自动焊对接焊缝超声波探伤中变形波的识别Word格式文档下载.docx
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这是一种什么缺陷呢,我们先后用K2、K3斜探头、φ20直探头,对以上三个反射波处,从两面、两侧进行了探测。
两种斜探头探测结果基本一致,都是从焊缝左侧探很强烈,从右侧探测没有任何反射。
又采用X射线多方向透射,没有发现任何异常,无法证实此处有缺陷。
后来对其中一处,用碳弧气刨刨开,作了磁粉探伤,也没有发现任何异常。
补焊后再进行超声波探测,反射波同原先一样。
将一处焊缝磨平后,此种反射波即消失,证明此处没有缺陷。
最后只好打上钢印,记录下来备查。
(此设备1982年1月8日换了下来,此处焊缝没有出现问题。
)
1977年4月8日,检测齐鲁一化浓氨水储槽时,又发现这种反射波。
见图2。
1979年10月5日,检测齐鲁一化水气车间锅炉气包时,又两次出现了这种反射波,尤其是1#锅炉下气包,所探全部焊缝都有这种反射波。
见图3。
图2浓氨水储槽反射讯号示意图图31#锅炉下气包反射讯号示意图
以上三次检测发现的反射波现象,都发生在自动焊对接焊缝区。
1983年淄博客车厂,在探测液化石油气槽车自动焊对接焊缝时,也发现了这种变形波反射。
据了解胜利炼油厂也曾多次发现这种变形波反射。
三、变形波产生的原因
经分析和研究,发现这种波形是焊缝表面形状引起的变形纵波反射。
由超声波的性质可知,当超声波束倾斜传播,遇到异形界面时,在反射和折射过程中,都可能产生变形波。
但是,为什么在焊缝探伤中,一般情况下荧光屏上不出现变形纵波反射讯号呢?
这可从超声波在焊缝中传播的路径得到解释。
由反射定律可求得:
变形定律反射角:
βL=arcsin(CL/Cs×
sinβs)……………………………………………………………
(1)
横波入射角:
βs=arcsin(Cs/CL×
sinβL)……………………………………………………………
(2)
因为纵波声速约为横波的两倍,可知变形纵波反射角将大大地大于横波入射角。
我们所用探头的角度,是在第一临界角和第二临界角之间,计算可知此时变形纵波,将沿工件表面传播或超出工件表面,所以一般情况下,荧光屏上不会出现变形纵波反射讯号。
但在特殊情况下,尤其是在成形很有规律的自动焊对接焊缝中,有时就会出现变形纵波。
观察自动焊焊缝表面成型,大致有以下几种形式。
如图4所示。
<
1>
平缓圆弧形(小区率)<
2>
棱角形表面(如2M16二段冷却分析器)
<
3>
突陡圆弧形(大曲率)<
4>
类半圆形表面
图4自动焊焊缝表面的几种成型形式
在这几种成型的焊缝中,都不会象在平板中那样,按原来的折射角进行传播,而要改变传播方向。
到达焊缝弧面后,反射角度将变小,并随弧面曲率变化而变化,当反射角小到一定程度时,变形纵波将在焊缝或板材内传播,便有可能返回探头,显示到荧光屏上。
让我们来分析一下图4中几种焊缝表面成形,找出超声波束在其中传播的规律。
图中L表示纵波波束,S表示横波波束,βs表示横波入射角,βL表示变形纵波反射角。
βs/表示横波反射角。
首先,让我们来看看第<
种焊缝成形,这种焊缝成形是比较理想的,由于焊缝表面平缓,超声波束入射后反射角改变很小,变形纵波不会出现在工件中,也就不会在荧光屏上出现变形纵波反射讯号。
第<
种焊缝成形,表面呈棱角状,与入射波束有较好的垂直性,其中大部分能量被反射回探头。
(这是一种特殊情形,其检测方法与判别将在另外的文章中讨论)。
焊缝表面与工件表面呈一定的角度,横波声束到达其表面后,有可能产生变形纵波,但这种变形纵波只能在工件中向前传播,不能返回被探头接受,所以荧光屏上不会出现变形纵波反射讯号。
种焊缝成形,表面余高很大,呈圆弧形。
入射波位置不同,波束传播规律也不相同。
图中表示的是两种极限位置的传播规律,其1是探头推到最前沿的传播规律,其2是一次波束能达到的最后位置。
从图中分析可以看出,在这种焊缝中会出现变形纵波,但由于圆弧形焊缝的反射规律,变形波不会被探头接受,所以荧光屏上也不会出现变形波讯号。
最后,让我们来分析第<
种焊缝成形,这种焊缝边缘陡直,表面又比较平缓,类似半个椭圆形,其断面外形很像压力容器碟形封头的剖面。
焊缝与母材交界处呈一小圆弧形,当入射横波达到小圆弧面时,便有变形纵波产生,变形纵波可以到达焊缝上表面反射回来,被探头接受显示在荧光屏上。
因为纵波声速约等于横波声速的两倍,在相同的时间里,纵波所走的路程也约等于横波所走路程的两倍。
因为荧光屏水平扫描线的比例是按横波声束调节的,所以变形纵波的回波在荧光屏上显示的数字,不是它走的真实路程,而仅等于它的1/2。
在这里所谓的纵波路程,仅指变形纵波在焊缝中走的路程。
返回探头是经焊缝下表面,再次变为横波而被接受的。
若变形纵波所走路程以L表示,工件厚度用δ表示,则L≈δ,这段路程显示在荧光屏上仅为1/2δ。
如果按原横波入射方向的三角关系推算(这是错误的!
