高頻焊接鋼管焊縫的超聲波自動(dòng)檢測工藝

咼頻焊接鋼管焊縫的超聲波自動(dòng)檢測工藝摘要:在高頻焊接鋼管焊縫自動(dòng)超聲波檢測的實(shí)際工作中，精確的焊縫跟蹤較難實(shí)現(xiàn),易影響檢測的可靠性。通過對(duì)超聲波檢測技術(shù)進(jìn)行分析，利用6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)進(jìn)行檢測，提出了一套超聲波檢測新工藝。實(shí)踐證明:該工藝可以在焊縫跟蹤不精確的情況下實(shí)現(xiàn)可靠的超聲波檢測，為高頻焊接鋼管焊縫自動(dòng)超聲波檢測提供了一套有效的檢測方法。高頻焊（HFW）是在20世紀(jì)50年代初被提出并應(yīng)用于生產(chǎn)的。它是利用流經(jīng)工件連接面的高頻電流所產(chǎn)生的電阻熱加熱，并在施加（或不施加）頂鍛力的情況下,使工件金屬間實(shí)現(xiàn)相互連接的一類焊接方法。目前，高頻焊在管材制造方面獲得了廣泛應(yīng)用。為保證HFW鋼管的質(zhì)量，一些制管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了HFW鋼管焊縫應(yīng)進(jìn)行100%超聲波檢測。HFW鋼管的生產(chǎn)效率很高，一條制管生產(chǎn)線的日產(chǎn)量可達(dá)上萬米,僅靠手工超聲波檢測是無法有效完成的，因此通常采用自動(dòng)檢測和手工復(fù)查組合的形式來實(shí)現(xiàn)焊縫的100%超聲波檢測。通常來講，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的焊縫自動(dòng)超聲波檢測必須要解決好焊縫跟蹤的問題。HFW焊縫外毛刺在焊接過程中已通過機(jī)械方法去除,焊縫一般較光滑平齊，這使得采用機(jī)械導(dǎo)向方式無法跟蹤;另外由于焊接和熱處理的作用，會(huì)在HFW焊縫區(qū)域形成一條顏色與管體存在差異的色帶,但其顏色對(duì)比度不大，采用焊縫影像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)跟蹤也較難實(shí)現(xiàn);而通過激光點(diǎn)和監(jiān)視器可以對(duì)該色帶進(jìn)行手動(dòng)跟蹤，但跟蹤精度不高,其跟蹤偏差僅能控制在色帶區(qū)域范圍之內(nèi);再者，焊接時(shí)可在鋼管外表面的定位置沿鋼管軸向噴油漆線，超聲波自動(dòng)檢測時(shí)通過跟蹤油漆線影像可以實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤，但這種方式也是存在跟蹤偏差的。所以在實(shí)際的HFW鋼管焊縫自動(dòng)超聲波檢測中，精確的焊縫跟蹤較難實(shí)現(xiàn)。為此筆者通過對(duì)超聲波檢測技術(shù)進(jìn)行分析，提出了一套不要求精確的焊縫跟蹤，但可以保證檢測可靠性的超聲波檢測新工藝。1超聲波檢測技術(shù)分析1.1超聲波在鋼板試塊中的傳播分析為了方便研究，先就超聲波在鋼板試塊中的傳播情況進(jìn)行分析。將型號(hào)為2.5P8X12K2的沖水式斜探頭置于10mm厚的鋼板試塊上，如圖1所示。設(shè)探頭內(nèi)有機(jī)玻璃中縱波聲速CL1為2730m/s，鋼板試塊中橫波聲速CS2為3230m/s,探頭實(shí)測K值為2,晶片中心距入射點(diǎn)距離為12mm,忽略耦合層對(duì)聲束的影響。fflIOHB聲束的入射和折射不意圏對(duì)于實(shí)際檢測,6dB聲束（即幅值下降6dB時(shí)的聲束）相對(duì)于0dB聲束更具有實(shí)際意義，在以上條件下，按下式可求得超聲波在探頭內(nèi)的6dB聲束半擴(kuò)散角Y：Siny=FX/Ds (1)式中入-介質(zhì)中的波長；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°由折射定律和幾何關(guān)系可求得超聲波在探頭中6dB聲束邊緣的入射角A上和A下分別為上 下51.8°和46.4°;在鋼板中的6dB折射聲束邊緣的折射角B上和B下分別為68.4°和59°。上 下6dB折射聲束在鋼板中傳播的過程中，在距離中心聲束入射點(diǎn)O分別為X］和x2的兩個(gè)區(qū)域可以形成聲束的全壁厚覆蓋，如圖2所示。