一种无损探伤教学用内部裂纹缺陷试板的制作方法与流程

本发明属于金属材料无损探伤技术领域，涉及一种教学或无损探伤培训用裂纹缺陷试板的制作方法，尤其涉及一种无损探伤教学用内部裂纹缺陷试板的制作方法。

背景技术：

无损检测是一门新兴的综合性应用技术学科，是在不破坏或不损伤被检查对象的前提下，测定和评价物质内部或外表各类缺陷的学科；常见缺陷试板是无损探伤教学及人员培训、考核等过程中必备的试件；焊接接头是一种化学成分不均匀体，是影响产品质量和使用安全的关键部位，也是产品结构中缺陷发生的“重灾区”；所以，对焊接接头中缺陷的有效检测是保证产品质量和运行安全的必要保证；在焊接接头的裂纹、未熔合、未焊透、气孔、夹渣等缺陷中，裂纹缺陷一直是无损检测工作中被关注的重点；对裂纹缺陷的检测和评价，离不开对裂纹缺陷检测信息的准确认识；所以，真实裂纹缺陷试板的制作对无损探伤中裂纹的发现及判断均具有重要的工程意义。

在探伤用标准试板方面，国内外进行了大量的研究和标准试板的规范，形成了相应的国际、国家及行业标准，如国际标准试板标准iso2400-1972e、钢焊缝手工超声波探伤标准试板标准gb/t11345-89、机械行业标准试板标准jb/t4730.1～4730.6-2005、电力行业标准试板标准dl/t5048-95、石油行业标准试板标准q/syxq7-2001、《无损检测·超声检测用试板》gb/t23905-2009等。这些标准所规定的标准试板有两个最大的特点：(1)其缺陷制作多采用人工方式制作，如加工标准孔、台阶等形式；(2)其功用是主要用来测定探伤仪、探头及系统性能。但是，标准试板中人工缺陷与实际缺陷间存在一定的差别，以及人工缺陷制作方式上的局限，很难使检测人员更为深刻地认识和分辨缺陷信号。针对标准试板中人工缺陷存在的问题，技术人员进行了大量的创造性工作；公开号为cn101576450的发明专利公布了一种制作表面焊接裂纹试板的方法，该发明主要通过在焊缝中添加s元素来增加提高焊缝热裂纹敏感性，再配合适当的焊接工艺来制作焊缝表面裂纹。公开号为cn102009280b的发明专利公布了一种可出现焊接裂纹的电焊条及其制作方法，其也是通过提高焊缝对热裂纹的敏感性来形成裂纹；公开号为cn101576450和cn102009280b的发明专利均是通过增加焊缝热裂纹敏感性来制作裂纹，焊接工艺参数及熔池形状控制不当时，难以达到目标效果；公开号为cn105196002a的专利通过加载来制作裂纹，但该裂纹与焊缝实际裂纹存在真实性差异；公开号为cn107020440a的专利公布了一种人工焊接裂纹缺陷试板的制作方法，该方法利用球磨铸铁焊缝的脆性，通过局部补焊的方式来制作人工裂纹，裂纹的位置和尺寸控制主要靠在打底焊缝上打磨出深度2-3mm、宽度3-5mm的沟槽来实现；但是，这种尺寸的沟槽在补焊时的拘束应力十分有限，以补焊方式产生裂纹主要依赖补焊铸铁焊道的脆性是该发明的关键，焊接工艺控制不当将难以达到有效的效果。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无损探伤教学用内部裂纹缺陷试板的制作方法，能够在试板上随机设计裂纹区域制作出与实际裂纹缺陷相同的焊缝缺陷，加深学生及检测人员对缺陷检测信号的认识程度，具有定位灵活准确、契合实际教学培训的需求和应用范围广的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无损探伤教学用内部裂纹缺陷试板的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤一、高碳当量焊材选择

根据焊条熔敷金属化学成分及下述碳当量公式选择熔敷金属碳当量ceq＞0.46％的高碳当量焊材：ceq＝c+mo/4+cr/5+mn/6+v/14+si/24+ni/40(％)；

步骤二、缺陷试板准备

选择钢板作为试板1；在试板1上开带钝边双面v型坡口；

步骤三、试板刚性固定

以刚性固定形式对加工好坡口的试板1进行组对并有效固定，v型坡口间留间隙；

步骤四、裂纹制作

采用步骤一选定的焊条对试板1的v型坡口间的设计裂纹区域进行高碳当量焊道4焊接，熄弧后立即对高碳当量焊道4快速冷却并放置24小时，即可出现穿透性焊道纵向焊接裂纹5；

