1、荆门大学 毕业设计（论文） I 目 录 1 前言 1 1.1 背景及意义 1 1.2 超声波检测的发展与现状 1 1.2.1 国际超声波检测技术的发展历程与现状 1 1.2.2 国内超声波检测技术的发展现状 2 2 超声波检测物理基础及设备 3 2.1 超声波原理及特点 3 2.2 超声波检测的设备 3 2.2.1 超声检测仪 3 2.2.2 探头 4 2.2.3 耦合剂 4 2.2.4 试块 4 3 平板对接焊缝制造方法及缺陷 5 3.1 平板对接焊缝主要制造方法 5 3.1.1 手工电弧焊 5 3.1.2 埋弧自动焊 5 3.2 平板对接焊缝常见缺陷 5 3.2.1 焊接过程中主要缺陷 5
2、 3.2.2 使用过程中出现的缺陷 6 4 超声波无损探伤实验 7 4.1 超声波探伤实验器材及实验操作 7 4.1.1 检测面的修整 8 4.1.2 零点声速的测定 9 4.1.3 折射角的测定 10 4.1.4 DAC 曲线 11 4.1.5 其他参数的输入 13 4.2 超声波探伤试验现象数据 13 4.2.1 探头扫查 13 4.2.2 缺陷长度测定 14 4.3 缺陷评定结果评级 15 4.4 实验结果及分析 16 4.5 超声波检测工艺卡 16 小 结 17 参考文献 18 附录 19 荆门大学 毕业设计（论文） II 平板对接焊缝的超声波检测 摘 要 压力容器所用材料有板材、管材
3、、铸件等，其中最重要最常用的是板材。通过焊接的方法使一块或多块板材拼接到一起，其检测 方法主要是超声波无损探伤。本文就平板对接焊缝在实际应用中发现的问题，论述超声波检测物理基础、监测的设备和工艺规程。 主要任务是在掌握过程设备制造流程和焊接缺陷及其产生原因的基础上，研究超声波探伤技术在钢制压力容器对接焊接接头探伤检测中的应用，并给出焊缝返修的具体方案。 针对给定的板材焊缝，通过实验检测该焊缝的缺陷，本文详细介绍了试块选用，设备调试，实验探伤中的常见问题及解决方法。同时给出了实验探伤、缺陷定位和长度测量的具体方法，并通过JB/T4730.3-2005 标准对试验中检测到的缺陷进行了等级评定并得出
4、了 检测工艺卡。 关键词 ： 对接焊缝 超声波无损探伤 试块 缺陷评定 荆门大学 毕业设计（论文） III Ultrasonic inspection of butt weld of flat plate Abstract The material used in the pressure vessel is plate, pipe, casting, etc. the most important and most commonly used is the plate material. By welding the method to make one or more pieces of
5、plates together, the detection method is mainly ultrasonic nondestructive testing. This paper discusses the problems in the practical application of flat plate butt weld, discusses the physical foundation of ultrasonic testing, the equipment and technical regulation. Main task is to master the proce
6、ss of equipment manufacturing process and welding defects and its causes based. Study of ultrasonic flaw detection technology in steel pressure vessel butt welded joint detection application, and gives the weld repair of specific programs. For a given plate weld, the defects of the weld were tested
7、by experiment, this paper introduces the common problems and solving methods in the test block selection, equipment debugging and testing. At the same time, the specific methods of the experiment flaw detection, defect location and length measurement are given, and the grade of the defects detected
8、in the test by the JB/T4730.3-2005 standard is evaluated. Key words: Butt weld Ultrasonic nondestructive testing Test block Defect assessment 荆楚理工学院毕业设计（论文） 1 1 前言 1.1 背景及意义 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或缺的先进制造技术，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量的一半，由于钢焊接其性能出众和经济效果显著等特点，在焊接的应用越来越广泛，
