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                   20(G)板不同焊接缺陷的磁記憶信號(hào)檢測(cè)分析（安全）

                     孫燕華^1,2王威強(qiáng)^1，3宋明大²閆紀(jì)憲²

（1．山東大學(xué)  濟(jì)南  250061）（2．山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院  濟(jì)南250101）（3．山東省特種設(shè)備安全工程技術(shù)研究中心  濟(jì)南250061）

摘要：使用TSG-2M-8型應(yīng)力集中磁記憶測(cè)試儀對(duì)1 5塊材質(zhì)為20鋼的焊接試塊表面磁場(chǎng)進(jìn)行掃描測(cè)試，通過(guò)與射線、超聲、TOFD三種試塊無(wú)損檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)磁記憶信號(hào)能有效反應(yīng)氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。存在氣孔、未焊透、夾渣等缺陷時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，存在裂紋或未熔合等缺陷時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線則出現(xiàn)峰值�？衫�用該特征對(duì)在役特種設(shè)備焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：磁記憶焊接缺陷無(wú)損檢測(cè)   中圖分類號(hào)：X924.1    

文章編號(hào)：1673-257X(2016)05-0033-05    DOI：10. 3969/j  .issn .16 73-257X.2016. 05. 007

  在焊接過(guò)程中，焊縫中會(huì)有殘余磁化現(xiàn)象產(chǎn)生，其殘余磁化分布的方向和性質(zhì)完全取決于焊接完成后金屬冷卻時(shí)殘余應(yīng)力的分布和焊接工藝缺陷的性質(zhì)。散射磁場(chǎng)具有突躍性變化。通過(guò)測(cè)量在焊接過(guò)程中形成的散射磁場(chǎng)變化，可以完成對(duì)焊接實(shí)際狀態(tài)的整體鑒定Ⅲ。

    目前國(guó)內(nèi)有關(guān)金屬磁記憶方法或檢測(cè)的文獻(xiàn)中，大多是對(duì)表面缺陷或開(kāi)口缺陷的研究，而鮮少對(duì)金屬焊縫的埋藏缺陷的研究。李光霽等用金屬磁記憶法進(jìn)行焊接缺陷檢測(cè)，驗(yàn)證了磁記憶檢測(cè)方法的有效性，取得了一些有益的經(jīng)驗(yàn)。李運(yùn)濤等以HP345基氣瓶瓶身內(nèi)壁加工的尖角槽為隱藏缺陷，研究了缺陷對(duì)磁記憶信號(hào)的影響，提出了通過(guò)加載識(shí)別真?zhèn)涡盘?hào)的方法。俄羅斯學(xué)者杜波夫闡述了焊接工件固有磁場(chǎng)參數(shù)與缺陷特點(diǎn)之間的聯(lián)系，提出了用金屬磁記憶法評(píng)估管道焊接質(zhì)量的準(zhǔn)則。前期學(xué)者未對(duì)典型缺陷進(jìn)行系統(tǒng)性檢測(cè)分析，尚無(wú)對(duì)各種缺陷下磁記憶信號(hào)的特點(diǎn)的對(duì)比性研究，筆者對(duì)含缺陷的焊接試塊進(jìn)行試驗(yàn)，分析了磁記憶信號(hào)對(duì)不同缺陷的敏感程度及信號(hào)特征。不同缺陷對(duì)于磁記憶信號(hào)的反應(yīng)可用于在線檢

測(cè)特種設(shè)備焊接缺陷的存在。

1試驗(yàn)方案

    選用規(guī)格為20mmx 300mmx300mm的20鋼板對(duì)接焊縫試塊，首先采用TSC-2M-8型八通道應(yīng)力集中磁記憶測(cè)試儀沿焊縫掃查，然后按縱向分區(qū)1～6垂直焊縫進(jìn)行掃查，箭頭表示掃查方向，如圖1所示。儀器設(shè)置測(cè)試步長(zhǎng)為1mm，探頭提離試塊表面5mm�？紤]地磁場(chǎng)影響，試塊在同一位置進(jìn)行測(cè)量。