步骤五、松开刚性固定并对试板1点固焊接；

步骤六、非设计裂纹区域打底焊接

对试板1预热后，对v型坡口间的非设计裂纹区域打底焊接，焊接至点固焊接位置时，利用角磨机打磨去除点固焊道后进行重新打底焊接，对打底焊缝背面进行修磨，并对成形不良的焊缝表面进行修整；

步骤七、缺陷试板填充及盖面焊接

对试板1预热后，采用直径4.0mm的j427焊条对试板1进行填充焊道7及盖面层8焊接；

步骤八、以上完成后，进行焊缝表面清理，清理结束后，内部裂纹缺陷试板制作完成。

所述步骤一所选焊材包括ceq＝0.461％的j607r、ceq＝0.708％的j857crni或ceq＝0.942％的j107cr焊条。

所述步骤二作为试板1的钢板，选择长300mm，宽150mm，厚30mm的低碳钢板；v型坡口角度a为45-60°；钝边高度h为3-5mm。

所述步骤三刚性固定形式包括以刚性夹具2和其上设置的紧固螺栓3夹紧试板1；试板1的v型坡口间隙宽度l为2-4mm。

所述步骤四所用焊材条为ceq＝0.461％的j607r、ceq＝0.708％的j857crni或ceq＝0.942％的j107cr焊条中任一种；焊条规格为直径3.2mm、直径4.0mm或直径5.0mm；焊接电流为120-190a；快速冷却方式包括喷水或浇注液氮。

所述步骤五中对试板1进行点固采用的焊条为直径3.2mm的j427；焊接电流为110-140a，点固焊道长度为8-15mm。

所述步骤六中试板1预热温度为200-300℃，对非设计裂纹区域打底焊接采用的焊条为直径3.2mm的j427，焊接电流为110-140a。

所述步骤七中试板1的预热温度为200-300℃；对试板1进行填充焊道7及盖面层8焊接采用的焊条为直径4.0mm的j427；焊接电流为140-180a；焊接过程中保证层间温度不低于200℃；对试板1填充及盖面焊接时，采用正背面交替焊接方式，以保证试板1的平整度。

所述高碳当量焊道4焊接时均为室温焊接。

本发明采用高拘束试板对接方式，并利用高碳当量焊材进行常温施焊，辅以焊后施加强制快冷措施，以产生实际焊接裂纹的方式实现焊缝内部裂纹缺陷试板的制作，能够在试板上设定位置制作出与实际裂纹缺陷相同的焊缝缺陷，加深学生及检测人员对缺陷检测信号的认识程度；根据焊接冷裂纹的预防机理，反其道而用之，促使试板形成实际焊接冷接裂纹；高碳当量焊材焊接时，往往需要配合以预热及降低拘束应力的方式来预防冷裂纹；利用高碳当量焊材对冷裂纹的敏感性，并通过外加强拘束和缺陷焊道的快速冷却来定位产生焊道冷裂纹，是本发明的创造性特点之一，未见到有相似的焊接裂纹缺陷制作方法报道；试板坡口形式选择和钝边位置设计是为了实现焊接裂纹的深度控制，达到在设定位置和深度产生裂纹的目的；裂纹焊道完成后，进行预热和层间温度控制是为了防止非设计裂纹区域产生焊接缺陷。制作的内部裂纹缺陷试板从制作方法和作用上与标准试板比具有以下有益效果：

