超声波无损检测在蜗壳焊缝质量检测中的应用

张永睿， 李 志

(四川二滩建设咨询有限公司，四川成都 610051)

1 超声波无损检测的基本原理

超声波无损检测主要是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术，主要是基于超声波在试件中的传播特性。检测过程如下:

(1)声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件;

(2)超声波在试件中传播并与试件材料及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变;

(3)改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析;

(4)根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

2 超声波无损检测在蜗壳焊缝质量检测中的应用

金属蜗壳是水轮机的一个重要组成部分，随着机组型号越来越大，蜗壳尺寸也随之增大，整个金属蜗壳必然分为多节，每节由多个瓦片组成，必然涉及到多个瓦片的拼装以及管节的组对，存在多条纵缝及环缝，在《水电水利工程水轮机金属蜗壳现场制造安装及焊接工艺导则》DL5070—1997中对纵缝及环缝定义:“3.0.3纵缝 与蜗壳环向水流方向一致的焊缝，即蜗壳瓦片间组合焊缝。3.0.4环缝 与蜗壳环向水流方向垂直的焊缝，即蜗壳单节间的组合焊缝。”

鉴于以上所述金属蜗壳的质量主要取决于焊缝质量，采用何种无损检测方法检查焊缝质量，在《水电水利工程水轮机金属蜗壳现场制造安装及焊接工艺导则》DL5070—1997中，第“8.0.3焊缝内部无损检测可选用超声波检测(代号UT)或射线检测(代号RT)方法。当其中一种无损检测方法检查有疑问时，应采用另一种无损检测方法复查。焊缝表面可选用磁粉检测有关规定或渗透检测有关规定。”由于射线检测(代号RT)对环境要求高，对检测人员身体有可能造成伤害，加之经济成本比较高，因而焊缝内部无损检测一般采取超声波检测(代号UT)，焊缝表面可选用磁粉检测(代号MT)。

一般的焊缝内常见的缺陷有:气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等。到目前为止，超声波检测还没有一个成熟的方法对缺陷的性质进行准确的评判，只是根据荧光屏上得到的缺陷波的形状和反射波高度的变化结合缺陷的位置和焊接工艺对缺陷进行综合估判。

2.1 气 孔

2.1.1 缺陷波在探伤仪荧光屏上的显示

单个气孔回波高度低，波形为单缝，较稳定。从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头即消失，密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。

2.1.2 气孔产生的原因

焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成空穴。由于气孔的存在，焊缝的有效截面减小，过大的气孔会降低焊缝的强度，破坏焊缝金属的致密性。产生气孔的主要原因是坡口边缘不清洁，有水份、油污和锈迹，焊条或焊剂未按规定进行烘焙，焊芯锈蚀或药皮变质、剥落等。

2.1.3 防止产生气孔的主要措施

选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘的水份、油污和锈迹，严格按规定保管、清理和烘焙焊接材料，不使用变质的焊条。当发现焊条药皮变质、剥落或焊芯锈蚀时，应严格控制其使用范围。

2.2 夹 渣

2.2.1 缺陷波在探伤仪荧光屏上的显示

点状夹渣回波信号与点状气孔相似，条状夹渣回波信号多呈锯齿状、波幅不高，波形多呈树枝状，主峰边上有小峰，探头平移波幅有变动，从各个方向探测时，反射波幅不相同。

2.2.2 夹渣产生的原因

焊后残留在焊缝中的熔渣和气孔一样，由于夹渣的存在，焊缝的有效截面减小，过大的夹渣也会降低焊缝的强度和致密性。产生夹渣的主要原因是焊件边缘有氧割或碳弧气刨熔渣，坡口角度或焊接电流太小，或焊接速度过快。在使用酸性焊条时，由于电流小或运条不当形成夹渣;使用碱性焊条时，由于电弧过长或极性不正确也会造成夹渣。

2.2.3 防止产生夹渣的主要措施

正确选择坡口尺寸，认真清理坡口边缘，选用合适的焊接电流和焊接速度，运条摆动要适当;多层焊时，仔细观察坡口两侧的熔化情况，每一层都要认真清理焊渣。

2.3 未焊透

2.3.1 缺陷波在探伤仪荧光屏上的显示

反射率高、波幅也较高，探头平移时，波形较稳定，在焊缝两侧检测时均能得到大致相同的反射波幅。

2.3.2 未焊透产生的原因

产生未焊透的主要原因是焊件装配间隙或坡口角度太小，焊件边缘有较厚的锈蚀，焊条直径太大，电流太小，运条速度过慢以及电弧太长、极性不正确等。

2.3.3 防止产生未焊透的措施

合理选用焊接电流和速度，正确选取坡口尺寸，封底焊清根要彻底，运条摆动要适当，密切注意坡口两侧的熔化情况。

2.4 未熔合

2.4.1 缺陷波在探伤仪荧光屏上的显示

探头平移时，波形较稳定，两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。

2.4.2 未熔合产生的原因

坡口不干净、焊速太快、电流过小或过大、焊条角度不对、电弧偏吹等。

2.4.3 防止产生未熔合的措施

正确选用坡口和电流，正确操作，防止焊道形成中间高、两侧低的现象，将坡口清理干净，不留焊缝死角等。

2.5 裂 纹

2.5.1 缺陷波在探伤仪荧光屏上的显示

回波高度较大、波幅宽，会出现多峰，探头平移时，反射波连续出现波幅有变动;探头转动时，波峰有上下错动现象。

2.5.2 裂纹产生的原因

裂纹分为热裂纹和冷裂纹。

产生热裂纹的主要原因:焊接熔池中存在有低熔点杂质。由于杂质熔点低，结晶凝固最晚，而且凝固以后的塑性和强度又极低，因此，当外界结构拘束力足够大时，由于焊缝金属的凝固收缩以及不均匀的加热和冷却作用，熔池中的低熔点杂质或在凝固的过程中就被拉开，或凝后不久被拉开，从而造成晶间开裂，即热裂纹。

产生冷裂纹的原因:在焊接热循环作用下，热影响区生成淬硬组织，焊缝中存在过量的扩散氢且具有浓集的条件，接头承受有较大的约束应力。

2.5.3 防止产生裂纹的措施

防止产生热裂纹的措施:认真把好材料关，压力钢管使用的钢板和焊接材料应具有出厂质量证明书。严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，遵守工艺规格，适当提高焊缝形状系数;尽可能采用小电流、多层、多道焊，以避免焊缝中心产生裂缝。认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序，以减少焊接应力。

防止产生冷裂纹的措施:选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量;严格遵守焊接材料的保管、烘焙、使用制度，谨防受潮;仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源;采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，减小焊接应力。

3 结语

通过简单阐述超声波无损检测原理，就蜗壳焊缝中容易出现的气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等5类缺陷在探伤仪荧光屏上的显示做了简单描述，同时分析了缺陷产生的原因，提出了防止产生缺陷的措施。超声波无损检测不仅能检测焊缝内部存在的缺陷，还能有针对性地采取防止缺陷产生的措施，确保焊缝质量，从而保证金属蜗壳质量。