    試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁記憶信號(hào)有突變現(xiàn)象，為確定突變信號(hào)所示缺陷類型，對(duì)焊接試塊分別進(jìn)行RT、UT及TOFD檢測(cè)，并保留檢測(cè)結(jié)果。UT檢測(cè)儀器型號(hào)CTS-9003，探頭規(guī)格2.5P 8x12 K2; TOFD檢測(cè)儀器型號(hào)Olympus MXU-2.OR10，TOFD檢測(cè)礙于探頭尺寸，試塊兩端各有25mm檢測(cè)死區(qū)。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1  試塊010檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

    圖2是其中試塊編號(hào)為010的對(duì)接焊縫（含夾渣、未焊透、裂紋等缺陷）在不加載狀態(tài)下不同無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果。

試塊010的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)磁記憶檢測(cè)曲線與其他無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)比分析可知，Hp-1曲線可靈敏的檢測(cè)出缺陷的位置，而且背掃曲線較正掃曲線更明顯。由UT及TOFD檢測(cè)的缺陷深度可知，磁記憶檢測(cè)對(duì)近表面的缺陷更為敏感。

    夾渣是焊縫中殘留的熔渣。固體夾渣屬于體積缺陷，焊縫表面只有輕微受損，由于沒(méi)有出現(xiàn)明顯縫隙，焊縫缺陷處的應(yīng)力集中比較明顯，磁場(chǎng)梯度值明顯增大。

  未焊透是指焊接金屬母材之間，未被電弧熔化而留下的空隙。掃查到空隙處時(shí)，磁力線通過(guò)的介質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致缺陷端部會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線過(guò)0點(diǎn)。

    裂紋是在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下使焊接接頭局部地區(qū)的金屬原子結(jié)合力遭到破壞，而形成新的界面。鐵磁材料被磁化后，只要材料的形狀不是閉合形的或不是無(wú)限長(zhǎng)的，材料內(nèi)部的總磁場(chǎng)強(qiáng)度將小于外磁場(chǎng)強(qiáng)度。按磁荷的觀點(diǎn)，磁場(chǎng)是由正到負(fù)，退磁場(chǎng)的大小與磁荷數(shù)值及材料的形狀有關(guān)。磁力線在通過(guò)裂紋處時(shí)空間介質(zhì)發(fā)生改變，或金屬中通過(guò)的磁力線數(shù)量發(fā)生改變，從而使磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化。

2.2試塊008各種檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

  圖3是其中試塊編號(hào)為008的對(duì)接焊縫（含氣孔、未熔合等缺陷）在不加載狀態(tài)下不同無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果。試塊008的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示見(jiàn)表2，檢測(cè)結(jié)果與試塊010相符，均為近表面信號(hào)明顯。

  氣孔是焊接溶池在高溫時(shí)吸收了過(guò)多的氣體，而在冷卻時(shí)氣體在金屬中的溶解度急劇下降，氣體來(lái)不及逸出而殘留在焊縫金屬中形成的。在磁記憶檢測(cè)過(guò)程中，由于氣孔的存在，曲線會(huì)產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)的現(xiàn)象，且位置偏差一般不會(huì)超過(guò)5mm。

    未熔合是焊縫金屬與母材之間，多焊道時(shí)焊縫金屬之間彼此沒(méi)有完全熔合在一起的現(xiàn)象。當(dāng)母材坡口或前一層焊縫表面有銹或臟物，焊接時(shí)由于溫度不夠，未將其熔化而覆蓋上填充金屬，就形成層間或邊緣未熔合，其磁記憶機(jī)理與裂紋缺陷類似，在缺陷后端磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度會(huì)出現(xiàn)最大值。

2.3試塊010分區(qū)縱向掃查結(jié)果

    分區(qū)縱向掃查結(jié)果如圖4所示。2#區(qū)域（夾渣）焊縫左側(cè)邊緣Hp-6線過(guò)零點(diǎn)，焊縫中間偏右位置Hp-1線出現(xiàn)反向最大值，與RT顯示的缺陷位置（見(jiàn)圖2）相符。3#區(qū)域（未焊透）焊縫左右兩側(cè)邊緣Hp-1線出現(xiàn)反向最大值-138A/m及-125.75A/m，焊縫中間偏右位置Hp-6線過(guò)零點(diǎn)，磁場(chǎng)梯度出現(xiàn)峰值dH1/dx: 8.2 (A/m)/m，與RT顯示的缺陷位置(如圖2)相符。5#區(qū)域（裂紋）焊縫兩側(cè)dH1/dx出現(xiàn)峰值dH1/dx: 10 (A/m)/m及9.5 (A/m)/m，焊縫中間