(1)采用实际焊接方法，在设计位置制作真实的设计长度和深度的裂纹，比标准试板更接近实际的焊缝缺陷；

(2)制作的裂纹缺陷试板的检测信号与真实缺陷相同，增强了无损检测技术人员对实际缺陷的感性和理性认识；

(3)本发明制作的裂纹缺陷试板可以用于超声探伤等无损探伤方法，提高无损探伤人员培训及换、取证考核质量；

综上，本发明具有定位灵活准确、契合实际教学培训的需求和应用范围广的优点。

附图说明

图1为本发明中缺陷试板坡口的结构示意图。

图2为本发明中缺陷试板组对及刚性固定装置的结构示意图。

图3为本发明中高碳当量焊道快速冷却后的表面裂纹示意图。

图4为本发明高碳当量焊道快速冷却后的横断面裂纹示意图。

图5为本发明中的裂纹实物图，其中图5(a)为表面裂纹实物图，图5(b)为断面裂纹实物图。

图6为本发明中的缺陷试板点固示意图。

图7为本发明中设计裂纹区域填充及盖面焊接后的横断面示意图。

图8为本发明完成后的缺陷试板的结构示意图。

其中：1、缺陷试板；2刚性夹具；3紧固螺栓；4、高碳当量焊道；5、焊接裂纹；6、点固焊道；7、填充焊道；8、盖面层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

一种无损探伤教学用内部裂纹缺陷试板的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤一、高碳当量焊材选择

根据焊条熔敷金属化学成分及下述碳当量公式选择熔敷金属碳当量ceq＞0.46％的高碳当量焊材：ceq＝c+mo/4+cr/5+mn/6+v/14+si/24+ni/40(％)；

步骤二、缺陷试板准备

参见图1，选择钢板作为试板1；在试板1上开带钝边双面v型坡口；

步骤三、试板刚性固定

参见图1、图2，以刚性固定形式对加工好坡口的试板1进行组对并有效固定，v型坡口间留间隙；

步骤四、裂纹制作

参见图3至图5，采用步骤一选定的焊条对试板1的v型坡口间的设计裂纹区域进行高碳当量焊道4焊接，熄弧后立即对高碳当量焊道4快速冷却并放置24小时，即可出现穿透性焊道纵向焊接裂纹5；

步骤五、参见图2、图6，松开刚性固定并对试板1点固焊接；

步骤六、非设计裂纹区域打底焊接

对试板1预热后，对v型坡口间的非设计裂纹区域打底焊接，焊接至点固焊接位置时，利用角磨机打磨去除点固焊道后进行重新打底焊接，对打底焊缝背面进行修磨，并对成形不良的焊缝表面进行修整；

步骤七、缺陷试板填充及盖面焊接

参见图7、图8，对试板1预热后，采用直径4.0mm的j427焊条对试板1进行填充焊道7及盖面层8焊接；

步骤八、以上完成后，进行焊缝表面清理，清理结束后，内部裂纹缺陷试板制作完成。

所述步骤一所选焊材包括ceq＝0.461％的j607r、ceq＝0.708％的j857crni或ceq＝0.942％的j107cr焊条。

所述步骤二中作为试板1的钢板，选择长300mm，宽150mm，厚30mm的低碳钢板；v型坡口角度a为45-60°；钝边高度h为3-5mm。

所述步骤三中刚性固定形式包括以刚性夹具2和其上设置的紧固螺栓3夹紧试板1；试板1的v型坡口间隙宽度l为2-4mm。

所述步骤四中所用焊材条为ceq＝0.461％的j607r、ceq＝0.708％的j857crni及ceq＝0.942％的j107cr焊条中任一种；焊条规格为直径3.2mm、直径4.0mm或直径5.0mm，焊接电流为120-190a，快速冷却方式包括喷水或浇注液氮。

所述步骤五中对试板1进行点固焊接采用的焊条为直径3.2mm的j427；焊接电流110-140a，点固焊接焊道长度8-15mm。

所述步骤六中试板1的预热温度为200-300℃，对非设计裂纹区域打底焊接采用的焊条为直径3.2mm的j427，焊接电流为110-140a。

所述步骤七中试板1的预热温度为200-300℃；对试板1进行填充焊道7及盖面层8焊接采用的焊条为直径4.0mm的j427；焊接电流为140-180a；焊接过程中保证层间温度不低于200℃；对试板1填充及盖面焊接时，采用正背面交替焊接方式，以保证试板1的平整度。

所述高碳当量焊道4焊接时均为室温焊接。

实施例1

步骤一、高碳当量焊材选择

选择ceq＝0.461％的j607r焊条，焊条规格为直径3.2mm；

步骤二、缺陷试板准备

选择长300mm，宽150mm，厚30mm的低碳钢板作为试板1；按照设计裂纹深度在试板1上开带钝边双面v型坡口，v型坡口角度a为45°；钝边高度h为3mm；

步骤三、缺陷试板刚性固定

利用刚性夹具2和紧固螺栓3对加工好坡口的试板1进行组对，其中坡口间隙宽度l为2mm，组对后，旋紧紧固螺栓3，保证试板1的有效刚性固定；

步骤四、裂纹制作

采用直径3.2mm的ceq＝0.461％的j607r焊条对试板1的v型坡口间的设计裂纹区域进行高碳当量焊道4焊接，焊接电流为120a，熄弧后立即对高碳当量焊道4以喷水方式快速冷却并放置24小时，即可出现穿透性焊道纵向焊接裂纹5；

