钢衬垫焊缝的超声波检测

，

(1.河北省特种设备监督检验研究院唐山分院,唐山 063000；2.江苏德创制管有限公司，泰州 225700)

在部分工程结构的施工中，如管道的环焊缝对接、钢结构钢管工程最终拼接焊缝的对接和钢结构工程的T形和角接焊缝的对接等，如果采用全位置无衬垫单面焊接则容易出现焊接缺陷。由于坡口背面无衬垫，熔池金属就无外部支撑，且现场安装的焊缝焊接属于全位置焊，焊接过程中熔池金属的受力状态不断变化，根部焊缝成型的控制难度非常大，因此焊缝根部特别是立焊位置容易出现缩孔和其他缺陷[1]。如果采用钢衬垫的单面对接焊工艺，焊接质量就容易保证。 对钢衬垫焊缝进行超声检测时，垫板反射回波也会显示在荧光屏上，在声波入射到探头对侧的焊角时，会在荧光屏上显示出焊角和衬垫两个回波，单面衬垫焊超声检测原理及回波示意如图1所示。相关标准规定焊缝不允许存在裂纹、未焊透和未熔合等缺陷，如何正确判断钢衬垫焊缝的真假缺陷回波就尤为重要，许多超声检测人员认为钢衬垫会影响焊缝的超声检测回波信号[2]。

1 T形或角接接头焊缝

1.1 90°角的T形或角接接头焊缝

带钢衬垫的90°T形或角接接头结构示意如图2所示，图中钢衬垫端部将起到反射体R的作用，R反射回波的定位将等于一个相当于来自D点的焊接缺陷的声程距离。

图2 带钢衬垫的90°T形或角接接头结构示意

对于存在以上的反射回波，可通过如下方法综合解决：

(1) 在C点用直探头来检测，确定是否存在缺欠D的反射回波(如果C点位置可以进行检测)。

(2) 确定在焊接接头长度上该回波显示是否是连续不断的，一般来自垫板的反射回波很高，当探头沿着焊缝方向移动时，此类波形就一直伴随，相对而言大多数焊接缺陷并不均匀连续。

(3) 采用多次波反射法从B点对焊缝进行检测，来确定D是否存在。这时可能要对F点打磨平整，以保证超声束能覆盖到D点。

(4) 增加探头角度(即更换大角度探头)以保证声束能更好地覆盖到D点。

(5) 清除掉一小块衬垫，使声波不能达到R位置，从而确定D是否是缺陷或证实回波是否来源于R处。

(6) 选择一处最大的反射回波位置进行打磨或刨槽后，通过表面检测(磁粉或渗透检测)来确定D是否存在。

图3 带钢衬垫的夹角角度小于90°的T形或角接接头结构示意

1.2 夹角小于或大于90°的斜T形或角接接头焊缝

因为接头夹角角度的改变，来自接头的反射回波就变得较复杂。带钢衬垫的夹角角度小于90°的T形或角接接头结构示意如图3所示，R的反射回波也可以视为焊道下裂纹C的回波。带钢衬垫的夹角角度大于90°的T形或角接接头结构示意如图4所示，当夹角角度大于90°时，R就和缺陷D的回波声程距离相等。这些条件的分辨与90°T 形或角接接头的相同。

图4 带钢衬垫的夹角角度大于90°的T形或角接接头结构示意

2 对接接头焊缝

2.1 衬垫和接头间脱开的情况

通常的假回波指示R是由连接接头的错边(如钢管椭圆度大、焊接变形等导致装配质量问题)或两个不同厚度板材连接，钢衬垫和板材间贴合面分离而产生的。衬垫和接头分离的对接接头结构示意如图5所示，根据声程距离和波束传播路径，在图5中，当从A点检测时，回波显示看起来就像裂纹或未熔合等根部缺陷[3]。

