钢结构典型焊缝的超声波检测
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钢结构典型焊缝的超声波检测
摘要： 本文针对钢结构中比较典型的几种焊缝的超声波检测方法，介绍了对这几种焊接接头的扫查方式，并通过理论计算实现了对缺陷的准确定位。
关键词：钢结构 超声波检测焊缝缺陷定位
Ultrasonic Testing of Typical Weleded Joints of Steel Structures
(No. 52 Institute of China North Industries Group CooperationYantai
BranchYantai264003China)
Abstract: In the paper,we introduce scinning mode of ultrasonic testing in typical
weleded joints of steel structures ,and get the accurate location for defece according to
the calculated gradient.
Key words: Steel Structure Ultrasonic Testing Weleded Joints location of defece
1、引言
随着钢结构行业的快速发展和焊接技术的逐渐提高, 构造复杂化，大跨度、超高层钢结构日渐增多，焊缝焊接形式也日趋多样化。无损检测作为控制焊接质量的主要手段起到至关重要的作用，而超声波检测以方便、经济、有效等优点被用来控制焊缝内部质量的主要方法。但随着焊接形式的多样化，对焊缝的超声波检测带来了一些困难，有时对缺陷的定位问题也很难准确把握，怎样根据实际焊接形式采用合理的超声波检测方法需要我们针对问题逐渐完善。
2、钢结构典型焊缝的检测要点
2.1对接焊缝
对接接头是钢结构中最重要也是最为常见的的焊接形式，绝大部分对接接头采用全熔透焊接，要求焊缝与母材等强，探伤的要求也往往较高。整个焊缝截面包括热影响区至少应从两个方向进行扫查，所用探头的波束角应垂直于熔合面在10度的范围内。为提高裂纹等危险性缺陷的检出率，应以70°或K2.5（3.0）的探头为主，为提高单面焊透的检出率，应选择45°的探头探测。为提高坡口未熔合的检出率，应选择波束方向与坡口面垂直的探头折射角。厚板窄间隙焊，应考虑串列法探伤。
2.1.1 平板等厚对接焊缝
平板等厚对接在钢结构焊接中是非常常见的一种焊接形式，主要用于钢板的
接长等。在超声波检测这种焊缝时，一般根据现场的实际情况，选用合适的探头，依据检验要求采用双面双侧、单面双侧或单面双侧进行检验即可，扫查方法如图1所示。
2.1.2 不等厚对接接头焊缝
不等厚对接焊缝在钢柱连接板与翼板焊接中较为常见，通常将厚板侧机械加工成斜面（斜面端部与薄板等厚）后再焊。检测时扫查方式可参照图1等厚对接，但由于斜面的存在，当超声波入射到斜面上时引起反射角变小，缺陷波提前，一次声程的位置也随入射到斜面的不同位置而变化，影响对缺陷波位置的确定及对缺陷或伪缺陷的判定，同时也影响对缺陷的返修。下面就针对这种情况进行计算推导，对缺陷进行准确定位。
如图2所示，已知坡口角度为α，板厚分别为、T，斜面角度为θ，则，仪器俺声程1：1调节，A、B点为探头的入射点，，根据几何关系的，当探头往后移动到任一点A处，可得AB=AE-BE，从而得到一次声程
如图3所示，设图中B处有一缺陷反射波，
则=
式中S为仪器显示声程读数
则
水平距离
2.1.3 弦板对接焊缝
弦板对接在钢结构中主要常见于网架结构焊接球的焊接，检验要求一般为二级，采样用单面双侧进行检测。但由于检测面曲率较大，影响了缺陷波位置的确定及对缺陷或伪缺陷的判定，在次就以公式计算的形式针对缺陷进行准确定位。
2.1.3.1 直射法
如图4中可知：OA=OD=R；ABcosβ=AC=d；ABsinβ=BC= ；K=tanβ。在△OBC中，OC=R-AC=R-d；tanθ==，θ=arctan；OB==；则缺陷真实深度值：DB=R-OB=R-；圆弧AD== （R-半径，-仪器显示的水平值，d-仪器显示的深度值）
一次反射法
