楊 斌，劉國波

（武漢鋼鐵（集團）公司 研究院，湖北 武漢 430080）

超聲波檢測技術(shù)在平板對接焊縫探傷中的應(yīng)用

楊 斌，劉國波

（武漢鋼鐵（集團）公司 研究院，湖北 武漢 430080）

在焊接金屬材質(zhì)鑄件的過程中，受鑄件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)熱脹冷縮的影響，會產(chǎn)生熱劣化裂紋損傷，致使工件強度、韌性和焊接性能下降，從而埋下事故隱患[1]。因此，如何快速、準(zhǔn)確定位金屬材料焊縫缺陷是至關(guān)重要的。射線探傷和超聲波探傷是對焊縫進行無損檢測的主要方法。對于焊縫中裂紋、未熔合等面狀危害性缺陷，超聲波探傷比射線探傷的檢出率更高。超聲無損檢測技術(shù)（UT）能準(zhǔn)確定位焊縫缺陷，分辨其形狀和大小，且不損壞材料和工件制品，能在很大程度上消除隱患，避免事故的發(fā)生[2]。結(jié)合超聲無損檢測技術(shù)的原理和焊縫的缺陷類型，簡明扼要地分析了超聲無損檢測技術(shù)在平板對接焊縫探傷中的應(yīng)用，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

超聲無損檢測技術(shù)；焊縫；探測頻率；耦合劑

焊縫的超聲波檢測分為直射聲束法或斜射聲束法（無需磨平余高）。在實際探傷過程中，超聲波能在均勻介質(zhì)中傳播，遇缺陷形成反射。此時，缺陷可以被看作新的波源，其發(fā)出的波被探頭接收，波峰曲線可以直觀顯現(xiàn)在屏幕上。缺陷越小，缺陷回波越不會擾亂探頭聲場[3]。由于焊接工藝和材質(zhì)不同，且焊縫有增強量、表面不光滑以及大多危險性缺陷（比如裂縫、未焊透）垂直于平板面，因此，對接焊縫超聲波檢測一般都用斜探頭在焊縫兩側(cè)與鋼板直接接觸時所產(chǎn)生的折射橫波來進行掃描探測[4]，如圖1所示。

圖1 焊縫探傷一般方法

1 探測面的修整

在缺陷檢測時，要在焊縫截面前后、左右移動探頭，這樣才能保證超聲波掃查到整個探測面。為此，通常要對探測表面進行修整，清除探測面的焊接飛濺、氧化鐵皮、銹蝕、凹坑油漆等，以免其影響聲波耦合和缺陷判斷。常用的清理工具有鏟刀、鋼絲刷和砂輪機等。

探測面的修整寬度按GB 11345—89標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。

1.1 檢測區(qū)寬度

檢測區(qū)寬度為焊縫本身加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度30%的區(qū)域（5～10 mm）。

1.2 探頭移動區(qū)寬度

探頭移動區(qū)寬度的計算公式是：

式（1）中：T為母材厚度；K為斜探頭折射角的正切值，K＝tgβ.使用一次反射法檢測時，焊縫兩側(cè)的修整寬度（探頭移動區(qū)）應(yīng)大于或等于1.25P；使用一次直射法檢測時，焊縫兩測的修整寬度（探頭移動區(qū)）應(yīng)大于或等于0.75P。

1.3 母材檢測

C級檢測要求應(yīng)進行母材檢測。而母材檢測要求則是：①選擇2～5 MHz直探頭，晶片直徑為10～25 mm；②檢測靈敏度時，將無缺陷處第二次底波調(diào)整為屏幕滿刻度的100%；③應(yīng)對信號幅度超過20%的缺陷作標(biāo)記并記錄。

2 耦合劑的選用

在探傷過程中，為了使超聲波能順利傳入工件，探傷前，必須在探測面上涂上合適的耦合劑。常用的耦合劑有機油、化學(xué)糨糊、水、甘油、潤滑脂（黃油）等。其中，機油不利于清除，且會給焊縫返修造成不便；糨糊有利于進行垂直、頂面探傷。當(dāng)工件表面光潔度較好時，各種耦合劑聲透性能相差不大，但當(dāng)工件表面光潔度較差時，選用聲阻抗較大的耦合劑，比如甘油，可以獲得較好的聲透性能[5]。