由反射定律和幾何關(guān)系可以求得x1和x2分別為65.8和82.4mm,兩個(gè)6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)域?qū)挾萢和b分別為6.2和13.2mm。若在該條件下聲束繼續(xù)傳播，在距離中心聲束入射點(diǎn)為x3(即99mm)之后便可形成連續(xù)的6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)。圖26(tB折射聲束在鋼扳中傳播的可遺圖1.2超聲波在檢測HFW鋼管焊縫時(shí)的傳播分析超聲波在檢測HFW鋼管焊縫時(shí)的傳播情況與超聲波在鋼板試塊中的傳播情況有著類似規(guī)律，在圖3中區(qū)域a,b和c均為6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)，其中c為連續(xù)的6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)。圖3 (1R折肘聲束在HFW鋼管中傳播的不意圖由上述分分析可見：6dB折射聲束隨著傳播距離的增大，聲束在特定區(qū)域會(huì)間斷出現(xiàn)聲束的全壁厚覆蓋，并且距探頭越遠(yuǎn)的6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)其寬度也越大。當(dāng)聲束傳播至某一點(diǎn)之后將會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)。2HFW鋼管焊縫超聲波檢測工藝設(shè)計(jì)在檢測HFW鋼管的縱焊縫時(shí),如焊縫未處于6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)，將需要采用多個(gè)探頭組合的形式來實(shí)現(xiàn)焊縫整個(gè)截面的檢測，檢測過程中若探頭與焊縫距離發(fā)生變化將引起漏檢;如焊縫處于6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)，那么探頭相對(duì)于焊縫位置的變化將被控制在一定的范圍內(nèi),只要保證足夠的檢測靈敏度，便不會(huì)引起漏檢;如焊縫處于連續(xù)的。 6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)，只要保證最大偏移量處有足夠的檢測靈敏度，便不會(huì)引起漏檢。可見有效地利用6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)進(jìn)行檢測可以在一定程度上彌補(bǔ)跟蹤偏差。基于此，筆者從探頭選用、布置及檢驗(yàn)要求等方面進(jìn)行如下工藝設(shè)計(jì)。2.1探頭的選用探頭采用2.5P8X12K1，215P8X12K1.5和215P8X12K2沖水式斜探頭。為使6dB聲束能掃查到鋼管內(nèi)壁，應(yīng)根據(jù)鋼管管徑和壁厚選擇合適的檢測探頭，具體針對(duì)每種管徑和壁厚選擇的探頭見表1，表1中N表示采用2.5P8X12K2探頭，II表示采用2.5P8X12K1.5探頭，III表示采用2.5P8X12K1探頭。董]flwr-as<in,^ 4,殆芒Min國加鷲佚路用亞亦■產(chǎn)炭主蜚邸■楚B1'.IIkI1'inhe^^e-kcikiiiiAitiE6dR節(jié)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礙IhJiI!.P>2]_IlII?J-JJSftIII'■3*.KiIII「Ik4HiI.TbHNl||4QftaIIIJIMS.*Ill2.P■2ftMIt44aII.PlIIIi」~T?U+libtJK]?gIL*hf-1-jJ1.D?I5礙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.務(wù)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(jì)+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聲束全壁厚覆蓋區(qū)的確定設(shè)探頭實(shí)測K值為標(biāo)稱K值,2.5P8X12kl,2.5P8X12kl.5t和2.5p8X12k2沖水式探頭的晶片中心距入射點(diǎn)的距離分別為8.5,10.5和12mm。