衬垫焊T型接头焊缝超声波检测

衬垫焊T型接头焊缝超声波检测

柯达

中国核工业二四建设有限公司工程检测中心山东省海阳市265100

摘要：钢衬垫焊T型接头焊缝根部结构形式多样，用超声波检测焊缝时，会产生各种形式的根部结构反射波。而多种形态的根部缺陷所产生的反射回波也具有多种多样的形态。这两种不同性质的回波在示波屏上出现的位置基本相同或相近，会对超声波检测人员的正确判断产生较大的困惑，容易造成误判、漏判。通过对钢衬垫焊T型接头焊缝试件的超声波测试，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钢衬垫焊T型接头焊缝根部未焊透缺陷进行识别。

关键词：超声波检测；端角反射；结构反射；未焊透

ChinaNuclearIndustry24ConstructionCo.，Ltd.ProjectTestingCenter，HaiyangShandong，China；

Abstract：ForthevariousformsofT-jointbackingweld，therewillbesomanyrootstructurereflectedwavebyUT.Whilethereflectedwaveformsisvariousforthevarietyrootdefect.Thelocationsofthesetwodifferentreflectedwaveonthescreenarebasicallythesameorsimilar.Sothiswillmaketheworkerbeconfusedtogetcorrectjudgment，evenbefalseornegative.ByultrasonictestingofT-jointbackingweld，andanalysisthecharacterofthevertexanglereflectedwave，identifythedefectofincompleterootpenetrationforthesereflectedwave.

Keywords：ultrasonictest；vertexanglereflect；structurereflect；incompletepenetration

0引言

某核电站厂房双梁悬挂式行车梁结构与传统H型钢结构不同，采用双腹板组合结构，腹板与翼板拼接焊缝为全熔透焊缝（见图1）。核电站设计使用周期长、行车梁承受动载以及该腹板与翼板连接焊缝承受拉应力等原因，为保证质量，使其制作及检验尤为重要。但由于腹板与腹板之间间距仅68mm，无法采取背面清根焊接方式保障焊缝根部质量，选择钢衬垫焊以满足设计要求。焊缝结构形式为T型焊缝，射线检测无法对其焊缝质量进行检测，故选择超声波检测方法进行焊缝质量的整体控制。实际检测过程中我们发现，用超声波检测焊缝时，会产生各种形式的根部结构反射波。而多种形态的根部缺陷所产生的反射回波也具有多种多样的形态。这两种不同性质的回波在示波屏上出现的位置基本相同或相近，会对超声波检测人员的正确判断产生较大的困惑，容易造成误判、漏判。本文通过对人工缺陷模拟试块根部缺陷回波特点及根部结构反射回波特点的分析与对比，力图采用易于定量识别的方法来区分，从而有效提高对根部缺陷识别的正确率。

图1行车梁示意图

1试块的设计

模拟试件的设计：按照实际工件焊接方式焊接一组试件，根据不同模拟缺陷设计试件样式，试件1中在位置1、2处人工钻孔；试件2将背部垫板刨除，根部开槽；试件3背部垫板一半刨除一半保留；实体模拟件若干，如图2所示。

图2模拟焊接试块

试块设计要点：

（1）所有试块的焊接均与实体工件焊接工艺一致，原材料材质与实体一致。腹板开45︒单V坡口，手工电弧焊衬垫焊全熔透焊接，钢衬垫厚度10mm；

（2）试件1中，横孔1位于腹板背面与翼板交界处，直径Φ2mm横孔，孔深30mm；横孔2位于腹板正面与翼板交界处，直径Φ2mm横孔，孔深30mm；

（3）试件2中，焊缝背面钢衬垫完全刨除，焊缝根部开槽，槽深1mm；

（4）试件3中，焊缝背面钢衬垫一半刨除，焊缝根部厚度与腹板母材厚度齐平，为保证根部质量，对衬垫刨除部位进行液体渗透检测，排除根部存在缺陷从而对超声波检测造成影响，衬垫未刨除部位与实体保持一致。

