对焊接式涡轮转子焊缝进行超声波检测的方法

摘要

本发明涉及一种对焊接式涡轮转子(1)焊缝(11)进行超声波检测的方法。超声波发射器(21)与超声波接收器(23)对称于转子轴(3)地在转子表面(5)上移动。在此焊缝(11)构成超声波信号(25)的反射镜。通过这种检测技术不仅可以检测材料缺陷而且能够评价其范围。

说明书

发明领域

本发明涉及一种对沿着转子轴布置并焊接的涡轮转子焊缝进行超声波检测的方法，其中通过垂直于转子轴的焊缝将第一转子部件与第二转子部件沿着围绕转子环形延伸的焊接面包括空腔在内焊接起来。

技术背景

在由J.& H.Krautkraemer所著、柏林Splinger出版社1986年出版的“超声波材料检测”第110-111页中描述到，如何能够在利用工件内部表面反射的条件下通过发射测试头和接收测试头借助于超声波检测工件。在工件具有位于对面的外侧面情况下测试头相互对面地设置在这个外侧面上。发射测试头发射超声波给要被检测的表面。从那里将超声波反射给接收测试头。检测的另一种方法是串联方法，其中两个测试头前后设置在同一个外侧面上。在此工件背面用于第二个反射。如果只有一个可接触到的工件外侧面并且不存在合适的背面用于串联方法的反射，则不能采用上述方法。

发明概述

本发明的目的在于给出一种对涡轮转子焊缝进行超声波检测的方法，该方法能够定量地推测出焊缝中材料缺陷范围。

按照本发明这个目的通过一种对沿着转子轴布置并焊接的涡轮转子焊缝进行超声波检测的方法而实现，涡轮转子具有转子表面，其中通过垂直于转子轴的焊缝将第一转子部件与第二转子部件沿着围绕转子环形延伸的焊接面包括空腔在内焊接起来，其中将超声波发射器与超声波接收器设置在第一焊接部件对称于转子轴处的转子表面上并紧接着将超声波信号由超声波发射器发向焊缝并从可能存在于那里的缺陷位置反射到超声波接收器。

焊接式涡轮转子由转子部件焊接在一起，转子部件在其焊接侧面上具有一个环形台阶，该台阶通常还具有一个在直径方向上指向中间的卸载凸起用于机械地卸除焊缝根部的载荷。由于转子部件焊接台阶径向上位于内部表面上的非常弯曲的几何形状，使得在焊缝处不存在可以通过采用串联技术进行焊缝超声波检测的背面。此外，因为位于转子表面背面的内表面不能接触到，因为该内表面在形成空腔时被焊接，所以不能采用上述反射方法进行定量缺陷分析。因此目前的焊缝超声波检测局限于借助于单一的声波(einschalligen)测试头提供单纯的质量报告，该测试头能够通过脉冲-反射脉冲技术指出可能存在的材料缺陷。但是这种质量报告作为焊缝实际品质报告是不够的。为了能够可靠地消除断裂危险必须对材料缺陷范围进行评价和判断。通过本发明能够首次实现这一点。尽管没有可供使用的适合的反射背面而且尽管涡轮转子内表面、即空腔在焊接后不再可能接触到，在充分利用涡轮转子旋转对称的情况下仍可采用带有两个测试头的发射-接收-技术。为此测试头对称于转子轴地设置在转子表面上。所以测试头的测试位置与焊缝上的声波点在一个平面上，该平面平行于转子轴并因此垂直于焊缝延伸。因此入射的超声波信号与焊接面法线之间的夹角等于超声波信号对这个法线的反射角。如同在已知的反射技术中一样能够在这种确定的几何图形中作出被探测材料缺陷的缺陷评价。在此完全创新的形式是，与通常的反射技术不同，不是将测试头设置在两个位于对面的测试体表面上。在充分利用涡轮转子旋转对称的情况下通过将测试头设置在结构部件的同一个表面、即转子表面上可以令人惊奇地利用反射技术。

