一种用于小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测装置和检测方法与流程

本发明涉及无损检测技术领域，尤其是涉及一种用于小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测装置和检测方法。

背景技术：

电站锅炉受热面部件中高温再热器和高温过热器产品中存在大量小口径管（直径通常小于等于100mm）异种钢对接焊缝，焊缝焊接好后需要按照检测标准要求采用射线椭圆成像或垂直成像检测，由于受到射线透照角度的影响，会使焊缝中层间未熔合缺陷大致与射线透照方向垂直，导致其难以在胶片上形成黑度差，从而使得射线检测无法检测出焊缝层间未熔合缺陷。

另外，由于小口径管异种钢对接焊缝组织为奥氏体，从而使得采用超声波检测也变得非常困难，甚至无法检测，其困难主要体现在：

1.晶粒粗大、各向异性、异质界面和声束衰减，使得检测过程信噪比严重下降，声束扭曲、产生虚假信号，导致超声波检测困难，甚至无法检测；

2.焊接时采用热丝tig焊，多道焊接成型，焊缝有余高，扫查过程无法通过焊缝余高；

3.对接管道直径小，壁厚大，导致耦合困难；

4.坡口型式采用窄间隙u型坡口且在管内壁焊缝母材边缘机加do，从而增加了超声波检测信号识别难度；

由此可知，不管是射线检测还是超声波检测都不能满足小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷检测的需要，从而导致产品焊缝质量得不到保证。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测装置和检测方法，采用本检测装置和检测方法后，实现了对小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测，克服了射线检测和超声波检测无法对该类缺陷进行检测的难题，保证了锅炉受热面异种钢对接焊缝产品质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测装置，包括相控阵探头支架、柔性楔块和与相控阵检测设备相连的相控阵探头，所述相控阵探头支架的形状为长方体形，相控阵探头支架的底面设有沿着其轴向布置的形状为弧形的轴向凹槽，所述轴向凹槽的弧形大小与对接管道的外径相同；相控阵探头支架的底面中间位置设有沿着其横向布置的横向凹槽；相控阵探头支架的中部设有一个贯穿相控阵探头支架的空腔；所述柔性楔块的形状与相控阵探头支架的空腔形状一致，柔性楔块镶固在相控阵探头支架的空腔内，柔性楔块底面设有与相控阵探头支架中部底面所缺失的弧形凹槽相对应的楔块凹槽；所述的相控阵探头置于柔性楔块上表面与所述横向凹槽相对应的位置处并与相控阵探头支架固定连接；相控阵探头支架的左右两端分别设有一个用于将相控阵探头支架相对固定在对接管道上的固定连接件。

进一步的，所述相控阵探头支架的底面四角处均设有一个防磨钉。

进一步的，所述的固定连接件为柔性橡皮筋或具有一定刚性和弯曲能力的固定连接件，固定连接件的两端部通过设在相控阵探头支架端部两侧的螺纹孔和与所述螺纹孔大小相匹配的螺栓固定在相控阵探头支架的端部，固定连接件两端部之间的部分则缠绕在对接管道上，以将相控阵探头支架相对固定在对接管道上。

进一步的，所述相控阵探头支架的顶面中间位置设有两条同轴且沿着其横向布置的支架凹槽，所述柔性楔块与所述两支架凹槽相对应的位置处分别设有一块凸块，所述的两凸块分别卡在所述的两支架凹槽内，以将柔性楔块卡在相控阵探头支架的空腔内；所述两支架凹槽的底面上分别设有一个螺纹孔，相控阵探头通过与所述螺纹孔大小相匹配的螺栓以及凸块上与螺纹孔对应设置的通孔固定在相控阵探头支架上。

进一步的，所述空腔为矩形空腔，所述柔性楔块为矩形楔块，所述横向凹槽为弧形凹槽，所述支架凹槽为矩形凹槽，所述凸块为为矩形凸块。

进一步的，所述的柔性楔块由聚砜材料制成。

本发明还提供了一种采用上述检测装置检测小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的方法，该检测方法包括以下步骤：

