管板堵头焊缝熔深均匀性与裂纹的非破坏测试方法及装置与流程

1.本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种管板堵头焊缝熔深均匀性与裂纹的非破坏测试方法及装置。


背景技术：

2.焊接方法制造的管板形式换热器在发电、石油化工、制药等领域广泛使用，。其中换热管与管板的连接方式有胀接、焊接与胀焊复合等多种形式，蒸汽发生器是火电与核电技术的核心装备之一，是焊接管板换热器的典型应用代表，其中管板管子与管板焊接接头的质量对电厂的安全生产具有重要意义。
3.管子与管板焊接接头是火电与核电蒸汽发生器的薄弱环节，长期的高温蒸汽腐蚀、机械振动、外来磨粒磨损会导致管子发生破损，最终导致换热介质之间混合，换热效率下降，对于核电蒸汽发生器，还存在放射物质泄露的巨大风险。因此，一旦管子失效，通常会对破损管子的入口及出口进行封堵，以达到短接失效管子的目的。封堵的方式主要有机械胀接堵管、焊接堵管与胀接与焊接复合堵管等多种方式，其中焊接堵管是新近发展的高可靠性堵管方式。然而相应的检测技术相对缺乏，是影响其广泛应用和在役后质量跟踪的瓶颈问题。焊后及在役堵头质量检测需要在现场完场，焊缝余高、外观等特征可通过现有方法进行检测，然而对于焊缝熔深、焊缝内部裂纹等缺陷，由于场地空间限制与管板位置限制，目前常用的射线检测、涡流检测等手段均无法实施。目前采用的方法通常是在焊接工艺的优化和固化阶段，采用破坏性检测手段，对上述缺陷进行检测评价，最终获得优化的工艺参数。但存在检测不使用，使用不检测的问题，使使用的堵头存在含有缺陷的风险。因此，亟待开发适用于管板焊接堵头焊缝熔深均匀性/一致性与焊缝裂纹的无损测试方法。


