摘 要:以 TA2合金管材对接接头的目视检测为例,介绍了民用核钛合金管材焊接接头的目 视检测工艺及工艺验证方法,解决了民用核钛合金设备焊接接头目视检测工艺质量系统的验证问 题,并提供了评价和验证的参考方法和依据。

关键词:钛合金设备;钛合金焊接接头;目视检测;工艺验证

中图分类号:TG115.28                                      文献标志码:B                                    文章编号:1000-6656(2022)09-0066-04

钛材因在湿氯气、高温盐等工况中具有良好的 耐蚀性,已被广泛应用于制造石油化工、化纤、精细 化工、能源等行业使用的热交换器、塔器、反应器等 设备。钛材具有较高的活性,在400℃时开始吸氧、 600℃开始吸氮,当钛焊缝中含有这些气体成分时, 其焊接接头的冲击性能、塑性和韧性甚至耐蚀性能 都会不同程度的降低,因此钛材一般采用惰性气体 保护焊进行焊接,且对焊接气氛要求极高。 

目前,民用核钛合金设备应用相对较少,其目视 检测无专用成熟的标准规范,而钛合金设备在制造 过程中经常会出现焊缝外观缺陷或接头表面氧化等 问题,目视检测时,由于缺少权威统一的评价标准, 检测结果常判定不准确和存在争议。笔者结合多年 钛合金焊 接 接 头 目 视 检 测 实 际 工 作 经 验,并 参 照 ASME规范 《锅炉及压力容器规范》第Ⅴ卷第9章 目视检测要求、JB/T4745 《钛制焊接容器》-2002制定 了 钛 合 金 焊 接 接 头 的 目 视 检 测 工 艺[1],并 以 18mm×2mm(直径×壁厚,下同)的 TA2合金管 对接焊缝为例,介绍了目视检测工艺及工艺验证的 方法,并确定了最佳检测工艺,可为同类设备的目视 检测提供参考。

1 检测设备及仪器 

焊缝目视检测应选择与被检测对象及环境等相 匹配的设备和仪器,一般包括照度计、灵敏度灰卡、 放大镜、粗糙度仪、焊缝检测尺、焊缝检测样板[2]、游 标卡尺、人工照明光源(白炽灯、手电筒)、视频内窥 镜及辅助工装等。仪器应处于良好状态并在标定合 格有效期内,对于目前国家法定计量单位暂未开展 鉴定工作的仪器,应自行采用适当的比对方法进行 校验或校准,以保证检测数据的可信度以及精度在 允许的误差范围内。

2 验证试样 

为了保证检测过程中工艺系统的有效性,以及 验证检测人员的能力,需制作目视检测的专用验证试样。 

2.1 分辨力验证试样 

目前核工业均采用18%的中性灰卡作为目视 检测的参考背景,考虑到钛材表面呈银亮色,为了使 参考背景更接近于钛材表面,将宽为0.2,0.4,0.6, 0.8mm 的4种黑线或其他类似人工缺陷放在检测 区域中最难以观察到的待检部位表面或相近似的表 面,并根据产品要求的分辨力确定所需识别的线宽 度,若产品技术文件无特殊要求,则核级钛合金设备 焊接接 头 表 面 直 接 目 视 检 测 的 分 辨 力 至 少 应 达 0.6mm 线宽。 

2.2 模拟对比试样 

为了对目视检测人员的技能水平及工艺系统进 行综合评价和验证,应制作模拟对比试样,试样与被 检件具有相同或相近的材料、结构、表面状态,外表 面缺陷、焊接接头颜色等。

3 目视检测方法 

核级钛合金设备焊接接头目视检测方法包括直 接目视检测技术和间接目视检测技术两种。

3.1 直接目视检测技术 

直接目视检测技术利用肉眼直接进行检测,通 常用于现场目视可达部位的检测。检测时眼睛应能 充分靠近被检焊缝,与被检焊缝表面的距离不超过 600mm,眼睛与被检焊缝表面所成的夹角不小于 30°;检测区域需有足够的照明条件,一般检测时至 少要保证500lx的光照强度,但不能有影响观察的 刺眼反光。在进行核级钛合金设备金属表面检测时 不应使用直射光,应选用具有漫散射特性的光源;对 于必须仔细观察或发现异常情况需要做进一步观察 和研究的焊缝区域,至少应保证1000lx的光照强 度。直接目视检测技术应能保证在与检测环境相同 的光源条件下,将分辨力验证试样放在被检区域中 最难以观察到的部位时,至少能清晰分辨出一条规 定宽度的线或其他类似人工缺陷。 

3.2 间接目视检测技术 

对于肉眼不易或无法进行直接目视检测的被检 部位和区域,可借助于视频内窥镜、反光镜或其他合 适的辅助设备进行检测,即进行间接目视检测[3]。 间接目视检测应至少具有与直接目视检测相当的分 辨能力。对于核级钛合金设备焊接接头的间接目视 检测,还需进行适应环境的工艺性验证试验,保证目 视检测系统能够满足检测工作的要求。 

工艺性验证试验一般在分辨力验证试样和模拟 对比试样上进行。验证环境应尽可能与检测环境相 同或相近似,包括相似的表面条件或光照条件、表面 结构、反射比、表面粗糙度等。 

4 工艺试验 

用?18mm×2mm TA2合金核级管的对接环 焊缝来验证该检测工艺的有效性。由于被检管管径 较小,焊缝外表面可采用直接目视检测,焊缝背面 (焊缝根部)需采用间接目视检测(视频内窥镜)。考 虑到在实际目视检测时,焊缝背面的间接目视检测 有一定技术难度,故试验主要对焊缝背部进行间接 目视检测。