1）仪器组装连接：将相控阵探头、柔性楔块、编码器和相控阵探头支架组装为一体，并使相控阵探头连接到相控阵检测设备上；

2）防磨钉调节：根据对接管道直径和焊缝余高，将防磨钉长度调节至合适长度，以便后续使横向凹槽与焊缝余高耦合良好；

3）仪器设置：根据对接管道直径、壁厚和固定波信号，超声波检测波形选用纵波，调节显示延时和范围，仪器界面同时显示a,b,d扫描视图；

4）灵敏度设置：利用对比试块调节反射波幅达到80%±5%，再提高6db作为扫查灵敏度；

5）编码器校准：将编码器沿着被检母材外径转动一圈，编码器误差小于1%；

6）扫查装置固定：将组装好的相控阵探头支架通过其前后两端的固定连接件相对固定在对接管道上，相控阵探头支架的轴向与对接管道轴向一致，且使相控阵探头正好位于对接管道焊缝的正上方，并使相控阵探头支架底面的横向凹槽与对接管道的焊缝余高耦合良好；

7）数据采集：在相控阵检测设备上点击开始检测，并转动相控阵探头支架，使相控阵探头沿着焊缝余高作周向运动时进行数据采集，相控阵探头转动一圈后数据采集结束并保存；

8）数据评定：调取采集数据并进行数据熔合和联动处理后，通过a扫描视图测量层间未熔合缺陷的当量幅度和深度，通过b扫描视图测量层间未熔合缺陷的起始位置、深度和长度，通过d扫描视图动态观察层间未熔合缺陷在焊缝中的位置。

进一步的，所述步骤1）中，相控阵探头采用的是2.5-10mhz，16-64晶片，阵元中心间距为0.2-1.0mm的相控阵探头。

进一步的，所述步骤2）中，根据对接管道直径和焊缝余高，通过采用内六角工具调节防磨钉长度至合适长度，以便后续使横向凹槽与焊缝余高耦合良好。

进一步的，所述步骤3）中，超声波检测波形选用纵波，且折射角度分别为-10°到-2°，0°，2°到10°，聚焦深度为1/4-1对接管道壁厚。

本发明的有益效果是：本发明的检测装置由相控阵探头支架、柔性楔块、相控阵探头和相控阵检测设备组成，同时通过在相控阵探头支架底面设置与对接管道外径耦合良好的轴向凹槽和与对接焊缝余高耦合良好的横向凹槽，并将相控阵探头布置在柔性楔块上表面与焊缝余高相对应的位置处，从而使相控阵探头与焊缝余高耦合良好，当使用本检测装置进行检测操作时，只需将本检测装置直接放置在对接焊缝的正上方即可进行检测，之后通过使用外力转动相控阵探头支架，使其带动相控阵探头绕焊缝旋转一圈并实时进行数据采集，同时在相控阵检测设备上形成相控阵a,b,d扫描视图，通过相控阵a,b,d扫描视图显示的信息即可得到焊缝层间未熔合缺陷的当量幅度、层间未熔合缺陷在焊缝中的位置和深度、起始位置及长度等信息，从而实现了对小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测，克服了射线检测和超声波检测无法对该类缺陷进行检测的难题，保证了锅炉受热面异种钢对接焊缝产品质量。

