【正文】 焊接接頭超聲波探傷 羅愛民 中國石化集團(tuán)勝利石油管理局 海上石油工程技術(shù)檢驗中心 2021年 6月 21日 二 2 1 三 一 1 三 主 要 內(nèi) 容 焊接加工及常見缺陷 鋼制對接接頭超聲檢測 曲面、管座角焊縫和T形接頭超聲檢測 四 管環(huán)焊縫超聲檢測 五 A體鋼對接接頭 超聲檢測 堆焊層超聲檢測 六 鋁及鋁合金焊接 接頭超聲檢測 小徑管焊接 接頭超聲檢測 八 在用承壓設(shè)備焊接 接頭超聲檢測 九 焊接接頭缺陷性質(zhì) 與非缺陷回波分析 十 七 鍋爐壓力容器及一些鋼結(jié)構(gòu)件主要是采用焊接加工成形的，因此作為焊縫檢驗人員了解一些焊接有關(guān)知識是有必要的。 什么是焊接？ ? 利用電能或其他形式的能轉(zhuǎn)化成熱能，使接頭的金屬形成熔化或半熔化狀態(tài)，通過熔化金屬的治金反應(yīng)或施加外力等將兩母材牢固結(jié)合在一起的過程。 焊接方法如何分類？ 四大類：熔焊、壓焊、釬焊和特種焊。 鍋爐、壓力容器、壓力管道等特種設(shè)備的焊接大多采用熔焊，常見的熔焊有： ? 手工電弧焊（ SMAW）。 ? 埋弧自動焊（ SAW)。 ? 氣體保護(hù)焊。（ GMAW） （惰性氣體保護(hù)焊，CO2氣體保護(hù)焊，混合氣體保護(hù)焊）， ? 藥芯焊絲自動焊。 ? 電渣焊。 。 焊接接頭有哪幾種形式？ 主要有：對接接頭，角接接頭， T形接頭和搭接接頭等幾種。 圖 1 對接接頭 ：常用于鍋爐、壓力容器筒體縱、環(huán)焊縫，封頭拼接焊縫，封頭與筒體連接焊縫，接管與管子的對接焊縫等，有雙面焊對接接頭，單面焊對接接頭和帶墊板的單面焊對接接頭等幾種形式。 角接接頭 ：常用于鍋爐壓力容器接管、法蘭、夾套、管板、管子和凸緣的焊接。 T形接頭： 常用于鍋爐爐膽與管板，壓力容器中換熱器的筒體與管板的焊接。 搭接接頭： 在鍋爐壓力容器受壓件結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少，常用于常壓油槽等焊接結(jié)構(gòu)中。 為保證兩母材施焊后能完全熔合，焊前應(yīng)把接合處的母材加工成一定的形狀，這種加工后的形狀稱為坡口。 ? 常見的坡口型式有： Ⅰ 型、 V型、單 V型、 U型、X型、雙 U型、 K型等。 圖 2 V形坡口各部分 名稱見右圖 V形坡口焊接接頭 各部分名稱見右圖 圖 4 圖 3 ? 對接焊縫采用手工電弧焊、埋弧自動焊、氣體保護(hù)焊和藥芯焊絲焊，可根據(jù)板厚分別采用不開坡口， X形坡口、 V形坡口、單U形坡口或雙 U形坡口等形式。 ? 角接焊縫和 T型接頭常采用 V形、單邊 V形、U型和 K型等坡口形式。 ? 搭接焊縫不開坡口即可施焊。 ? ? 焊接過程中在焊接接頭中產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連接不良的現(xiàn)象稱焊接缺陷。焊縫中常見的缺陷有： ? 1）形狀和尺寸不良： ? 主要有咬邊、焊瘤、凹坑、未焊滿、燒穿、成形不良、錯邊、塌陷、表面氣孔、弧坑縮孔，各種焊接角變形、波浪變形等，這些缺陷存在將對超聲波探傷缺陷判斷產(chǎn)生影響，因此，在對焊縫進(jìn)行超聲波探傷前，必須先對工件焊縫外觀進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有上缺陷時應(yīng)盡量設(shè)法清除。 ? 2）內(nèi)部缺陷 ? 主要有氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等，這些缺陷是超聲波探傷的檢測對象，檢測的目的就是要發(fā)現(xiàn)這些缺陷。