在選用耦合劑時，其應(yīng)具備以下幾個性能：①良好的聲透性能和合適的聲阻抗值；②探測頻率；③耦合劑均勻，且不含固體粒子或氣泡，能提供合適的潤滑度，便于探頭移動；④保存和使用方便，避免污染，且無腐蝕、毒性或危害，不易燃；⑤在檢測條件下，不易凍結(jié)或汽化，且檢測后易于清除，同時，使用通常的探頭和耦合劑時，受檢表面溫度最高不得超過500℃。

3 探頭的選擇[6]

3.1 探頭角度的選擇

為了保證純橫波探測，對于鋼質(zhì)材料，探頭入射角應(yīng)滿足27.5°（第一臨界角）＜α＜57°（第二臨界角）的要求。另外，國內(nèi)外使用方式不同，國內(nèi)之前使用的探頭均用入射角角度表示，比如30°、40°、50°、55°等。近年來，為了使缺陷定位更加方便，均改用K值探頭（K＝tgβ），比如K＝0.8，K＝1，K＝2，K＝2.5，K＝3等。而國外則普遍使用折射角表示，比如β＝35°，β＝45°，β＝60°，β＝80°等。

選擇探頭K值時，要注意以下4點。

3.1.1 注意要素

在選擇探頭時，要注意以下3點：①主聲束能覆蓋整個焊縫截面；②聲束中心線盡量與主要危害性缺陷垂直；③保證探傷靈敏度。

3.1.2 選擇K值時的注意要點

如圖2所示，為了保證整個焊縫截面為聲束覆蓋，用一次波和二次波探測時，探頭K值需滿足式（2）的要求，即：

式（2）中：a為上焊縫寬度的1/2；b為下焊縫寬度的1/2；l為斜探頭前沿距離；T為平板工件板厚。

圖2 探頭K值選擇

為了保證能掃查到整個焊縫截面，必須要求y1＋y2≤T，即

當(dāng)y1＋y2＞T時，因為超聲波無法掃查到焊縫中間一小塊棱形面積，所以，可能會導(dǎo)致缺陷漏檢。焊縫中間的菱形如圖3所示。

圖3 焊縫中間菱形

3.1.3 根據(jù)工件厚度選擇K值

薄工件采用大K值探頭，以避免近場探傷，提高定位和精度；厚工件采用小K值探頭，縮短聲程，減小衰減，提高探傷靈敏度，同時，還可減少打磨寬度。各種焊縫探傷標(biāo)準(zhǔn)對探頭角度的具體規(guī)定如表1所示。

3.1.4 K值隨工件聲速和探頭磨損而變化

K值隨工件聲速和探頭磨損的變化規(guī)律是：聲速快，探頭后面磨損嚴(yán)重，K值隨之變大。所以，在檢驗缺陷前，要對K值進行校驗。

表1 NB/T 47013—2015推薦K值

3.2 探測頻率的選擇

探測頻率越大，其波長越小，可檢測出的缺陷尺寸也越小（一般為λ/2），所以增大探測頻率有利于缺陷檢出。然而，在焊縫中，危險性缺陷大都與超聲波入射方向成一定角度，頻率過高，雖然缺陷反射指向性越好，但探頭不易接收回波信號。為了保證超聲波檢驗的靈敏度，探測頻率要適當(dāng)[7]。

GB 11345—89標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，檢驗頻率f一般在2～5 MHz范圍內(nèi)選擇，且推薦選用2～2.5 MHz公稱頻率檢驗。

JB 1152—81標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于厚板焊縫和材質(zhì)衰減明顯的焊縫，為了保證探傷靈敏度，探測頻率一般采用2.5 MHz；對于薄板焊縫，為了提高分辨力，探測頻率可選用5 MHz。

