錢政平 陳士華 章文顯 楊雯青

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

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不等厚板對接焊縫的超聲波探傷

錢政平 陳士華 章文顯 楊雯青

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

針對不等厚板對接焊縫的缺陷定位首先采用理論推導(dǎo)方式，分別對斜面、平面入射方式的一次、二次波進(jìn)行論述，得到定位公式，再通過試塊對比和實際檢測加以驗證，最終證明了公式的正確性和實用性，能夠快速定位缺陷。

不等厚；焊板；超聲波；缺陷；定位

在焊縫結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)母材厚度不一致的不等厚焊縫是超聲波檢測的一個難點。而重要受力部位和過渡區(qū)域的特殊部位常采用不等厚板進(jìn)行對接。由于兩側(cè)結(jié)構(gòu)不等厚，焊接時受熱不均勻等原因，焊縫更容易產(chǎn)生各種危害性缺陷，并且由于兩側(cè)鋼板不等厚，探頭在斜面上掃查或聲束在斜面上反射時，聲束的角度會產(chǎn)生變化，確定缺陷的大小和位置就比較困難，特別是不能準(zhǔn)確地反映缺陷的位置，造成了很大的返修不便。

在某鋼結(jié)構(gòu)橋梁檢測中，鋼箱梁的兩側(cè)均采用了不等厚對接焊縫，按照TB 10212—2009 《鐵路鋼橋制造規(guī)范》中要求，Ⅰ類和Ⅱ類對接焊縫需要進(jìn)行100%超聲波探傷。因此，通過理論計算和實物驗證，以得到更為有效的方法，從而實現(xiàn)在不等厚焊縫實際超聲波檢測中快速定位缺陷。

1 理論分析

由于焊縫較長、結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜等原因，采用單面雙側(cè)掃查是比較合理的檢測方式。不等厚板材在加工時多將厚板單面加工成斜面，如圖1所示，所以在實際檢測過程中，也需要考慮到這種情形。為此，對以斜面作為掃查面或者作為反射面2種情況分別進(jìn)行了理論推導(dǎo)。

1.1 斜面作為掃查面

假定超聲波探傷儀按聲程定位，探頭折射角為β，斜面傾角為α，圖1中A點為探頭入射點，B點靠近斜面的焊趾位置，F(xiàn)點為焊縫中缺陷反射點位置，T1為薄壁厚度，T2為厚壁厚度。

(1)當(dāng)采用一次波檢驗時

圖1中AH為斜面法線，AG為平面法線；作BC和FH線，使BC∥FH⊥AG。

由圖1可知α=β-β＇

H1=AG-AC=S×cosβ＇-l×sinα

L1=FG-BC=S×sinβ＇-l×cosα

移動探頭，即可通過一次波對焊縫進(jìn)行掃查。

圖1 斜面作為掃查面時一次波

(2) 當(dāng)采用二次波檢驗時

對于某些類型的缺陷，因為形狀、位置等原因，一次波無法掃查時，需采用二次波。如圖2所示，AH為斜面法線，AG為平面法線；延長AJ至F點，使FJ=IJ；作BC和FH線，使BC∥FH⊥AG。

圖2 斜面作為掃查面時二次波

H2=2T1-(AG-AC)

=2T1-(S×cosβ＇-l×sinα)

L2=FG-BC=S×sinβ＇-l×cosα

式中：H1、L1為一次波檢驗時，修正后的缺陷深度和水平距離；H2、L2為二次波檢驗時，修正后的缺陷深度和水平距離；l為超聲探頭入射點至焊趾B點的距離(即圖1、2中AB的距離)；S為超聲儀上顯出缺陷的聲程(即圖1、2中AF的距離)。

需要注意的是，以斜面作為掃查面進(jìn)行二次波掃查時，如果斜面過短，小于1倍跨距時，將無法在斜面上掃查覆蓋整個焊縫，這時必須添加在右側(cè)厚板平面上掃查的方式。其理論計算和常規(guī)的焊縫檢測是相同的，這里不贅述。

1.2 斜面作為反射面

假定超聲波探傷儀按聲程定位，探頭折射角為β，斜面傾角為α，圖1中A點為探頭入射點，G點為焊縫中缺陷反射點位置，T1為薄壁厚度，T2為厚壁厚度，W為焊縫寬度，l1為探頭入射點至焊縫中心的距離。