如图5所示，由声程修正系数可知；，μ可由声程修正系数（图6）查得，则AC可知。在△AOD中，OD=Rsinβ；在△OCD中，OD=rsin∠OCD；则∠OCD==∠ACQ=∠ECQ；在△CEQ中，，，OQ=r+CQ则
那么缺陷真实的深度值：PE=R-OE；
又因为∠AOP=∠AOH+∠HOP；∠AOH=∠ACQ-β；∠HOP=；则弧AP=。
图3 图4
图5 图6
2.2T形焊缝
对于全熔透或部分熔透的单面焊或双面焊T形接头，进行超声波探伤时，应根据探伤面的可接近性确定扫查方式。如图7所示，对T形接头的探伤至少应做到S1+R1或R1+ R2扫查。如在扫查灵敏度下发现在坡口面有高于基准波高的指示时，应增加P1或P3扫查。当翼板外侧不可接近时，应以Q1（建议选用450折射角探头）。
图7 图8
角接焊缝
建筑钢结构中角接接头的基本形式如图8所示。对这类焊缝进行超声波探伤时至少应进行S1+R1或R1+ R2扫查。在钢结构手册等规定，当B板厚度大于40mm时，如在基本扫查中发现有高于扫查灵敏度基准的指示时，应增加P1或P3扫查。
2.4 圆管T、K、Y接点焊缝
管分支节点（又称T、K、Y节点）的特点是在接头一周的各点几何形状是变化的，而超声波探伤的主要扫查方式为垂直于焊缝的前后扫查，由于该类接头沿焊缝一周焊缝与钢管母线的夹角（称为偏角）连续变化，因此在不同的探测点，超声波声束轴线所在的截面为不同形状的椭圆，接头任何位置上的跨距和相应声程不同，探头的临界折射角也不同。另一方面由于不同位置两面角不同，焊缝的形式也不同。基于以上理由，如图9所示，一般将焊缝分为三个区（A、B、C）
或五个区（A、B、C、D、E），不同区域分别选择最佳的探头折射角。在建筑钢结构中，一般的管分支结构均为封闭结构，管内壁均不可接近，管壁也不厚（≤25），因此一般选择支管表面作探测面。在检测时要注意，应以探头垂直焊缝移动的前后扫查为主，为减小变化曲面对耦合状况的影响，尽可能选择较小晶片的探头，且选用粘度大、声阻抗高的耦合剂，并且要尽可能选择大折射角，短前沿的探头，增大一次波探测的范围。同样由于探测面的曲率发生变化，那么缺陷的位置也必须进行进一步的修正才能得到它的准确位置。
图9 管分支节点焊缝的分区 图10管分支结构扫查方式及偏角α的图示
如图10所示，可采用实测或计算机辅助计算求出检测部位的偏角а（支管表面母线和焊缝纵截面的法线或和探伤方向所成的角度），求出该部位的曲率半径ρ， 。同样可以用下面公式求出半跨距声程修正系数k及水平距离修正系数m,
；
式中：β为探头的折射角，t为管壁厚。
那么缺陷位置的半跨距和一跨距点的声程W0.5、W1.0及探头与焊缝的距离Y0.5、Y1.0分别可用下面公式计算得出：；；，。
则探头与缺陷的距离Y及缺陷深度d可根据读取的声程W按比例由下面公式近似求出：当W＜W0.5时，Y=Y0.5×W/W0.5 ；d=t×W/W0.5 。
当W0.5＜W＜W1.0时，Y=Y0.5×W/W0.5 ；d=2t-t×W/W0.5 。
图11 图12
在现场的检测中我们也可以测量探测点的偏角α，根据公式D1=D/sin2α计算等效直径D1 ，这样可由t/ D1与声程修正系数的关系曲线（如图11）得到该点的声程修正系数。量取某一点的相贯角，直接查相贯角φ与声程修正系数的关系曲线（如图12），可获得该点的声程修正系数m和水平距离修正系数k；然后采用里波声程法对缺陷进行定位，即以半跨距和全跨距点作为参考点，根据缺陷反射点的指示声程按比例近似确定缺陷的深度和水平位置。
小结
焊缝质量是保证钢结构工程安全的重要因素，对焊缝进行认真准确的超声波检测是控制焊缝质量的主要手段。那么就需要我们检测人员针对工程焊接形式及
相关设计要求采用合理的检测方法，准确对相关缺陷进行判定，以确保焊接质量达到质量验收要求。
参考文献：
[1] 胡天明等.超声波探伤. 全国锅炉压力容器无损检测人员资格签定考核委员会.1995年3月
[2] 李家伟、陈家懋.无损检测手册.机械工业出版社.2002年1月
[3] 周文瑛等.建筑钢结构焊接技术规程.中国建筑工业出版社.2002年9月
[4] 中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册.中国计划出版社.2002年5月
[5] 王维国、董锋.不等厚对接接头的超声波检测.无损检测.2008年第8期
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
