钢结构焊缝超声波检测初探
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作者: 盛陈飞 顾缬琴
摘 要： 焊缝连接是钢结构中最为常用的连接方式，其焊接质量直接关系整个结构的稳定性和安全性，尤为关键。超声波作为钢结构焊缝质量无损检测的主要手段，本文介绍了钢结构焊接接头超声波检测方法以及技术要点。
关键词： 焊接接头； 缺陷； 超声波检测方法
中图分类号： TU758.11文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）08-0044-02
1焊接加工及常见缺陷
1.1 焊接过程
焊接是通过加热或加压、或两者兼用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子结合的一种加工方法。常用的焊接方法有熔焊、压焊、钎焊和特种焊接等。但工程中应用最广泛的仍然是熔焊焊接接头，所以超声波检测的主要对象是熔焊焊接接头，如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、钨极氩弧焊等形成的焊接接头。
焊条电弧焊主要是用手工操纵焊条经行焊接的电弧焊方法。焊条由焊芯和药皮两部分组成，焊接时焊芯作为电极和填充材料，药皮在高温下分解产生气体作为保护层，同时调节焊缝金属凝固和冷却等作用。焊条电弧焊应用广泛，但其劳动强度大，焊接质量受焊工操作水平和体力影响严重，其形成的焊接接头是超声检测的重要对象。埋弧焊是利用焊剂做保护层，电弧在焊剂层下加热并熔化金属，利用电气和机械装置控制送丝和移动电弧的焊接方法。主要用于碳素钢、低合金钢、耐热钢和不锈钢焊缝的水平位置焊接，适用于厚度20mm以上的纵缝、环缝焊接，在锅炉、压力容器和船舶制造中广泛使用。气体保护焊是利用氩气或二氧化碳等保护气体作保护层的电弧焊方法。其中，氩弧焊通常适用于0.5~5mm范围的薄板或管子的全位置焊接和堆焊，还经常用于锅炉和压力容器重要元件焊接根部的打底焊，从而确保焊缝根部质量。
1.2 接头形式
金属熔化焊焊接部位的总称叫焊接接头，包括焊缝、热影响区和临近母材。焊接接头为满足不同工程的需要，主要有对接、角接、T形和搭接接头等几种。
1.3 破口形式
根据设计或工艺需要，焊接前须将母材焊口边缘加工并拼装成一定的几何形状，这种几何形状称为坡口，常见坡口形式主要有I形、V形、X形、U形、K形和单边V形。但是值得注意的是，不论接头形式如何，最基本的焊缝只有两种：角焊和坡口焊。
1.4常见焊接缺陷
焊接接头中常见焊接缺陷主要有不连续性、几何偏差、冶金不均匀性。焊接缺陷根据其性质、特征主要可以分为6个大类：
（1）裂纹：纵向裂纹、横向裂纹、发射状裂纹、弧坑裂纹等。（2）孔穴：气孔、结晶缩孔、弧坑缩孔等。（3）固体夹渣：夹渣、焊剂或熔剂夹渣、金属夹渣等。（4）未焊透及未熔合。（5）形状和尺寸不良。（6）其他缺陷：电弧擦伤、飞溅等。
2焊接接头超声检测选择
2.1 焊接接头超声检测技术等级的选择
由于不同类别焊接接头的重要性、失效后果严重性和危害性，超声检测的有效性和成本等都可能存在显著的差异，有必要根据实际情况和要求采用相适应的超声检测技术等级对焊接接头进行检测。根据规范要求分为A、B、C三个检测级别。A级检测一般用一种K值探头，采用直射法和一次反射法在焊接接头的单面进行检测，一般不要求进行横向缺陷的检测。B级检测技术一般用一到两种K值的探头，采用直射波法和一次反射波法在焊接接头的双面双侧进行检测。C级检测时同A、B级相比，主要是要求将焊接接头的余高磨平并用直探头对斜探头扫查经过的母材区域进行检测，主要是避免在检测声束经过的母材区域存在的小缺陷影响焊接接头缺陷的检测效果。
2.2检测方法和检测条件选择
（1）检测面的准备