從事超聲波探傷的人員必須了解其產(chǎn)生的特點、分布規(guī)律和對超聲波的反射特性 ? （ 1）氣孔 是在焊接過程中焊接熔池吸收了過量的氣體或治金反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，在冷卻之前來不及逸出而殘留在焊縫金屬內(nèi)所形成的空穴。氣孔所含的氣體通常有：氫氣、氮氣、一氧化碳和二氧化碳等。 ? 產(chǎn)生氣孔的主要原因：焊接前焊條或焊劑未烘干；焊件表面污物清理不凈；焊接過程中熔池保護(hù)不良等。 ? 氣孔形狀：大多呈球形或橢圓形，也有條形等其他形狀的氣孔。 ? 氣孔存在方式：單個氣孔、鏈狀氣孔和密集性氣孔。 （ 2）夾渣 ? 是指焊后殘留在焊縫金屬內(nèi)部的熔渣或非金屬夾雜物。由焊接冶金反應(yīng)產(chǎn)生的，焊后殘留在金屬中的微觀非金屬雜質(zhì)（如氧化物、硫化物等）稱夾雜物。鎢極惰性氣體保護(hù)時由鎢極進(jìn)入到焊縫鎢粒稱夾鎢。 ? 產(chǎn)生夾渣的主要原因：焊接電流過小、焊速過快、焊接過程清渣不干凈等。 ? 夾渣的存在形式：點狀夾渣和條狀夾渣 。 ? (3)未焊透 ? 焊接時接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象，對對接焊縫也指焊縫深度未達(dá)到設(shè)計要求使焊縫金屬沒有進(jìn)入接頭根部的現(xiàn)象，稱未焊透。未焊透：是指焊接接頭 根部 母材與母材未熔化焊合。 ? 未焊透產(chǎn)生的主要原因：焊接電流過小、運條速度過快或焊接規(guī)范不當(dāng)（如坡角度過小、根部間隙過小或鈍邊過大）等。 ? 未焊透存在的部位：焊接接頭根部，即鈍邊與鈍邊之間的未熔化焊合。 ? (4)未熔合 ? 是指填充金屬與母材之間或填充金屬與填充金屬之間未熔化焊合。 ? 產(chǎn)生未熔合的主要原因：坡口清理不干凈、運條速度過快、焊接電流過小、焊條角度不當(dāng)、產(chǎn)生了弧偏吹、焊接處于向下焊位置時，在母材未熔化時已被鐵水復(fù)蓋等原因產(chǎn)生。 ? 未熔合存在的部位：坡口未熔合、根部未熔合和層間未熔合。 ? (5)裂紋 ? 是指在焊接過程中或焊后或焊后熱處理中，在焊縫或焊接接頭熱影響區(qū)產(chǎn)生的局部破裂或縫隙。 ? 按裂紋成因分為：熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋等。熱裂紋是由于焊接工藝不當(dāng)在施焊時產(chǎn)生的；冷裂紋是由于焊接應(yīng)力過高、焊條焊劑中含氫量過高或焊件拘束應(yīng)力過大造成的，常在焊縫冷卻到一定溫度后產(chǎn)生，因此又稱為延遲裂紋：再熱裂紋一般是焊件在焊后再次加熱（消除應(yīng)力或改善組織的加熱過程）而產(chǎn)生的。 ? 按裂紋的分布分為：焊縫區(qū)裂紋和熱影響區(qū)裂紋。 ? 按裂紋的取向分為：縱向裂紋和橫向裂紋。 ? ? 熱裂紋是焊接過程中焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的焊接裂紋，都是沿奧氏體晶界發(fā)生開裂。 ? 熱裂紋中結(jié)晶裂紋是焊縫金屬在結(jié)晶過程中處于固相線附近的溫度范圍內(nèi)，由于凝固金屬的收縮，而且此時殘余的液相不充足，在承受拉伸應(yīng)力時造成沿晶界開裂。 ? 多產(chǎn)生在含硫、磷、碳、硅較多的碳鋼及低合金鋼，低中合金鋼焊縫中，也產(chǎn)生在單相奧氏體鋼，鎳基合金及某些鋁合金焊縫中，結(jié)晶裂紋通常產(chǎn)生焊縫金屬上，在個別情況下也發(fā)生焊接熱影響區(qū)。 ? 