T型焊接接頭超聲檢測時探頭的選擇

萬立皓，劉忠華

（武漢九方工程技術有限責任公司，武漢 430074）

T 型接頭是鋼結構及特種設備中最常用的焊接接頭之一，接頭中未焊透缺陷對結構的影響非常大，它減少了焊縫的工作截面，降低了焊接接頭的強度并造成應力集中，焊接中不允許焊接接頭中有超過一定容限量的未焊透。由于未焊透缺陷垂直于腹板表面，在進行超聲波檢測時很難快速地發現未焊透缺陷并對其進行精確定量，因此通過在T 型焊接接頭模擬焊接試樣上進行不同類型探頭及檢測位置的對比試驗，來發現其檢測靈敏度差別以及對缺陷尺寸定量是很有必要的。作者通過試驗對較薄腹板（11mm），未開坡口，T 型接頭未焊透缺陷的檢測及定量，來分析不同探頭在不同位置對同一缺陷的檢測靈敏度。

1 T型接頭中未焊透產生的原因

GB 6417－1986《金屬熔化焊焊縫缺陷分類及說明》中，未焊透被定義為在焊接時接頭的根部未完全熔透，焊縫金屬沒有進入接頭根部的現象。未焊透是否為缺陷應根據產品的技術規范或者設計要求來評價［1］，產生未焊透的主要原因如下：焊接參數選擇不當，如焊接電流太小、運行速度太快、焊條角度不當、電弧發生偏吹、對接間隙太小以及坡口角度不當等；操作失誤，如在不開坡口的雙面埋弧自動焊中中心對偏等［2］；坡口加工不良，如鈍邊太厚或一側厚、一側薄，焊接電流太小等。

2 T型接頭焊縫中未焊透對質量的影響

焊縫中的未焊透如圖1，2所示為面積性缺陷，其主要危害是降低了焊縫有效截面，且由于T 型接頭在焊后矯正、加工、使用過程中所產生的應力方向大多數與未焊透缺陷相互垂直，這就使得整個焊縫的承載面減小，導致接頭強度下降。其次未焊透造成焊縫截面尺寸的突然變化，使得整個結構在交變載荷、沖擊載荷的作用下會引起嚴重的應力集中，大大降低了焊縫的疲勞強度。單面焊T 型接頭中未焊透位于焊縫根部，在拉應力與腐蝕介質的聯合作用下容易引起低應力脆性斷裂。

圖1 單面焊T型接頭未焊透

圖2 雙面焊T 型接頭未焊透

3 檢測對象

T 型接頭坡口尺寸如圖3所示，焊縫尺寸如圖4所示，所采用的焊接方法為埋弧自動焊。

圖3 T 型接頭坡口尺寸

圖4 T 型接頭焊縫尺寸

4 檢測過程及在腹板側結果

4.1 橫波斜探頭檢測

探頭的選用：為了使超聲波主聲束盡量垂直于焊縫中的未焊透缺陷，同時為了減少盲區，試驗選用了K值較大的K3探頭；由于腹板為δ＝12mm 的中板，一次反射波最大聲程僅為72 mm，超聲波在傳播過程的擴散衰減較小，在最大聲程處有足夠的靈敏度，為了避免近場區檢測，而且能使主聲束掃查到整個焊縫截面，試驗選用了晶片尺寸較小、前沿較小的探頭（晶片尺寸6 mm×6mm）。為了提高檢測靈敏度，改善波束的指向性，選用了頻率較高的探頭（5 MHZ）。在檢測時要注意大K值探頭引起的表面波干擾信號的識別，發現缺陷波形時，去除探頭前多余耦合劑，并在焊腳處用手指輕輕拍打，如缺陷波形沒有變化，則該波形不是表面波，如圖5所示。

圖5 橫波斜探頭腹板側探測

靈敏度調整：按 JB／T 4730.3－2205標準5.1.5 條中規定，利用CSK－Ⅲ試塊按表1調整距離－波幅曲線的靈敏度，即評定線為φ1 mm×6 mm－12dB；定量線為φ1mm×6mm－6dB；判廢線為φ1mm×6 mm＋2dB；表面補償4dB。

掃查：采用直射法和一次反射法作鋸齒型掃查，探頭掃查區域（W）不小于1.25P（P 為跨距，mm），當掃查區域不小于90mm 時，掃查靈敏度不低于最大聲程處的評定線靈敏度φ1mm×6mm－12dB。

