陸文兵

摘 要：局部熔合角焊縫的質量檢測是大型船舶無損檢測工作面臨的全新課題。本文結合作者實際工作經驗介紹了常規(guī)超聲波檢測、射線或磁粉與超聲波結合檢測、超聲向控陣技術以及激光全息照相等新型無損檢測方法在局部熔合角焊縫質量檢驗中的運用，同時對各種檢測方法的優(yōu)勢進行了比較。

關鍵詞：大型船舶 局部熔合角焊縫 無損檢測

進入二十一世紀以來，船舶大型化的趨勢日益明顯。隨著新型船舶主尺度的不斷增加，船用鋼材的厚度也有了顯著的提高。目前大型散貨船的甲板邊板與舷頂列板等船舶高應力承受區(qū)域的鋼板厚度已經達到30mm以上，大型集裝箱船的抗扭箱、艙口圍板甚至達到了80mm。由于這些位置對于船舶結構安全非常重要，因此普遍采用EH級高強度鋼材，這類高等級鋼材焊接工藝復雜、焊接工作量大，一旦操作不當非常容易發(fā)生質量問題。然而由于這些位置普遍采用局部熔合的角接接頭型式，由于種種原因目前我國船舶工業(yè)對于這類重要位置角接焊縫質量檢測主要依靠外觀目視檢查進行，對其內部檢測方法及標準尚處于真空狀態(tài)。

目前無損檢測技術的局限性

當鋼板達到一定厚度時采用局部融合而非全熔透的焊接連接型式可以避免建造過程中過多的電焊工作量，提高船舶建造效率；同時這種焊接結構能夠有效地減少焊接過程中不必要的能量輸入，避免焊接過程中接頭韌性的損失。因此，目前世界范圍內船舶工業(yè)對于40mm以上的鋼材T型接頭普遍采用局部深熔角焊的連接型式。

然而，局部熔合焊角接接頭的固有特點決定了其存在內部質量檢測困難的問題。射線檢測與超聲波檢測是目前造船行業(yè)中使用最為普遍的焊接接頭內部無損檢測方法。然而，X射線理論上最大穿透厚度只有60mm，實際普遍在40mm左右；γ射線的穿透力雖然強一些（根據γ源的不同可達120-200mm），然而由于角接接頭存在復雜的幾何形狀，理論上γ射線也只能檢測板厚不超過60mm的角接接頭，且無法準確判斷缺陷的位置是在焊道還是母材上。常規(guī)的超聲波檢測雖然可以掃查到焊道內部情況，然而由于存在留根問題，當波束掃查到焊道根部時，無損檢測人員很難從反射波形上分析究竟是焊道的幾何邊界還是缺陷。因此常規(guī)的超聲波檢測對于焊道根部這一最容易產生致命缺陷的位置也無能為力。同時超聲波波束在厚板結構中的能量損失較大，檢測過程中得到的反射波波形也不明顯，利用常規(guī)超聲波檢測這類焊縫內部缺陷存在一定的困難。因此，根據我國船舶行業(yè)現有的無損檢測標準及工藝，對于局部深熔角焊縫的質量檢查只能采用外觀目視檢查以及磁粉檢測的方法進行表面質量檢測，對其內部檢查尚無有效方法。

常規(guī)超聲波檢測對局部熔合角焊縫的檢查方法

合適的檢測方法和檢測工藝是超聲波檢測局部熔合角焊縫內部缺陷的關鍵。常規(guī)的全熔透角焊縫超聲波檢測主要采用小角度斜探頭在角焊縫附近的鋼板區(qū)域掃查（如圖1左圖所示），這種方法對焊道內的縱向缺陷有效，然而由于波束與缺陷的角度難以控制，這類掃查方法對于焊道內的橫向缺陷、特別是微小的橫向裂紋收效甚微。同時這類檢測方法對于部分熔合角焊縫根部缺陷與形狀反射波區(qū)分的難度較大。

