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【摘 要】本文就钢结构薄板焊缝缺陷的超声波检测所涉及的相关问题进行讨论，通过对特制试样的研究，提出相应的检测方法。
【关键词】钢结构；薄板；焊缝；超声波探伤
Ultrasonic testing of steel plate weld discussion
Cai Bao-ying
(Taixing Zhongxing Construction Project Quality Inspection Center Co., Ltd Taixing Jiangsu 225400)
【Abstract】In this paper, steel plate weld defects by ultrasonic testing to discuss relevant issues involved, through a special study of the specimen, the corresponding detection methods.
【Key words】Steel;Sheet;Weld;Ultrasonic flaw detection
1. 前言
在钢结构工程中，根据钢板的厚度的不同，将钢板分为薄板、中厚板和厚板。一般薄板厚度δ< 8mm ，中厚板δ≥8mm。目前，国内钢结构焊缝的超声检测与评定按《钢结构工程施工质量验收规范》 GB50205-2001和《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89 执行。而GB11345-89仅适用于板厚在 8mm以上的焊缝，对于板厚在8mm以下的焊缝，目前国内外并没有具体的、系统的检测标准参照，近些年建筑钢结构的兴起，检测标准没有相应修改。
本文运用超声波检测技术，就焊缝内部缺陷的超声波检测及安全评定过程中所涉及的相关问题进行讨论，研究超声探头各个参数对探测缺陷能力的影响，通过对特制试样的试验研究，解决厚度在2.8mm～8mm 的薄板焊缝超声波检测所存在的问题，填补了GB11345-89规范仅限于≥8mm的钢焊缝超声波检测方法的空白，通过细化对探头参数的选择，调整了DAC曲线灵敏度取值及缺陷质量分级，补充了《钢结构超声波探伤及质量分级法》JG/T 203-2007 中对建筑用薄钢板焊缝超声波检测的办法。
图1 焊接裂纹的种类
2. 焊接缺陷类型
影响焊缝性能的焊接缺陷有裂纹、未焊透、未熔合、夹渣和气孔等。
2.1 裂纹。
裂纹是一种具有尖锐端头且其开口位移长、 长宽比极高的断裂型非连续性、 锯齿形缺陷，它是焊缝中最危险的缺陷，其形成原因是由于焊接中熔融金属凝固时的收缩，以及母材在焊接过程中加热不均匀 ，使熔融金属与母材都处于张力状态所致 ，所以在焊缝内或热影响区容易产生裂纹。代表性的裂纹如图1 所示。
（1）焊口裂纹（2）热影响区的横裂纹（3）焊道下裂纹（4）焊接金属的根部裂纹（5）结合裂纹（6）缝边裂纹（7）焊接金属的纵裂纹（8）焊接金属的横裂纹
2.2 未焊透。
在焊缝的坡口处或根部，由于电弧未将母材熔化或未填满熔化金属所引起的缺陷，称为未焊透。不完全焊透时坡口的根部或清根不充分时坡口的底部残留着未熔合部分 ，成为如图2 所示的未焊透。坡口角度过小或根部间隙过于狭窄时容易产生未焊透。多数情况是连续产生一定长度的未焊透。特别是在背面不可能进行焊接的管材的对接焊缝容易产生。也有沿焊接线全长产生未焊透的极端情况。
图2 未焊透
图3 未熔合
2.3 未熔合。
所谓未熔合系指母材与焊缝金属(焊条熔化进入坡口的金属)没熔合及在焊接中前层焊缝金属和后续焊缝金属未熔合。坡口角度过小，母材或前层焊缝金属熔合不充分时 ，和焊接时焊缝的表面附着的熔渣和氧化物清除不彻底时产生熔合不良。后者多在熔合不良缺陷中含有熔渣 ，多数情况下不能清楚地和夹渣区别。在结合部产生的熔合不良例子如图3所示。