9、成为国内外众多研究者和工程人员重点研究的方向。 焊接是通过加热或加压，或者两者兼用，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。其中，对焊是利用电阻热将两工件沿整个端面同时焊接起来的一类电阻焊方法。钢制对接焊缝焊接以其强度高、重量轻、生产率高、易于实现自动化、密封性好，已获得非常广泛应用。 超声波检测是五大常规检测技术之一，是目前国内外使用最广泛，发展最快的一种无损检测技术。目前国外工业发达的国家无损检测技术逐步从无损探伤（ NDI），无损检测（ NDT）向无损评价（ NDE）过度。无损探伤，无损检测和无损评价是其发展的三个价段，其检测使产品实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提
10、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。 超声波探伤优点是检测灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量，穿透能力较大，在钢中的有效探测深度可达 1 米以上 ;对平面型缺 陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小， 设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。超声波探伤仪的种类繁多，但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。一般在均匀材料中，缺陷的存在将造成材料不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差 异和交界面的取向、大小有关
11、。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。 1.2 超声波检测的发展与现状 无损探伤技术是检测压力容器焊缝内部缺陷的主要手段。无损检测（ non-destructive examination）是指在不损害或不影响被检测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检 查和测试的方法。工业上常用的无损检测方法有射线检验（ RT）、超声检测（ UT）、磁粉检测（ MT）和液体渗
12、透检测（ PT）四种。其中射线探伤和超声波探伤是检测压力容器焊缝内部缺陷的主要手段。 1.2.1 国际超声波检测技术的发展历程与现状 超声无损检测技术 (UT)是五大常规检测技术之一，是国内外应用最广泛、使用颇率最高且发展较快的一种无损检测技术，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段，体现在保证机器零件的可靠性和安全性上。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 %。前几届世界无损检测会议论文集收录的论文中有关超
13、声检测的论文数遥遥领先于其它检测方法，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 (2000 年 WCNDT 会议收录的论文分布情况 )。这些都说明超声无损检测的研究势头和其在无损检测中的重要地位。 20 世纪 70 年代以来，超声检测的数字化、自动化、智能化和图像化成为超声无 损检测技术研究的热点，标志着超声无损检测的现代化进程。近年来，随着传感技术、电子技术、自动控俐技术、记算机技术的发展，现代无损检测技术已经进人到以计算机控制为主的信息加工时代。 荆楚理工学院毕业设计（论文） 2 20 世纪 80
14、年代，新一代的超声检测仪器 数字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新时代。超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图像化、小型化和多功能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、 1996 年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、 1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展中，数字化、智能化、图像化超声 仪最引人注目，显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国 Krautraemer 公司、美国 Panametrics 公司、丹麦Force Institutes 公司与美国 PAC 公司的产品最具代表性。 从 20 世纪 90 年代以来，超声成像技术是一种令人瞩目的
15、新技术。超声图像可以提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性质，有着非常广阔的发展前景。现代超声成像技术都是计算机技术、信号采集技术和图像处理技术相结合的产物。数据采集技术、图像重建技术、自动化和智能化技术以及超声成像系统的性能价格比等发展直接影响超声检 测图像化的进程。 1.2.2 国内超声波检测技术的发展现状 近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果。许多不同用途的微机控制自动超声检测系统已经应用于实际生产。我国在这方面
