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超声波探测单面焊接头根部缺陷的一种方法
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作者:焊接协会
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发布时间: 2020-08-25
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单面焊焊接接头根部结构型式多样，用超声检测单面焊焊接接头时，会产生多种形式的根部结构反射波。
摘要：单面焊焊接接头根部结构型式多样，用超声检测单面焊焊接接头时，会产生多种形式的根部结构反射波。按现行超声波检测标准，多种形态的根部缺陷产生的反射回波也具有多种多样型态。这两种不同性质的回波混淆在一起，会对超声波检测人员的正确判断产生较大的困惑。通过对单面焊焊接接头根部未溶合试件的超声波测试，分析了端角反射回波的特点，尝试利用这些反射回波的特点来对单面焊焊接接头根部未熔合类缺陷进行识别。
关键词：超声检测；端角反射；根部未溶合；回波位置
作者简介：闫伟明，男，1963年7月出生，生于广东省茂名市，重庆建工无损检测工程有限公司总工程师，高级工程师，持有特种设备RTⅢ级、UTⅢ级、MTⅡ级和PTⅡ级资格证书。长期从事施工现场的无损检测工艺技术的研究和技术管理工作。
0．引言
超声波检测人员要对单面焊焊接接头根部真伪缺陷回波进行正确的判断，就需要对单面焊焊接接头根部结构回波特点和缺陷回波特点有所了解。要做到这些，超声波检测人员就需要对单面焊焊接接头根部结构形态和缺陷形态有所了解。
单面焊焊接接头根部结构形态和缺陷形态有多种表达形式，每一种根部结构形态和缺陷形态在一定条件下，有可能产生相应的超声反射波。通过对单面焊焊接接头根部结构形态和缺陷形态的了解，有助于我们对其反射波回波特点的理解。
多年来的超声检测工作使我们认识到超声波检测单面焊焊接接头时，仍然缺少简单明了便于操作的判别程序。超声波检测时，缺陷的判别方法有很多种，动态波形法和静态波形法是其中的重要方法。动态波形法和静态波形法对内部缺陷的判定确有帮助，但对根部真伪缺陷的判定仍缺乏可操作性的缺陷定量判定的尺度，存在着一定的困难。
本文通过对超声波检测单面焊焊接接头时的根部未熔合类缺陷的回波特点的分析，力图采用易于定量识别的方法来区分上述根部缺陷与根部结构反射回波特点的差别，来有效提高超声波检测单面焊焊接接头时，对根部缺陷识别的正确率。
1．问题的提出
单面焊焊接接头根部结构形态和缺陷形态多样，单面焊角接焊接接头的缺陷形态与单面焊对接焊接接头的缺陷型态基本相同。为便于表达和理解，现将单面焊对接焊接接头的根部结构和缺陷的常见型态由图1列出：
图1。根部结构和缺陷的常见型态示意图
图1所反映出的单面焊焊接接头的多种根部结构形态和缺陷形态表明，用超声波探测单面焊焊接接接头的反射波型态形形色色，非常复杂。
为了对超声波探测单面焊焊接接头的根部真伪缺陷回波做出比较符合实际的判定，从事超声波检测的前辈和同行们从不同的角度进行了大量的探索，获得了很多的非常有价值的成果，给了我们很多有益的启示。
在上述十种焊接接头根部型态中，按现行超声检测标准，通常认为a型的正常态、b型的根部凸出、i型的锁底焊正常态及J型的加垫板的正常态是合格的。
按照现行的超声波检测标准[1]，在多数情形下，认为c型的根部咬边和d型的根部内凹也是可接受的（施工验收规范上的外观缺陷评定条款一般要求定量评定）。现行的射线检测标准对此的规定不尽相同，按照JB/T4730-2005《承压设备无损检测》的规定[2]，射线检测管外径大于100㎜的环向对接接头时，根部内咬边和根部内凹应按其深度和长度来评级，评定尺度较为严格；其他现行射线检测标准如GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》的规定则放得较松[3]，一般需按照根部咬边和根部内凹的深度和长度定量评级。
