1111薄板超聲波探傷

1、薄板焊縫超聲波探傷南通市建筑工程質(zhì)量檢測中心薄板焊縫超聲波探傷南通市建筑工程質(zhì)量檢測中心 226006摘 要：為適應(yīng)輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的檢測需要，本文針對現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的盲區(qū)，討論了薄板焊縫超聲波探傷的可行性，初步研究了相應(yīng)的探傷方法。關(guān)鍵詞：超聲波探傷，近場區(qū)長度，薄板焊縫，探頭，試塊 現(xiàn)行的GB11345-89鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定適用范圍為“母材厚度不小于8mm的鐵素體類鋼全焊透熔化焊縫的脈沖反射法手工超聲波焊縫檢驗”。但是隨著輕型鋼結(jié)構(gòu)地興起和發(fā)展，在現(xiàn)今的鋼結(jié)構(gòu)工程中經(jīng)常會遇到構(gòu)件母材板厚小于8mm的情況。在很多地區(qū)，建筑工程質(zhì)量檢測機(jī)構(gòu)又未開展X射線探傷的檢測項

2、目，對這類薄板（厚度小于8mm的板材，主要是4mm7mm）焊縫無法進(jìn)行行之有效地檢測。而即使采用X射線對薄板焊縫進(jìn)行探傷也存在對人和環(huán)境危害大，對裂紋、未熔合等危害性缺陷漏檢率高等缺點。因此研究薄板焊縫超聲波探傷的可行性和探傷方法就顯得很重要了。1 薄板焊縫超聲波探傷的可行性1.1 薄板焊縫不宜進(jìn)行超聲波探傷的理論依據(jù)根據(jù)聲學(xué)理論基礎(chǔ)，在不考慮介質(zhì)衰減的情況下，液體介質(zhì)中超聲波波源附近會有由于波的干涉而出現(xiàn)的一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，稱為超聲場的近場區(qū)，又叫菲涅耳區(qū)。在近場區(qū)進(jìn)行超聲波探傷對定量是不利的，處于聲壓極小值處的較大缺陷回波可能較低，而處于聲壓極大值處的較小缺陷回波可能較高，這樣就

3、容易引起誤判，甚至漏檢。由于薄板焊縫的母材板厚較薄，基本都處于超聲場的近場區(qū)，因此為避免誤判、漏檢，薄板焊縫不宜進(jìn)行超聲波探傷。1.2 實際聲場與理想聲場的比較理想聲場中討論的是液體介質(zhì)，波源做活塞振動，輻射連續(xù)波等理想條件下的情況。實際探傷時往往是固體介質(zhì)，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖波的聲場，簡稱實際聲場。在近場區(qū)內(nèi)，實際聲場與理想聲場存在明顯區(qū)別。理想聲場軸線上聲壓存在一系列極大極小值，且極大值為2P0，極小值為零。實際聲場軸線上聲壓雖然也存在極大極小值，但波動幅度小，極大值遠(yuǎn)小于2P0，極小值也遠(yuǎn)大于零，同時極值點的數(shù)量明顯減少。這是因為：a、近場區(qū)出現(xiàn)聲壓極值點是由于波的干涉造成得。理想

4、聲場是連續(xù)波，波源各點輻射的聲波在聲場中某點產(chǎn)生完全干涉。實際聲場是脈沖波，脈沖波持續(xù)時間很短，波源各點輻射的聲波在聲場中某點產(chǎn)生不完全干涉或不產(chǎn)生干涉。從而使實際聲場區(qū)軸線上聲壓變化幅度小于理想聲場，極值點減少。b、實際的聲源是脈沖波，由傅立葉級數(shù)，脈沖波可以視為常數(shù)項和無限個n倍基頻的正弦波、余弦波之和。即式中 t 時間 n 正整數(shù)，1、2、3 圓頻率 a0，an，bn 常數(shù)因此，總聲場實際上是各個不同頻率脈沖波決定的不同聲場的疊加。由主聲束軸線上理論聲壓公式可以知道不同頻率的聲源它們的極值點出現(xiàn)的位置各不相同，相互疊加后聲場聲壓分布就趨于均勻。c、實際聲場的波源是非均勻激發(fā)，波源中心振幅

5、大，邊緣振幅小。由于波源邊緣引起的波程差較大，對干涉影響也較大。因此這種非均勻激發(fā)的實際波源產(chǎn)生的干涉要小于均勻激發(fā)的理想波源。d、理想聲場是針對液體介質(zhì)而言的，而實際探傷對象往往是固體介質(zhì)。在液體介質(zhì)中，液體內(nèi)某點的壓強(qiáng)在各個方向上的大小是相同的。波源各點在液體中某點引起的聲壓可視為同方向而進(jìn)行線性迭加。在固體介質(zhì)中，波源某點在固體中某點引起的聲壓方向在二者連線上。對波源軸線上的點，由于對稱性，使垂直于軸線方向的聲壓分量互相抵消，使軸線方向的聲壓分量互相迭加。顯然這種迭加干涉要小于液體介質(zhì)中的迭加干涉，這也是實際聲場近場區(qū)軸線上聲壓分布均勻的一個原因。2 薄板焊縫超聲波探傷方法根據(jù)以上分析，