缺陷定位定量：發現缺陷波后采用前后掃查方式對缺陷進行定位檢測，同時將靈敏度調到定量線靈敏度φ1mm×6mm－6dB。當探頭在（圖5）位置1附近作前后掃查時，示波屏上出現下端點最大回波如圖6所示，當探頭在（圖5）位置2附近作前后掃查時，示波屏上出現上端點最大回波如圖7所示，整個缺陷回波包絡線如圖8所示。圖6，7，8圖形為CTS－9006超聲波探傷器檢測記錄后導出圖形，橫坐標為深度，mm；縱坐標為波幅，dB。

結果：通過計算分析該未焊透缺陷最大反射回波為定量線（SL）＋8.1dB，上端點深度為1.5mm，下端點深度為8.8mm，未焊透自身高度為7.3mm。

4.2 單晶直探頭在翼板側進行探測

探頭的選用：5P14Z；靈敏度 調整：按JB／T 4730.3－2205標準5.1.6.4條中規定，利用平底孔試塊按如下規則調整距離－波幅曲線的靈敏度，評定線φ2mm 平底孔；定量線為φ3mm 平底孔；判廢線為φ4mm 平底孔；表面補償：4dB，如圖9所示。

掃查：在翼板外側劃出焊縫中心線，將探頭置于焊縫中心線作平行于焊縫掃查，掃查靈敏度不低于最大聲程處的評定線靈敏度φ2mm 平底孔。

缺陷定位定量：發現缺陷波后作垂直于焊縫掃查，同時將靈敏度調整到定量線靈敏度φ3 mm 平底孔，找出缺陷最高反射波如圖10所示，采用6dB法測出未焊透的指示寬度如圖11，12所示。端點1反射回波及位置如圖11所示，端點2反射回波及位置如圖12所示。圖10，11，12圖形為CTS－9006超聲波探傷器檢測記錄后導出的圖形，橫坐標為聲程，mm；縱坐標為波幅，dB。圖13，14，15同此解釋。

結果：通過計算分析該未焊透缺陷最大反射回為定量線（SL）＋0.6dB，未焊透指示寬度為9.0mm。

圖9 單晶直探頭在翼板側探測

圖10 直探頭缺陷最高反射波

4.3 雙晶直探頭在翼板側進行探測

探頭的選擇：試件翼板厚度為20mm，故選用5P14ZF20，探頭焦距為20mm。

靈敏 度 調 整：按JB／T 4730.3－2205 標 準5.1.6.4條中規定，利用平底孔試塊按下列規則調整距離－波幅曲線的靈敏度，評定線φ2mm 平底孔；定量線φ3mm 平底孔；判廢線φ4mm 平底孔；表面補償：4dB。

掃查：在翼板外側劃出焊縫中心線，初步掃查時，將探頭置于焊縫中心線作平行于焊縫掃查，探頭隔聲線與探頭移動方向垂直。掃查靈敏度不低于最大聲程處的評定線靈敏度φ2mm 平底孔。

缺陷定位定量：發現缺陷波后進行精確掃查，探頭作垂直于焊縫掃查，探頭隔聲線與探頭移動方向垂直，同時將靈敏度調整到定量線靈敏度φ3 mm平底孔，找出缺陷最高反射波如圖14 所示，采用6dB法測出未焊透的指示寬度如圖15、圖16所示。通過計算分析該未焊透缺陷最大反射回為定量線（SL）＋11.6dB，未焊透指示寬度為9.0mm。

圖16 端點2反射回波及探頭位置

4.4 解剖試件對比驗證

采用宏觀腐蝕方法對比驗證，為了進一步證實未焊透的實際高度，將該接頭進行了解剖，并對其焊縫斷面進行腐蝕，再輔以10倍以下的低倍放大鏡進行觀察如圖17所示，用直尺測量未焊透高度約為7mm。

圖17 試件解剖宏觀腐蝕形貌

5 結論

（1）采用雙晶直探頭檢測靈敏度最高，尤其在初掃時更容檢測出較小的未焊透缺陷。

（2）采用橫波斜探頭檢測靈敏度較雙晶直探頭小，但對已知缺陷類型進行定量檢測卻具有明顯的優勢，與雙晶直探頭比較，雙晶直探頭利用6dB 法測出未焊透的指示寬度是一種較粗略的方法，而利用橫波斜探頭通過對缺陷上下端點最大回波的測量，可以精確測量出缺陷自身的高度。

（3）采用單晶直探頭檢測靈敏度最低，發現缺陷的能力最弱。因此不宜采用單晶直探頭對較薄翼板的T 型接頭未焊透進行檢測。

［1］ 鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.2 版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：273－276.

［2］ 田雙.淺談如何識別未焊透與未熔合［J］.無損檢測，2000，22（4）：179－182.