4.1 检测准备 

检测前需准备照度计、视频内窥镜、分辨力验证 试样、模拟对比试样、检测探头辅助工装等。 

考虑到钛材本身具有金属光泽,在检测过程中 可能会产生炫光,故要求所用视频内窥镜的光源亮 度可调节,同时应选择对检测颜色还原性较好的彩 色视频内窥镜。试验选用美柯 MK-200 型视频内 窥镜。

为了保证检测的准确性,采用 TA2合金材料作 为参考背 景,在 该 背 景 下 应 能 识 别 出 规 定 宽 度 的 黑线。

制作与被检件材料、规格等一致的模拟对比试 样,并采用相同的焊接工艺进行焊接,在焊缝根部制 作不同程度的焊缝氧化、咬边、内凹等具有代表性的 焊接表面缺陷。

被检管管径小,不能使用仪器上带旋转视向功 能的探头调节最佳观察角度。为了保证观察效果, 选用0°视向和90°视向专用探头,分别从管端两侧 观察焊缝根部。利用光的反射原理,制作了一定角 度的专用不锈钢反光镜片,加装在 0°视向探头前 端,通过光路转折实现90°视向观察,从而达到观察 检测的目的。角度镜工装外观如图1所示。 

为了保证内窥镜探头能够顺利到达被检部位, 制作了辅助工装,该工装为数段10 mm×1.5 mm (直径×壁厚),长为500~1500 mm 的不锈钢管, 其两端加工螺纹,可根据实际需要进行拼接。辅助 工装外观如图2所示。

4.2 检测工艺 

模拟被检部位环境做视频内窥镜检测光照度测 试,移动视频探头逐渐接近照度计测量头,并记录测量照度值,光照度应大于1000lx。光照度测量现 场如图3所示。 

模拟被检部位环境做视频内窥镜分辨力测试, 移动视频探头逐渐接近分辨力验证试样至0.6mm 粗的 黑 线 能 清 晰 可 见。 分 辨 力 测 试 现 场 如 图 4 所示。 

检查 过 程 中,应 平 缓 移 动 探 头,速 度 不 超 过10mm/s。检测焊缝及热影响区的氧化色时,采用 直 线 进 退 式 扫 描 方 式,每 次 扫 查 宽 度 不 超 过 20mm;采用间接目视检测技术(即采用0°视向和 90°视向的观察方向),分别从管端两侧对焊缝根部 进行观察检测。

4.3 检测结果及分析 

检测完成后对试样进行解剖,进行评价及验证, 检测情况如下所述。 

(1)根部焊缝及热影响区颜色检测。由管路两 端侧0°视向,90°视向观察可见,焊缝及热影响区均 清晰可见蓝色氧化(见图5)。

(2)咬边缺陷检测。从管路两端侧 0°视向观 察,发现咬边缺陷不明显;从管路两端侧90°视向观 察,发现咬边缺陷较为明显(见图6)。 

(3)内凹外观缺陷检测。从管路两端侧0°视向观察,发现轻微内凹缺陷显示;从管路两端侧90°视 向观察,均发现明显的内凹缺陷(见图7)。

(4)焊瘤、内凹、成型不良、蓝色氧化缺陷检测。 从管路两端侧0°视向观察,发现焊瘤缺陷;从管路 两端侧90°视向观察,均发现明显的焊瘤、内凹、成 型不良、蓝色氧化缺陷(见图8)。 

(5)无缺陷。从管路两端侧0°视向观察,未发 现缺陷;从管路两端侧 90°视 向 观 察,未 发 现 缺 陷 (见图9)。 

以上间接目视检测试验结果表明,采用0°视向 探头从管路两侧进行检测,可以发现焊缝及热影响 区的氧化缺陷,而对于较小的外观缺陷,则不易发现 或显示不明显;采用90°视向探头,无论从管路哪一 侧对根部焊缝表面进行检测,均能得到各种外观缺 陷较清晰的视频图像,缺陷形貌特征清晰可见,易于 定性。对各模拟对比试样进行了解剖,解剖后所观 察到的焊 缝 原 始 表 面 缺 陷 形 貌,与 间 接 目 视 检 测 90°视向探头观察到的缺陷图像形貌完全吻合,即证 明 在其他工艺参数不变的情况下,选择90°视向探头对该结构管路环向焊缝根部进行间接目视检测是合 适的,检测结果也是可靠的。 

试验确定了?18mm×2mm TA2合金管根部 焊缝间接目视检测的最佳工艺参数,并有效验证了 检测系统的可靠性,说明该工艺评价及验证方法是 可行的。 

5 结语 

(1)控制照明光源条件以达到最佳检测观察效 果,调整观察角度,避免表面炫光,使用与钛表面反射 光相适应的照度级可更好地发现各种外观表面缺陷。 

(2)视频内窥镜应有自动智能光强调整及手动 光强调整功能,并具有较好的色彩还原性,能够识别 出氧化缺陷。 

(3)制作与被检材料背景相同或相近似的分辨 力验证试样,以保证分辨力测试的真实性。

(4)制作与被检对象材料、结构、状态相同或相 近似,并含有代表性缺陷的专用模拟对比试样,以保 证模拟试验的准确性。 

(5)民用核钛合金设备焊接接头在目视检测 前,需进行必要的工艺性验证试验,以保证目视检测 系统的可靠性。

参考文献: 

[1] 窦丽娟,党辉,徐呈,等.目视检测技术在锆合金管材 的检测应用[J].金属世界,2017,(7):12-15. 

[2] 王凤枝.民用核安全设备焊工技能评定目视检测难点 问题解决方案[J].焊接技术,2021,50(7):67-71. 

[3] 胡卫朋.目视检测技术在特种设备检测中的应用[J]. 无损检测,2023,35(8):70-72.

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 无损检测 > 44卷 > 9期 (pp:66-69)>