6、實際固體介質(zhì)中聲壓分布趨向平緩，而且對某一固定探頭的相對固定的某一聲程處其聲壓具有穩(wěn)定性。因此，在保持一定精度的前提下，根據(jù)實際工程操作條件，選用特定的探頭，對比試塊，充分考慮材質(zhì)、衰減、耦合等一系列外界影響因素修正后的波幅數(shù)據(jù)和實際波幅數(shù)據(jù)之間的誤差是可以控制在工程允許范圍內(nèi)的。2.1 探頭的選用 探傷時，應(yīng)盡可能使直射波的聲程不在近場區(qū)內(nèi)，使聲程范圍在一倍近場區(qū)長度到三倍近場區(qū)長度之間，這樣有利于探傷時避免誤判、漏檢缺陷。2.1.1 探傷頻率的選擇為提高探頭指向性和分辨率，以滿足檢出尺寸較小缺陷的要求，需采用較高的探傷頻率；但頻率提高同時也會增大聲波近場區(qū)長度。通過實踐，建議選擇頻率為5M

7、Hz的探頭比較合適。2.1.2 探頭晶片的選擇 矩形波源的縱波聲場近場區(qū)長度矩形波源的橫波聲場近場區(qū)長度其中：FS 波源的面積 介質(zhì)中超聲波波長 橫波入射角角度 橫波折射角角度由上式可知，波源面積增大，近場區(qū)長度也會隨之變長，因此在進(jìn)行薄板焊縫探傷時一般選用晶片尺寸為6mm6mm的小探頭。2.1.3 探頭K值的選擇由于板厚較薄，焊縫余高的寬度一般在1015mm之間，為了使直射波能夠掃查到焊縫的中下部分，選用K值較大的，前沿較小的斜探頭。以常用的有機(jī)玻璃楔塊斜探頭為例：有機(jī)玻璃中縱波聲速CL=2730 m/s，探頭頻率選用f=5MHz, 晶片尺寸選用6mm6mm，鋼中橫波聲速Cs=3230m/s

8、，有機(jī)玻璃入射點至晶片的距離L=10mm。則鋼中橫波波長s2=CS/f=0.646mm，波源面積FS=66=36mm2。當(dāng)K=2.5時，即入射角=51.6，折射角=68.2時，鋼中近場區(qū)長度mm因此對應(yīng)的鋼中近場區(qū)深度為2.12mm。當(dāng)K=3時，即入射角=71.6，折射角=53.5時，鋼中近場區(qū)長度mm因此對應(yīng)的鋼中近場區(qū)深度為1.55mm。由以上計算可知，當(dāng)探頭K值增大時，聲波在鋼中近場區(qū)長度將減少，有利于超聲波探傷，但如果K值太大的話，容易形成表面波，干擾探傷結(jié)果的判定。經(jīng)過研究對比，發(fā)現(xiàn)楔塊的選擇一方面要有一定的耐磨性，同時其縱波聲速應(yīng)盡可能小些。因此選擇聚楓樹脂楔塊的探頭，其縱波聲速為

9、2250m/s，比有機(jī)玻璃小些，這樣對減小探頭前沿和增大K值有利，在鋼中近場區(qū)長度為mm對應(yīng)的鋼中近場區(qū)深度為1.47mm。2.1.4 選用雙晶探頭（TR探頭）雙晶探頭采用特殊的延遲塊設(shè)計，縮短了鋼材中近場區(qū)長度，這對薄板焊縫探傷是有利的。除此之外雙晶探頭還具有靈敏度高，雜波少盲區(qū)小，超聲波能量集中在棱形探測區(qū)域內(nèi)且可通過調(diào)節(jié)入射角度來調(diào)節(jié)探測范圍等優(yōu)點。但探測范圍無法調(diào)節(jié)到焊縫上部，當(dāng)實際探傷中一般將雙晶探頭用來驗證下部缺陷。根據(jù)實踐經(jīng)驗，推薦將雙晶探頭入射角調(diào)節(jié)到911附近。2.2 對比試塊的選用GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定距離波幅（DAC）曲線是用3mm標(biāo)準(zhǔn)反射體繪制的，而常用的3mm