附图说明

图1为相控阵探头支架的立体结构示意图；

图2为相控阵探头支架、柔性楔块和相控阵探头组装为一体的结构示意图；

图3为实施例采用本发明的检测装置检测小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的结构示意图；

图4为相控阵a扫描视图和d扫描视图；

图5为相控阵b扫描视图；

图6为金相试样图；

图7为试样3-5的金相显微镜显示图；

图中标记为：1-相控阵探头支架，2-柔性楔块，3-相控阵检测设备，4-相控阵探头，5-轴向凹槽，6-对接管道，7-横向凹槽，8-空腔，9-固定连接件，10-防磨钉，11-螺纹孔，12-支架凹槽，13-焊缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明用于小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测装置，包括相控阵探头支架1、柔性楔块2和与相控阵检测设备3相连的相控阵探头4，所述相控阵探头支架1的形状为长方体形，相控阵探头支架1的底面设有沿着其轴向布置的形状为弧形的轴向凹槽5，所述轴向凹槽5的弧形大小与对接管道6的外径相同，通过在相控阵探头支架1底面设置与对接管道6外径相匹配的弧形轴向凹槽5，可以使相控阵探头支架1与对接管道6之间能耦合良好；相控阵探头支架1的底面中间位置设有沿着其横向布置的形状为弧形的横向凹槽7，该横向凹槽7可以与对接焊缝余高良好耦合，利于后续对焊缝13的层间未熔合缺陷检测；相控阵探头支架1的中部设有一个贯穿相控阵探头支架1的矩形空腔8；所述的柔性楔块2由聚砜材料制成，其形状与相控阵探头支架1的矩形空腔8形状一致，为矩形柔性楔块，柔性楔块2镶固在相控阵探头支架1的空腔8内，且在柔性楔块2底面设有与相控阵探头支架1中部底面所缺失的弧形凹槽相对应的楔块凹槽，当柔性楔块2镶嵌在相控阵探头支架1的空腔8内后，柔性楔块2底面的弧形楔块凹槽能填补相控阵探头支架1因开设空腔8而缺失的那部分弧形轴向凹槽5，从而使相控阵探头支架1能与对接管道6耦合良好；相控阵探头支架1的顶面中间位置设有两条同轴且沿着其横向布置的矩形支架凹槽12，所述柔性楔块2与所述两支架凹槽12相对应的位置处分别设有一块矩形凸块，所述的两凸块分别卡在所述的两支架凹槽12内，从而将柔性楔块2卡在相控阵探头支架1的空腔8内；所述两支架凹槽12的底面上还分别设有一个螺纹孔11，所述的相控阵探头4置于柔性楔块2上表面与所述横向凹槽7相对应的位置处并通过与所述螺纹孔11大小相匹配的螺栓以及凸块上与螺纹孔11对应设置的通孔固定在相控阵探头支架1上；相控阵探头支架1的左右两端分别设有一个用于将相控阵探头支架1相对固定在对接管道6上的固定连接件9，所述的固定连接件9为柔性橡皮筋或具有一定刚性和弯曲能力的固定连接件，固定连接件9的两端部通过设在相控阵探头支架1端部两侧的螺纹孔11和与所述螺纹孔11大小相匹配的螺栓固定在相控阵探头支架1的端部，固定连接件9两端部之间的部分则缠绕在对接管道6上，从而将相控阵探头支架1相对固定在对接管道6上，以便于采用本检测装置对焊缝13层间未熔合缺陷进行检测时，能方便地转动相控阵探头支架1和相控阵探4头，从而完成数据采集操作；相控阵探头支架1的底面四角处均设有一个防磨钉10，通过在相控阵探头支架1底面四角设置防磨钉10，可以通过使用内六角工具来调节防磨钉10的长度，以便后续在将相控阵探头支架1固定在对接管道6上时，能使横向凹槽7与焊缝余高耦合良好，从而利于对焊缝13层间未熔合缺陷的检测效果。

本发明还提供了一种采用上述检测装置检测小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的方法，该检测方法包括以下步骤：

1）仪器组装连接：将相控阵探头4、柔性楔块2、编码器和相控阵探头支架1组装为一体，并使相控阵探头4连接到相控阵检测设备3上；

2）防磨钉调节：根据对接管道直径和焊缝余高，将防磨钉10长度调节至合适长度，以便后续使横向凹槽7与焊缝余高耦合良好；

3）仪器设置：根据对接管道直径、壁厚和固定波信号，超声波检测波形选用纵波，调节显示延时和范围，仪器界面同时显示a,b,d扫描视图；

4）灵敏度设置：利用对比试块调节反射波幅达到80%±5%，再提高6db作为扫查灵敏度；

5）编码器校准：将编码器沿着被检母材外径转动一圈，编码器误差小于1%；

6）扫查装置固定：将组装好的相控阵探头支架1通过其前后两端的固定连接件9相对固定在对接管道6上，相控阵探头支架1的轴向与对接管道6轴向一致，且使相控阵探头4正好位于对接管道6焊缝13的正上方，并使相控阵探头支架1底面的横向凹槽7与对接管道6的焊缝余高耦合良好；

7）数据采集：在相控阵检测设备3上点击开始检测，并转动相控阵探头支架1，使相控阵探头4沿着焊缝余高作周向运动时进行数据采集，相控阵探头4转动一圈后数据采集结束并保存；

8）数据评定：调取采集数据并进行数据熔合和联动处理后，通过a扫描视图测量层间未熔合缺陷的当量幅度和深度，通过b扫描视图测量层间未熔合缺陷的起始位置、深度和长度，通过d扫描视图动态观察层间未熔合缺陷在焊缝中的位置。

其中，所述步骤1）中，相控阵探头4采用的是2.5-10mhz，16-64晶片，阵元中心间距为0.2-1.0mm的相控阵探头；所述步骤2）中，根据对接管道直径和焊缝余高，通过采用内六角工具调节防磨钉10长度至合适长度，以便后续使横向凹槽7与焊缝余高耦合良好；所述步骤3）中，超声波检测波形选用纵波，且折射角度为-10°到-2°，0°，2°到10°，聚焦深度为1/4-1对接管道壁厚。