一般的超声波检测标准认为e型的根部未透、f型的单侧（边）根部未透、g型的单侧（边）根部未熔及h型的双侧（边）根部未熔合不可接受或需定量评级。本文的案例分析主要针对的是f型单侧（边）根部未透和g型的单侧（边）根部未熔合，显然这样的分析具有重要的关联意义，这有助于使我们认识e型的根部未焊透及h型的双侧（边）根部未熔合的回波特点。
去年三月份，我单位在对一钢结构制作安装项目进行超声检测时，委托方要求对立柱底板角接焊缝进行检测。
在实际探测时，所用超探机为CTS-22型，探头为2.5P8×12k2-D,前沿距离L0=11mm，K=2.0，深度1:1定位。探测过程中，发现在所探测的一条立柱底板角接焊缝的大部分区域，存在着一最高波幅为SL－2dB～SL+8dB的反射波，最高波幅所对应的水平位置为A面－1㎜～A面－3mm（为便于标记目标波的位置，以A面为基准面，A面往管内侧延伸记为正，A面向探头侧延伸记为负），最高波幅所对应的深度h（距探头探测面的垂直距离）为18～20mm。
按照以往的经验，当出现Ⅱ区及Ⅱ区以上的回波时，若最大回波深度大于母材壁厚，最大回波位置位于相对于探头位置的另一侧（若以母材坡口钝边的中心对称线为基准线，本案例中，约为A面－1㎜的位置），则判定为结构反射回波的概率较大。其典型模式如图1-b型的声束反射回波模式，应为单面焊根部焊接接头根部凸出的结构声束反射回波的模式。
图1-b 根部凸出反射回波模式示意图
而此次超声波检测该类立柱底板角接焊缝时，所产生的疑似目标波的回波模式的深度位置较符合结构回波的特点，但回波的水平位置基本位于焊缝的与母材坡口钝边的中心对称线对应的位置，或略微偏向探头一侧的位置。这不符合习惯上认为的单面焊根部结构目标反射回波所对应的水平位置应位于相对于母材坡口钝边中心对称线的另一侧（相对于探头而言），从而使得正确判断的难度较大。
为了慎重起见，经与制造安装单位协调，在采用与该施焊产品相同的材料、焊接结构和焊接工艺条件，制作了一立柱底版角接焊接模拟试件如图2所示：
图2。模拟试件结构示意图
2．模拟试件的测试
将试件剖成两半，发现存在整圈断续根部未熔合。经用塞尺检测，钝边与底板间隙约为0.1mm～1mm，深度约为1mm～4mm。
2.1用2.5P13×13K2斜探头检测，L0=15mm，K为2.2 ，采用1:1深度定位。
发现试件被检区存在着断续回波，目标的最高回波的水平位置为A面－1mm～A面－3mm，目标的最高回波的深度位置为18～20mm,目标的最高回波辐度值约为SL－4dB～SL+6dB。
2.2用2.5P8×12K2.5斜探头检测，L0=11mm，K=2.4，采用1:1深度定位。
发现试件被检区存在着断续回波，目标的最高回波的水平位置为A面―1mm～Ａ面―3mm，目标的最高回波的位置深度为19mm～23mm，目标的最高回波的幅度值为SL+6dB～SL+16dB。
在整个扫查区域另外捕获到两处有效的疑似目标回波，目标的最高反射波约为SL+2dB～8dB，最高的回波的水平位置为A面―1mm～Ａ面―3mm，位置深度为16mm～18mm，由于这两处回波最高波不易区分，反射区段较短，故易丢失。这说明在这两处被超声波捕获的位置处，未焊透深度较浅，声束中心不能获得有效的端角反射回波（通过塞尺复核），仅能在未焊透的顶面或侧面获得不太显著的反射回波。由于难于获得稳定的目标的最高回波，固无法作为可靠的评判依据。
2.3 用2.5P13×13K3探头探测，L0=14mm，K=3.0，采用1:1深度定位。
发现试件被检区存在着断续回波，目标的最高回波的水平位置为A面－1～A面－3mm，目标的最高回波的位置深度为18mm～22mm，目标的最高回波幅度值为SL+6dB～SL+20dB。
在整个扫查区域另外捕获到两处疑似的目标回波，目标的最高回波水平位置为A面－1mm～A面－3mm，位置深度为15mm～17mm，由于这两处回波最高波峰不易区分，难于确定独立的最高回波的位置，反射区段较短，故易丢失。其原因与上条大致相同。
3．原因和机理
为了对端角反射的原因和机理有所了解，我们分别采用2.5P13×13K2探头（L0=15mm，K=2.2）和2.5P8×12K2.5探头（L0=11mm，K=2.4），对CSK-ⅠA试块的端角反射进行了测试，得到如图3所示的测试结果：
图3。端角结构反射回波模式示意图
