1111薄板超声波探伤.docx
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1111薄板超声波探伤
薄板焊缝超声波探伤
南通市建筑工程质量检测中心
薄板焊缝超声波探伤
南通市建筑工程质量检测中心226006
[摘要]：
为适应轻型钢结构发展的检测需要，本文针对现行国家标准的盲区，讨论了薄板焊缝超声波探伤的可行性，初步研究了相应的探伤方法。
[关键词]：
超声波探伤，近场区长度，薄板焊缝，探头，试块
现行的GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》标准中规定适用范围为“母材厚度不小于8mm的铁素体类钢全焊透熔化焊缝的脉冲反射法手工超声波焊缝检验”。
但是随着轻型钢结构地兴起和发展，在现今的钢结构工程中经常会遇到构件母材板厚小于8mm的情况。
在很多地区，建筑工程质量检测机构又未开展X射线探伤的检测项目，对这类薄板（厚度小于8mm的板材，主要是4mm~7mm）焊缝无法进行行之有效地检测。
而即使采用X射线对薄板焊缝进行探伤也存在对人和环境危害大，对裂纹、未熔合等危害性缺陷漏检率高等缺点。
因此研究薄板焊缝超声波探伤的可行性和探伤方法就显得很重要了。
1薄板焊缝超声波探伤的可行性
1.1薄板焊缝不宜进行超声波探伤的理论依据
根据声学理论基础，在不考虑介质衰减的情况下，液体介质中超声波波源附近会有由于波的干涉而出现的一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅耳区。
在近场区进行超声波探伤对定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容易引起误判，甚至漏检。
由于薄板焊缝的母材板厚较薄，基本都处于超声场的近场区，因此为避免误判、漏检，薄板焊缝不宜进行超声波探伤。
1.2实际声场与理想声场的比较
理想声场中讨论的是液体介质，波源做活塞振动，辐射连续波等理想条件下的情况。
实际探伤时往往是固体介质，波源非均匀激发，辐射脉冲波的声场，简称实际声场。
在近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别。
理想声场轴线上声压存在一系列极大极小值，且极大值为2P0，极小值为零。
实际声场轴线上声压虽然也存在极大极小值，但波动幅度小，极大值远小于2P0，极小值也远大于零，同时极值点的数量明显减少。
这是因为：
a、近场区出现声压极值点是由于波的干涉造成得。
理想声场是连续波，波源各点辐射的声波在声场中某点产生完全干涉。
实际声场是脉冲波，脉冲波持续时间很短，波源各点辐射的声波在声场中某点产生不完全干涉或不产生干涉。
从而使实际声场区轴线上声压变化幅度小于理想声场，极值点减少。
b、实际的声源是脉冲波，由傅立叶级数，脉冲波可以视为常数项和无限个n倍基频的正弦波、余弦波之和。
即
式中t—时间
n—正整数，1、2、3……
ω—圆频率
a0，an，bn—常数
因此，总声场实际上是各个不同频率脉冲波决定的不同声场的叠加。
由主声束轴线上理论声压公式
可以知道不同频率的声源它们的极值点出现的位置各不相同，相互叠加后声场声压分布就趋于均匀。
c、实际声场的波源是非均匀激发，波源中心振幅大，边缘振幅小。
由于波源边缘引起的波程差较大，对干涉影响也较大。
因此这种非均匀激发的实际波源产生的干涉要小于均匀激发的理想波源。
d、理想声场是针对液体介质而言的，而实际探伤对象往往是固体介质。
在液体介质中，液体内某点的压强在各个方向上的大小是相同的。
波源各点在液体中某点引起的声压可视为同方向而进行线性迭加。
在固体介质中，波源某点在固体中某点引起的声压方向在二者连线上。
对波源轴线上的点，由于对称性，使垂直于轴线方向的声压分量互相抵消，使轴线方向的声压分量互相迭加。