2反射信号的来源及分析

2.1检测工艺的确定：

行车梁双腹板间距较小，空间受限导致内侧表面检测不可达，故超声波扫查面仅有A面及C面，焊缝为45︒坡口熔透焊加加强角焊缝，故小角度探头直射波无法达到焊缝区域，为保证探头声束能够覆盖全部焊缝截面，我们选用2.5Z14*14A70斜探头从A面进行一次波及一次反射波扫查，翼板与腹板板厚相差较大，C面斜探头检测误差较大，我们选用2.5Z10N直探头从C面进行扫查[1]。如图3所示

2.2缺陷反射信号[2]：

（1）裂纹裂纹反射回波一般很高，波形尖锐，可能出现多峰，探头平移时波峰随裂纹走向位置发生变化，常出现于焊缝根部及表面热影响区位置；

（2）未焊透未焊透反射回波一般较高，波形稳定，波幅较宽，探头平移时反射波持续存在且无较大变化，常出现于焊缝根部中心位置；

（3）点状缺陷气孔回波较稳定，波峰尖锐，夹渣波峰多成锯齿状，探头平移回波消失较快，密集型缺陷回波多为一簇反射波。缺陷位置可能出现于焊缝任意位置。

2.3结构反射信号：

（1）加强角焊缝表面反射波一次反射波扫查时，加强角焊缝表面对超声波声束有一定的汇聚作用，往往会产生反射信号，判断该波形的方法：以手指蘸耦合剂触摸焊缝表面，反射信号会消失或明显降低，当探头垂直焊缝前后移动，反射信号在示波屏显示位置可前后移动，波幅变化较平缓。

（2）衬垫焊T型焊缝焊接时，倘若焊缝根部和垫板熔透较好，则超声波检测焊缝根部时在钢衬垫端部X处将会出现一端角反射波（图4），此波在示波屏中显示位置与Y处缺陷反射波在示波屏中显示位置相当，如何区分端角反射波还是缺陷波，是检测过程中的难点也是本文描述的重点，下文中我们具体进行试验分析。

图3超声波检测示意图

图4钢衬垫焊T型焊缝接头

3模拟试件的检测

3.1评定范围的确定

考虑到构件设计及实际受力情况，我们在进行超声波检测时，主要针对坡口填充区域焊缝质量进行评定，垫板不纳入评定范围。我们设计试件1，通过对横孔1反射波位置c进行分析，我们可以确定，横孔1在示波屏显示位置为斜探头一次波检测焊缝填充区域最深处，从c处往前均为一次波扫查范围。利用一次反射波扫查横孔2得反射信号在示波屏显示位置e，由此我们确定从显示位置c到e之间为二次波扫查范围。

对横孔1和2分别进行超声波检测和实际测量所得数据如下表1：

表1试件1相关反射信号显示值与实测值

从上表数据分析：横孔1与横孔2所得反射信号在示波屏显示位置均在腹板与翼板交界面偏向探头侧，位于焊缝填充金属层内。故发现信号，可依据水平位置定位是否在填充层内来判定该显示是否为缺陷显示，在即为缺陷显示，不在即需进一步判定。

图5试件1探测时反射信号

横孔1所得反射信号c往往伴随有信号d的出现（图5横孔1），随着探头平移，逐渐离开横孔所在位置，c信号波幅逐渐降低，d信号波幅逐渐升高，一定高度后随探头平移波形基本稳定，信号d位于c到e之间，需对其进行分析评定。结合图4对信号d进行分析，信号d对应X、Y深度为16.60mm和15.40mm，15.40mm处与横孔1重合，可判定信号d为X处端角反射信号。横孔2所得反射信号e往往伴随有信号f的出现（图5横孔2），当手指沾有耦合剂触摸焊缝表面时信号f波幅发生明显变化，可判定信号f为焊缝表面结构波，不予考虑。

