打底層焊道裂紋的優(yōu)化檢測方法

陳志強

（河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071005）

在焊接金屬的過程中，熱裂紋經(jīng)常出現(xiàn)在固液相共存的階段，特別是在多層焊的打底層焊道焊接時更易出現(xiàn)，并且分布在焊縫的中心，沿焊縫的軸向呈縱向連續(xù)或斷續(xù)分布。通過放大鏡目視，其裂口處有較明顯的氧化層淺藍(lán)色彩，表面無光澤，并呈現(xiàn)鋸齒狀。其在焊縫橫截面上呈現(xiàn)不同的深度，一般在0.5～2mm，淺的＜0.1mm，只有借助放大鏡或磁粉檢測等手段才可發(fā)現(xiàn)其痕跡［1］。

裂紋在焊接過程和最終產(chǎn)品的檢查驗收中是不允許存在的。對于焊接過程中出現(xiàn)的裂紋，必須徹底去除，并且應(yīng)從工藝的角度進(jìn)行研究，證明焊接工藝的可行性和查找出裂紋產(chǎn)生的原因，從而完善和優(yōu)化焊接工藝參數(shù)以及防范措施，使焊接工藝規(guī)范更加適合現(xiàn)場不利的焊接條件，達(dá)到杜絕裂紋的目的。因為焊接過程中呈現(xiàn)在焊縫橫截面上較深的＞0.5mm的熱裂紋，在后續(xù)的焊接過程中，由于應(yīng)力的釋放，可能會導(dǎo)致裂紋的進(jìn)一步擴展，延伸至上一層填充焊道，最終導(dǎo)致貫穿性裂紋。對于分布于焊縫橫截面淺表面的＜0.5mm的熱裂紋，在后續(xù)的填充焊接時，采用合理的工藝焊接參數(shù)，會重新液化微裂紋，達(dá)到消除的目的，進(jìn)一步的試驗也證明了這一點。為此，對打底焊層出現(xiàn)的宏觀裂紋的控制和檢驗是焊接過程和最終檢驗的重點，特別是船舶的雙層底結(jié)構(gòu)的外底板和船體的主甲板搭載焊接。由于雙層底結(jié)構(gòu)是船體的整體受力結(jié)構(gòu)，除承受主要載重外，還受海水的腐蝕和外界的沖擊載荷，焊縫打底層裂紋的存在會減少船體的整體使用壽命，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。主甲板是船體上部模塊的主要承載部分，除承受上部模塊的重量外，還主要承受來自外界惡劣環(huán)境對上部模塊的沖擊，而沖擊可能導(dǎo)致主甲板的撕裂，為此焊縫的質(zhì)量也是至關(guān)重要［2－3］。

為了確保這兩部分結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，根據(jù)相應(yīng)的建造規(guī)范、設(shè)計要求和檢驗標(biāo)準(zhǔn)，不同程度地合理安排了檢驗的關(guān)鍵部位和驗收的等級。為了確保結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和裂紋的有效控制，采用最佳無損檢測方法和與相應(yīng)驗收等級的匹配以及合理布置檢測關(guān)鍵點是質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵。因為無損檢測方法的合理布置和選用可以確保檢測的全面性和對焊縫結(jié)構(gòu)質(zhì)量的整體評價，特別是對缺陷的特征評價。因此通過對焊道打底層裂紋缺陷的有效檢出是評價檢測方法是否合理的關(guān)鍵因素，裂紋缺陷的檢出率成為優(yōu)化無損檢測方法及工藝的重要指標(biāo)。并且通過獲取的缺陷類型和質(zhì)量信息，對焊接工藝規(guī)范進(jìn)行適度的調(diào)整和糾正，也可以優(yōu)化焊接工藝，穩(wěn)定焊接質(zhì)量。

1 無損檢測方法的選擇

1.1 檢測方法與檢測時機

無損檢測是指對材料或構(gòu)件在不進(jìn)行整體破壞和損壞其使用性能的情況下，利用物理或化學(xué)的方法，對材料或構(gòu)件的整體或部分進(jìn)行檢測、測量和評價的一門學(xué)科。通常情況下，應(yīng)用較廣的檢測方法包括目視檢查、超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測和滲透檢測等。

