T型焊缝超声检测工艺研究

吴 琼

(洛阳欣隆工程检测有限公司，河南 洛阳 471012)

T型接头的组合焊缝在输油管道、机械设备、电力设施、桥梁船厂和钻井平台中应用十分广泛，是目前接头焊缝中最普遍的一种。这种结构对承载质量的能力有比较高的要求，所以我们要充分保证焊接之后T型接头的质量情况。 例如，在石油化学工业的氢化反应器接管的焊缝，有插入式和坐骑式。 由于剪切应力，大多数与钢结构相关的结构件与角焊缝结合在一起会承受很大的载荷，导致质量失控，形成灾难性事故。

T型接头焊接有裂纹、气孔等缺陷存在。在选择检测所用的面以及探头的时候，我们应该考虑到检测各种各样缺陷存在的可能性，并且使声波束尽量垂直于焊接接头材料中的主要缺陷位置。可以采用斜探头从翼板外侧直接照射的方法检测，可以用斜探头在腹板的方向直接照射或者利用一次反射来检测， 也可以用直探头或者双晶探头在被检工件外边利用超声波传播方向进行检测。

1 超声检测方法分类与特点

超声波检查主要利用在工件上的超声波的传播特性。 例如，波在穿透工件时冲破工件所损耗的能量，并且遇到具有不同声阻抗的两个介质界面时发生反射。它的工作原理是：声源发出超声波，并使用特殊方法使被检材料中的超声波被检测。超声波传播通过待检查的材料并与要检查的工件的原材料及其缺陷(其传播方向或特征改变)相互作用。使用装置接收、处理和分析改变的超声波。根据接收到的超声波所表现出来的能量以及相应的特征，估计被检测工件自身和它的里面有无缺陷以及缺陷的相应特点。

1.1 按原理分类的超声检测方法

①脉冲反射方式：超声波探头向对象发送脉搏波。观察工件底部反射的内部划痕和超声波，并观察工件的状况。②衍射时差法：衍射时差法(TOFD)是它利用缺陷位置处的衍射波信号来检测和测量缺陷尺寸。通常采用一对一的工作方式。③穿透法：通过脉冲波和连续波穿透试件之后的能量变化来检测试件缺陷。④共振法：依据试件中的共振特性来检测缺陷和工件厚度变化情况。

1.2 按波形分类

①纵波法：纵波检测方法称为纵波方法。它分为纵波直探头和纵波倾斜探头。②横波法：一种方法，其中纵波落在待检查材料的检测表面上，并且通过波形转换获得横波并随后检测，这种方法称为横波方法。③表面波检测：使用这种方式时， 要了解表面波的性质，表面波是怎么产生的，人工制成的反射物体的特点，有哪些因素会影响到表面波的传播。④板波检测：在使用这种方法时，需要了解板波的种类，兰姆波是如何产生的，兰姆波的传播特点以及兰姆波检测的一般程序等。⑤爬坡法：通常都把横波在波前的那部分称为头波，把在介质表面下边有一些距离的横波和表面波纵波之间传播的峰值波称为爬坡。

1.3 按探头数目分类

①单探头法：使用探针作为接收的发射和超声检测方法。②双探头法：两个探头用于检测，分为并联、交叉、V-串联、K-串联和串联。③多探头法：使用两个以上的探头组合在一起进行检测的方法称为多探头法。

1.4 根据探头接触模式分类

①接触法和浸液法：探头与待检材料之间，可视为直接相接触。②电磁耦合法：要了解电磁超声产生的原理等基本概念，还要了解电磁超声的特点和现状。

1.5 按人工干预程度分类

①手工检测：通常情况下指检测工人用手拿着探头进行 A 形脉冲反射式超声检测， 由于这种检测方法简单方便，所以大量应用在特种行业的检测中。②自动检测：通常情况下指的是用自动化的设备代替人工，在用人干预最小的情况下进行并且完成检测的全部过程的一种检测方法。

2 DAC 曲线绘制

测声速：拿K2横波斜探头，试块先写进去50 mm，然后再把100 mm数据放入， 在确认无其他问题后将探头在CSK-1A试块上做往复运动，使R50的回波图像上最高的那个波显示出，自动增益到80%后按确定键，由此可以看见R100的回波最高峰，自动增益80%，则声速校正好。

①K值的检测：在机器角度测数据中孔的深度为30 mm和50 mm，努力找出反射回波最高的位置按确定键，测得K值为2.10。②绘制DAC曲线：在以上所述的基础上按DAC键到其界面绘制曲线，第一找出CSK-ⅢA试块埋深为Φ1×6的10 mm孔并使为最高反射回波按确定键，并根据这点找到20、30、40、50、70 mm的孔的最高回波，将其定为JB/4730，板厚为16～47 mm并记录，则曲线画完。

3 缺陷的分布规律和检测方法的选择

焊缝中的裂纹位于裂纹的中心，并且与网的角度约45°。机翼侧的缺陷可能在机翼的熔合线附近并处于分层状态。焊缝裂纹可能在焊缝的腹板和机翼一侧的焊缝周围，距焊缝表面一定距离。这种未融合在机翼侧的损伤可能是在机翼的熔合线附近。这种损伤在没有融合的纤维网的一侧可能位于纤维网中凹槽的钝边。焊缝中的所有地方可能都有气孔、夹杂。