2.4 夹渣。
夹渣为焊接时熔池里熔渣未浮出而残留在焊缝中的缺陷。熔渣的一部分常残存在焊接金属内部，另一种情况是 ，当附着在下层焊接金属表面上的熔渣清除不彻底时 ，在上层焊接中不熔化而残存着。一般来说前者较小且分布比较均匀，反之，后者在多数情况下较大且形状不规则。夹渣的发生位置如图4 所示，夹渣常沿着结合部位发生。焊缝中的夹渣主要是氧化物、 硫化物等金属夹杂物。
图4 夹渣的发生位置
图5 多孔性和虫形气孔
2.5 气孔。
气孔是在焊接金属中存在的球状孔洞。这是在焊接金属冷却时 ，包含在熔化金属中的气体析出，没有完全浮到表面时就凝固而留在焊接金属中引起的。形成气孔的气体多数情况下是氢和二氧化碳气体 ，另外，还有焊条干燥不充分和电弧保护不好等原因。细小气孔数量多的情况称为多孔性，长而连续的情况称为虫形气孔 ，如图5 所示。
在使用低氢焊条时焊道的起点和二氧化碳气体焊缝，容易产生如图5 (a )的密集气孔。在初层焊接中常产生如图5 (b)所示的直线状气孔。在这种场合下，往往同时存在着
未焊透。气孔本身并不那么有害，但在产生气孔那样的焊接状况下 ，也有可能产生其他有害的缺陷。
3. 薄板焊缝超声波探伤专用探头、 试块的研制及试样制备
3.1 超声波探伤专用试块的设计制作。
用试块作为调节仪器、 定量缺陷的参考依据，是超声波探伤的一个特点。根据检测需要制作BH-I、 BH-Ⅱ型试块，其中，试块长度可按具体情况调整。对比试块采用与被检测材料相同或声学性能相近的钢材，其形状和尺寸如图6、图7所示。
图6 BH-I试块
3.2 薄板焊缝缺陷试样的设计制作。
3.2.1 坡口未熔合。
先刨削加工好试板的坡口面 ，在一侧的坡口面上放上并环焊好废旧手工钢锯条断片(其大小、 数量根据需要定) ，再与另一侧对接焊即可。如采用厚度为 1～1. 5mm的小铁片，效果也一样。
3.2.2 层间未熔合。
在焊缝的层与层之间放上并环焊好废旧手工钢锯条断片，继续焊好即可。
图7 BH-Ⅱ试块
3.2.3 内部未焊透。
可以将钝边尺寸加大或不刨坡口，再配以较粗的焊条，用较低电流施焊即可。
3.2.4 根部未焊透。
两块钢板将钝边顶死将钢板拼在一起，然后焊好坡口，再把钢板翻过来把底部的缝隙封焊好即可。
3.2.5 内部裂纹。
采用断裂法制作内部裂纹。先将刨好的试块局部焊接起来，焊接长度稍大于欲得到的裂纹长度。冷却后 ，用外力(如锤击或材料实验机加压力等)使之断裂或断开。再摆平对好，用较低焊接电流将断处封焊好，其余都按正常工艺焊接即成。
3.2.6 表面裂纹。
在焊接普通钢板时，最初几层用碳钢焊条焊接 ，但焊到倒数第二层时改为先用奥氏体不锈钢焊条间断地焊几小段(一般是1～3段 ，每段长30mm左右) ，再用碳钢补全该层(也可是整个倒数第二层都用不锈钢焊条) 。最后一层即表面层全部都用碳钢均匀盖好，立即喷冷水。这样在凡有不锈钢的部位都会有表面裂纹产生。
3.2.7 气孔。
要使焊缝产生气孔只需要焊条潮湿、 有锈、 油污即可。
3.2.8 夹渣。
电流太小，熔池温度不够都易产生夹渣，在焊缝的层与层之间放入一小段瓷片或在焊完一层之后不敲渣即可产生夹渣。
3.3 研制特种换能器。
在声学领域，换能器主要是指电声换能器 ，它能实现电能和声能之间的相互转换。超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转化，因此把探头叫做换能器。
3.3.1 探头类型。
在焊缝超声探测时，总希望声速尽可能地垂直于缺陷反射面，以获得较大稳定地缺陷反射波. 薄板焊缝探伤时，由于板厚较薄，除满足声束角度方面的要求外.还希望减少变形波、 表面波的干扰 ，并对声速垂直方向上的分辨力有一定的要求，这样就使得探伤时对探头晶片的频率、 探头入射角度、 晶片尺寸等参数的选择存在一定的局限性。为了满足薄板焊缝超声波探伤的需要，我们研制了双晶双倾角聚焦横波斜探头。