熱裂紋中高溫液化裂紋是由于焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，在焊接熱影響區(qū)和多層焊的層間金屬中如果含有低熔點共晶組成物，即可被重新熔化，當(dāng)受到一定的拉伸 ? 內(nèi)應(yīng)力時就會誘發(fā)和產(chǎn)生奧氏體晶間開裂，高溫液化裂紋多發(fā)生在硫、磷、碳等雜質(zhì)較多的鉻鎳高強(qiáng)度鋼、奧氏鋼，某些鎳基合金的近縫區(qū)或多層焊的層與層之間，在母材及焊絲中，雜質(zhì)含量越高產(chǎn)生高溫液化裂傾向越大。 ? 熱裂紋中多邊化裂紋是焊縫和近縫區(qū)在固相線溫度以下的高溫區(qū)內(nèi)，由凝固金屬中許多晶格缺陷（空穴、錯位），物理化學(xué)性能不均勻性，組織的疏松、高溫強(qiáng)度及塑性低等原因在溫度和應(yīng)力作用下，產(chǎn)生沿著多邊化邊界開裂。多邊化裂紋大多產(chǎn)生在純金屬或單相奧氏體合金焊縫或焊接熱影響區(qū)。 ? ? 冷裂紋是焊接接頭冷卻到較低的溫度以下，大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（即 MS或200~300℃ 的溫度區(qū)）以下，由于拘束應(yīng)力，淬硬組織和氫的作用下產(chǎn)生的裂紋，冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼和高碳鋼焊縫的熱影響區(qū)。 ? 延遲裂紋是冷裂紋中一種比較普遍的形態(tài)，是鋼的焊接接頭冷卻到室溫后，并在一定時間（幾小時甚至十幾天）才出現(xiàn)的焊接冷裂紋?？稍诤附咏宇^的不同部位產(chǎn)生不同的延遲裂紋：產(chǎn)生在沿應(yīng)力集中的焊縫根部所形成的焊接冷裂紋稱焊根 ? 裂紋，產(chǎn)生在沿應(yīng)力集中的焊趾處所形成的焊接冷裂紋稱焊趾裂紋，裂紋取向與焊道平行，由焊趾表面向母材深處擴(kuò)展，產(chǎn)生在靠近堆焊焊道的熱影響區(qū)內(nèi)形成的焊接冷裂紋稱焊道下裂紋，一般情況下裂紋取向與熔合線平行，也有垂直于熔合線的。 ? ? 焊后焊件在一定溫度范圍再次加熱時，由于高溫及殘余應(yīng)力的共同作用而產(chǎn)生的晶間裂紋稱消除應(yīng)力裂紋，也稱再熱裂紋。再熱裂紋也是沿晶開裂，但再熱裂紋只在較低溫度下一定范圍內(nèi)（約 550℃ ~650℃ ）敏感，而熱裂紋是在結(jié)晶過程中的固相線附近發(fā)生。 ? 再熱裂紋多發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼以及鎳基合金的焊接接頭粗晶段，高強(qiáng)鋼厚壁容器焊縫常出現(xiàn)這種再熱裂紋。 ? ? 焊接時，在焊接構(gòu)件中沿鋼板軋層形成的呈階梯狀的一種裂紋稱層狀撕裂。屬低溫開裂，撕裂的溫度不超過 400℃ ，產(chǎn)生層狀撕裂的原因主要是由軋制鋼材內(nèi)部存在分層狀夾雜物（特別是硫化物、夾雜物等）和在焊接時產(chǎn)生垂直于軋制方向的應(yīng)力， ? 使焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生“臺階”狀開裂，可穿晶發(fā)展。層狀撕裂大多發(fā)生在屈服強(qiáng)度高，且含有不同程度夾雜物的高強(qiáng)鋼，如厚壁容器、大型結(jié)構(gòu)件等 T型接頭，十字接頭和角接頭焊縫母材上（如 T型接頭的翼板上）比較易于產(chǎn)生層狀撕裂。 ? 當(dāng)焊接接頭中存在微氣孔、微裂紋、咬肉、未焊透等尖角效應(yīng)缺陷時都可能在應(yīng)力作用下發(fā)生為層狀撕裂。 為什么要分等級 ？ 