T型焊接接頭超聲檢測時探頭的選擇

萬立皓，劉忠華

（武漢九方工程技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢 430074）

T 型接頭是鋼結(jié)構(gòu)及特種設(shè)備中最常用的焊接接頭之一，接頭中未焊透缺陷對結(jié)構(gòu)的影響非常大，它減少了焊縫的工作截面，降低了焊接接頭的強度并造成應(yīng)力集中，焊接中不允許焊接接頭中有超過一定容限量的未焊透。由于未焊透缺陷垂直于腹板表面，在進(jìn)行超聲波檢測時很難快速地發(fā)現(xiàn)未焊透缺陷并對其進(jìn)行精確定量，因此通過在T 型焊接接頭模擬焊接試樣上進(jìn)行不同類型探頭及檢測位置的對比試驗，來發(fā)現(xiàn)其檢測靈敏度差別以及對缺陷尺寸定量是很有必要的。作者通過試驗對較薄腹板（11mm），未開坡口，T 型接頭未焊透缺陷的檢測及定量，來分析不同探頭在不同位置對同一缺陷的檢測靈敏度。

1 T型接頭中未焊透產(chǎn)生的原因

GB 6417－1986《金屬熔化焊焊縫缺陷分類及說明》中，未焊透被定義為在焊接時接頭的根部未完全熔透，焊縫金屬沒有進(jìn)入接頭根部的現(xiàn)象。未焊透是否為缺陷應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范或者設(shè)計要求來評價［1］，產(chǎn)生未焊透的主要原因如下：焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，如焊接電流太小、運行速度太快、焊條角度不當(dāng)、電弧發(fā)生偏吹、對接間隙太小以及坡口角度不當(dāng)?shù)?；操作失誤，如在不開坡口的雙面埋弧自動焊中中心對偏等［2］；坡口加工不良，如鈍邊太厚或一側(cè)厚、一側(cè)薄，焊接電流太小等。

2 T型接頭焊縫中未焊透對質(zhì)量的影響

焊縫中的未焊透如圖1，2所示為面積性缺陷，其主要危害是降低了焊縫有效截面，且由于T 型接頭在焊后矯正、加工、使用過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力方向大多數(shù)與未焊透缺陷相互垂直，這就使得整個焊縫的承載面減小，導(dǎo)致接頭強度下降。其次未焊透造成焊縫截面尺寸的突然變化，使得整個結(jié)構(gòu)在交變載荷、沖擊載荷的作用下會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，大大降低了焊縫的疲勞強度。單面焊T 型接頭中未焊透位于焊縫根部，在拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下容易引起低應(yīng)力脆性斷裂。

圖1 單面焊T型接頭未焊透

圖2 雙面焊T 型接頭未焊透

3 檢測對象

T 型接頭坡口尺寸如圖3所示，焊縫尺寸如圖4所示，所采用的焊接方法為埋弧自動焊。

圖3 T 型接頭坡口尺寸

圖4 T 型接頭焊縫尺寸

4 檢測過程及在腹板側(cè)結(jié)果

4.1 橫波斜探頭檢測

探頭的選用：為了使超聲波主聲束盡量垂直于焊縫中的未焊透缺陷，同時為了減少盲區(qū)，試驗選用了K值較大的K3探頭；由于腹板為δ＝12mm 的中板，一次反射波最大聲程僅為72 mm，超聲波在傳播過程的擴(kuò)散衰減較小，在最大聲程處有足夠的靈敏度，為了避免近場區(qū)檢測，而且能使主聲束掃查到整個焊縫截面，試驗選用了晶片尺寸較小、前沿較小的探頭（晶片尺寸6 mm×6mm）。為了提高檢測靈敏度，改善波束的指向性，選用了頻率較高的探頭（5 MHZ）。在檢測時要注意大K值探頭引起的表面波干擾信號的識別，發(fā)現(xiàn)缺陷波形時，去除探頭前多余耦合劑，并在焊腳處用手指輕輕拍打，如缺陷波形沒有變化，則該波形不是表面波，如圖5所示。

圖5 橫波斜探頭腹板側(cè)探測

靈敏度調(diào)整：按 JB／T 4730.3－2205標(biāo)準(zhǔn)5.1.5 條中規(guī)定，利用CSK－Ⅲ試塊按表1調(diào)整距離－波幅曲線的靈敏度，即評定線為φ1 mm×6 mm－12dB；定量線為φ1mm×6mm－6dB；判廢線為φ1mm×6 mm＋2dB；表面補償4dB。

掃查：采用直射法和一次反射法作鋸齒型掃查，探頭掃查區(qū)域（W）不小于1.25P（P 為跨距，mm），當(dāng)掃查區(qū)域不小于90mm 時，掃查靈敏度不低于最大聲程處的評定線靈敏度φ1mm×6mm－12dB。