圖1 超聲波檢測時探頭的位置

對于部分熔合角焊縫的無損檢測可以參照國標（GB11345-89）對接焊縫C級檢測的方法采用如圖1右圖所示將探頭騎在角焊縫表面上的掃查方式，將角焊縫表面打磨光順后在內、外兩側焊縫表面各作一次雙向平行掃查，以確保超聲波束能夠掃查到焊道的整個截面。為確保能夠有效地檢測出危害性缺陷，掃查時超聲波入射角與危害性缺陷應盡可能垂直，因此探頭角度要盡量大，通?？梢赃x擇70°左右的探頭為宜。同時，考慮到焊縫表面難以完全打磨光順，超聲波掃描頻率不宜太大，控制在2.5MHz左右檢測效果最好；表面補償量可根據焊縫實際打磨情況而定，通常應取4dB或更大；為增強聲能耦合，探頭晶片尺寸不宜過大，實際應選用9×9或更小的晶片；另外，作為耦合劑的濃度比普通類型的超聲波檢查要更高，而且要反復涂刷，以最大可能地減少聲能量的衰減。對于掃描參數可參照歐盟標準EN1712、EN1714標準相關檢測條件、參數做出選擇。

實踐證明這種將探頭騎在角焊縫表面上的掃查方式，能有效地發(fā)現角焊縫內部危害性缺陷。其主要優(yōu)點在于設備操作非常簡單，采用常規(guī)的超聲波檢測儀器及探頭即可完成檢測。對于接頭內部檢測結果的評判也類似于常規(guī)的超聲波檢查，具有一定經驗的無損檢測人員很容易掌握。然而該方法對焊道打磨要求較高，焊縫表面不能成明顯凸狀，否則入射波聲能損耗過大將導致示波屏上易形成不規(guī)則的雜波，影響缺陷的判斷。由于實踐中焊道很難打磨到理想的光順狀態(tài)，因此需要檢測人員根據焊道的實際情況及檢測經驗選擇合適的探頭及掃描參數，如果參數選擇不合適就可能造成漏檢。雖然在實踐中可以采用多個掃描參數多次檢測的方法解決這一問題，然而焊道打磨及多次檢測對于船舶建造周期的影響也是不可忽略的。

射線或磁粉與超聲波相結合的檢查方法

由于結構剛性及焊接區(qū)域的溫度熱量梯度，焊接缺陷、特別是裂紋等具有較大危害性的焊接缺陷通常出現在焊接的初始階段，即根部打底焊階段。因此在實踐中可以采取兩次或者多次無損檢測的方法對焊道的質量狀況進行檢測，即在打底焊結束后采用射線或工業(yè)可視化射線檢測的方法對打底焊質量進行檢查，確認無問題之后繼續(xù)燒焊，待焊接結束后采用超聲波對未檢測的蓋面焊部分進行檢查。對于照射厚度超出射線檢測范圍的位置，也可以采用磁粉檢測代替射線檢測。為確保焊接質量，打底焊通常采用小電流低速的燒焊方式，熔深不會太大，其內部缺陷用磁粉檢測的方法足以檢出。

常規(guī)的射線或磁粉與超聲波相結合的檢測方法能夠充分地發(fā)揮各種無損檢測方法的優(yōu)勢，有效地避免部分熔合角焊縫內部的漏檢。具體的檢測操作及缺陷判定標準與常規(guī)無損檢測沒有太大區(qū)別。采用這種方法的檢測工藝參數及焊道的打磨要求相對之前的檢測方法而言簡化了很多，實際操作起來更加便利。然而該方法需要在焊接的過程中進行無損檢測，現行無損檢測標準中射線及磁粉檢測均需要對焊道表面進行冷卻及清理，焊道在檢測過程中存在一個保溫逐漸冷卻后清潔焊道待檢測完成后重新燒焊前再加熱的過程，這必然對生產效率造成一定的影響。