位置Hp-1線出現(xiàn)反向最大值-185.6A/m，與RT顯示的缺陷位置（見(jiàn)圖2）相符。焊縫兩側(cè)出現(xiàn)突變信號(hào)的位置處于焊接熱影響區(qū)。

3結(jié)果討論與分析

    UT檢測(cè)是利用超聲波的良好的方向性，在不同介質(zhì)的界面邊緣會(huì)發(fā)生折射、反射及波的轉(zhuǎn)換，通過(guò)獲取缺陷界面的回波檢測(cè)缺陷的位置及尺寸。RT檢測(cè)是基于射線對(duì)材料的穿透能力強(qiáng)，當(dāng)遇到一定尺寸的缺陷存在時(shí)其衰減會(huì)發(fā)生較大改變，穿透材料的射線強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，從而表現(xiàn)在膠片上。而TOFD檢測(cè)采用一發(fā)一收兩個(gè)寬帶窄脈沖探頭進(jìn)行檢測(cè)，探頭相對(duì)于焊縫中心線對(duì)稱布置。發(fā)射探頭產(chǎn)生非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面?zhèn)鞑ケ唤邮仗筋^接收，部分波束經(jīng)底面反射后被探頭接收。接收探頭通過(guò)接收缺陷尖端的衍射信號(hào)及其時(shí)差來(lái)確定缺陷的位置和自身高度。磁記憶檢測(cè)利用外磁場(chǎng)（地球磁場(chǎng)）下的漏磁場(chǎng)變化，檢測(cè)缺陷存在位置，鐵磁材料的內(nèi)部磁場(chǎng)在遇到缺陷時(shí)，磁路中材料介質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，磁導(dǎo)率隨之改變，部分磁感應(yīng)線發(fā)生偏離，從而產(chǎn)生表面漏磁場(chǎng)。

    經(jīng)分析可知，TOFD檢測(cè)所檢測(cè)出的缺陷長(zhǎng)度比UT及RT檢測(cè)缺陷長(zhǎng)度要長(zhǎng)；UT與RT檢測(cè)結(jié)果相近。當(dāng)存在應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，所有通道會(huì)同時(shí)出現(xiàn)符號(hào)的改變；通道上出現(xiàn)磁場(chǎng)分量Hp突然的不同極性分布，或者是某個(gè)通道的劇烈跳變表現(xiàn)了殘余應(yīng)力水平，對(duì)于焊縫表明在焊縫體中有局部缺陷。磁記憶檢測(cè)結(jié)果顯示：

    1)存在夾渣時(shí)，缺陷端部會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線過(guò)0點(diǎn)，吻合程度達(dá)85%以上，磁場(chǎng)梯度出現(xiàn)最大值；

    2)存在未焊透時(shí)，缺陷端部會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線過(guò)0點(diǎn)，背掃曲線信號(hào)更為明顯，吻合程度達(dá)80%;

    3)存在裂紋時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線在缺陷前端出現(xiàn)反向峰值，缺陷后端出現(xiàn)正向峰值；

    4)存在未熔合時(shí)，缺陷后端磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)最大值，偏差在20mm內(nèi)；

    5)存在氣孔時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)過(guò)0點(diǎn)，吻合程度可達(dá)80%。    

6)縱向掃查結(jié)果在缺陷處信號(hào)更明顯，但焊縫邊緣及熱影響區(qū)域會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾，無(wú)法完全準(zhǔn)確的判斷缺陷位置及缺陷類型。

4結(jié)論

    磁記憶信號(hào)能有效反應(yīng)氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷，但無(wú)法明確缺陷類型，且熱影響區(qū)等無(wú)缺陷的部位也會(huì)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。存在氣孔、未焊透、夾渣等缺陷時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，且有夾渣時(shí)，磁場(chǎng)梯度出現(xiàn)最大值；存在裂紋或未熔合等缺陷時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線則出現(xiàn)峰值。為進(jìn)一步進(jìn)行加載狀態(tài)下缺陷處磁記憶信號(hào)的檢測(cè)分析提供了基礎(chǔ)。可利用該特征對(duì)在役特種設(shè)備焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，且操作方便，不受空間限制，可大大提高檢測(cè)效率。