艺摘要:在高频焊接钢管焊缝自动超声波检测的实际工作中，精确的焊缝跟踪较难实现,易影响检测的可靠性。通过对超声波检测技术进行分析，利用6dB声束全壁厚覆盖区进行检测，提出了一套超声波检测新工艺。实践证明:该工艺可以在焊缝跟踪不精确的情况下实现可靠的超声波检测，为高频焊接钢管焊缝自动超声波检测提供了一套有效的检测方法。高频焊（HFW）是在20世纪50年代初被提出并应用于生产的。它是利用流经工件连接面的高频电流所产生的电阻热加热，并在施加（或不施加）顶锻力的情况下,使工件金属间实现相互连接的一类焊接方法。目前，高频焊在管材制造方面获得了广泛应用。为保证HFW钢管的质量，一些制管标准规定了HFW钢管焊缝应进行100%超声波检测。HFW钢管的生产效率很高，一条制管生产线的日产量可达上万米,仅靠手工超声波检测是无法有效完成的，因此通常采用自动检测和手工复查组合的形式来实现焊缝的100%超声波检测。通常来讲，要实现稳定可靠的焊缝自动超声波检测必须要解决好焊缝跟踪的问题。HFW焊缝外毛刺在焊接过程中已通过机械方法去除,焊缝一般较光滑平齐，这使得采用机械导向方式无法跟踪;另外由于焊接和热处理的作用，会在HFW焊缝区域形成一条颜色与管体存在差异的色带,但其颜色对比度不大，采用焊缝影像自动识别技术跟踪也较难实现;而通过激光点和监视器可以对该色带进行手动跟踪，但跟踪精度不高,其跟踪偏差仅能控制在色带区域范围之内;再者，焊接时可在钢管外表面的定位置沿钢管轴向喷油漆线，超声波自动检测时通过跟踪油漆线影像可以实现焊缝的自动跟踪，但这种方式也是存在跟踪偏差的。所以在实际的HFW钢管焊缝自动超声波检测中，精确的焊缝跟踪较难实现。为此笔者通过对超声波检测技术进行分析，提出了一套不要求精确的焊缝跟踪，但可以保证检测可靠性的超声波检测新工艺。1超声波检测技术分析1.1超声波在钢板试块中的传播分析为了方便研究，先就超声波在钢板试块中的传播情况进行分析。将型号为2.5P8X12K2的冲水式斜探头置于10mm厚的钢板试块上，如图1所示。设探头内有机玻璃中纵波声速CL1为2730m/s，钢板试块中横波声速CS2为3230m/s,探头实测K值为2,晶片中心距入射点距离为12mm,忽略耦合层对声束的影响。fflIOHB声束的入射和折射不意圏对于实际检测,6dB声束（即幅值下降6dB时的声束）相对于0dB声束更具有实际意义，在以上条件下，按下式可求得超声波在探头内的6dB声束半扩散角Y：Siny=FX/Ds (1)式中入-介质中的波长；Ds-晶片尺寸，取12mm。心Cl1/f=2.73*106/2.5*1O6~l.lmm。Y=arcsin(fZ/Ds)=arcsin(0.51*1.1/12)宀2.68°由折射定律和几何关系可求得超声波在探头中6dB声束边缘的入射角A上和A下分别为上 下51.8°和46.4°;在钢板中的6dB折射声束边缘的折射角B上和B下分别为68.4°和59°。上 下6dB折射声束在钢板中传播的过程中，在距离中心声束入射点O分别为X］和x2的两个区域可以形成声束的全壁厚覆盖，如图2所示。由反射定律和几何关系可以求得x1和x2分别为65.8和82.4mm,两个6dB声束全壁厚覆盖区域宽度a和b分别为6.2和13.2mm。若在该条件下声束继续传播，在距离中心声束入射点为x3(即99mm)之后便可形成连续的6dB声束全壁厚覆盖区。图26(tB折射声束在钢扳中传播的可遗图1.2超声波在检测HFW钢管焊缝时的传播分析超声波在检测HFW钢管焊缝时的传播情况与超声波在钢板试块中的传播情况有着类似规律，在图3中区域a,b和c均为6dB声束全壁厚覆盖区，其中c为连续的6dB声束全壁厚覆盖区。