技术实现要素：

4.针对目前尚无有效检测和评价管板焊接堵头焊缝熔深均匀性与焊缝裂纹缺陷的无损检测方法的瓶颈问题，本发明的目的在于提供一种管板堵头焊缝熔深均匀性与裂纹的非破坏测试方法及装置，该方法可通过不破坏焊接结构的前提下，基于缺陷对堵头中心处向径向传导热流的阻碍引起缺陷两侧明显温度差异的原理，对焊缝熔深均匀性与焊缝裂纹缺陷进行无损检测，可为新品与在役管板焊接堵头的质量评价提供新的有效方法。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种管板堵头焊缝熔深均匀性与裂纹的非破坏测试方法，包括以下步骤：
7.1)对管板焊接堵头样品的表面进行清理去除表面的氧化产物与油污附着物，防止其对堵头表面温度场演变和测量带来的影响；
8.2)测量获取堵头样品表面的中心并作标记，将直径介于堵头直径1/8
‑
1/2的加热体与堵头表面中心区域进行紧密接触并固定，对堵头样品表面中心区域进行加热，并采用陶瓷保温纤维对表面进行覆盖；
9.3)加热预设时间后，取出陶瓷保温纤维，对堵头样品表面的温度场进行测试，若焊
缝内部及焊缝外侧出现温度低于相同直径区域温度一定值，则判断该区域为焊缝熔深较浅或焊缝存在裂纹；
10.利用焊缝熔深较浅处及裂纹缺陷会减少或局部阻断自堵头中心沿直径方向向外的热传导路径，换热只能以更为低效的热辐射进行，从而导致熔深较浅或裂纹缺陷处靠近热源中心侧的温度高于同半径其他区域，熔深较浅或裂纹缺陷处远离热源中心侧的温度低于同半径其他区域的特点对焊缝熔深均匀性和裂纹缺陷进行半定量检测。
11.优选地，步骤2)中的加热体对堵头表面中心区域的加热为电加热棒热传导加热、或是激光、氙灯形式的辐照加热。
12.优选地，步骤2)中的加热体对堵头的加热不低于150℃使得熔深较浅处及裂纹缺陷引起的温差能被检测，加热上限温度不高于使材料组织和性能不发生变化的温度。
13.优选地，步骤3)中的加热预设时间介于1
‑
15min,堵头与焊缝材料的热导率越高或设定的焊缝熔深越深加热时间设置的越短，堵头与焊缝材料的热导率越低或设定的焊缝熔深越浅加热时间设置的越长。
14.优选地，步骤3)温度场的测试采用薄膜热电偶、布网式热电偶、红外测温仪或红外摄像仪，温度分辨率不低于2℃，平面分辨率不低于0.2℃/mm。
15.优选地，步骤3)中判断熔深较浅或裂纹缺陷时，目标区域两侧的温差需要大于5℃。
16.优选地，结合材料的热源温度、加热时间与材料热导率，利用点热源半无限大区域非稳态传热关系推算结果，能够推断出不同区域焊缝熔深与缺陷尺寸。
17.优选地，该方法不仅适用于管板焊接堵头新品，还适用于在役管板焊接堵头的质量检测。
18.实现所述的管板堵头焊缝熔深均匀性与裂纹的非破坏测试方法的测试装置，包括自动化测试装置三点支撑骨架2，固定在自动化测试装置三点支撑骨架2底部的用于与焊接堵头测试样件1固定的磁性固定装置3，固定在自动化测试装置三点支撑骨架2顶部内侧面的xy二维移动平台4，固定在xy二维移动平台4下部的水平旋转平台5，固定在水平旋转平台5下部两端的第一竖直方向滑轨9和第二竖直方向滑轨10，分别固定在第一竖直方向滑轨9和第二竖直方向滑轨10下部的红外摄像仪8和激光加热装置7，固定在水平旋转平台5下部并位于第一竖直方向滑轨9和第二竖直方向滑轨10之间的两个定位摄像头6，设置在自动化测试装置三点支撑骨架2上的数据与电力中转接口11，通过数据与电力中转接口11与xy二维移动平台4、水平旋转平台5、定位摄像头6、激光加热装置7、红外摄像仪8、第一竖直方向滑轨9和第二竖直方向滑轨10连接的过程监测与控制装置12和电源13。
19.所述的测试装置，按照如下测试步骤实施：首先，采用机械打磨与有机溶剂清洗的方法去除焊接堵头测试样件1中堵头1
‑
3表面及附近区域的氧化物及有机物等附着物，保证堵头中心部位平整；将测试装置通过磁性固定装置3固定在焊接堵头测试样件1表面；其次，开启测试装置，通过过程监测与控制装置12驱动相互不平行的两台定位摄像头6通过图像法测定待测堵头的几何中心，获取其平面坐标；通过过程监测与控制装置12驱动xy二维移动平台4、水平旋转平台5使激光加热装置7对准堵头1
‑
3平面的几何中心；通过激光调焦或者驱动第二竖直方向滑轨10的方式利用激光或者加热棒的方式对直径介于堵头直径1/8
‑
1/2区域的堵头1
‑
3表面中心进行加热，并采用陶瓷保温纤维毯对表面进行覆盖；最后，加热
一定时间后，取出陶瓷保温纤维，通过过程监测与控制装置12驱动xy二维移动平台4、水平旋转平台5使红外摄像仪8对准堵头1
‑
3平面的几何中心，并通过驱动第一竖直方向滑轨9在合理的视场下对焊接堵头测试样件1表面的温度场进行测试，焊缝内部及焊缝外侧出现温度低于相同直径区域温度一定值的区域即可判断为焊缝熔深较浅或焊缝存在裂纹。
20.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
21.1)测试过程不会对堵头质量产生影响，测试装备尺寸小、硬件需求简单。
22.2)单个堵头测试时间短。