步骤五、拆卸夹具及缺陷试板点固焊接

松开紧固螺栓3，采用直径3.2mm的j427焊条对试板1进行点固焊接，焊接电流为110a，点固焊道6长度为8mm；

步骤六、非设计裂纹区域打底焊接

对试板1预热200℃后，采用直径3.2mm的j427焊条对v型坡口间的非设计裂纹区域打底焊接，焊接电流为110a；焊接至点固焊道6位置时，利用角磨机打磨去除点固焊道6后进行重新打底焊接；对打底焊缝背面进行修磨，并对成形不良的焊缝表面进行修整；

步骤七、缺陷试板填充及盖面焊接

对试板1预热200℃后，采用直径4.0mm的j427焊条对试板1进行填充焊道7及盖面层8焊接，焊接电流为140a，焊接过程中保证层间温度不低于200℃；对试板1填充及盖面焊接时，采用正背面交替焊接方式，以保证试板1的平整度；

步骤八、以上完成后，进行焊缝表面清理，清理结束后，内部裂纹缺陷试板制作完成。

实施例2

步骤一、高碳当量焊材选择

选择ceq＝0.708％的j857crni焊条，焊条规格为直径3.2mm；

步骤二、缺陷试板准备

选择长300mm，宽150mm，厚30mm的低碳钢板作为试板1；按照设计裂纹深度在试板1上开带钝边双面v型坡口，v型坡口坡口角度a范围为50°；钝边高度h为4mm；

步骤三、试板刚性固定

利用刚性夹具2和紧固螺栓3对加工好的v型坡口的试板1进行组对，其中v型坡口间隙宽度l为3mm，组对后，旋紧紧固螺栓3，保证试板1的有效刚性固定；

步骤四、裂纹制作

采用直径3.2mm的ceq＝0.708％的j857crni焊条对试板1的v型坡口间的设计裂纹区域进行高碳当量焊道4焊接，焊接电流为140a，熄弧后立即对高碳当量焊道4喷水快速冷却并放置24小时，即可出现穿透性焊道纵向裂纹5；

步骤五、拆卸夹具及缺陷试板点固焊接

松开紧固螺栓3，采用直径3.2mm的j427焊条对试板1进行点固焊接，焊接电流130a，点固焊道长度10mm；

步骤六、非设计裂纹区域打底焊接

对试板1预热250℃后，采用直径3.2mm的j427焊条对v型坡口间的非设计裂纹区域打底焊接，焊接电流为130a；焊接至点固焊接位置时，利用角磨机打磨去除点固焊道6后进行重新打底焊接；对打底焊缝背面进行修磨，并对成形不良的焊缝表面进行修整；

步骤七、缺陷试板填充及盖面焊接

对试板1预热250℃后，采用直径为4.0mm的j427焊条对试板1进行填充焊道7及盖面层8焊接，焊接电流为160a，焊接过程中保证层间温度不低于200℃；对试板1填充及盖面焊接时，采用正背面交替焊接方式，以保证试板1的平整度；

步骤八、以上完成后，进行焊缝表面清理，清理结束后，内部裂纹缺陷试板制作完成。

实施例3

步骤一、高碳当量焊材选择

选择ceq＝0.942％的j107cr焊条，焊条规格为直径4.0mm；

步骤二、缺陷试板准备

选择长300mm，宽150mm，厚30mm的低碳钢板作为试板1；按照设计裂纹深度在试板1上开带钝边双面v型坡口，v型坡口角度a为60°；钝边高度h为5mm；

步骤三、缺陷试板刚性固定

利用刚性夹具2和紧固螺栓3对加工好的v型坡口的试板1进行组对，其中坡口间隙l为4mm，组对后，旋紧紧固螺栓3，保证试板1的有效刚性固定；

步骤四、裂纹制作

采用直径4.0mm的ceq＝0.942％的j107cr焊条对试板1的v型坡口间的设计裂纹区域进行高碳当量焊道4焊接，焊接电流为160a，熄弧后立即对高碳当量焊道4以喷水方式快速冷却并放置24小时，即可出现穿透性焊道纵向焊接裂纹5；