根據(jù)焊縫建造完工的情況和無損檢測實施的時機和所達(dá)到的目的，把無損檢測劃分為完工檢測和過程檢測。完工檢測是指構(gòu)件焊接結(jié)束，并且完成尺寸測量、外觀檢驗以及后續(xù)工藝處理后對合格的焊縫進(jìn)行的檢測，主要對焊縫的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測，一般采用超聲波檢測或射線檢測方法。過程檢測是指對沒有完工的構(gòu)件在焊接過程中因出現(xiàn)異常情況而進(jìn)行的檢測措施，過程檢測可消除產(chǎn)生的缺陷，避免財力、物力浪費和產(chǎn)生后續(xù)大量的廢品，而影響生產(chǎn)效率和工程的進(jìn)度，同時也是及時查找產(chǎn)生缺陷的原因，重新調(diào)整工藝參數(shù)，穩(wěn)定焊接質(zhì)量的有效措施，一般包括目視檢驗、磁粉檢測和滲透檢測等方法。

1.2 優(yōu)化檢測方法的原則

不論是過程檢測還是完工檢測，各種檢測方法對裂紋缺陷檢出的有效性和效率以及成本、環(huán)境等因素是評價檢測工藝或方法選擇合理性的主要依據(jù)。

為了評價檢測方法的有效性，根據(jù)過程檢測或完工檢測出現(xiàn)裂紋的幾率是優(yōu)化檢測方法的首要原則。

根據(jù)規(guī)范，采用超聲波檢測到回波幅度在20%～50%DAC（距離－波幅曲線）的缺陷數(shù)量大，采用A型脈沖反射式超聲波儀器顯示的只有缺陷的反射回波波形，通過使用射頻顯示或包絡(luò)分析和多年積累的經(jīng)驗，可以判定回波的顯示是否是裂紋的影像和特征；對于這樣的缺陷顯示和返修數(shù)量，制造商也從未有過記錄，無法接受這樣的結(jié)果。

經(jīng)過協(xié)商，同意采用X射線檢測技術(shù)對超聲波檢測出的帶有異常信號的焊縫進(jìn)行重新抽檢并對比驗證。因為射線檢測技術(shù)可以在射線底片上顯示出缺陷的特征、分布及走向，進(jìn)而可以評定出缺陷的性質(zhì)。經(jīng)過對10個標(biāo)定的焊縫進(jìn)行X射線照相檢測，只有1個標(biāo)定的焊縫位置顯示為裂紋，其它9個標(biāo)定的焊縫無顯示或裂紋缺陷特征不明顯。其中顯示為裂紋缺陷的超聲波回波高度為50%DAC，而其它9處缺陷的回波高度為20%～36%DAC，但剖傷后磁粉檢測均顯示為裂紋缺陷，見圖1～4。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，無法給出確切的缺陷性質(zhì)。因此對超聲波檢測到的異?；夭ㄐ盘柕亩ㄐ孕枰娴木C合評價技術(shù)。

為了達(dá)到定性的準(zhǔn)確性和可靠性，除了上述兩種檢測方法外，試驗對檢測到帶有缺陷的焊縫進(jìn)行了剖傷，并進(jìn)行目視檢查、磁粉檢測或滲透檢測，對評價的可靠性做進(jìn)一步驗證。

2 裂紋缺陷的檢出率對比試驗

2.1 完工后焊縫的射線檢測和超聲波檢測對比試驗

在對焊縫根部進(jìn)行超聲波檢測時，由于板材的厚度為24.5mm，根據(jù)選擇傳感器的三原則以及檢測要達(dá)到的效果，傳感器主要采用5P10X10A70斜探頭，采用單面雙側(cè)進(jìn)行掃查。按照海洋工程結(jié)構(gòu)制造及檢驗規(guī)范（DNV－OS－C401）中規(guī)定的φ3mm×40mm試塊制作了DAC曲線，測長線為20%DAC，判廢線為50%DAC（特殊結(jié)構(gòu)）或100%DAC（主要結(jié)構(gòu)）。經(jīng)過對合攏焊縫進(jìn)行檢測，儀器顯示出的異常缺陷的反射波高在20%～50%DAC，缺陷分布在焊縫的中心位置，深度在0.5～3mm，波形單一而且方向性強，包絡(luò)較小，其動態(tài)顯示深度范圍在0.5～1μs左右，有的深度達(dá)到1.5μs。按照此特征應(yīng)判定是小裂紋。根據(jù)規(guī)范要求，不論波高大小，只要判定為裂紋等危險性缺陷，就應(yīng)返修。而且在檢測過程中，出現(xiàn)這種異常信號的焊縫長度達(dá)到檢測長度的45%，長度為324m。為此判定缺陷性質(zhì)成為驗收的關(guān)鍵。隨即對出現(xiàn)近50%DAC信號的位置進(jìn)行射線檢測對比試驗，在底片上顯現(xiàn)線性指示的焊縫長度占檢測的0.5%，長度累積0.54m。說明射線檢測方法對打底層出現(xiàn)的疑似小裂紋是不敏感的。圖5和6是超聲波檢測某一焊縫上缺陷位置分布圖和缺陷異常反射信號。圖7是異常信號缺陷的包絡(luò)圖，圖8是缺陷在焊縫斷面上的分布圖，圖9是帶有缺陷的打底焊道剖傷后目視檢查圖。