图3 (1R折肘声束在HFW钢管中传播的不意图由上述分分析可见：6dB折射声束随着传播距离的增大，声束在特定区域会间断出现声束的全壁厚覆盖，并且距探头越远的6dB声束全壁厚覆盖区其宽度也越大。当声束传播至某一点之后将会出现连续的6dB声束全壁厚覆盖区。2HFW钢管焊缝超声波检测工艺设计在检测HFW钢管的纵焊缝时,如焊缝未处于6dB声束全壁厚覆盖区，将需要采用多个探头组合的形式来实现焊缝整个截面的检测，检测过程中若探头与焊缝距离发生变化将引起漏检;如焊缝处于6dB声束全壁厚覆盖区，那么探头相对于焊缝位置的变化将被控制在一定的范围内,只要保证足够的检测灵敏度，便不会引起漏检;如焊缝处于连续的。 6dB声束全壁厚覆盖区，只要保证最大偏移量处有足够的检测灵敏度，便不会引起漏检。可见有效地利用6dB声束全壁厚覆盖区进行检测可以在一定程度上弥补跟踪偏差。基于此，笔者从探头选用、布置及检验要求等方面进行如下工艺设计。2.1探头的选用探头采用2.5P8X12K1，215P8X12K1.5和215P8X12K2冲水式斜探头。为使6dB声束能扫查到钢管内壁，应根据钢管管径和壁厚选择合适的检测探头，具体针对每种管径和壁厚选择的探头见表1，表1中N表示采用2.5P8X12K2探头，II表示采用2.5P8X12K1.5探头，III表示采用2.5P8X12K1探头。董]flwr-as<in,^ 4,殆芒Min国加鹫佚路用亞亦■产炭主蜚邸■楚B1'.IIkI1'inhe^^e-kcikiiiiAitiE6dR节omvnIiIm'iiehFli11nJIIliiiLrii'?.^vs'-rla|j-iirt^jffoT|ii|M-Adhimi^r■.li<iikiilr*r*IU^li5.6ranijrndndlihirtir*^J.5-I.Z.5nml>lIMl>lIMf-1-jJ1.D«I5碍IhJiI!.P>2]_IlII®J-JJSftIII'■3*.KiIII「Ik4HiI.TbHNl||4QftaIIIJIMS.*Ill2.P■2ftMIt44aII.PlIIIi」~T・U+libtJK]?gIL*hf-1-jJ1.D«I5碍IhJiI!.P>2]_IlII®J-JJSftIII'■3*.KiIII「Ik4HiI.TbHNl||4QftaIIIJIMS.*Ill2.P■2ftMIt44aII.PlIIIi」~T・U+libtJK]?gIL*hyiih«k?■-III1R3町丄HII.A"帕.■IlliS.!»IT.71IFal.«".^1Ai,lib19.1；■陋*Ih4l』・21-71III3XV-ll|44-.3li-4.P--4*.lall|14"IlkIU丄41.*ll|7.J--1LIIIFiHIp41.3l||・99.44III■>491lib■4.H■■任KiIhiII-jIJ>4lib”・b-k?i盃m143.*™i|1M.li1.卜5.—11勺i■■-站HiI.Ah5T.5Ih3.tn!i.h.r“■_l«出.务IIIIIIIlk■1出邛IFi*«■>xM.右1L«c-q33h1|.N4q11ib.II|t HifA>x4J-hL.—弟曲i*jj-m-j.4iipt1XUr.Hi6叫乂kK*4 11.r«r1-|l1fiKIII111.-■Q-K卄任i-1rih■raxehhIIIR沖』ilkk-xqInt]L*.14pJ1a.IhII.h1sa.]