4 超聲試塊的選擇

NB/T 47013—2015標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試塊有CSK-IA、CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、CSK-ⅣA。CSK-ⅠA 試塊用于超聲波儀器、探頭系統(tǒng)性能校準(zhǔn)和檢測校準(zhǔn)，CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、CSK-ⅣA試塊用于超聲波檢測校準(zhǔn)，CSK-IA、CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、CSK-ⅣA試塊適用于檢測曲面率半徑大于等于250 mm的焊接接頭超聲檢測，CSK-IA、CSK-ⅡA和CSK-ⅣA試塊適用于工件壁厚為6～500 mm的焊接接頭超聲檢測。其中，CSK-ⅡA適用于工件壁厚范圍為6～200 mm的焊接接頭，CSK-ⅣA系列試塊適用于工件壁厚大于200～500 mm的焊接接頭。對于工件壁厚范圍為8～120 mm的焊接接頭超聲檢測，也可以采用CSK-ⅢA試塊，但應(yīng)對靈敏度進行適當(dāng)調(diào)整，與CSK-ⅡA試塊保持一致。

在檢測不同工件厚度對接接頭時，可根據(jù)較大工件厚度確定試塊厚度，可根據(jù)簿側(cè)工件厚度確定掃查靈敏度和質(zhì)量等級。CSK-ⅡA、CSK-ⅣA試塊的人工反射體為長橫孔，其反射波在理論上與焊縫光滑的直線熔渣相似。同時，利用橫孔對不同的聲束折射角也可以得到相等反射面，但需要深度不同的對比孔。長橫孔遠(yuǎn)場變化規(guī)律因距離變化而類似于未焊透。在長橫孔試塊上繪制曲線，測定靈敏度，適用于未焊透類型缺陷的檢測。CSK-ⅢA試塊的人工反射體為短橫孔。短橫孔遠(yuǎn)場變化規(guī)律因距離變化類似于球孔。在短橫孔試塊上繪制曲線時，檢測靈敏度可有效控制點狀缺陷，但對中厚板而言靈敏度偏高。

2種反射體試塊因反射體類型不同，檢測靈敏度、反射規(guī)律、曲線規(guī)律和所控制檢測對象都不同，所以，二者要區(qū)別看待，不得混用。

5 探頭移動方式

在焊縫探傷中，探頭移動有4種基本方式，即左右移動、前后移動、定點轉(zhuǎn)動和環(huán)繞轉(zhuǎn)動，如圖4所示。前后移動、左右移動、定點轉(zhuǎn)動結(jié)合使用時，即為鋸齒形掃查，具體如圖5所示。除此之外，為了檢測橫向裂縫，還可以采用斜平行掃查、交叉掃查等。但是，對厚板中出現(xiàn)的垂直于板面的裂縫和未焊透，還應(yīng)進行串列式掃查等。

具體情況如下：①鋸齒形掃查——粗掃查，為最常用的掃查方式，探頭與焊縫垂直，前后移動的同時還應(yīng)10°～15°左右轉(zhuǎn)動。這種方式的特征是，檢測速度快，易于發(fā)現(xiàn)傾斜缺陷。②左右、前后掃查。左右掃查可測定缺陷長度，前后掃查可測定缺陷自身高度和深度。③轉(zhuǎn)角掃查可推斷缺陷方向。④環(huán)繞掃查可推斷缺陷形狀。當(dāng)環(huán)繞掃查時，發(fā)現(xiàn)波高不變，可判定為點狀缺陷。⑤平行、斜平行掃查主要用于檢查焊縫和熱影響區(qū)的橫向缺陷，具體如圖6所示。⑥串列掃查用于厚板窄間隙焊縫或垂直于表面缺陷檢測。它多采用K1兩個探頭串列式掃查。這種方式的特征是，串列掃查回波位置不變，存在掃查盲區(qū)。串列掃查方式如圖7所示。

圖4 探頭移動的4種基本方式

圖5 鋸齒形掃查方式

圖6 平行掃查和斜平行掃查

6 探測方向選擇

在材料焊接過程中，有可能出現(xiàn)危害性缺陷，所以，應(yīng)根據(jù)工件構(gòu)造、坡口形式和角度選用主聲束與其垂直的入射方向[8]。

6.1 B級檢驗

6.1.1 縱向缺陷檢測

縱向缺陷檢測時要注意以下3點：①當(dāng)T＝8～46 mm時，單面雙側(cè)（直射波和一次反射波法）檢測。②當(dāng)T＞46～120 mm時，雙面雙側(cè)（直射波法）檢測。如果受幾何條件的限制，也可以在雙面單側(cè)或單面雙側(cè)采用2種K值探頭分別檢測。③當(dāng)T＞120～400 mm時，雙面雙側(cè)（2種K值，直射波法）檢測，兩探頭折射角相差≥10°。