超声波发射器与超声波接收器在保持其对称于转子轴地设置在转子表面上的条件下最好这样进行工作，使整个焊缝逐步地暴露给超声波信号。通过所述的测试头布置通过适当的位置变化能够检测整个焊缝。为此测试头在切线方向上移动，即相互靠近或相互离开。这一点将导致对焊缝深度的扫描。此外测试头在切线方向上在保持其间距的条件下移动。这一点用来扫描焊缝周边。测试头移动的另一个参数是在轴向上的移动，即测试头没有距离变化地沿着转子轴移动。这一点用来扫描焊缝厚度。通过这种移动形式的适当顺序与组合将逐步地超声并检测整个焊缝。

最好将超声波发射器也设计成超声波接收器，其中超声波发射器在一个附加的、但也许是同时进行的检测步骤中发射脉冲信号并接受其反射脉冲。如上所述，这种附加的超声波发射器的脉冲-反射脉冲技术可以串行地实现发射-接收技术或者对于由多通道检测仪器构成的超声波发射器也可以并行地实现发射-接收技术。通过附加的脉冲-反射脉冲技术可以更确切地获得关于材料缺陷的体积和面积特征的信息。因此，与材料缺陷的平面范围报告相结合能够得到更精确地材料缺陷定量分析报告，材料缺陷的平面范围通过如上所述的发射接收技术获得。最好以相同的方法将超声波接收器也设计成超声波发射器。

超声波接收器和/或超声波发射器最好由多辐射极构成，以便于对于超声波信号的不同接收角或者入射角进行电调整。

焊缝中材料缺陷的探测确定超声波发射器和超声波接收器各自从属的缺陷位置。各自的缺陷位置是超声波发射器和超声波接收器在材料缺陷探测过程中所占据的那个位置。优选使超声波发射器或超声波接收器局部地围绕其各自的缺陷位置来回移动。在此为了对材料缺陷范围进行定量分析根据由这个局部移动产生的缺陷信号变化附加地确定材料缺陷取向。换句话说，测量误差平面范围的探测和评价暂时如前所述那样产生。为了附加地获得平面材料缺陷取向的信息，超声波发射器或超声波接收器围绕已经探测到缺陷信号的缺陷位置移动并在此以不同的角度接收或发射超声波信号。在这种情况下测试头布置对于转子轴的严格对称不再有价值，因此已发射和已接收超声波信号的准确镜面对称也不再有价值。通过角度关系围绕中间缺陷位置来回地局部变化获得一种信息，平面的材料缺陷相对于焊接面是如何取向的。因此实现缺陷评价的进一步细化。

优选将本方法用于涡轮转子，其中第一转子部件由与第二转子部件不同的其它材料制成。对于这种材料副恰好可能在焊缝中产生材料缺陷，这种材料缺陷被看作是对焊接连接强度的疑义。因此材料缺陷的定量评价在这里正好具有特殊的意义。

