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(cè)中心薄板焊縫超聲波探傷南通市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心226006摘 要 ：為適應(yīng)輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的檢測(cè)需要，本文針對(duì)現(xiàn)行國(guó)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(chǎng)區(qū)長(zhǎng)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(jí)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(yàn)”。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(huì)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(cè)機(jī)構(gòu)又未開(kāi)展X 射線探

2、傷的檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)這類薄板（厚度小于8mm的板材，主要是4mm7mm）焊縫無(wú)法進(jìn)行行之有效地檢測(cè)。而即使采用X 射線對(duì)薄板焊縫進(jìn)行探傷也存在對(duì)人和環(huán)境危害大，對(duì)裂紋、未熔合等危害性缺陷漏檢率高等缺點(diǎn)。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(huì)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(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，又叫菲涅耳區(qū)。在近場(chǎng)區(qū)進(jìn)行超聲波探傷對(duì)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

3、可能較高，這樣就容易引起誤判，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(chǎng)的近場(chǎng)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(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)的比較理想聲場(chǎng)中討論的是液體介質(zhì)，波源做活塞振動(dòng)，輻射連續(xù)波等理想 條件下的情況。實(shí)際探傷時(shí)往往是固體介質(zhì)，波源非均勻激發(fā)，輻射脈沖 波的聲場(chǎng)，簡(jiǎn)稱實(shí)際聲場(chǎng)。在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，實(shí)際聲場(chǎng)與理想聲場(chǎng)存在明顯區(qū) 別。理想聲場(chǎng)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(shí)際聲場(chǎng)軸線上聲壓雖然也存在極大極小值，但波動(dòng)幅度小，極大 值遠(yuǎn)小于2P0,極小值也遠(yuǎn)大于零，同時(shí)極值點(diǎn)的數(shù)量明顯減少。 這是因?yàn)?a、近場(chǎng)區(qū)出現(xiàn)聲壓極

4、值點(diǎn)是由于波的干涉造成得。理想聲場(chǎng)是連續(xù)波， 波源各點(diǎn)輻射的聲波在聲場(chǎng)中某點(diǎn)產(chǎn)生完全干涉。實(shí)際聲場(chǎng)是脈沖波，脈 沖波持續(xù)時(shí)間很短，波源各點(diǎn)輻射的聲波在聲場(chǎng)中某點(diǎn)產(chǎn)生不完全干涉或 不產(chǎn)生干涉。從而使實(shí)際聲場(chǎng)區(qū)軸線上聲壓變化幅度小于理想聲場(chǎng)，極值 點(diǎn)減少。b、實(shí)際的聲源是脈沖波，由傅立葉級(jí)數(shù)，脈沖波可以視為常數(shù)項(xiàng)和無(wú)限個(gè)n倍基頻的正弦波、余弦波之和。即f(t) = + 2 an cossin0t + bn sin。 2 nd式中t 一時(shí)間n 正整數(shù)，1、2、3GJ 一圓頻率a 0, an, bn 吊戮C因此，總聲場(chǎng)實(shí)際上是各個(gè)不同頻率脈沖波決定的不同聲場(chǎng)的疊加。由主聲束軸線上理論聲壓公式 P=2P

5、0Sin"x）可以知道不同頻率九的聲源它們的極值點(diǎn)出現(xiàn)的位置各不相同，相互疊加后聲場(chǎng)聲壓分布就趨 于均勻。C、實(shí)際聲場(chǎng)的波源是非均勻激發(fā)，波源中心振幅大，邊緣振幅小。由 于波源邊緣引起的波程差較大，對(duì)干涉影響也較大。因此這種非均勻激發(fā) 的實(shí)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(chǎng)是針對(duì)液體介質(zhì)而言的，而實(shí)際探傷對(duì)象往往是固體介質(zhì)。 在液體介質(zhì)中，液體內(nèi)某點(diǎn)的壓強(qiáng)在各個(gè)方向上的大小是相同的。波源各 點(diǎn)在液體中某點(diǎn)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(diǎn)在固體中某點(diǎn)引起的聲壓方向在二者連線上。對(duì)波源軸線上的點(diǎn)， 由于對(duì)稱性，使垂直于軸線方向的聲壓分量互

6、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(shí)際聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)軸線上聲壓分布均勻的一個(gè)原因。2薄板焊縫超聲波探傷方法根據(jù)以上分析，實(shí)際固體介質(zhì)中聲壓分布趨向平緩，而且對(duì)某一固定 探頭的相對(duì)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(shí)際工程操作條件，選用特定的探頭，對(duì)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(shí)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(shí)，應(yīng)盡可能使直射波的聲程不在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，使聲程范圍在一倍 近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度到三倍近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度之間，這樣有利于探傷時(shí)避免誤判、

7、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(shí)也會(huì)增大聲波近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。通過(guò)實(shí)踐, 建議選擇頻率為5MHz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(chǎng)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度 N =旦冗九矩形波源的橫波聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N =旦,co吐cos ：其中：Fs 一波源的面積入一介質(zhì)中超聲波波長(zhǎng)% 橫波入射角角度(3 橫波折射角角度由上式可知，波源面積增大，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度也會(huì)隨之變長(zhǎng)，因此在進(jìn)行 薄板焊縫探傷時(shí)一般選用晶片尺寸為 6m錦6mm勺小探頭。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

