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浅谈T型焊缝超声波检测横波探头的选择
浅谈T型焊缝超声波检测横波探头的选择
李强
（北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，北京 100037）
摘 要：本文讨论了钢结构T型焊缝由于焊脚过大，在超声波检测中，对造成焊缝内部缺陷漏检的原因，进行了分析，提出了选择横波探头的原则。
关键词：T型焊缝；超声波；探伤；死区；探头
近年来建筑钢结构、桥梁钢结构、各种设备钢结构越来越多的出现在我们身边，随着钢结构工程建设的快速发展，钢结构焊缝检测的应用也在增多。检测的焊缝形式主要有对接焊缝、角焊缝和T型焊缝，在工作中经常遇到T型焊缝的检测，建筑钢结构中常见的H型钢的翼板和腹板焊缝是T型焊缝、桥梁钢结构中常见的焊接钢箱梁的腹板和底板或顶板焊缝是T型焊缝，T型焊缝的主要特点有：
T型焊缝施焊特点：
（1）坡口形式：T型梁的T型焊缝的坡口一般开在腹板侧，常见的坡口形式有单面，双面V型坡口。
（2）焊接程序：由于内侧施焊位置不利于施焊，焊接质量不稳定，因此在腹板装配时坡口侧定位在内侧，先在内侧打底施焊，然后在外侧碳刨或打磨清根施焊盖面。
（3）焊接方法：在内侧打底常用手工电弧焊或CO2气体保护焊，外侧常用的焊接方法有手工电弧焊或CO2气体保护焊，为了使外侧焊缝表面成形美观，也可在专用的胎具上使用埋弧自动焊。
焊缝中存在的主要缺陷类型：
在检测过程中经过多次对缺陷进行碳刨或打磨验证，发现的缺陷主要有裂纹、根部未焊透、未熔合、夹渣、气孔等缺陷。
各种焊接缺陷产生原因根据多年的检测经验及与施焊人员进行交流，各种缺陷产生的原因如下：
（1）裂纹主要发生在高强钢、合金钢材料的焊缝；在焊接过程中焊接线速度快、焊接电流大、环境温度低焊缝在冷却过快产生焊接应力集中最终导致焊缝或母材热影响区开裂；
（2） 根部未焊透主要是由于焊接位置限制，不便于操作或者操作者责任心不强，在背面碳刨（或打磨）清根时深度不够，或打磨时根部间隙极窄，不利于焊透。
（3）未熔合主要有坡口未熔合和层间未熔合两种。坡口未熔合主要是由于电弧吹偏造成坡口的母材金属与焊缝金属未能够熔合在一起；层间未熔合是由于在多道焊时焊道间清理不净或电流偏小造成焊道间金属未能够完全熔合到一起而形成的缺陷。
（4）夹渣、气孔产生的主要原因是两个方面，第一焊材焊前烘干温度、时间达不到要求，坡口表面潮湿、有油污；第二焊接工艺参数不符合要求，焊接电流偏小、焊接速度过快等因素造成熔池中的气孔、熔渣没能够浮出而滞留在焊缝中形成的缺陷。
（5）针对以上对焊缝中存在的缺陷及其形成的原因进行分析，在超声波检测过程如何正确选择探头对焊缝中存在的缺陷进行实际检测有着重要的意义。
这种焊缝与平板对接焊缝有着不同的结构和特点，检测的方法相应的受几何形状的限制，不利于射线检测，对内部缺陷只有使用超声波法检测。
超声探伤法可以检测焊缝的内部缺陷，主要用于焊缝的内部存在的气孔、夹渣、裂纹、未熔合、未焊透等缺陷检测。其检测原理为：超声波检测仪同步电路产生触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路在荧光屏上产生水平扫描线，发射电路产生高频脉冲，加至探头，激励探头产生超声波，并通过耦合剂在工件中传播，遇到缺陷或底面时将会产生反射回波，探头将接收到的缺陷或底面的回波转换成电信号，经接收电路放大检波，在荧光屏水平扫描线的相应位置上产生缺陷波或底波，根据显示的缺陷位置、回波幅度及测量长度对缺陷进行评级。目前在钢结构检测中，超声法检测依据《钢结构现场检测技术标准》GB/T50621-2010进行。
按照GB/T50621-2010检验等级A级检测，采用腹板处单面单侧扫查。对探头的K
值选择GB/T50621-2010规定如表1，
表1 GB11345-89中K值规定：
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腹板厚度mm
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折射角(°)
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<25
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70°(K2.5)
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25~50
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60°(K2.5 K2.0)
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>50
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45°(K1.0 K1.5)
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在一次检测T型焊缝工作中，发现了选用不同探头对缺陷定量不一致，具体情况是：