10、標(biāo)準(zhǔn)反射體的RB系列試塊適用板厚為RB-1試塊：825 mm，RB-2試塊：8100 mm，RB-3試塊：8150 mm，均無法滿足薄板焊縫探傷時繪制DAC曲線的要求，對缺陷的精確定量有很大影響，因此可以用圖示的專用試塊（單位：mm），這樣有利于薄板焊縫探傷時準(zhǔn)確地評定缺陷的等級。對比試塊采用與被檢驗材料相同或聲學(xué)性能相近的鋼材制成。試塊各邊的尺寸允許誤差0.1mm，各邊不垂直度不大于0.1，表面粗糙度不大于6.3m，標(biāo)準(zhǔn)孔與加工面的不平行度不大于0.05。3 薄板焊縫超聲波探傷實踐3.1 探傷前準(zhǔn)備a、檢查焊縫表面質(zhì)量及外觀尺寸是否合格。b、清除焊縫兩側(cè)飛濺、銹蝕、氧化物及油污，表面應(yīng)打磨平

11、滑，打磨寬度應(yīng)大于1.25P，P=2TK（T為板厚，K為探頭K值）。c、了解焊件名稱、材質(zhì)、規(guī)格、焊接方法、焊縫種類、坡口型式、焊縫余高及焊縫背面襯墊、溝槽等情況。d、選擇具有良好流動性、濕潤能力和透聲性的耦合劑，建議使用化學(xué)漿糊。e、測定探頭前沿長度和K值的真實值，并將實測值作為計算參數(shù)。3.2 調(diào)節(jié)時基線的掃描比例時基線掃描的調(diào)節(jié)是焊縫超聲波探傷的重要環(huán)節(jié)，特別是在薄板焊縫探傷中，由于板厚小，掃描速度條件的準(zhǔn)確性，掃描比例的合理性就更為重要。由于薄板焊縫探傷的垂直聲程很小，時基線掃描的調(diào)節(jié)比例不宜按垂直1：1調(diào)節(jié)，建議按水平1：1調(diào)節(jié)。3.3 繪制DAC曲線 利用專用試塊，按國標(biāo)規(guī)定的方法

12、繪制DAC曲線。3.4 表面補(bǔ)償考慮到外界因素地影響，可以根據(jù)實際情況選擇合適的表面補(bǔ)償值，實踐中一般表面補(bǔ)償在26dB左右。3.5 對焊縫進(jìn)行檢測對焊縫進(jìn)行單面雙側(cè)掃查，掃查速度不宜大于150mm/s，相鄰兩次探頭移動間隔保證至少有探頭寬度10%的重疊。找到缺陷后，按GB11345-89要求進(jìn)行定量、定位、測長，且可根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行定性，最后按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定評定缺陷的等級。3.5 對比試驗我們制作了12個有缺陷的焊接試樣，利用上述薄板焊縫超聲波探傷的方法進(jìn)行了探傷，另外輔以X射線探傷驗證，測試數(shù)據(jù)見下表：試樣 編號板厚(mm)X射線檢驗薄板焊縫超聲波探傷缺陷類型(mm)缺陷長度(mm)缺陷當(dāng)量尺寸(d

13、B)缺陷指標(biāo)長度(mm)雙晶探頭驗證 當(dāng)量尺寸(dB)13未焊透63+673+823裂紋63+2103+433裂紋73+393+544氣孔23-453-354未熔合53+783+664夾渣163-1153+175氣孔33+2103+185夾渣193+2173+295未焊透43+543+4106裂紋113+4153+5116氣孔23-253-2126未熔合43+863+6根據(jù)對比試驗不難看出，對于未焊透缺陷超聲波檢出率較高，缺陷波幅高，測長與射線檢出尺寸較吻合；單個氣孔的波幅較低，超聲波測長比射線所檢出尺寸大；夾渣波幅較低，超聲波測長與射線所檢出尺寸相差不大；裂紋和未熔合缺陷波幅高，檢出率高，超聲波測長與射線所檢出尺寸相差較大。4 結(jié)論綜上所述，薄板焊縫超聲波探傷是可以運(yùn)用在工程檢測中的。其對各種缺陷，尤其是裂紋，未熔合等危害性缺陷有相當(dāng)高的檢出率，且具有檢測效率高勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點。在操作時宜結(jié)合適當(dāng)?shù)膶Ｓ迷噳K選用聚楓樹脂楔塊的5P 66 K3探頭，且雙晶探頭對焊縫中下部缺陷有較高的檢出率和更精確的檢測數(shù)據(jù)，可用來驗證焊縫下部缺陷。現(xiàn)行的鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級標(biāo)準(zhǔn)編制于1989.5.8，由于當(dāng)時沒有大量的工程檢測需求和受技術(shù)條件的限制，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的探傷母