16、开展的主要研究有：计算机化超声设备；用户友好界面操作系统软件；超声数字信号处理，包括人工智能、神经网络、模式识别、相位补偿等；高频超声无损检测技术：各种扫描成像技术：多坐标、多通 道的自动超声检查系统：超声机器人检测系统：复杂构件的自动扫描超声成像检测 (如 5 维以上多维探头调节结构等辅助设备的开发研究 )等。这其中许多成果已经达到国际先进水平，这些研究为我国超声无损检测技术的持续发展提供了保证。无损检测的标准化和规范化，检测仪器的数字化、智能化、图像化、小型化和系列化工作也都取得了很大发展。我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了 ISO， ATSM、 DIN、 SS、 BS、
17、 NF、 JIS 等一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间存在很大差距，具体表现在： 检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术自动化、智能化、图像化的进展。 专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备利用率低。 对无损检测技术领域的信息技术应用重视度。荆楚理工学院毕业设计（论文） 3 2 超声波检测物理基础及设备 2.1 超声波原理及特点 超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量 衰减 变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。 实验室中常用横波
18、来进行超声波探伤实验，其探伤原理如图 2-1 所示。 1-工件 2-焊缝 3-缺陷 4-超声波束 5-斜探头 图 2-1 横波探伤原理图 超声波是一种频率高于 20000Hz 的声波， 它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远， 对人体无害 可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。 但是超声波 探伤显示不太直观，易发生衰减和散射， 对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验， 这是超声波的 局限性。 2.2 超声波检测的设备 2.2.1 超声检测仪 超声波检测仪是检测的主体设备，作用是 产生电振荡作用于探头，使之发射超声
19、波，同时将探头送回的电信号进行滤波、检波、放大等，并以一定的方式显示出来 。 超声波检测仪按发射超声波的方式分为脉冲波检测仪、连续波检测仪和调频波检测仪。其中使用最广的是脉冲波检测仪，它向工件周期性地发射频率固定的超声波。 超声波检测仪按显示方式 可 分为： A 型 探伤 仪 ：是一种波型显示，在显示屏幕上以横 坐标 代表声波的传播时间 (距离 )，纵坐标代表反射波的幅度。 B 型探伤 仪 ：是一种图像显示，可显示工件纵截面的图像。 C 型探伤 仪 ：也是一种图像显示，可显示工件平行截面的图像。 目前使用最广 的是 A 型脉冲反射式检测仪 图 2-1 荆楚理工学院毕业设计（论文） 4 图 2-
20、2 A 型脉冲反射式检测仪 2.2.2 探头 超声波检测一般采用压电型探头，其作用是利用压电晶片，在高频电振荡激励下产生高频机械振动发射超声波 (发射探头 )，或在超声波作用下产生机械变形，并因此产生电荷。超声波探头按结构形式分为： 直探头：用于交替地发射和接收纵波，波束垂直于工件表面 。 斜探头：利用楔块将声束倾斜于工件表面而射入工件。一般用于横波探伤。 2.2.3 耦合剂 超声耦合剂是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合号。为了改善探头与工件声能的 传递，而加在探头和检测之间的液体薄层为耦合剂。耦合剂可以填充探头与工件间空间距离，使超声波能够传入工件，这是耦合剂的主要目的
21、。此外耦合剂还可以减少摩擦力的作用。 常用的耦合剂有水、甘油、机油、变压油、化学糨糊等。 水的优点是来源方便，缺点是易流失，使工件生锈。甘油优点是声阻抗大，耦合效果好，缺点是需要水稀释，容易使工件形成腐蚀坑，价格昂贵。机油和变压油附着力粘度较合适，无腐蚀价格不贵，是最常用的耦合剂。化学糨糊耦合剂效果较好，也是常用的耦合剂。 2.2.4 试块 试块按照用途设计制作的具有简单性状的人工反射体 的式样，是超声探伤重要的工具。其作用是： A 进行探伤灵敏度的调整和确定 B 调整和确定合适的扫描速度 C 测试探头的一些性能 D 测绘确定缺陷大小 超声波探伤常用的标准试块有： CSK IA 试块 ， SH
22、 1 型半圆试块 ， RB-2 试块 ， IIW 试块 。对比试块有： WGT-3 试块 ， DB-H2 试 ， 块阶梯试块 。专用试块有： GTS-60 试块 ， GTS-60加长测试轨 。 荆楚理工学院毕业设计（论文） 5 3 平板对接焊缝 制造方法及缺陷 3.1 平板对接焊缝 主要制造方法 在过程装备制造中，常用的焊接方法主要有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊、电渣焊等 。 对于小型的板材焊接 常采用手工电弧焊和埋弧自动焊。 3.1.1 手工电弧 焊 手工电弧焊简称手弧焊，是以手工操作的焊条和被焊接的工件做为两个电极，利用焊条与焊件之间的电弧热量熔化金属进行焊接的方法。 由于其设备简单