圖5 超聲波檢測某一焊縫缺陷位置分布

2.2 焊接打底層焊道過程質(zhì)量檢驗

為了進(jìn)一步分析缺陷的存在和產(chǎn)生的原因，對焊接的過程進(jìn)行了監(jiān)控和檢驗。

打底層焊道質(zhì)量檢驗主要采用目視檢驗、磁粉檢測或滲透檢測，是針對焊接過程進(jìn)行檢驗的主要手段。

2.2.1 目視檢驗打底層焊道裂紋類缺陷的特征及檢出率

對于視力正常或借助放大鏡等手段，視覺的分辨率可達(dá)到0.1mm，所以目視檢驗在焊接過程對質(zhì)量控制是非常重要并及時、準(zhǔn)確和可靠的，但對微小缺陷和缺陷的深度卻無法判定，有時人眼也易于疲勞，這也是它的局限性。圖10是目視檢測的裂紋缺陷圖，圖11是保留缺陷焊縫完工后超聲波檢測對照圖。檢出機率見表1，說明目視檢驗對打底層焊道裂紋缺陷的檢測是靈敏的。

表1 打底層焊道厚度值和相關(guān)檢測方法檢測到裂紋缺陷的機率關(guān)系

2.2.2 磁粉檢測打底層焊道裂紋類缺陷的特征及檢出率

表面缺陷通常采用便攜式交流磁軛法。通過試驗可以獲得磁粉檢測方法對裂紋的檢出率和裂紋的深度及長度之間的關(guān)系以及顯示的缺陷特征，如圖12［4］所示。打底層焊道的磁粉檢測發(fā)現(xiàn)的典型裂紋缺陷如圖13～15所示。從圖中可見，磁粉檢測對微小裂紋類缺陷的檢出率是很高的。

2.2.3 超聲波檢測、目視檢測及磁粉檢測打底層焊道裂紋類缺陷機率的對比

超聲波檢測和目視檢驗及磁粉檢測對裂紋的檢測敏感性和適用性的探討，就是通過這種直觀的視覺效應(yīng)來評定缺陷的類型，包括超聲波定位后對焊縫剖傷后的缺陷定性分析。通過目視檢驗和磁粉檢測這兩種表面檢測技術(shù)所發(fā)現(xiàn)的缺陷的數(shù)量和嚴(yán)重程度來評價焊接過程中工藝參數(shù)的變化和防范措施的有效性。相關(guān)檢測方法和打底層焊道厚度值及檢出裂紋的幾率見表1。

3 結(jié)論

通過大量的數(shù)據(jù)采集和分析，以及射線檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、磁粉檢測、滲透檢測、目視檢測以及宏觀剖傷等綜合檢測技術(shù)及方法的對照性試驗，最終確定了超聲波檢測技術(shù)和磁粉檢測技術(shù)作為控制打底層焊道質(zhì)量的主要手段，并給出了評定打底層焊道小裂紋缺陷的有效方法和波形特征，并可以得出如下可研性結(jié)論：

（1）超聲波檢測技術(shù)對完工后的打底層焊道中的裂紋類缺陷檢測是靈敏的。

（2）目視檢測和磁粉檢測對打底層焊道過程中出現(xiàn)的裂紋類缺陷檢測是靈敏的，快速的。

（3）應(yīng)用裂紋類缺陷的檢出率評價和優(yōu)化無損檢測方法的手段是有效和可行的。

（4）綜合性檢測評價提高了對缺陷定性的可靠性和全面性。

［1］劉桑.金屬型藥芯焊絲在船體大合攏口CO2單面焊中的應(yīng)用［J］.廣東造船，2005（4）：45－49.

［2］李生田，劉志遠(yuǎn).焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)代無損檢測技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000：12－13.

［3］王鴻斌.船舶焊接工藝［M］.北京：人民交通出版社，2006：63－85.

［4］陳國華.無損檢測檢出概率和缺陷尺寸分布規(guī)律的分析［J］.無損檢測，1997，12（8）：220－221.