當(dāng)采用一次波檢驗時，與常規(guī)對接焊縫的探傷方法一致。二次波檢驗具體如圖3、圖4所示。

圖3 斜面作為反射面時二次波

圖4 C點局部放大

圖3中AD為平面法線，CJ為斜面法線；延長AC至F點，使CG=CF；作EI線，使EI∥AD；作BC和DF線，使AI∥BC∥DF。

由圖3、4可知，∠FCE=β, ∠GCM=β-2α；已知現(xiàn)場的斜面傾斜度為1∶4，即tgα=1/4，α=14°。

在△ABC和△KNC中：

BC=AB×tgβ

KN=l1-W/2-AB×tgβ

AB=T1+KN×tgβ

在△EFC和△GMC中：

式中：H2為二次波檢驗時修正后的缺陷深度距離；L2為二次波檢驗時修正后的缺陷水平距離；ho為超聲儀上顯出的缺陷深度，即圖3中的AD。

由上述公式可以看出，斜面無論是作為掃查面還是作為反射面，超聲儀上顯示的缺陷深度都小于缺陷的實際深度，而顯示的缺陷水平距離要大于缺陷的實際水平距離，即儀器上顯示的深度偏小、水平距離偏大，偏差程度將隨著斜面傾角α的增大而增大。因此，實際檢測前要考慮到這個問題。

2 試驗驗證

2.1 公式應(yīng)用

在實際超聲波檢測過程中可將板厚和斜面長度等已知參數(shù)代入公式中，進(jìn)行簡化。例如：已知條件不等厚焊縫的兩側(cè)板厚為T1=24mm，T2=40mm，α=14°，W=30mm，選用K2.5探頭，即探頭折射角β=68.2°，將這些已知數(shù)據(jù)代入上述公式中。

(1)以斜面作為掃查面時的一次波檢驗則圖1中的參數(shù)為：

α=β-β′ 即β′=β-α=68.2-14=54.2

H1=S×cosβ′-l×sinα=0.58S-0.24l

L1= S×sinβ′-l×cosα=0.81S-0.97l

(2)以斜面作為掃查面時的二次波檢驗則圖2中的參數(shù)為：

H2=2T1-(S×cosβ′-l×sinα)

=2T1-(0.58S-0.24l)

L2= S×sinβ′-l×cosα=0.81S-0.97l

(3)以斜面作為反射面時的二次波檢驗則圖3中的參數(shù)為：

=0.46(81+l1)-5.4ho

=0.64(81+l1)+4.6ho

這時可以發(fā)現(xiàn)，在已知參數(shù)的前提下，公式得到了大幅度簡化，在實際檢測過程中能夠立即進(jìn)行計算或者直接口算，對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

2.2 試塊驗證

理論計算和試塊法是超聲波檢測的常見的2種方法[1]。為了更方便地調(diào)整不等厚焊縫超聲波探傷的靈敏度，對缺陷進(jìn)行定位，還可以設(shè)計、制作不等厚焊縫超聲波檢測靈敏度試塊，如圖5所示。

圖5 試塊

在上述試塊上，以斜坡面作為掃查面為例，采用不同角度的探頭對人工缺陷進(jìn)行檢測，然后將計算出來的深度、水平距離與試塊進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示，誤差±1.5mm。這對于定位精度相對較低的超聲波檢測而言，是一個合理的數(shù)據(jù)。

表1 ?3 mm 橫通孔檢測數(shù)據(jù) /mm

注：H1、L1為一次波檢驗時，修正后的缺陷深度和水平距離；H2、L2為二次波檢驗時，修正后的缺陷深度和水平距離。

3 結(jié)論

通過推導(dǎo)公式并簡化，結(jié)合現(xiàn)場實際操作，證明了以斜面作為掃查面或作為反射面時，一、二次波探傷理論結(jié)果的正確性，具有較好的實用性和可操作性，在工程實踐中取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 鄧凱斌. 二次波探傷中反射面為斜面時的缺陷定位計算[J].無損檢測，2003(6)：311-312.□

(編輯：林素珍)

2095-5251(2016)04-0036-03

2015-12-03

錢政平(1981-)，男，大專學(xué)歷，高級技師，從事鐵路零部件無損檢測工作。

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