付天孟 孫偉 李正利 楊東旭
摘要:鋁合金焊縫在超聲檢測中由于缺陷定位不準(zhǔn)而難以消除質(zhì)量缺陷,直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行?,F(xiàn)對微觀組織均勻度不同的鋁合金材料進(jìn)行了超聲參數(shù)測試及金相試驗(yàn),結(jié)果表明,結(jié)合材料聲學(xué)性能,合理選擇鋁合金試塊,能使超聲檢測精確度控制在2%以內(nèi)。
關(guān)鍵詞:超聲檢測;鋁合金;晶粒度
1 概述
目前,5083鋁合金因?yàn)榫哂辛己玫目垢g性、優(yōu)良的焊接性能而在電網(wǎng)GIS設(shè)備中被廣泛應(yīng)用,對GIS設(shè)備焊縫質(zhì)量的檢測越來越受到人們的重視[1]。在GIS設(shè)備現(xiàn)場檢測中,主要運(yùn)用射線及超聲波對焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測,但射線檢測只能確定缺陷的水平位置,很難確定缺陷深度,而超聲檢測可以很好地彌補(bǔ)上述缺陷,同時(shí),超聲檢測還具有安全、操作方便、效率高等優(yōu)點(diǎn)。
鋁合金材料與鋼的聲速不同,其各向異性對超聲波聲場的影響很大,在超聲檢測粗晶組織材料的焊縫質(zhì)量時(shí)會導(dǎo)致缺陷定位不準(zhǔn),影響后續(xù)焊接工藝處理及焊接可靠性評判,為此筆者對鋁合金晶粒度進(jìn)行了試驗(yàn)分析,對超聲基本參數(shù)進(jìn)行修正,在現(xiàn)場檢測中得到了比較準(zhǔn)確的缺陷定位結(jié)果,能將超聲檢測精確度控制在2%以內(nèi)。
2 試驗(yàn)材料與方法
2.1? ? 試樣選擇
選用5塊鋁合金材料作為試驗(yàn)材料,分別編號為#1、#2、#3、#4、#5,均制成CSK-IA試塊,在試塊100 mm圓心處設(shè)置反射溝槽,根據(jù)材料晶粒度進(jìn)行分組,其中#1、#2試塊為一組,#3試塊為一組,#4、#5試塊為一組,共分3組。
2.2? ? ?試樣檢測
對鋁合金及鋼CSK-IA試塊進(jìn)行檢測,考慮到鋁合金材料聲衰減小慢,橫波探頭頻率選用5 MHz,探頭規(guī)格為:5P9×9K3。探頭折射角在試塊?準(zhǔn)1.5 mm的橫孔上進(jìn)行調(diào)節(jié),檢測結(jié)果如表1所示。
由表1可知,鋁合金微觀組織不同將改變橫波在材料中的傳播速度,進(jìn)而導(dǎo)致折射角變化,聲速變慢其折射角將變小。在已知材料聲速的情況下,可以根據(jù)折射定律修正由于折射角不同造成的缺陷深度誤差。
sin βs1/Cs1=sin βs2/Cs2
式中,βs1為鋁合金橫波折射角;βs2為鋼CSK-IA實(shí)測橫波折射角;Cs1為鋁合金橫波聲速;Cs2為鋼CSK-IA橫波聲速。
根據(jù)表1,繪制聲速-前沿關(guān)系圖,如圖1所示,根據(jù)聲速-前沿關(guān)系圖可以修正不同聲速的前沿長度。
2.3? ? 試樣晶粒度超聲測試
在各鋁合金試塊100 mm半徑圓弧上采用5P9×9K3型橫波探頭測試多次反射波,結(jié)果如圖2所示。根據(jù)波幅顯示情況,#1、#2試塊多次反射波多于其他試塊,#5試塊波幅衰減更厲害,通過能量衰減情況可知,#1、#2試塊組織晶粒度均勻,#3、#4試塊組織存在較粗晶粒,#5試塊為嚴(yán)重的各向異性粗晶組織,晶粒度越均勻,其實(shí)測前沿長度越小[2]。
2.4? ? 實(shí)測前沿誤差分析
根據(jù)超聲波在材料傳播中的波速擴(kuò)散情況,制作相應(yīng)參考試塊,試塊厚25 mm,在R100 mm圓弧上左右兩側(cè)分別布置實(shí)測K值的?準(zhǔn)1 mm橫孔,探頭K值折射角可通過試塊右側(cè)上R100 mm圓弧及?準(zhǔn)1.5 mm人孔處進(jìn)行校準(zhǔn),試塊尺寸如圖3所示。
橫波探頭選擇K3,在試塊圓心處調(diào)節(jié)時(shí),探頭除了接收右側(cè)K3的?準(zhǔn)1 mm橫孔反射波,由于波速擴(kuò)散,同時(shí)也接收了K5與K2的?準(zhǔn)1 mm橫孔反射波,但超聲儀器僅顯示它們聲壓疊加的一個(gè)波幅。將探頭向右側(cè)移動(dòng)時(shí),動(dòng)態(tài)包絡(luò)線最高點(diǎn)發(fā)生改變,位置自然前移,出現(xiàn)了L0測量誤差,左側(cè)檢測時(shí)與右側(cè)情況相同。結(jié)果顯示,當(dāng)探頭主聲速尋找最高點(diǎn)時(shí),在波速擴(kuò)散范圍內(nèi),類似參考試塊?準(zhǔn)1 mm橫孔的粗晶粒反射波會疊加在主聲速上,造成最高聲壓發(fā)生變化,改變前沿長度。
2.5? ? 金相試驗(yàn)
對5塊鋁合金CSK-IA試塊在相同位置進(jìn)行金相試驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。金相組織與超聲多次反射法測試的晶粒度結(jié)果吻合。
3 結(jié)論
(1)前沿為探頭的固有參數(shù),不會因被檢工件變化而改變,超聲檢測中往往由于變形鋁合金有帶狀粗大的微觀組織造成實(shí)測前沿產(chǎn)生誤差。
(2)由于材料晶粒度會影響前沿測量誤差結(jié)果,因此在制作鋁CSK-IA試塊時(shí),宜采用與所檢工件晶粒度相同或相近的鋁合金材料制作。
(3)鋁合金超聲聲速會改變探頭折射角,現(xiàn)場檢測時(shí)要對實(shí)測數(shù)值進(jìn)行修正。
[參考文獻(xiàn)]
[1] 王金源.淺析GIS設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國科技縱橫,2013(2):71.
[2] 張武能,汪毅,馬建民,等.鋁合金焊縫超聲檢測缺陷定位誤差原因[J].無損檢測,2018,40(9):35-37.
收稿日期:2020-04-01
作者簡介:付天孟(1987—),男,山東菏澤人,工程師,從事電網(wǎng)輸電、變電設(shè)備金屬材料及特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測工作。