显然这种迭加干涉要小于液体介质中的迭加干涉，这也是实际声场近场区轴线上声压分布均匀的一个原因。
2薄板焊缝超声波探伤方法
根据以上分析，实际固体介质中声压分布趋向平缓，而且对某一固定探头的相对固定的某一声程处其声压具有稳定性。
因此，在保持一定精度的前提下，根据实际工程操作条件，选用特定的探头，对比试块，充分考虑材质、衰减、耦合等一系列外界影响因素修正后的波幅数据和实际波幅数据之间的误差是可以控制在工程允许范围内的。
2.1探头的选用
探伤时，应尽可能使直射波的声程不在近场区内，使声程范围在一倍近场区长度到三倍近场区长度之间，这样有利于探伤时避免误判、漏检缺陷。
2.1.1探伤频率的选择
为提高探头指向性和分辨率，以满足检出尺寸较小缺陷的要求，需采用较高的探伤频率；但频率提高同时也会增大声波近场区长度。
通过实践，建议选择频率为5MHz的探头比较合适。
2.1.2探头晶片的选择
矩形波源的纵波声场近场区长度
矩形波源的横波声场近场区长度
其中：
FS—波源的面积
λ—介质中超声波波长
α—横波入射角角度
β—横波折射角角度
由上式可知，波源面积增大，近场区长度也会随之变长，因此在进行薄板焊缝探伤时一般选用晶片尺寸为6mm×6mm的小探头。
2.1.3探头K值的选择
由于板厚较薄，焊缝余高的宽度一般在10~15mm之间，为了使直射波能够扫查到焊缝的中下部分，选用K值较大的，前沿较小的斜探头。
以常用的有机玻璃楔块斜探头为例：
有机玻璃中纵波声速CL=2730m/s，探头频率选用f=5MHz,晶片尺寸选用6mm×6mm，钢中横波声速Cs=3230m/s，有机玻璃入射点至晶片的距离L=10mm。
则钢中横波波长λs2=CS/f=0.646mm，波源面积FS=6×6=36mm2。
当K=2.5时，即入射角α=51.6°，折射角β=68.2°时，钢中近场区长度
mm
因此对应的钢中近场区深度为2.12mm。
当K=3时，即入射角α=71.6°，折射角β=53.5°时，钢中近场区长度
mm
因此对应的钢中近场区深度为1.55mm。
由以上计算可知，当探头K值增大时，声波在钢中近场区长度将减少，有利于超声波探伤，但如果K值太大的话，容易形成表面波，干扰探伤结果的判定。
经过研究对比，发现楔块的选择一方面要有一定的耐磨性，同时其纵波声速应尽可能小些。
因此选择聚枫树脂楔块的探头，其纵波声速为2250m/s，比有机玻璃小些，这样对减小探头前沿和增大K值有利，在钢中近场区长度为
mm
对应的钢中近场区深度为1.47mm。
2.1.4选用双晶探头（TR探头）
双晶探头采用特殊的延迟块设计，缩短了钢材中近场区长度，这对薄板焊缝探伤是有利的。
除此之外双晶探头还具有灵敏度高，杂波少盲区小，超声波能量集中在棱形探测区域内且可通过调节入射角度来调节探测范围等优点。
但探测范围无法调节到焊缝上部，当实际探伤中一般将双晶探头用来验证下部缺陷。
根据实践经验，推荐将双晶探头入射角调节到9~11°附近。
2.2对比试块的选用
GB11345-89标准中规定距离—波幅（DAC）曲线是用Ф3mm标准反射体绘制的，而常用的Ф3mm标准反射体的RB系列试块适用板厚为RB-1试块：
8~25mm，RB-2试块：
8~100mm，RB-3试块：
8~150mm，均无法满足薄板焊缝探伤时绘制DAC曲线的要求，对缺陷的精确定量有很大影响，因此可以用图示的专用试块（单位：
mm），这样有利于薄板焊缝探伤时准确地评定缺陷的等级。
对比试块采用与被检验材料相同或声学性能相近的钢材制成。
试块各边的尺寸允许误差±0.1mm，各边不垂直度不大于0.1，表面粗糙度不大于6.3μm，标准孔与加工面的不平行度不大于0.05。
3薄板焊缝超声波探伤实践
3.1探伤前准备
a、检查焊缝表面质量及外观尺寸是否合格。