■li.k1jIIM«30.31j3.1■21*||4!*11.II1]_]■it.：iiiiiK1B44k.»IIIIftaJL0ni■J”4H.丄f,i£z』_£+.t-.ni:a]■血由1i.*H>.耳||—13.X||—■-4Cr.«1-LO-.G-9].hII>14.7-«.l-IIi—■W-4.ih—■jziiilr-irn.a1-41i-Pl-lb■■4Mfa.nllri—TJ.IfIII-iKi-iHiV3gvi|5.Ik"1)ftliHl2111■?帥計+1|*.5w>k2i1i氏In債1：|fl]I：I1.H|11III!.：■.«JH、inl?Miirll<51'■Ii12J.■■-J?.*;Ii 4IIIi.F-臥TsI|i.F-臥TsI|WDC'ri1IIbckII.h|WDC'ri1IIbckII.h|imiKsxni7i||IlbIlb2.26dB声束全壁厚覆盖区的确定设探头实测K值为标称K值,2.5P8X12kl,2.5P8X12kl.5t和2.5p8X12k2冲水式探头的晶片中心距入射点的距离分别为8.5,10.5和12mm。忽略耦合层对声束的影响以及入射点部位因曲面引起的入射角度变化，由于钢管弧长的计算较为繁琐,笔者通过计算机模拟绘图确定出各规格钢管的6dB声束全壁厚覆盖区，见表1。表1中a,b,c和d分别为第1,2,3和4个6dB声束全壁厚覆盖区的宽度;x1,x2,x3和x4分别为第1,2,3和4个6dB声束全壁厚覆盖区到中心声束入射点的距离；“a”表示该6dB声束全壁厚覆盖区为连续的6dB声束全壁厚覆盖区;“-”表示上一个6dB声束全壁覆盖区已经为连续的,不存在间断的6dB声束全壁厚覆盖区。2.3标样管的设计钢管自动超声波检测的标样管应与检测钢管的规格相同，按标准要求在标样管上加工人工标样，可检测系统进行标定，同时也可用以验证检测系统重复性和稳定性。在跟踪偏移量为土10mm的情况下,为能准确标定检测系统设计的标样管如图4所示。图4中人工标样C为在焊缝中心的①3.2mm竖通孔;人工标样A,B,H和I为N10内刻槽（为了工方便设计在标样管的两端）;人工标样D,E,F和G为N10外刻槽。

焊缝EFGH1焊缝EFGH1图4自动超声液检测标样管的人匸标样分布圈5“町2.4探头的布置及校验要求采用四个探头同时进行检测，探头的布置图见图5,校验要求见表2。每个探头应保证有5mm宽的检测范围处于6dB声束全壁厚覆盖区,为此应从以下几个方面进行控制：图5检测抹头布置圈>2检测探头的布置及校验要求Tab.2AitarigrrnrnlLin<1irisprilioi]r«[uiremerits探头入射点別焊缝中心葩离要求报警的编号>7mm标样编号F+5扎1)、Cb15UEfII扎，乱D,Fh2410G,HJ按表1选取X值时，所选X值对应的6dB声束全壁厚检测区宽度应不小于8mm。校验前，按表2中的y值调整各探头的位置并锁紧。在校验过程中仅允许探头架位置进行整体加微调，即四个探头同时移动以保证相对位置不变。在校验完毕后的整个检测过程中应通过焊缝跟踪装置对探头架位置整体调节以保证焊缝跟踪精度在①10mm之内。3工艺评价按上述工艺进行检测，当焊缝跟踪无偏移时，探头al和bl可以同时完成焊缝检测;当焊缝跟踪偏移量为0~5mm时，探头al或bl可以完成焊缝检测;当焊缝跟踪偏移量为5〜10mm时,探头a2或图4自动超声波检测标样管的人工标样分布图(mm)b2可以完成焊缝检测。所以,按上