焊缝最好是窄缝焊缝。

涡轮转子最好由蒸汽涡轮转子构成。

附图的简要说明

下面借助于附图示例性地详细描述本发明。在附图中局部简化且不成比例地表示：

图1为焊接式蒸汽涡轮转子部件的纵向截面图，

图2为对焊接式涡轮转子焊缝进行超声波检测的立体图，

图3和图4为图2视图的俯视图和侧视图，

图5为获得材料缺陷取向的视图。

优选实施方式的详细描述

在不同的视图中相同的标记符号具有相同的意义。

图1示出蒸汽涡轮转子1的纵向截面视图。蒸汽涡轮转子1沿着涡轮轴3布置并具有转子表面5。第一转子部件7与第二转子部件9通过焊缝11焊接。焊缝11沿着环状焊接面13延伸。焊缝11位于第一转子部件7的焊接台阶18与第二转子部件9的焊接台阶20之间。焊接台阶18，20围绕各自转子部件7，9的圆周环状延伸。焊接台阶18，20在其直径向上位于里面的部位各具有一个卸载凸起17，19。这些卸载凸起17，19用于机械地卸除焊缝11径向上位于中间凸起上的载荷。焊缝11在紧邻第一转子部件7上具有第一焊缝面11a。焊缝11在紧邻第二转子部件9上具有第二焊缝面11b。正是在焊缝面11a，11b处可能出现材料缺陷，这些缺陷可能促使裂纹生成并且在最严重的情况下可能会导致焊接连接断裂。因此对这种材料缺陷16的焊缝11检测是必需的。在此只指出材料缺陷16的存在是不够的，因为裂纹扩展的危险在很大程度上取决于材料缺陷16的大小和形状，而且例如在平面材料缺陷16情况下的危险远大于泡状材料缺陷16情况下的危险。由于转子部件7，9在焊接连接处的几何形状使得不能采用常规的超声波检测技术，这种技术可以对材料缺陷16作出定量分析。由于转子部件7，9的尺寸范围不能直接进行垂直超声波检测。借助于两个对面设置测试头的反射技术，即一方面在转子表面5上另一方面在通过焊接所形成的空腔15所面对的表面上设置测试头同样是不可能的，因为空腔15在焊接后不能接触到。借助于两个前后设置在转子表面5上的测试头的串联技术也被排除，因为不能提供适合的用于串联技术所必须的反射的背面。因此目前只能满足于通过单一的、在转子表面5上面超声的测试头的脉冲-反射脉冲技术单纯地指出材料缺陷16的存在。借助于下面的附图将描述，如何能够实现通过超声波检测来评价焊缝11。

图2以立体图示出的第一转子部件7具有位于端部的环状焊缝11。为了更清楚地表示，通过焊缝11与第一转子部件7焊接的第二转子部件9没有示出。在第一转子部件7的转子表面5上设置一个超声波发射器21。与转子轴3对称同样在第一转子部件7的转子表面5上设置一个超声波接收器23。通过超声波发射器21将超声波信号25发射到焊缝11上。从超声波信号25在焊缝11上的接收点24将超声波信号25反射到超声波接收器23。超声波发射器21和超声波接收器23在转子表面5上的支承点位于含有接收点24的公共平面里。公共支承面E平行于转子轴3。通过这种改变的反射技术在充分利用弯曲转子表面5的情况下建立起一种检测技术，借助于确定的角度关系能够实现对材料缺陷范围的评价。

图3示出图2布置的俯视图，其中超声波发射器21和超声波接收器23对称于转子轴3设置。

图4示出图2布置的侧视图。在这里只能看到超声波接收器23。该接收器同时也构成超声波发射器。通过这种发射特性超声波接收器23将脉冲信号31发射给焊缝11。回扫的反射信号33又被超声波接收器23接收。借助于这种脉冲-反射脉冲方法可以与如图2所述方法所获得的关于其缺陷形状的结果相结合来评价材料缺陷16，即，是否涉及到更大体积或更大面积的缺陷。用相同的方法也可以将超声波发射器21构成超声波接收器。在超声波发射器21或超声波接收器23采用多通道结构形式的情况下脉冲-反射脉冲方法可以采取如图2所述的实现并行地发射接收技术。

图5示出用于细化材料缺陷16评价的附加方法。在对应于图2布置的俯视图中超声波发射器21和超声波接收器23位于各自的测量位置M1，M3，在这个位置缺陷位置F上的材料缺陷16被检测出来。现在，通过另外一个测量位置M2的变化使超声波发射器围绕测量位置M1来回移动，这时另一个超声波信号25a以不同的角度发射到缺陷位置F。反射信号25a具有一个相对于焊缝11的角度β，这个角度与对称位置发射的超声波信号25角度α相比是不同的。因此信号高度在超声波接收器23中根据超声波发射器21的附加测量位置M2变化并根据材料缺陷16的取向变化。由此获得关于材料缺陷16取向的信息。

采用所述的测试技术当然可以检测整个焊缝11。在此超声波发射器21和超声波接收器23在保持其与涡轮轴3对称布置的条件下移动。这一点在超声波发射器21和超声波接收器23之间距离不变的情况下可以沿着涡轮转子1的切线方向实现或者也可以平行于涡轮轴3实现。但是超声波发射器21和超声波接收器23也可以相互靠近或相互离开地移动。