6.1.2 橫向缺陷檢測

橫向缺陷檢測時要注意以下3點：①在焊縫兩側(cè)，聲束軸線與焊縫中心線夾角10°～20°作斜平行探測（正反兩個方向）；②如果焊縫磨平，可以在焊縫和熱影響區(qū)掃查；③電渣焊易出現(xiàn)橫裂紋，可用K1探頭45°夾角在焊縫兩側(cè)作正反方向的斜平行掃查。

6.2 C級檢驗

C級檢驗時要注意以下4點：①將焊縫余高磨平，焊縫兩側(cè)斜探頭掃查區(qū)域的母材用直探頭檢測。②當(dāng)T＝8～46 mm時，單面雙側(cè)（兩K值，探頭折射角相差≥10°，其中一個為45°，一次反射法）檢測。③當(dāng)T＞46～400 mm時，雙面雙側(cè)（兩K值，探頭折射角相差≥10°，一次反射波）檢測。對于單側(cè)坡口小于5°的窄間隙焊縫，采用串列掃查法。④應(yīng)進行橫向缺陷檢測。

7 前沿、K值測定

7.1 前沿測定

在CSK-IA試塊上，利用R50、R100圓孔進行前沿測定。將探頭放置在CSK-IA試塊上前后移動，尋找最高波，然后測量探頭前端至試塊R100端的距離X.此探頭前沿尺寸即為L0＝100－X.

7.2K值測定

測定K值時，要注意以下2點：①利用CSK-IA試塊Φ50反射體。探頭前后移動，尋找最高波，測量探頭前沿距試塊端部水平距離L.②利用CSK-ⅢA試塊Φ1×6孔（深20 mm較好避開近場），尋找最高波，測量水平距離L.

8 距離—波幅曲線的繪制

距離—dB曲線是表格形式，用數(shù)字標(biāo)注；距離—波幅曲線由評定線、定量線、判廢線3條線組成3個不同的區(qū)域，各線檢測靈敏度依不同標(biāo)準(zhǔn)而定。

8.1 距離—dB曲線制作

探頭入射點、K值測定：調(diào)節(jié)掃描速度，將探頭放置在標(biāo)準(zhǔn)試塊上，測距表面最近人工反射體，定位最高波；調(diào)增益，使波高至80%，記下此時顯示屏讀數(shù)與孔深度；然后依次測不同深度孔（深度達(dá)檢測最大深度），調(diào)增益使各孔波高達(dá)80%，標(biāo)記此時顯示屏dB數(shù)。

8.2 距離—波幅曲線繪制

探頭入射點、K值測定：調(diào)節(jié)掃描速度，將探頭置于標(biāo)準(zhǔn)試塊上，測距表面最近人工反射體，尋找最高波；調(diào)增益使波高至80%，保持探頭不動，記下顯示屏讀數(shù)；點擊波峰記憶值。保持增益不動，依次測其他深度孔，并連接屏幕面板上各孔波峰點，即成為該反射體距離—波幅基準(zhǔn)線。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各條線靈敏度，調(diào)增益，屏幕上這3條基準(zhǔn)線即可任意轉(zhuǎn)換。

8.2.1 距離—波幅曲線實用

如果超聲波探傷中發(fā)現(xiàn)一缺陷波，找到最高波峰值，保持探頭不動。調(diào)節(jié)增益，使該波峰顯示到距離—波幅曲線上（此屏幕上顯示定量線SL），記錄衰減器讀數(shù)f，并計算f與定量線SL差值（△dB）。該缺陷波幅記錄為SL±△dB。如果時基線按深度法調(diào)節(jié)，在時基線上直接讀出缺陷深度H，并計算水平距離L；如果時基線按水平法調(diào)節(jié)，則在時基線上直接讀出缺陷水平距離L，并計算深度H。深度法，L＝KH；水平法，H＝L/K。