本发明的检测装置由相控阵探头支架、柔性楔块、相控阵探头和相控阵检测设备组成，同时通过在相控阵探头支架底面设置与对接管道外径耦合良好的轴向凹槽和与对接焊缝余高耦合良好的横向凹槽，并将相控阵探头布置在柔性楔块上表面与焊缝余高相对应的位置处，从而使相控阵探头与焊缝余高耦合良好，当使用本检测装置进行检测操作时，只需将本检测装置直接放置在对接焊缝的正上方即可进行检测，之后通过使用外力转动相控阵探头支架，使其带动相控阵探头绕焊缝旋转一圈并实时进行数据采集，同时在相控阵检测设备上形成相控阵a,b,d扫描视图，通过相控阵a,b,d扫描视图显示的信息即可得到焊缝层间未熔合缺陷的当量幅度、层间未熔合缺陷在焊缝中的位置和深度、起始位置及长度等信息，从而实现了对小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测，且检测效果非常良好，克服了射线检测和超声波检测无法对该类缺陷进行检测的难题，保证了锅炉受热面异种钢对接焊缝产品质量。

实施例

本发明的实施例以检测一种规格为φ45x10.5mm，材质分别为t91和tp347的对接奥氏体焊缝层间未熔合缺陷为例进行说明，如图3所示。

对上述对接焊缝层间未熔合缺陷的检测方法如下：

1）仪器组装连接：将5mhz，64晶片，阵元中心间距为0.6mm相控阵探头、柔性楔块、编码器和相控阵探头支架组装为一体，并使相控阵探头连接到相控阵检测设备上；

2）防磨钉调节：根据对接管道直径和焊缝余高，通过采用内六角工具将防磨钉长度调节至合适长度，以便后续使横向凹槽与焊缝余高耦合良好；

3）仪器设置：根据对接管道直径、壁厚和固定波信号，超声波检测波形选用纵波，且折射角度分别为-10°，0°，10°，聚焦深度为2/3对接管道壁厚，调节显示延时和范围，仪器界面同时显示a,b,d扫描视图；

4）灵敏度设置：利用对比试块调节反射波幅达到80%±5%，再提高6db作为扫查灵敏度；

5）编码器校准：将编码器沿着被检母材外径转动一圈，编码器误差小于1%；

6）扫查装置固定：将组装好的相控阵探头支架通过其前后两端的固定连接件相对固定在对接管道上，相控阵探头支架的轴向与对接管道轴向一致，且使相控阵探头正好位于对接管道焊缝的正上方，并使相控阵探头支架底面的横向凹槽与对接管道的焊缝余高耦合良好；

7）数据采集：在相控阵检测设备上点击开始检测，并通过使用外力转动相控阵探头支架，使相控阵探头沿着焊缝余高作周向运动时进行数据采集，相控阵探头转动一圈后数据采集结束并保存；

8）数据评定：调取采集数据并进行数据熔合和联动处理后，通过a扫描视图测量层间未熔合缺陷的当量幅度和深度，通过b扫描视图测量层间未熔合缺陷的起始位置、深度和长度，通过d扫描视图动态观察层间未熔合缺陷在焊缝中的位置。

通过采用上述检测装置和检测方法对样管焊缝进行检测后，并对采集到的数据进行熔合和联动处理后，得到图4和图5的显示信息，其中，图4为相控阵a扫描视图和d扫描视图，通过a扫描视图可以测量层间未熔合缺陷的深度和当量幅度，通过d扫描视图可以动态观察出层间未熔合缺陷在焊缝中的位置和深度；而图5为相控阵b扫描视图，通过b扫描视图可以观察到层间未熔合缺陷的起始位置并可测量出层间未熔合缺陷的深度和长度。

为了验证检测结果的准确性及检测方法的有效性，在b扫描视图中进行取样，分别选取存在有层间未熔合缺陷的部位3-3,3-5和完好部位3-1,3-2,3-4，如图6所示，之后通过金相显微镜对上述取样部位3-5进行观察，观察结果见图7，从图7中可以看出，取样金相解剖结果与前述检测结果一致，从而验证了本检测方法的有效性，实现了对小口径管异种钢对接焊缝层间未熔合缺陷的检测。