检测面包括检测区和探头移动区。检测区的宽度应是焊缝本身，再加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的一段区域，这个区域最小为5mm，最大为10mm。探头的移动区与母材的厚度有直接关系。当采用一次反射法检测时，探头移动区大于或等于1.25倍的跨距；当采用直射法检测时，探头移动区应大于或等于0.75倍的跨距。同时检测面表面的状况好坏也直接影响检测结果。一般检测要求探头移动区表面的粗糙度Ra不大于6.3μm。
（2）耦合剂的选择
耦合剂的好坏决定这超声能量传入工件的声强投射率的高低。在焊接检测中，常用的耦合剂材料有：水、甘油、机油、化学糨糊和润滑剂等。
①在焊缝自动检测系统中通常用水作为耦合剂，因为水的流动性好，传输方便，价格便宜，但是水容易流失，也容易使焊缝生锈，不宜润湿工件。
②在较小工作量情况下，焊缝检测可以采用甘油作为耦合剂。其优点是声阻抗大，耦合效果好，缺点是易吸取空气中水分，容易对工件形成腐蚀坑，价格较贵。
③机油附着力、黏度、润湿性都较适当，无腐蚀性，价格也不贵，因此是最常见的耦合剂。
④化学糨糊的耦合效果和机油差别不大，而且具有较好的水洗性，也是一种常用的耦合剂。
（3）探头频率和K值的选择
城市建筑物焊缝一般晶粒较细，且超声波各向同性。因此，检测波形一般为横波，频率为2.5~5MHz。由于A、B级焊缝余高的存在和斜探头前沿的影响，一次波只能检测到焊缝的中下部。当焊缝宽度较大，若斜探头K值选择较小，则一次波可能无法检测到焊缝中下部。因此，斜探头的K值选取考虑一下三个方面：①斜探头的声束应能扫查到整个检测区截面；②斜探头的声束中心线应尽量与该焊缝可能出现的危险性缺陷垂直；③尽量使用一次波判别缺陷，减少误判并保证足够的检测灵敏度。
（4）距离―波幅曲线和灵敏度调节
根据不同焊缝选择相应的标准试块，绘制距离―波幅曲线，然后根据相应的壁厚来选择灵敏度。
3不同焊接接头检测方法
3.1对接接头
3.1.1 扫查方式
扫查的目的在于寻找和发现缺陷，为了能够达到目的，必须采用正确的扫查方式。常用扫查方式有：锯齿形扫查；前后、左右、转角、环绕扫查；双探头扫查；横向缺陷扫查。
3.1.2 缺陷的确定和质量分级
焊接接头的缺陷评定包括确定缺陷的位置、缺陷性质、缺陷幅度和缺陷的指示长度，然后结合所用标准中的规定，对焊接接头进行质量分级。焊接接头中发现缺陷以后，可根据缺陷的最大反射波在时基线上的位置，确定缺陷的水平位置和垂直深度。但焊接接头的定位还要考虑一个特殊的问题，即确定缺陷是否在焊缝中。有关缺陷的指示长度可以运用半波法和6db法来确定。通常缺陷的指示长度小于10mm时，按5mm计。相邻两缺陷在一直线上，其间距小于其中较小的缺陷长度时，应作为一条缺陷处理，以两条缺陷长度之和作为指示长度。
3.2 曲面工件对接接头
3.2.1检测条件的选择
（1）探头：应根据工件的曲率和材料厚度选择探头K值，为了能够达到较好的耦合效果选用小晶片探头。
（2）对比试块：直接采用CSK系列试块时，缺陷定位定量时要考虑修正。
3.2.2检测时扫查方式和缺陷的定位定量与对接接头基本相同
3.3 T形焊缝接头
T型接头由翼板和腹板焊接而成，坡口在腹板上，在选择检测面和探头时要考虑到检测各类缺陷的可能性，并使声束尽可能垂直与焊接接头结构中的主要缺陷。根据焊接接头结构形式的不同，分为三种检测方式，并选择其中一种或几种方式组合实施检测：
（1）用斜探头从翼板外侧用直射法或一次反射法经行检测。
（2）用斜探头在腹板一侧用直射法或一次反射法经行检测。
（3）用直探头或双晶探头在翼板外侧沿焊接接头检测，或用斜探头在翼板外侧沿焊缝焊接接头检测，包括直探头和斜探头两种扫查。
T形焊接接头利用直探头检测时，应注意区分底波与焊接接头中未焊透和层状撕裂。斜探头检测时，探头在焊缝两侧沿垂直与焊缝方向扫查时，焊角反射强烈。当焊缝中存在缺陷时，缺陷波一般出现在焊角反射波的前面。焊缝中缺陷的位置、指示长度的测定方法同平板对接接头。
4 结语
焊缝超声波检测是一项融理论性和经验性于一体的检测技术。检测人员通过不断的经验积累和对理论知识和相关规范不断理解，采取最为适当的探测方式，并作出正确的判断，来确保工程质量。
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