b、清除焊缝两侧飞溅、锈蚀、氧化物及油污，表面应打磨平滑，打磨宽度应大于1.25P，P=2·T·K（T为板厚，K为探头K值）。
c、了解焊件名称、材质、规格、焊接方法、焊缝种类、坡口型式、焊缝余高及焊缝背面衬垫、沟槽等情况。
d、选择具有良好流动性、湿润能力和透声性的耦合剂，建议使用化学浆糊。
e、测定探头前沿长度和K值的真实值，并将实测值作为计算参数。
3.2调节时基线的扫描比例
时基线扫描的调节是焊缝超声波探伤的重要环节，特别是在薄板焊缝探伤中，由于板厚小，扫描速度条件的准确性，扫描比例的合理性就更为重要。
由于薄板焊缝探伤的垂直声程很小，时基线扫描的调节比例不宜按垂直1：
1调节，建议按水平1：
1调节。
3.3绘制DAC曲线
利用专用试块，按国标规定的方法绘制DAC曲线。
3.4表面补偿
考虑到外界因素地影响，可以根据实际情况选择合适的表面补偿值，实践中一般表面补偿在2~6dB左右。
3.5对焊缝进行检测
对焊缝进行单面双侧扫查，扫查速度不宜大于150mm/s，相邻两次探头移动间隔保证至少有探头宽度10%的重叠。
找到缺陷后，按GB11345-89要求进行定量、定位、测长，且可根据经验进行定性，最后按标准规定评定缺陷的等级。
3.5对比试验
我们制作了12个有缺陷的焊接试样，利用上述薄板焊缝超声波探伤的方法进行了探伤，另外辅以X射线探伤验证，测试数据见下表：
试样编号
板厚（mm）
X射线检验
薄板焊缝超声波探伤
缺陷类型（mm）
缺陷长度（mm）
缺陷当量尺寸（dB）
缺陷指标长度（mm）
双晶探头验证当量尺寸（dB）
1
3
未焊透
6
φ3+6
7
φ3+8
2
3
裂纹
6
φ3+2
10
φ3+4
3
3
裂纹
7
φ3+3
9
φ3+5
4
4
气孔
φ2
φ3-4
5
φ3-3
5
4
未熔合
5
φ3+7
8
φ3+6
6
4
夹渣
16
φ3-1
15
φ3+1
7
5
气孔
φ3
φ3+2
10
φ3+1
8
5
夹渣
19
φ3+2
17
φ3+2
9
5
未焊透
4
φ3+5
4
φ3+4
10
6
裂纹
11
φ3+4
15
φ3+5
11
6
气孔
φ2
φ3-2
5
φ3-2
12
6
未熔合
4
φ3+8
6
φ3+6
根据对比试验不难看出，对于未焊透缺陷超声波检出率较高，缺陷波幅高，测长与射线检出尺寸较吻合；单个气孔的波幅较低，超声波测长比射线所检出尺寸大；夹渣波幅较低，超声波测长与射线所检出尺寸相差不大；裂纹和未熔合缺陷波幅高，检出率高，超声波测长与射线所检出尺寸相差较大。
4结论
综上所述，薄板焊缝超声波探伤是可以运用在工程检测中的。
其对各种缺陷，尤其是裂纹，未熔合等危害性缺陷有相当高的检出率，且具有检测效率高劳动强度低等优点。
在操作时宜结合适当的专用试块选用聚枫树脂楔块的5P6×6K3探头，且双晶探头对焊缝中下部缺陷有较高的检出率和更精确的检测数据，可用来验证焊缝下部缺陷。
现行的《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》标准编制于1989.5.8，由于当时没有大量的工程检测需求和受技术条件的限制，标准中规定的探伤母材厚度范围是8~300mm。
进入21世纪来，随着轻型钢结构的迅猛发展和广泛应用以及人们对建筑工程质量的日益重视，研究和完善薄板焊缝超声波探伤技术就显得越来越重要。
我们初略地研究了薄板超声波探伤的可行性和探伤方法并通过试验对比验证，为寻求高效率的薄板焊缝超声波探伤提供了思路。
参考文献
1、全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会著：
《超声波探伤》中国锅炉压力容器安全杂志社出版1995
2、云庆华等著：
《无损探伤》劳动出版社1981
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