3.1 直探头

T型焊缝的超声波检测采用单斜探头直接接触法。 一般情况下，腹板被选作缺陷检测表面，直接探伤和一次性反射方法用于缺陷检测。 这样可以找到焊缝两侧的缺陷，定量定位也更加方便。

3.1.1频率

直探头要努力在近场(N)外检测，因此探头的直径和频率在选取上应慎重，为确保探伤的准确性，应使近场最大值不超过翼板厚度2.5 MHz。

3.1.2晶片尺寸

按常理应使探头的近场区长度最大值不大于翼板厚度，由此可知翼板厚度是有限的，所以探头的晶片尺寸不应该过大。

3.2 斜探头

3.2.1K值

为更好地检测其焊缝中的缺陷，通常使用K=2 mm的斜探头。若K值偏大，漏检区大，在K值小的情况下，即使漏检部位变小，也会对腹板侧的未熔接部、热影响部和热影响部的裂纹的检测产生不良影响， 焊趾裂缝泄漏或认知错误的现象。

K值的选择应从三个方面考虑：①可以将超声波束扫描到整个焊接横截面；②声束的中心可以垂直于主要危险缺陷；③足够的检测灵敏度。

3.2.2斜探头频率

焊缝表面的干扰信号非常不利于检测，改变超声场的指向性是把这个影响降低到最小的方面。解决方式是加大晶片的尺寸和加强探头的频率。但晶片尺寸变大会使探头接近前沿和近场区长度的变大，对检测有不好的影响。在提高探头频率的同时，探头参数保持不变，半扩散角减小，声场指向性变好。 可以确保不同频率探头检测结果清晰，易于识别。

3.2.3斜探头的晶片尺寸

使用反射光束扫描焊缝钝边根部为基准，使用了14 mm×14 mm。

3.2.4探头的前沿长度

前缘的长度对检查缺陷有很大的影响。 前缘长度的值大，焊缝的错过面积大。 当前沿值较小时，固定波会出现在探头楔中，并出现在荧光屏上。 实际测量点的前缘长度为12～13 mm，适合检测。

3.3 检测方法的选择

腹板与翼板间未焊透或翼板侧焊缝下层状撕裂等缺陷问题，使用直探头在翼板的外面检测效果会比较好，声束可垂直射入缺陷上。夹杂气孔对方向没有什么要求，只需要声束能扫查到焊缝的全部截面，使用普通的方式即可确保缺陷的检测率。像焊缝中的横向的这一类缺陷，我们可以选用单斜探头在翼板上沿焊缝的长度方向扫查，就可以得到满意的结果。通常使用直射波和一次反射波扫查。

3.4 探头探伤

对厚板b=23 mm的T型角焊缝，我们要选择f=2.5 MHz，D=20 mm的直探头来进行检测， 时间扫查按深度1∶1调节。探头在翼板外侧开始锯齿型扫查，探头路过的比较重要的位置，如图1所示。

图1 波形显示

探头在图1中Ⅰ、Ⅴ的时候，声束还没有碰到焊缝，示波器上呈现出了翼板上的底波的各种波型，幅值逐渐降低，见图2(a)。如果探头在图所示的Ⅱ、Ⅳ的时候，拥有以下两种情形：第一个是内部无任何的损伤，示波器普遍情况下反射波见图2(b)。另一个是拥有内部损伤则可以看见反射波，内部损伤可能是气孔、夹杂、咬边等，见图2(c)。当探头在图2Ⅲ所示的地方时，拥有四种类型。如果内部没有损伤，那么声束就会射入腹板中，在这个时候是没有反射波的，从图 2(d)可看出来。如果在示波器上与翼板厚度相当的地方有一个波，此时就能证明焊缝中有内部损伤，随着焊缝的方向往复改变探头位置但是波形的位置却不发生改变，幅度没有什么大的改变，与焊缝垂直。

如果示波器与BD1相差为L2的地方拥有了一个波动幅度比较大的反射波，而且探头移动反射波也改变了位置，L2

图2 波形显示

被检测的工件拿回去修时，找出内部损伤的地方，它的截面形状与超声波探伤一样。产生层状撕裂的原因是：进行焊接时出现垂直于材料为钢的轧制方向的应力会导致焊接热影响区左右出现了“台阶”形的层状开裂，因此把它认定为未焊透，见图2(e)。假如示波器上呈现彼此相差相同点几次反射波和在Ⅰ时的波形基本相符，这就意味着在深度b处拥有一个比较大的平面，会被判断为很重要的未焊透。

在现实生活的检测中，因为内部有损伤的多样性和方向性，还有概率出现有一部分比较特殊和复杂的波形，这就只能依照实际状况开始慢慢观察。

3.5 其他

①耦合剂选择需要穿透声音的性能很好和流动性能较好的机油。②探伤面在检测前一定要对探伤面好好清理，不要把扫查区中的焊接飞溅、铁屑、油污等留在上面。③检验标准采用 NB/T47013.3-2015。④选用CSK-ⅠA、CSK-ⅢA和对比试块。

4 总结

综上所述，由于存在不同结构的T型接头组合焊缝，应采取纵波与横波共同作用的方式对焊缝进行定量定性，以提高缺陷检测的精确性。这样不仅能找到各种有差异的位置问题，而且能降低盲区，以防止漏检。我们应继续在实际测试过程中去探索，以达到保证工程质量的宗旨。