有哪幾個等級 ？ A、 B、 C。 主要根據(jù)檢測面的數(shù)量、檢測探頭的多少、是否檢測橫向缺陷、焊縫余高是否磨平來進(jìn)行劃分。 如何選用？ JB/：超聲檢測技術(shù)等級選擇應(yīng)符合制造、安裝、在用等有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計圖樣規(guī)定 。 ? 1） A級檢測： 原則上適用于與承壓設(shè)備有關(guān)的支承件和結(jié)構(gòu)件焊接接頭的檢測。 技術(shù)要求：僅適用于母材厚度 8mm～ 46mm的對接焊接接頭?？捎靡环N K值探頭采用直射波法和一次反射波法在對接焊接接頭的單面單側(cè)進(jìn)行檢測。一般不要求進(jìn)行橫向缺陷的檢測。 ? 2） B級檢測 ： 適用于一般承壓設(shè)備對接接接頭的檢測。 技術(shù)要求： ? a) 母材厚度 8mm～ 46mm時，一般用一種 K值探頭，采用直射波法和一次反射波法在對接焊接接頭的單面雙側(cè)進(jìn)行檢測。 ? b) 母材厚度大于 46mm～ 120mm時，一般用一種 K值探頭采用直射波法在焊接接頭的雙面雙側(cè)進(jìn)行檢測，如受幾何條件限制，也可在焊接接頭的雙面單側(cè)或單面雙側(cè)采用兩種 K值探頭進(jìn)行檢測。 ? c) 母材厚度大于 120mm～ 400mm時，一般用兩種 K值探頭采用直射波法在焊接接頭的雙面雙側(cè)進(jìn)行檢測。兩種探頭的折射角相差應(yīng)不小于 10176。 。 ? d) 應(yīng)進(jìn)行橫向缺陷的檢測。檢測時，可在焊接接頭兩側(cè)邊緣使探頭與焊接接頭中心線成 10176。 ～ 20176。 作兩個方向的斜平行掃查，見圖 5。如焊接接頭余高磨平，探頭應(yīng)在焊接接頭及熱影響區(qū)上作兩個方向的平行掃查，見圖 6。 圖 6 平行掃查 圖 5 斜平行掃查 3） C級檢測： 適用于重要承壓設(shè)備對接接接頭的檢測。 a)采用 C級檢測時應(yīng)將焊接接頭的余高磨平，對焊接接頭兩側(cè)斜探頭掃查經(jīng)過的母材區(qū)域要用直探頭進(jìn)行檢測。 b)母材厚度 8mm～ 46mm時，一般用兩種 K值探頭采用直射波法和一次反射波法在焊接接頭的單面雙側(cè)進(jìn)行檢測。兩種探頭的折射角相差應(yīng)不小于 10176。 ，其中一個折射角應(yīng)為 45176。 。 c)母材厚度大于 46mm～ 400mm時，一般用兩種 K值探頭采用直射波法在焊接接頭的雙面雙側(cè)進(jìn)行檢測。兩種探頭的折射角相差應(yīng)不小于10176。 。對于單側(cè)坡口角度小于 5176。 的窄間隙焊縫，如有可能應(yīng)增加對檢測與坡口表面平行缺陷有效的檢測方法。 d)應(yīng)進(jìn)行橫向缺陷的檢測。檢測時，將探頭放在與焊縫及熱影響區(qū)上作兩個方向的平行掃查，見圖 6. 1）檢測面準(zhǔn)備 檢測面包括檢測區(qū)和探頭移動區(qū)。 檢測區(qū)的寬度？焊縫 +兩側(cè)母材厚度 30%（ 510mm）。 探頭移動區(qū)光潔度？表面粗糙度 ≤，露出金屬光澤。 探頭移動區(qū)寬度？ 探頭移動區(qū) L為： a)采用一次反射法或串列式掃查探測時，探頭移動區(qū)應(yīng)大于 ； b)采用直射法探測時，探頭移動區(qū)應(yīng)大于 ； a)反射法： L=== 式中： P— 跨距 mm， T— 母材厚度 mm， K— 探頭 K值等于 tgβ， β— 探頭折射角（ 176。 ）。 b）直射波（一次波） L= 2TK= 式中字母意義同上。 圖 7 檢測區(qū) 2）耦合劑