),就会误认为反射面所在的位置,是在焊缝热影响区之内(当时所推测的缺陷位置),如图2~4所示。
四、产生变形纵波反射的临界条件
通过以上分析可知,只有当焊缝剖面呈边缘陡直,表面较平缓的半椭圆形时,才可能出现变形纵波反射讯号。
当变形纵波接近垂直于焊缝上表面时,反射回探头的能量较大,就出现变形纵波反射。
参见图5。
图5纵波变形波反射条件示意图
由反射定律可知:
sinβL:
sinβS/=CL:
CS……………………………………………………………………………………<
又从图5中可知<β=<βL+<βS/则<βL=<β-<βS/
从<
式可知:
sin(β-βS/):
sinβS/=CL:
CS……………………………………………………<
根据三角函数的“和差公式”:
sin(β-βS/)=sinβcosβS/-cosβsinβS/………………………………………………………<
5>
式可为:
(sinβcosβS/-cosβsinβS/)/sinβS/=CL/CS………………………………………<
6>
又根据三角函数关系:
ctgβS/=cosβS//sinβS/……………………………………………………<
7>
sinβctgβS/-cosβ=CL/CS……………………………………………………………<
8>
ctgβS/=(CL/CS+cosβ)÷
sinβ
βS/=arcctg[(CL/CS+cosβ)÷
sinβ]………………………………………………………………<
9>
在中厚工件(δ=12~40mm)探伤中,常选用K=2的探头,K2探头折射角β=63。
26/,代入<
式计算可得βS/=21。
36/。
即当选用K2探头探伤时,如果能满足βS/=21。
36/或稍大、稍小于
21。
36/时,变形纵波便垂直于(或接近垂直于)焊缝表面,此时变形纵波产生强烈的反射,荧光屏上将出现变形纵波讯号。
所以βS/=21。
36/是产生这种变形纵波的临界角度。
此时焊缝的焊角处表面小圆弧的圆心位置,可按以下方法求得。
在△OBC中,<OBC=90。
-β+βS/=90。
-βL
tg(90。
-β+βS/)=OC/(BE/2)
OC=(BE/2)tg(90。
-β+βS/)…………………………………………………………<
10>
式中BE可近似地看作是焊缝宽度,OC可近似地看作是焊缝表面小圆弧的圆心O到焊缝表面的距离。
当选用K=2探头时,OC≈0.5585BE。
此时小圆弧半径为:
R=OB=BC/[cos(90。
-β+βS/)]≈0.76BE。
在中厚焊缝中,常采用X型坡口,此时BE≈δ(工件厚度)。
可以看出,当小圆弧的圆心O处于焊缝中部附近,或略靠上、略靠下时,亦即小圆弧的半径在0.68~0.76倍工件厚度时,就可能出现变形纵波反射。
此值即产生这种变形纵波的临界半径。
小 结
1、从以上事例和分析不难看出,焊缝中此种变形纵波反射,常出现在自动焊缝中,其焊缝表面形状为表面较平缓,焊角处呈一小圆弧形。
当自动焊中出现类似图1~3中反射波时,要注意观察分析焊缝表面形状,分析是否产生变形纵波。
2、产生这种变形纵波反射的临界角度βS/=21。
36/~24。
7/,焊角小圆弧临界半径R=0.68~0.76δ。
测量临界半径可用万能型规,将焊缝表面形状取下来,作图求出。
3、表面形状的观察分析,临界条件的测量计算,是分析产生变形纵波反射的条件。
除了以上观察、测量、计算、分析外,还应该采用多种方法的综合检测,有条件时可将焊缝磨平,然后检验验证,以得到确无缺陷的可靠结论。
《化工设备检验》1989年第1期发表
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