8.2.2 分段繪制曲線

如果被檢工件厚度比較大，屏幕上，在最大檢測距離處距離—波幅曲線位置低，掃查過程中的回波動態(tài)變化不易觀察到，易導(dǎo)致缺陷漏檢（曲線應(yīng)繪制在屏幕20%高度以上區(qū)域）。分段繪制曲線的步驟是：在原曲線上某一點（中間或2/3處）調(diào)增益，將靈敏度提高10 dB（記錄此讀數(shù)）；再按常規(guī)方法依次將后面深度反射體波高標(biāo)在屏幕上。在實際探傷時，此點之前深度范圍內(nèi)用增益之前靈敏度探傷，此點之后深度范圍用增益提高10 dB以后的靈敏度探傷。

9 探測靈敏度的選擇

探測靈敏度反映檢測缺陷的能力。靈敏度高，檢測缺陷能力大；靈敏度低，檢測缺陷能力也低。如果要把焊縫中所有缺陷都檢測出來，靈敏度越高越好，但受工件材質(zhì)、表面狀況、儀器性能和焊接構(gòu)件使用狀態(tài)不同的限制，檢測靈敏度也有一定的限制，具體的探測靈敏度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3—2015中的規(guī)定執(zhí)行。

探測靈敏度的選擇應(yīng)注意以下幾點：①距離波幅—曲線選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靈敏度；②檢測橫向缺陷時，應(yīng)將各線靈敏度均提高6 dB；③當(dāng)檢測面曲率半徑R≤W2/4時，距離—波幅曲線的繪制應(yīng)在與檢測面曲率相同的對比試塊上進行；④當(dāng)跨距聲程內(nèi)最大傳輸損失差大于2 dB時，應(yīng)進行補償；⑤掃查靈敏度不低于最大聲程處的評定線靈敏度。

如果用K2斜探頭對板厚為10～24 mm對接焊縫中存在的自然缺陷進行探測，其缺陷反射波高，測定的大致情況如表2所示。

表2 各種自然缺陷的反射波高

10 缺陷最大波幅及位置測定

將探頭移至缺陷出現(xiàn)最大反射信號（最大波峰）的位置測定波幅大小，并確定區(qū)域。

10.1 水平定位法

例如，時基線調(diào)節(jié)為水平1∶n.在實際探傷中發(fā)現(xiàn)一缺陷，屏幕讀數(shù)40，該缺陷水平距離即為n×40 mm，埋藏深度為n×40/K.

10.2 深度定位法

例如，時基線調(diào)節(jié)為深度1∶n.在實際探傷中，如果發(fā)現(xiàn)一缺陷，屏幕讀數(shù)40，該缺陷埋藏深度為n×40，水平距離為 n×40×K.

11 缺陷指示長度測定

缺陷指示長度測定要注意以下3點：①當(dāng)缺陷波只有一個高點，且位于Ⅱ區(qū)及以上時，波幅降到滿刻度的80%后，用6 dB法測長，如圖8所示；②當(dāng)缺陷波有多個高點，且位于Ⅱ區(qū)及以上時，波幅降到滿刻度的80%后，用端點6 dB法測長，如圖9所示；③當(dāng)缺陷波位于Ⅰ區(qū)，如果有必要記錄時，左右移動探頭使波幅降到評定線，以此測定長度（絕對靈敏度法）。

圖8 6 dB法測長

圖9 端點6 dB法測長

12 結(jié)束語

超聲波檢測是當(dāng)前最重要的一種無損檢測技術(shù)，是現(xiàn)階段多種安全檢測的首選方式，其在金屬材料焊接工藝和平板對接焊縫缺陷檢測中的應(yīng)用成為近年來新的發(fā)展方向。因此，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，工作人員在熟悉了金屬焊接性能和焊縫超聲波探傷知識后，能通過超聲無損檢測技術(shù)準(zhǔn)確定位焊縫缺陷位置、類型和數(shù)量，為金屬鋼鐵工藝品提供質(zhì)量保證，從而確保工業(yè)生產(chǎn)安全。

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TG441.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.027

2095－6835（2017）20－0027－05

楊斌（1984—），男，主要從事金屬材料無損檢測方面的工作。

〔編輯：白潔〕