缺陷定位定量：發(fā)現(xiàn)缺陷波后采用前后掃查方式對缺陷進(jìn)行定位檢測，同時將靈敏度調(diào)到定量線靈敏度φ1mm×6mm－6dB。當(dāng)探頭在（圖5）位置1附近作前后掃查時，示波屏上出現(xiàn)下端點最大回波如圖6所示，當(dāng)探頭在（圖5）位置2附近作前后掃查時，示波屏上出現(xiàn)上端點最大回波如圖7所示，整個缺陷回波包絡(luò)線如圖8所示。圖6，7，8圖形為CTS－9006超聲波探傷器檢測記錄后導(dǎo)出圖形，橫坐標(biāo)為深度，mm；縱坐標(biāo)為波幅，dB。

結(jié)果：通過計算分析該未焊透缺陷最大反射回波為定量線（SL）＋8.1dB，上端點深度為1.5mm，下端點深度為8.8mm，未焊透自身高度為7.3mm。

4.2 單晶直探頭在翼板側(cè)進(jìn)行探測

探頭的選用：5P14Z；靈敏度 調(diào)整：按JB／T 4730.3－2205標(biāo)準(zhǔn)5.1.6.4條中規(guī)定，利用平底孔試塊按如下規(guī)則調(diào)整距離－波幅曲線的靈敏度，評定線φ2mm 平底孔；定量線為φ3mm 平底孔；判廢線為φ4mm 平底孔；表面補償：4dB，如圖9所示。

掃查：在翼板外側(cè)劃出焊縫中心線，將探頭置于焊縫中心線作平行于焊縫掃查，掃查靈敏度不低于最大聲程處的評定線靈敏度φ2mm 平底孔。

缺陷定位定量：發(fā)現(xiàn)缺陷波后作垂直于焊縫掃查，同時將靈敏度調(diào)整到定量線靈敏度φ3 mm 平底孔，找出缺陷最高反射波如圖10所示，采用6dB法測出未焊透的指示寬度如圖11，12所示。端點1反射回波及位置如圖11所示，端點2反射回波及位置如圖12所示。圖10，11，12圖形為CTS－9006超聲波探傷器檢測記錄后導(dǎo)出的圖形，橫坐標(biāo)為聲程，mm；縱坐標(biāo)為波幅，dB。圖13，14，15同此解釋。

結(jié)果：通過計算分析該未焊透缺陷最大反射回為定量線（SL）＋0.6dB，未焊透指示寬度為9.0mm。

圖9 單晶直探頭在翼板側(cè)探測

圖10 直探頭缺陷最高反射波

4.3 雙晶直探頭在翼板側(cè)進(jìn)行探測

探頭的選擇：試件翼板厚度為20mm，故選用5P14ZF20，探頭焦距為20mm。

靈敏 度 調(diào) 整：按JB／T 4730.3－2205 標(biāo) 準(zhǔn)5.1.6.4條中規(guī)定，利用平底孔試塊按下列規(guī)則調(diào)整距離－波幅曲線的靈敏度，評定線φ2mm 平底孔；定量線φ3mm 平底孔；判廢線φ4mm 平底孔；表面補償：4dB。

掃查：在翼板外側(cè)劃出焊縫中心線，初步掃查時，將探頭置于焊縫中心線作平行于焊縫掃查，探頭隔聲線與探頭移動方向垂直。掃查靈敏度不低于最大聲程處的評定線靈敏度φ2mm 平底孔。

缺陷定位定量：發(fā)現(xiàn)缺陷波后進(jìn)行精確掃查，探頭作垂直于焊縫掃查，探頭隔聲線與探頭移動方向垂直，同時將靈敏度調(diào)整到定量線靈敏度φ3 mm平底孔，找出缺陷最高反射波如圖14 所示，采用6dB法測出未焊透的指示寬度如圖15、圖16所示。通過計算分析該未焊透缺陷最大反射回為定量線（SL）＋11.6dB，未焊透指示寬度為9.0mm。

圖16 端點2反射回波及探頭位置

4.4 解剖試件對比驗證

采用宏觀腐蝕方法對比驗證，為了進(jìn)一步證實未焊透的實際高度，將該接頭進(jìn)行了解剖，并對其焊縫斷面進(jìn)行腐蝕，再輔以10倍以下的低倍放大鏡進(jìn)行觀察如圖17所示，用直尺測量未焊透高度約為7mm。

圖17 試件解剖宏觀腐蝕形貌

5 結(jié)論

（1）采用雙晶直探頭檢測靈敏度最高，尤其在初掃時更容檢測出較小的未焊透缺陷。

（2）采用橫波斜探頭檢測靈敏度較雙晶直探頭小，但對已知缺陷類型進(jìn)行定量檢測卻具有明顯的優(yōu)勢，與雙晶直探頭比較，雙晶直探頭利用6dB 法測出未焊透的指示寬度是一種較粗略的方法，而利用橫波斜探頭通過對缺陷上下端點最大回波的測量，可以精確測量出缺陷自身的高度。

（3）采用單晶直探頭檢測靈敏度最低，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力最弱。因此不宜采用單晶直探頭對較薄翼板的T 型接頭未焊透進(jìn)行檢測。

［1］ 鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.2 版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：273－276.

［2］ 田雙.淺談如何識別未焊透與未熔合［J］.無損檢測，2000，22（4）：179－182.