图5 衬垫和接头分离的对接接头结构示意

对于存在以上反射回波，可通过如下方法综合判断解决：

(1) 准确标记好反射回波的指示部位(如图5中的L位置)。

(2) 从单面对侧A1位置重复超声检测。

(3) 如果从A1点检测，同样可以得到L位置的回波反射指示，则证实在根部存在缺陷。

(4) 如果从A1点检测不到L位置的反射回波，则可能是R产生的假缺陷反射回波显示。

2.2 表面形状和衬垫具有类似声程的情况

另一个引起混淆的假反射回波的原因是焊缝表面成形与钢衬垫导致的反射有相同的声程距离。宽的对接接头根部间隙结构示意如图6所示，图6中焊接接头底部足够大，声波传播到钢衬垫，并从R边角处反射，得到一个大的反射回波显示。较小的对接接头根部间隙结构示意如图7所示，在图7中，焊缝底部窄一些，且声波进入处离焊缝稍远了一些，从而焊缝余高位置W处产生了声波反射和出现大的反射回波显示。

图6和图7中的声程距离相同，究竟是表面缺陷的反射，还是焊缝余高的反射，或者是衬垫边缘的反射，就需要仔细地分析和判断。

图6 宽的对接接头根部间隙结构示意

图7 较小的对接接头根部间隙结构示意

对于存在以上反射回波，可通过如下方法综合判断：

(1) 从单面对侧A1点对图6的焊缝进行检测，以确定W区域是否存在缺陷反射回波。

(2) 对W区域的任何回波显示可以进行打磨检查，来确定缺陷的存在。

(3) 如果在单面对侧的A1位置没有反射回波指示，则再从A点进行检测，确定从W来的反射回波是否是焊缝余高引起的。首先移动探头直到得到最大的反射回波高度，然后用手指蘸耦合剂触摸W处，如果W是焊缝余高反射，那么随着手指的触动，反射回波会出现跳动。

(4) 如果W不是反射体，按照如下方法来验证钢衬垫是否是反射源，将探头放在A1或A处以得到最大的反射回波高度，测量从探头入射点到反射体的投射表面的距离，探头对侧的焊缝位置标记为L，测量从L到W的尺寸，这一尺寸应为钢衬垫的宽度(如果超声设备经过精确校准的话)。因此，超声检测人员在检测前应详细了解所用钢衬垫的尺寸和基本的根部间隙尺寸情况，可以排除一些关于反射源的问题(这也是超声检测人员需要熟悉焊接结构的主要原因)。

(5)在图7中，按中心线G将焊缝分为两部分，从探头所在的焊缝相同侧对反射体进行判断，使假反射回波信号降低到最小。

3 密封焊钢衬垫

合同双方可以要求对所有钢衬垫进行密封焊接[4]，密封的焊缝使超声波不能通过坡口焊缝的整个横截面。超声检测人员应在制作之前确定钢衬垫的最实用宽度以及适于检测的最佳横波探头角度。密封焊的钢衬垫对接接头结构示意如图8所示，在图8中，钢衬垫端部是关键部位，因为其影响了声波反射到接头焊缝的上部。通常，在钢衬垫端部，声波从B至B1部位进入钢衬垫，信号可能被探头接收，或者如A1部位那样探头完全接收不到返回信号回波。

图8 密封焊的钢衬垫对接接头结构示意

密封焊的钢衬垫T形和角接接头结构示意如图9所示，在图9中，存在相同的状态，即声波在B处进入钢衬垫，并且通过衬垫板继续传播进入腹板中。如在屏幕上看到这一反射回波，则很可能是假回波显示。

图9 密封焊的钢衬垫T形和角接接头结构示意

针对这一反射回波，解决措施为：增加密封焊接钢衬垫的宽度，或者更换较小角度的探头进行检测。

4 结语

(1) 对钢衬垫的焊缝进行超声检测时，要精确地校准距离轴线(时基扫描线)，从结构中获得信号的精确信息参数，以利于准确地判定。寻找回波源的最佳反射角，使其产生最高回波，从而计算其水平和深度位置，精确地确定回波源的坐标。通过仔细辨别反射回波的来源，分析回波的传播路径和反射特性，可以正确判断真假缺陷回波。

(2) 超声检测人员检测前应该熟悉焊接结构和焊接工艺，通过准确地反射回波定位才能进行正确判断。