工程情况：
钢结构桥梁T型梁的T型接头，焊缝长14m，腹、翼板采用的材料均为Q345qD，腹板厚度T=14mm；翼板厚度T=20mm，腹板开双面V形坡口，焊接方法为CO2气体保护焊。
检测标准：
根据图纸设计要求，采用GB/T50621-2010标准进行检测，I级合格，检测质量等级为A。
检测准备：
对焊缝侧的腹板100mm范围内存在的焊接飞溅、焊瘤进行清理打磨。
检测设备器材：
超声波探伤机型号为PXUT-350B数字探伤仪；探头选用型号2.5P13×13K2.5试块选用CSK-IA和RB2；耦合剂用化学浆糊。
仪器调节：
按GB/T50621-2010标准A级要求进行调节DAC曲线，表面补偿4dB。检测灵敏度φ3×40-16。
检测情况：
检测时按照GB11345-89选用2.5P13×13K2.5探头进行检测，发现焊缝有距焊缝端1.2m处有一缺陷回波，缺陷最高波显示的深度8~10mm，缺陷最高波当量值为SL+5dB，位于DAC曲线的II区，测量的缺陷长度为10mm。评级为Ⅰ级。当验证缺陷换用5P9×9K3探头进行检测时，发现缺陷深6~8mm，缺陷最高波当量值为SL+12dB，位于III区，测量的缺陷长度为20mm，评级为Ⅳ级。
为什么按照GB/T50621-2010选用K2.5探头检测焊缝合格，用K3探头检测会出现焊缝不合格。分析原因可能是T型焊缝由于坡口或间隙较大，焊接后引起焊脚过大，致使K2.5探头超声波主声束未扫查到缺陷，而是扩散声束扫查到缺陷。出现检测时缺陷的定量和定位不够准确，引起评级的错误，造成焊缝内部缺陷的漏检。
因此检测时应选择合适的探头，包括探头的K值、频率、晶片尺寸和前沿长度，其中对探头K值的选择应从以下三个方面考虑：
（1）使声束扫查到整个焊缝截面；
（2）使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直；
（3）保证有足够的探伤灵敏度。
1.使声束扫查到整个焊缝截面
有的焊缝由于坡口或间隙较大，使焊接后焊脚过大，这种情况对K值的选择应保证扫查整个截面，如下图左：直射波主声束扫到翼板C，一次反射波最少也要扫到C点。如果K值太小会有主声束扫查不到的死区，如下图右：⊿CDE就是死区，这就容易造成内部缺陷漏检。图中H为焊脚宽度；L为探头前沿长度；T为腹板厚度。
由上图可知：和，因为AC+BC=T，所以，可知K = 。检测时应保证：K ≥。对于不能满足此条件的探头虽然也可以通过扩散声束扫查到缺陷，但肯定会引起缺陷的定量和定位不够准确，甚至评级的错误，造成焊缝内部缺陷的漏检。因此对于T型焊缝或角焊缝的横波检测，如焊脚过大应使用大K值短前沿探头。
2.使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直
T型焊缝中主要存在的缺陷有两种，一种为焊缝根部未焊透，另一种为翼板内的层间撕裂。而这两种缺陷都属于危险性缺陷，缺陷方向通常平行于翼板，腹板处斜探头检测，大K值的探头能使声束中心线尽量与这种缺陷垂直。因此大K值的探头比小K值的探头更易发现T型焊缝中主要危险性缺陷。
3.保证有足够的探伤灵敏度
根据公式N= -可知：
(1) 探头晶片面积影响近场长度；
(2) 探头K值影响近场长度。
式中 N—横波近场长度
Fs—晶片面积
λ—工件中横波波长
L1—入射点至波源距离
横波检测时，选用大K值、小晶片探头可以减少近场长度，避免在近场区检测，使检测结果更准确。但有时会出现表面波干扰检测，这是由于晶片尺寸过小引起的半扩散角增大，上折射角等于或接近90º而产生表面波。
根据公式θ=，
式中θ—半扩散角
λ—工件中横波波长
a—方晶片边长
可以通过增大探头的频率来减小半扩散角避免表面波，增大探头的频率还可以减小超声波波长，由于波的绕射，超声波探伤灵敏度约为半倍波长，减小波长可提高发现最小缺陷的能力，因而提高了探伤灵敏度。
4.应用
那么什么情况是焊脚过大，应根据焊脚宽度、腹板厚度和探头前沿计算K值？根据上式K ≥得H≥时焊脚过大。如腹板厚度小于25mm，按GB11345-89规定选取K2.5探头，前沿长度一般为L=10~15mm，我们取L=10mm计算。当H≥1.25T-5时，可以认为焊脚过大，需用公式K ≥计算选择K值。
如某钢桥工程实例：腹板为16mm，焊脚宽度为15~17mm，这里取H=17mm≥1.25T-5，按K≥计算，应K≥2.94。如按表1选择K值为2.5，就可能会出现检测时缺陷的定量和定位不够准确，甚至评级的错误，造成焊缝内部缺陷的漏检。。
根据以上选用两种不同型号的探头进行对比检测和返修缺陷时的观察，可以看出选用大K值不但有利于发现缺陷，而且对缺陷的定位和定量也更接近真实数据。
5.结语
通过以上讨论，我们可以认为：对于钢结构T型焊缝焊脚过大时，进行超声波横波检测时可能会产生漏检，为防止这种情况发生，应根据焊脚宽度、腹板厚度和探头前沿计算合理的K值，优先选择大K值、短前沿、小晶片和高频率的探头。这样不但避免了缺陷的漏检，还增加了检出主要危险性缺陷和细小缺陷的能力。
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