忽略耦合層對(duì)聲束的影響以及入射點(diǎn)部位因曲面引起的入射角度變化，由于鋼管弧長的計(jì)算較為繁瑣,筆者通過計(jì)算機(jī)模擬繪圖確定出各規(guī)格鋼管的6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)，見表1。表1中a,b,c和d分別為第1,2,3和4個(gè)6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)的寬度;x1,x2,x3和x4分別為第1,2,3和4個(gè)6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)到中心聲束入射點(diǎn)的距離；“a”表示該6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)為連續(xù)的6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū);“-”表示上一個(gè)6dB聲束全壁覆蓋區(qū)已經(jīng)為連續(xù)的,不存在間斷的6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū)。2.3標(biāo)樣管的設(shè)計(jì)鋼管自動(dòng)超聲波檢測的標(biāo)樣管應(yīng)與檢測鋼管的規(guī)格相同，按標(biāo)準(zhǔn)要求在標(biāo)樣管上加工人工標(biāo)樣，可檢測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)也可用以驗(yàn)證檢測系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性。在跟蹤偏移量為土10mm的情況下,為能準(zhǔn)確標(biāo)定檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)樣管如圖4所示。圖4中人工標(biāo)樣C為在焊縫中心的①3.2mm豎通孔;人工標(biāo)樣A,B,H和I為N10內(nèi)刻槽（為了工方便設(shè)計(jì)在標(biāo)樣管的兩端）;人工標(biāo)樣D,E,F和G為N10外刻槽。

焊縫EFGH1焊縫EFGH1圖4自動(dòng)超聲液檢測標(biāo)樣管的人匸標(biāo)樣分布圈5“町2.4探頭的布置及校驗(yàn)要求采用四個(gè)探頭同時(shí)進(jìn)行檢測，探頭的布置圖見圖5,校驗(yàn)要求見表2。每個(gè)探頭應(yīng)保證有5mm寬的檢測范圍處于6dB聲束全壁厚覆蓋區(qū),為此應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：圖5檢測抹頭布置圈>2檢測探頭的布置及校驗(yàn)要求Tab.2AitarigrrnrnlLin<1irisprilioi]r?[uiremerits探頭入射點(diǎn)別焊縫中心葩離要求報(bào)警的編號(hào)>7mm標(biāo)樣編號(hào)F+5扎1)、Cb15UEfII扎，亂D,Fh2410G,HJ按表1選取X值時(shí)，所選X值對(duì)應(yīng)的6dB聲束全壁厚檢測區(qū)寬度應(yīng)不小于8mm。校驗(yàn)前，按表2中的y值調(diào)整各探頭的位置并鎖緊。在校驗(yàn)過程中僅允許探頭架位置進(jìn)行整體加微調(diào)，即四個(gè)探頭同時(shí)移動(dòng)以保證相對(duì)位置不變。在校驗(yàn)完畢后的整個(gè)檢測過程中應(yīng)通過焊縫跟蹤裝置對(duì)探頭架位置整體調(diào)節(jié)以保證焊縫跟蹤精度在①10mm之內(nèi)。3工藝評(píng)價(jià)按上述工藝進(jìn)行檢測，當(dāng)焊縫跟蹤無偏移時(shí)，探頭al和bl可以同時(shí)完成焊縫檢測;當(dāng)焊縫跟蹤偏移量為0~5mm時(shí)，探頭al或bl可以完成焊縫檢測;當(dāng)焊縫跟蹤偏移量為5?10mm時(shí),探頭a2或圖4自動(dòng)超聲波檢測標(biāo)樣管的人工標(biāo)樣分布圖(mm)b2可以完成焊縫檢測。所以,按上