3.1测试结果进一步证实了，K=2.4的斜探头所获得的端角反射回波波幅值平均要比K=2.2的斜探头所获得的端角反射回波波幅值高8dB以上。
3.2由图3（a）和3（b）可以看出，我们习惯上默认的声程为2NE和2KH。而声束中心实际经过的路程为ABCD或DCBA和FGIJ或JIGF。
3.3一般情况下，ABCD的路程要比EN的路程要长一些，FGIJ的路程也要比2KH的路程长一些。
3.4实测结果显示，目标端角反射的显示深度要比试块的实际深度要大一些，而目标端角反射所显示的水平位置与形成端角的试块的前端面所对应的水平位置大致相当，或前者略小于后者。
这一点显得非常重要，有些人习惯上认为，根部未焊透目标的最高回波所对应的深度要比所探测的母材壁厚要浅一点，这经常成为判断是否是未焊透的依据之一。实际情况要复杂一些，反复的实测经验表明，超声波检测时，未焊透的反射回波大致分为以下几种情况：
3.4.1当未焊透的深度一般不大于1㎜时，超声波检测时较难获得稳定的较高波幅值的端角反射回波。超声波检测时，漏检此类缺陷的概率较大。
3.4.2当未焊透的深度明显大于1㎜时，如图4-1所示，超声波检测时容易获得稳定的较高波幅值的端角反射回波。超声波检测时，漏检此类缺陷的概率很小。此时超声波检测的目标最高反射回波所对应的水平位置大约在与坡口中心对称线对应的位置或略微偏向探头这一侧，目标回波所显示的探测深度可能比母材的壁厚大一点。
3.4.3如图4-2所示，当形成未焊透的坡口母材钝边间隙较大，或未焊透的上沿面或侧面与声束入射中心线接近于垂直并具有足够的反射面时，超声波检测时也可获得稳定的具有一定高度的波幅值的反射回波，此时超声波检测的最高反射回波所对应的水平位置大约在与坡口钝边中心对称线对应的位置或略微偏向探头这一侧，所显示的探测深度可能比母材的壁厚浅一点。
3.4.4 实际超声波检测时，既可能只能发现未焊透的端角反射回波，也可能只能发现未焊透的上沿面或侧面的反射回波，还有可能这两种反射波均可发现。需要说明的是，未焊透的端角反射波是判定是否是未焊透的重要依据之一。
图4 根部未焊透端角反射和上侧面反射回波模式示意图
3.5从超声波端角最高反射回波所显示的水平位置与形成端角的试块的前端面所对应的水平位置大致相当，目标回波所显示的探测深度可能比母材的壁厚大一点的事实可以作这样的推论：端角反射超声波声束中心线经过的等效路径可看成声束中心线是沿端角反射的后边沿线入射反射的路径。
如图3所示，可等效成声束中心线从A至B，到CE与AB的延长线的交点M，再从其等效的相交点M返回BA。这样的等效路径就可以为上述的测试结果提供合理的解释。
3.6从图3可以看出，端角反射路径相对于普通反射体的声束经历的默认路径为2NE和2KH，实际路径为ABCD（或DCBA）和FGIJ（或JIGF），默认路径为2AM和2FP。则端角反射的等效路径与默认路径之差越大，端角反射所显示的对应深度与被检工件的壁厚之差就越大。当探头的实测K值变大时，端角反射的实际路径或等效路径与默认路径的时差就越大，目标回波所显示的深度与目标的实际深度的差值就越大，相对于目标的实际深度位置，目标回波在示波屏上的位置就更靠后一点。
4．分析与结论
4.1对单面焊焊接头根部缺陷进行超声检测时，判断是否存在着端角反射是区分真伪缺陷的重要手段。
4.2对根部未熔合类的缺陷进行超声检测时，若未熔合深度大于1mm时，一般能识别出端角反射波，但它的上端部凹槽或侧面较难探测到显著的反射回波。
4.3超声波检测根部端角反射时，其回波水平位置位于焊缝的相应的钝边中间区域，其位置深度一般比母材厚度大0～5mm，其深度一般随着K值的增大而有所增加（在一定范围内）。
4.4通过对壁厚为25毫米试块的端角进行测试，可进一步证实：端角反射回波的显著高位分布于一个平台区，显著高位回波位置可能出现于这个平台区的某个位置上，平台区的宽度与端角两侧最小临界宽度、K值大小、晶片尺寸及其它因素有关。
4.5超声波检测根部端角反射时，其最大回波幅度值与K值相关。当K值为2.0～2.2时，其回波较低，刚达至Ⅱ区,较少进入Ⅲ区。当K值为2.4～3.0时，其回波较高，目标的最高回波可比定量线高8dB到20dB。