新型無損檢測工藝在部分熔合角焊縫無損檢測中的應用

隨著世界范圍內無損檢測技術的不斷發(fā)展，今年來不斷完善的超聲波相控陣成像技術、激光全息照相等新興無損檢測技術也可用于船舶部分熔合角焊縫的質量檢測。

1、超聲波相控陣技術

超聲相控陣技術是對陣列探頭的不同單元在發(fā)射或接收聲波時施加不同的時間延遲（發(fā)射電壓幅度）規(guī)則，即聚焦法則，通過波束形成實現聲束的移動、偏轉和聚焦等功能的超聲成像檢測技術，是近年來超聲檢測中的一個新的技術熱點。與傳統(tǒng)超聲檢測相比，超聲相控陣技術最明顯的特點是可以實現焊縫內部缺陷位置的成像，對于檢測結果的顯示非常直觀。當在復雜結構件和常規(guī)超聲波探測盲區(qū)進行檢測時，超聲波相控陣技術具有非常明顯的優(yōu)勢。

從某種意義上來說，超聲波相控陣技術的實質是將焊縫內部的實際情況以圖像的形式在顯示器上展現出來。因此當對部分熔合角焊縫內部進行質量檢測時，該技術相對于傳統(tǒng)的無損檢測方法而言具有無可比擬的優(yōu)勢。然而目前超聲波相控陣檢測設備主要以進口為主，總體成本，特別是探頭等消耗件的價格非常昂貴，這在很大程度上制約了該技術的推廣。另外，超聲波相控陣檢測儀器設置復雜，校準繁瑣，檢測工藝需要計算機軟件輔助，與傳統(tǒng)的超聲波檢測有很大區(qū)別。因此超聲波相控陣儀器的操作及缺陷的判定需經過一定時間的專業(yè)訓練方能掌握，對操作人員的總體要求較高。更為重要的是目前國際上并沒有公認的關于超聲波相控陣檢測人員資質以及檢測結果評定方面的標準，船東及船級社是否愿意接受這種檢測方法也是該技術在采用是需要重點關注的問題。

2、激光全息照相檢測技術

激光全息照相檢測技術的基本原理是通過對被測物體加外加載荷，利用有缺陷部位的形變量與其它部位不同的特點，通過加載前后所形成的全息圖像的疊加來反映結構內部是否存在缺陷。當全息照片上的干涉條紋顯示有規(guī)律、連續(xù)的特點時，說明結構內不存在缺陷；而當全息照片上的突變及不連續(xù)位置即可能存在缺陷。實踐中常見的加載方式主要有機械加載、振動加載、壓力加載及熱加載幾種方式。激光全息照相技術對被檢測物體的形狀及表面狀態(tài)沒有特殊要求，整個檢測過程中與檢測結構不會發(fā)生接觸，可以通過干涉條紋的形狀進行定量檢測，檢測靈敏度高，檢測結果也相對直觀。

激光全息照相檢測技術在船舶工業(yè)中推廣的最主要障礙在于加載方式的選擇。由于部分熔合角焊縫位置結構剛性普遍較大，常規(guī)的機械加載、振動加載、壓力加載等方式都難以使結構發(fā)生足夠的塑性變形，進而影響檢測的靈敏度。從理論上來說熱加載可以使結構產生足夠的變形，然而加熱過程需要消耗大量的能源及時間，對生產進度的影響是非常顯著的。在實踐中也可以通過改變分段的放置位置從而改變其內部受力狀況實現加載，但這種加載方式需要大型起重機全程配合，對生產效率也會造成一定的影響。

結束語

部分熔合角焊縫的無損檢測是世界船舶工業(yè)發(fā)展過程中必須面對的問題，盡管以上給出了幾種對于這類焊縫內部質量檢測的方法，然而這些方法只是筆者實踐工作經驗的總結，缺乏國際公認的檢測工藝以及評判標準的問題。根據當前世界科技發(fā)展趨勢，加快新工藝、新標準的制定對于我國船舶工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

（作者單位：上海船廠船舶有限公司）