23、、操作方便、 能够进行 全方位焊接 且适合焊接多种材料 等特点，在装备制造中是一种应用十分广泛的焊接方法。 当然其 不足之处是 焊接速度慢、 生产效率低劳动强度大 、烟尘大对操作人员身体有损害等 。 3.1.2 埋弧自动焊 埋弧自动焊 简称埋弧焊，是电弧在焊剂层下燃烧，用机械自动引燃电弧并进行控制，自动完成焊丝的送进和电弧移动的一种电弧焊方法 。 埋弧自动焊 具有生产率高、机械化程度高、焊接质量好且稳定的优点。在金属结构、桥梁、压力容器、石油化工、核容器、石油天然气管线、船舶制造等领域，埋弧自动焊获得了广泛的应用。埋弧焊 局限性是 工作量非常大，所消耗的钢材、焊丝、焊剂的量也很大。 3.2 平
24、板对接焊缝常见缺陷 3.2.1 焊接过程中主要缺陷 在焊接过程中焊接接头会产生金属不连续，不致密或者连续不良的现象称为焊接缺陷 。焊接过程中主要出现的缺陷分为两大类：外观形状缺陷和内部缺陷 。 外观形状缺陷主要有咬边、焊瘤、凹坑、未焊满、烧穿、错边、塌陷、成形不良、表面气孔、各种焊接变形和波浪变形等。这些缺陷存在将对超声波探伤缺陷的判断产生影响。因此，在对焊缝进行超声波探伤前必须对工件焊缝外观进行检查，发现有上述缺陷时尽量设法清除。 内部缺陷 主要有气孔、夹渣、未焊透、未融合和裂纹等，这些缺陷是超声波探伤的检测对象，检测目的就是要发现这些缺陷。相关人员必须了解其特点、分布规律和对超声波的反射特
25、性。 气孔 气孔是指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固前逸出，残存于焊缝之中所形成的空穴。其气体可能是熔池从外界吸收的，也可能是焊接冶金过程中反应生成的。 气孔的危害气孔减少了焊缝的有 效截面积，使焊缝疏松，从而降低了接头的强度，降低塑性，还会引起泄漏。气孔也是引起应力集中的因素。氢气孔还可能促成冷裂纹。 夹渣 夹渣是指焊后溶渣残存在焊缝中的现象。 夹渣的危害点状夹渣的危害与气孔相似，带有尖角的夹渣会产生尖端应力集中，尖端还会发展为裂纹源，危害较大。 未焊透 荆楚理工学院毕业设计（论文） 6 未焊透是指母材金属未熔化，焊缝金属没有进入接头根部的现象。 未焊透的危害：未焊透的危害之一是减少了焊缝的
26、有效截面积，使接头强度下降。其次，未焊透焊透引起的应力集中所造成的危害，比强度下降的危害大得多。未焊透严重降低焊缝的疲劳强 度。未焊透可能成为裂纹源，是造成焊缝破坏的重要原因。 未融合 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。 未熔合的危害：未熔合是一种面积型缺陷，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。 裂纹 焊缝中原子结合遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。 根据裂纹尺寸大小，分为三类： A 宏观裂纹 :肉眼可见的裂纹。 B 微观裂纹 :在显微镜下才能发现。 C 超显微裂纹 :在高倍数显微镜下才能发现，
27、一般指晶间裂纹和晶内裂纹。 3.2.2 使用过 程中出现的缺陷 焊接结构使用过程缺陷甚至失效形式有：脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。 脆性断裂：焊接结构的一种最为严重的断裂失效。通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失。其特点是裂纹扩展迅速，能量消耗远小于韧性断裂，断裂之前无明显的征兆。脆性断裂断口表面发亮，呈颗粒状，属于平直类型。 塑性断裂：金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的，结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变 形，在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈
28、等。在大多数材料中，拉伸塑性断口呈灰色纤维状，宏观上分为平直面和剪切面。 疲劳失效：零件或试样在整个疲劳失效过程中，不发生肉眼可见的宏观塑性变形。在多数情况下疲劳断裂是突然发生的，因而这种断裂方式给焊件失效前的预报和预防工作带来一定的困难。一个典型的疲劳断口往往由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成。这种独特的形貌是区别于其他断裂形式的极为重要的凭证。 应力腐蚀断裂：它是一种远低于金属屈服点的拉应力与化学侵蚀共同作用的破坏过程。纯金属对该类破坏的敏感性比 不纯的金属低的多，而纯二元合金对该类破坏一般都是很敏感的。裂纹常常产生大量的分叉，并在大致垂直于影响它们产生和扩展的拉应力方向连续扩展。在这种情况下，细小的裂纹会深深地扩展进焊件之中而表面又呈现出模糊不清的腐蚀迹象。荆楚理工学院毕业设计（论文） 7 4 超声波无损探伤实验 4.1 超声波探伤实验器材及 实验操作 实验中采用 PXUT320C 型数字式超声波探伤仪，见图 4-1。采用的试块为300X300X22mm 的 对焊 平板，材料为 铸铁 ，见 图 ,4-2。实验中用到的试品 及基本参数 详见表4-1。 图 4-1 PXUT-320C 型数字式超声波探伤仪