4.6根部未熔合的超声检测回波特点与b型根部凸出反射回波有相似之处，其回波位置深度一般比母材壁厚大1～4mm。其不同之处在于，前者的反射回波水平位置一般位于与坡口钝边相应的焊缝中间位置，目标的最高回波的幅度值在K为2.0～2.2时较低，K为2.4～3.0时，回波幅度值有较大的上升；后者的回波水平位置一般偏向于相对于探头的另一侧（以坡口钝边中心对称线为基准线），目标的最高回波的幅度值并不随K值不同而有上述规律的变化。
4.7单边根部未熔合类缺陷超声检测时，其最高有效回波通常可在与探头同侧的一侧探测到，另一侧较少探测到。对接焊接接头的双边根部未熔合类缺陷可在两侧探测到，水平位置位于相对于坡口钝边位置的焊缝中间位置。若为对接焊接接头，不会形成明显的相向交叉分布。
为便于理解，所谓对接焊接接头明显的相向交叉分布如下图所示：
在图5中，中心线的位置为相对于两坡口中心线相对应的位置，目标波在相对于探头的另一侧，目标波的对应深度一般比母材深度深1～4㎜，这样分布的目标波通常为非缺陷波，如目标波1和目标波2所示。
图5 超声波检测目标位置交叉分布示意图
4.8超声波检测根部缺陷时，在条件许可的情况下，可选择一K值为2.0～2.2的探头，以及另一K值为2.4～3.0的探头进行检测，利用上述端角反射的回波特点，通过确定回波的水平位置、位置深度及回波幅度值来对根部真伪缺陷进行识别，是一种比较易于操作的方法。当反射回波具有下述特点时，我们可以做出根部未溶合类缺陷的判别：
4.8.1当采用K值为2.0～2.2的探头时，未熔合类目标的最高回波位置深度一般比母材壁厚大0～2mm，最高反射回波水平位置一般位于与坡口钝边中心对称线相应的焊缝位置上，目标的最高回波的幅度值位于Ⅱ区，较少进入Ⅲ区，如下图所示：
图6 较小K值超声波检测端角反射回波模式示意图
4.8.2当采用K值为2.4～3.0的探头时，目标的最高回波位置深度一般比母材壁厚大0～5mm，最高反射回波水平位置一般位于与坡口钝边中心对称线相应的焊缝位置上，目标的最高回波的幅度值比定量线高8dB～20dB。
图7 较大K值超声波检测端角反射回波模式示意图
根据以上的测试方法和测试结果，们使用的了一个2.5P13×13K2的探头（L0=15mm，K=2.2）和一个2.5P8×12K2.5探头（L0=11mm，K=2.4），对施工现场相关施焊构件的焊接接头进行了超声波检测。
当目标波的反射回波波幅值明显比定量线高，水平位置位于与坡口钝边相对应的焊缝中心线位置或略偏向于探头这一侧的位置，测试深度约为T-4㎜～T+5㎜，用这两个探头探测同一目标的最高波幅值的分贝差大于8分贝，则判定为根部未熔合或未焊透缺陷的概率要比判定为根部结构反射回波的概率要大得多（附之以其他辅助方法）。运用上述方法进行超声波检测，我们对这条焊缝判定结果为存在着多处断续根部未熔合和为焊透缺陷。施工单位对整个焊口进行了返修，所发现的根部缺陷与我们的超声波探测情况基本相符合。我们对这条返修后的焊缝进行了复测，未发现应记录缺陷，Ⅰ级合格。
我们同时对该项目的其他立柱底板角接焊缝和其他要求检测焊接构件的焊接接头进行了超声波检测，按上述方法对所发现的根部目标反射回波进行了相应的判定。对所发现的对接接头的根部结构反射回波，用射线方法进行了抽查复测；对所发现的焊接接头的根部未溶合和未焊透缺陷进行了返修，抽查复测的结果和返修的结果表明，超声波检测的判定结果与实际情况基本相符合。
上述观点只代表我们对本案例分析所得出的一些观点，难免存在着很多不妥或错误之处，敬请各位专家领导不吝赐教，批评指正。
参考文献：
[1]JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》国家发展和改革委员会 发布（2005年第46号公告）[S]：97页，5.1.8条。
[2]JB/T4730.2-2005《承压设备无损检测》国家发展和改革委员会 发布（2005年第46号公告）[S]：39页，6.1.8条。
[3]GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》中华人民共和国质量监督检验检疫总局发布2006.01.01实施[S]：30页，C.3.4条。
备注：此篇论文被评为二类优秀论文并收入到《中国职工焊接技术协会2008焊接技术论文集》。