综上所述，我们对信号评定范围定义为始波位置0至反射信号e在示波屏显示位置之间所产生的波形需进行评定。

3.2反射信号分析

垫板焊T型焊缝结构中，焊缝根部因连接有衬垫，反射面增多，可能会产生多种结构波。为此我们设计有试件3，以相同工艺焊接焊缝，完成后对试件左半部分焊缝根部衬垫予以刨除，保留母材等厚部分，从而获得较简单结构，以便信号的对比分析。在对试件3进行超声波检测时，获得如下信号显示（见图6），对比所得信号显示发现，带垫板处有反射信号a与反射信号b，探头平移反射信号一直存在，不带垫板处未发现此类信号显示。信号b所示深度恰好为焊缝厚度加垫板厚度，可判定其为结构反射波，不予评定，而信号a正好处于3.1所述评定范围内（见表2），故需对其予以分析。为取得未焊透缺陷反射信号直观体现，我们设计有试件2，焊缝根部开深度1mmV型槽，在对试件2进行超声波检测时，获得如下信号显示（见图7），由于槽深较浅，反射信号h弱，从表2数据可知该信号位置相关特征与试件1中信号位置相关特征类似，在实际检测中可将其判定为缺陷波。

表2试件2、试件3相关反射信号显示值与实测值

图6试件3探测时反射信号

图7试件2探测时反射信号

对比表1与表2数据，我们发现信号b和信号d显示数据基本一致，可初步判定为同一信号显示，因此需进一步分析信号b产生位置是X处还是Y处。

分析方法及验证：

（1）从C面用直探头来确定Y处是否存在缺陷，由于X及Y位置较近，可对Y位置进行精确测量定位画线，再以直探头定位检测，无反射信号即可判定Y处无缺陷；

X处反射信号

Y处反射信号

图8模拟件C面直探头探测时反射信号

模拟件直探头C面扫查时，位置X处出现较高反射线信号，Y处出现极弱反射信号（见图8），随着直探头朝X处平移，波幅逐渐升高，直至与X处信号重叠，分析原因为X与Y位置较近，直探头晶片为Φ10mm，探测Y处时一部分能量到达X处从而产生微弱信号，实际Y处无缺陷。

（2）将焊缝余高磨平，从位置A处前移探头到位置B，确认一次波能否扫查到位置Y处信号，无反射信号即可判定Y处无缺陷，也可后移探头至B1处。通过对模拟件加强角焊缝的去除，探头前后移动，信号b均消失，可判定Y处无缺陷。

（3）超声波探测时，对模拟件中发现信号a处的焊缝背面垫板予以刨除，再次检测信号a消失，说明该处信号的产生是由于垫板反射产生，可判定Y处无缺陷。也可以对反射信号a波幅较高且连续较长的一处焊缝进行刨除或打磨观察，从而确定Y处是否存在缺陷，如无，则说明信号a来源于垫板反射。

4实际应用

在对实体构件焊缝进行超声波检测时，通过上述方法我们对需要评定的信号范围进行了明确规定，极大的提高了检测效率，对相关信号的分析，排除了大量伪显示信号的干扰，避免了误判造成的不必要返修。检测过程中我们发现基本上所有焊缝均有信号a的出现，为进一步确保焊缝质量避免误判及漏检，我们对局部焊缝予以刨除及打磨（见图9），以确定Y处是

图9实体焊缝填充层刨除

否存在缺陷，打磨深度到Y处，并辅以目视及渗透检测，未发现缺陷显示。

5结论

试验和现场检测均表明，超声波检测是检测衬垫焊T型焊缝的一种有效方法。本文对缺陷信号与结构反射信号做出了分析讨论，并对区分方法进行了简单的归纳总结，该方法有效提高了检测效率及准确性，为核电站的安全运行提供了质量保障。

参考文献：

[1]郑晖，林树青，等.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008：296-298.

[2]NB/T47013.3-2012，承压设备无损检测第3部分：超声检测[S].