23.3)通过理论计算可获得缺陷尺寸的半定量结果。
附图说明
24.图1为一种管板堵头焊缝熔深均匀性与裂纹的非破坏测试方法的典型装置；图中1
‑
焊接堵头测试样件(1
‑
1管板、1
‑
2管子、1
‑
3堵头、1
‑
4焊缝)、2
‑
自动化测试装置三点支撑骨架、3
‑
磁性固定装置、4
‑
xy二维移动平台、5
‑
水平旋转平台、6
‑
定位摄像头、7
‑
激光加热装置、8
‑
红外摄像仪、9
‑
第一竖直方向滑轨、10
‑
第二竖直方向滑轨、11
‑
数据与电力中转接口、12
‑
过程监测与控制装置、13
‑
电源。
具体实施方式
25.下面结合具体的实施例与附图1对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
26.图1为本发明实现管板堵头焊缝熔深均匀性与裂纹的非破坏测试方法的装置，包括自动化测试装置三点支撑骨架2，固定在自动化测试装置三点支撑骨架2底部的用于与焊接堵头测试样件1固定的磁性固定装置3，固定在自动化测试装置三点支撑骨架2顶部内侧面的xy二维移动平台4，固定在xy二维移动平台4下部的水平旋转平台5，固定在水平旋转平台5下部两端的第一竖直方向滑轨9和第二竖直方向滑轨10，分别固定在第一竖直方向滑轨9和第二竖直方向滑轨10下部的红外摄像仪8和激光加热装置7，固定在水平旋转平台5下部并位于第一竖直方向滑轨9和第二竖直方向滑轨10之间的两个定位摄像头6，设置在自动化测试装置三点支撑骨架2上的数据与电力中转接口11，通过数据与电力中转接口11与xy二维移动平台4、水平旋转平台5、定位摄像头6、激光加热装置7、红外摄像仪8、第一竖直方向滑轨9和第二竖直方向滑轨10连接的过程监测与控制装置12和电源13。
27.本发明公开的一种焊接堵头焊缝熔深均匀性与裂纹的非破坏测试方法，通过以下步骤实施：
28.首先，采用机械打磨与有机溶剂清洗的方法去除堵头1
‑
3表面及附近区域的氧化物及有机物等附着物，保证堵头中心部位平整，粗糙度不高于ra 4.5μm；将图1所示的自动化测试装置通过磁性固定装置3固定在焊接堵头测试样件1表面。其次，开启自动化检测装置，通过过程监测与控制装置12驱动相互不平行的两台定位摄像头6通过图像法测定待测堵头的几何中心，获取其平面坐标。通过过程监测与控制装置12驱动xy二维移动平台4、水平旋转平台5使激光加热装置7对准堵头1
‑
3平面的几何中心。通过激光调焦或者驱动第二竖直方向滑轨10的方式利用激光或者加热棒的方式对直径介于堵头直径1/8
‑
1/2区域的堵头1
‑
3表面中心进行加热，并采用陶瓷保温纤维毯对表面进行覆盖。最后，加热一定时间后，
取出陶瓷保温纤维，通过过程监测与控制装置12驱动xy二维移动平台4、水平旋转平台5使红外摄像仪8对准堵头1
‑
3平面的几何中心，并通过驱动第一竖直方向滑轨9在合理的视场下对焊接堵头测试样件1表面的温度场进行测试，焊缝内部及焊缝外侧出现温度低于相同直径区域温度一定值的区域即可判断为焊缝熔深较浅或焊缝存在裂纹。
29.具体实施例如下：
30.实施例1：具体实施例如下：
31.实施例1：选用外径为19mm，壁厚为3mm的incolly 800h合金管子与厚度为200mm材质为incolly 800h合金管板的tig焊接接头，采用tig焊接方法选用直径为12.85mm的incolly 800h的堵头对管子进行封堵。封堵后，通过机械加工的方式获得如图1所示的焊接堵头测试样件1。首先，采用角磨机打磨与丙酮清洗的方法去除堵头1
‑
3表面及附近区域的氧化物及有机物等附着物，保证堵头中心部位平整，粗糙度不高于ra 4.5μm；其次，将图1所示的自动化测试装置通过磁性固定装置3固定在焊接堵头测试样件1表面。其次，开启自动化检测装置，通过过程监测与控制装置12驱动相互不平行的两台定位摄像头6通过图像法测定待测堵头的几何中心，获取其平面坐标。通过过程监测与控制装置12驱动xy二维移动平台4、水平旋转平台5使激光加热装置7对准堵头1
‑
3平面的几何中心。通过激光调焦或者驱动第二竖直方向滑轨10的方式利用激光或者加热棒的方式对直径介于堵头直径1/8
‑
1/2区域的堵头1
‑
3表面中心进行加热，通过调节激光功率将加热的温度设置为450℃，并采用陶瓷保温纤维毯对表面进行覆盖。最后，加热3.5分钟后，取出陶瓷保温纤维，通过过程监测与控制装置12驱动xy二维移动平台4、水平旋转平台5使红外摄像仪8对准堵头1
‑
3平面的几何中心，并通过驱动第一竖直方向滑轨9在合理的视场下对样品表面的温度场进行测试，焊缝内部及焊缝外侧出现温度低于相同直径区域温度一定值的区域即可判断为焊缝熔深较浅或焊缝存在裂纹。总共测试不同焊接参数条件下的3件样品，3件样品中均未发现焊接裂纹，1件样品中在焊缝两侧存在平行于环形焊缝且两侧温度差介于15
‑
29℃，长度为8.2mm的条形区域，根据其形态判断为焊缝熔深过浅缺陷，同时采用破坏性金相方法对无损检测后的样品进行解剖观察，观察结果与无损检测结果一致，2件样品未发现缺陷，1件样品内存在焊缝过浅区域，长度测试结果为7.4mm。