8、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6mm 6mm鋼中橫波聲速 G=3230m/s,有機(jī) 玻璃入射點(diǎn)至晶片的距離 L=10mm則鋼中橫波波長(zhǎng) 入s2=C/f=0.646mm,波 源面積 Fs=6X6=36mm當(dāng)K=2.5時(shí)，即入射角 =51.6 ° ,折射角（3=68.2°時(shí)，鋼中近場(chǎng)區(qū) 長(zhǎng)度 n =-Fs- ,cosl ,空=36X0.6 10x0.5 = 5.65 mm二 s2 cos： tg -3.14 0.6

9、46因此對(duì)應(yīng)的鋼中近場(chǎng)區(qū)深度為 2.12mm當(dāng)K=3時(shí)，即入射角 =71.6 ° ,折射角 ”53.50時(shí)，鋼中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度 N =-Fs- cos- -L ,空=36X0.52810 x0.45 = 4.87 mm二 s2 cos： tg -3.14 0.646因此對(duì)應(yīng)的鋼中近場(chǎng)區(qū)深度為1.55mm由以上計(jì)算可知，當(dāng)探頭K值增大時(shí)，聲波在鋼中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)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(guò)研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)楔塊的選擇一方面要有一定的耐磨性，同 時(shí)其縱波聲速應(yīng)盡可能小些。因此選擇聚楓樹(shù)脂楔塊的探頭，其縱波聲速 為2250m/s,比有機(jī)玻

10、璃小些，這樣又t減小探頭前沿和增大K值有利，在鋼中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為 N =-Fs- cos- - L tg= =360.44 -10 0.3 = 4.62mm：'s2 cos： tg ：3.14 0.646對(duì)應(yīng)的鋼中近場(chǎng)區(qū)深度為1.47mm2.1.4 選用雙晶探頭（TR探頭）雙晶探頭采用特殊的延遲塊設(shè)計(jì)，縮短了鋼材中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，這對(duì)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(cè)區(qū)域內(nèi)且可通過(guò)調(diào)節(jié)入射角度來(lái)調(diào)節(jié)探測(cè)范圍 等優(yōu)點(diǎn)。但探測(cè)范圍無(wú)法調(diào)節(jié)到焊縫上部，當(dāng)實(shí)際探傷中一般將雙晶探頭 用來(lái)驗(yàn)證下部缺陷。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推薦將雙晶探頭入射角調(diào)節(jié)到9

11、11附近。2.2 對(duì)比試塊的選用GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定距離一波幅（DAC曲線是用小3m而準(zhǔn)反射體 繪制的，而常用的小3m南準(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(wú)法滿足薄 板焊縫探傷時(shí)繪制DAC曲線的要求，對(duì)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(shí)準(zhǔn)確地評(píng)定缺陷的等級(jí)。300對(duì)比試塊采用與被檢驗(yàn)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士 0.1mm,各邊不垂直度不大于0.1,表面粗糙度不大于2.3 pm,標(biāo)準(zhǔn)孔與加工面的不平行度不

12、大于0.05。3薄板焊縫超聲波探傷實(shí)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)打磨平滑，打磨 寬度應(yīng)大于1.25P, P=2 T K （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(dòng)性、濕潤(rùn)能力和透聲性的耦合劑，建議使用化學(xué) 漿糊。e、測(cè)定探頭前沿長(zhǎng)度和K值的真實(shí)值，并將實(shí)測(cè)值作為計(jì)算參數(shù)。3.2 調(diào)節(jié)時(shí)基線的掃描比例時(shí)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

13、就更為重要。由于薄板焊縫探傷的垂直聲程很小，時(shí)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(guó)標(biāo)規(guī)定的方法繪制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(shí)際情況選擇合適的表面補(bǔ)償值，實(shí)踐中一般表面補(bǔ)償在26dB 左右。3.5 對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)對(duì)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(dòng)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(cè)長(zhǎng)，且可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性，最后按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定評(píng)定缺陷的等級(jí)。3.6 對(duì)比試驗(yàn)我們制作了 12個(gè)有缺陷的焊接試樣，

14、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(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：編號(hào)板厚(mm)X射線檢驗(yàn)薄板焊縫超聲波探傷缺陷類型(mm)缺陷長(zhǎng)度(mm)缺P(pán)臼當(dāng)里尺寸(dB)缺陷指標(biāo)長(zhǎng)度(mm)雙晶探頭驗(yàn)證 當(dāng)量尺寸(dB)13未焊透60 3+676 3+823裂紋60 3+2106 3+433裂紋70 3+396 3+544氣孔。20 3-450 3-354未熔合5© 3+786 3+664夾渣160 3-1156 3+175氣孔d 30 3+2106 3+185夾渣190 3+2170 3+295未焊透46 3+546 3+4106裂紋110 3+4156 3+5116氣

15、孔。20 3-250 3-2126未熔合40 3+866 3+6根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)不難看出，對(duì)于未焊透缺陷超聲波檢出率較高，缺陷波幅高，測(cè)長(zhǎng)與射線檢出尺寸較吻合；單個(gè)氣孔的波幅較低，超聲波測(cè)長(zhǎng)比射線所檢出尺寸大；夾渣波幅較低，超聲波測(cè)長(zhǎng)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(cè)長(zhǎng)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(cè)中的。其對(duì)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(cè)效率高勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。在操作時(shí)宜結(jié)合適當(dāng)?shù)膶Ｓ迷噳K選用聚楓樹(shù)脂楔塊的5P 6X6 K3探頭，且雙晶探頭對(duì)焊縫中下部缺陷有較高的檢出率 和更精確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，可用來(lái)驗(yàn)證焊縫下部缺陷?，F(xiàn)行的鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)編制于1989.5.8，由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有大量的工