步骤五、拆卸夹具及缺陷试板点固焊接

松开紧固螺栓3，采用直径3.2mm的j427焊条对试板1进行点固焊接，焊接电流为140a，点固焊道6长度为12mm；

步骤六、非设计裂纹区域打底焊接

对试板1预热300℃后，采用直径3.2mm的j427焊条对v型坡口间的非设计裂纹区域打底焊接，焊接电流为140a；焊接至点固焊道6位置时，利用角磨机打磨去除点固焊道6后进行重新打底焊接；对打底焊缝背面进行修磨，并对成形不良的焊缝表面进行修整；

步骤七、缺陷试板填充及盖面焊接

对试板1预热300℃后，采用直径为4.0mm的j427焊条对试板1进行填充焊道7及盖面层8焊接，焊接电流180a，焊接过程中保证层间温度不低于200℃；对试板1填充及盖面焊接时，采用正背面交替焊接方式，以保证试板1的平整度；

步骤八、以上完成后，进行焊缝表面清理，清理结束后，内部裂纹缺陷试板制作完成。

实施例4

步骤一、高碳当量焊材选择

选择ceq＝0.942％的j107cr焊条，焊条规格为直径4.0mm；

步骤二、缺陷试板准备

选择长300mm，宽150mm，厚30mm的低碳钢板作为试板1；按照设计裂纹深度在试板1上开带钝边双面v型坡口，v型坡口角度a为60°；钝边高度h为5mm；

步骤三、缺陷试板刚性固定

利用刚性夹具2和紧固螺栓3对加工好的v型坡口的试板1进行组对，其中坡口间隙l为4mm，组对后，旋紧紧固螺栓3，保证试板1的有效刚性固定；

步骤四、裂纹制作

采用直径为5.0mm的ceq＝0.942％的j107cr焊条对试板1的v型坡口间的设计裂纹区域进行高碳当量焊道4焊接，焊接电流为190a，熄弧后立即对高碳当量焊道4以喷水方式快速冷却并放置24小时，即可出现穿透性焊道纵向焊接裂纹5；

步骤五、拆卸夹具及缺陷试板点固焊接

松开紧固螺栓3，采用直径3.2mm的j427焊条对试板1进行点固焊接，焊接电流140a，点固焊道6长度12mm；

步骤六、非设计裂纹区域打底焊接

对试板1预热300℃后，采用直径3.2mm的j427焊条对v型坡口间的非设计裂纹区域打底焊接，焊接电流140a；焊接至点固焊道6位置时，利用角磨机打磨去除点固焊道6后进行重新打底焊接；对打底焊缝背面进行修磨，并对成形不良的焊缝表面进行修整；

步骤七、缺陷试板填充及盖面焊接

对试板1预热300℃后，采用直径为4.0mm的j427焊条对试板1进行填充焊道7及盖面层8焊接，焊接电流为180a，焊接过程中保证层间温度不低于200℃；对试板1填充及盖面焊接时，采用正背面交替焊接方式，以保证试板1的平整度；

步骤八、以上完成后，进行焊缝表面清理，清理结束后，内部裂纹缺陷试板制作完成。

本发明是基于以下原理来实现的：

在焊接领域，为了评价钢材对焊接冷裂纹的敏感性，建立了很多种间接或直接裂纹敏感性评价方法，日本焊接学会(jis)推荐的碳当量计算公式为ceq＝c+mo/4+cr/5+mn/6+v/14+si/24+ni/40(％)，认为基于钢的化学成分计算的碳当量ceq＞0.46％时其具有一定的冷裂纹敏感性，必须进行预热以避免裂纹的产生；本发明在上述间接或直接裂纹敏感性评价方法原理的基础上，反其道而行之，采用刚性固定的高拘束试板对接方式，利用高碳当量焊材对设计缺陷位置进行常温施焊，并在焊后制快速冷却并放置24小时，即可出现穿透性焊道纵向焊接裂纹，然后拆卸夹具及缺陷试板点固，对非设计裂纹区域打底焊接，再对缺陷试板填充及盖面焊接，最后进行焊缝表面清理，完成制作。