3.3.2 探头频率的选择。
由于薄板焊缝探伤时声束基本上是工作在 1.6N 以内，焊接件晶粒较细，为了能达到相应的灵敏度要求，应选择较高频率的探头，同时也可以减少表面波的干扰，选择探头频率5MHz。
3.3.3 探头晶片尺寸。
选择小晶片有利于提高声束的纵向方向分辨力。大K值探头可使假象源的尺寸在垂直方向进一步缩小。否则 ，将产生严重的表面波和变形波的干扰，使缺陷波难以分辨。晶片尺寸对声束指向性、 近场区长度、 近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响，综合考虑 ，选择探头晶片尺寸为3×5×2mm (双)和6×6 mm (单)。
4. 缺陷的评定与质量分级
根据大量的试验数据和数理统计工作，制定专用的薄板焊缝超声波探伤 DAC曲线和质量分级法。
4.1 DAC曲线的绘制。
采用在BH -Ⅰ 对比试块上实测的 ф 2mm横通孔反射波幅以及表面补偿数据 ，按表1 的规定绘制DAC曲线。
4.2 薄板焊缝的质量分级。
根据大量现场检测检测工作，对于板厚 ≤8mm的薄钢板焊缝采取下列评定标准:
4.2.1 对于焊缝中有任何裂纹、未熔合和未焊透等危害性缺陷，均判为不合格。
4. 2.2 缺陷反射波高位于DAC 曲线 Ⅲ区时，为不合格；位于DAC曲线Ⅱ区时，应测长。
4.2.3 薄板焊缝质量分类与分级应符合表2 的规定。
参考文献
［1］ 福建省建设厅.DBJ/T13-104-2009 建筑用薄钢板焊缝超声检测及质量分级法［S］.福州. 2009.
［2］ 福建省建筑科学研究院 陈华 钢结构薄板焊缝超声波探伤的研究.福州.2010.
［文章编号］1006-7619（2011）10-27-992
【关键词】钢结构；薄板；焊缝；超声波探伤
Ultrasonic testing of steel plate weld discussion
Cai Bao-ying
(Taixing Zhongxing Construction Project Quality Inspection Center Co., Ltd Taixing Jiangsu 225400)
【Abstract】In this paper, steel plate weld defects by ultrasonic testing to discuss relevant issues involved, through a special study of the specimen, the corresponding detection methods.
【Key words】Steel;Sheet;Weld;Ultrasonic flaw detection
1. 前言
在钢结构工程中，根据钢板的厚度的不同，将钢板分为薄板、中厚板和厚板。一般薄板厚度δ< 8mm ，中厚板δ≥8mm。目前，国内钢结构焊缝的超声检测与评定按《钢结构工程施工质量验收规范》 GB50205-2001和《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89 执行。而GB11345-89仅适用于板厚在 8mm以上的焊缝，对于板厚在8mm以下的焊缝，目前国内外并没有具体的、系统的检测标准参照，近些年建筑钢结构的兴起，检测标准没有相应修改。
本文运用超声波检测技术，就焊缝内部缺陷的超声波检测及安全评定过程中所涉及的相关问题进行讨论，研究超声探头各个参数对探测缺陷能力的影响，通过对特制试样的试验研究，解决厚度在2.8mm～8mm 的薄板焊缝超声波检测所存在的问题，填补了GB11345-89规范仅限于≥8mm的钢焊缝超声波检测方法的空白，通过细化对探头参数的选择，调整了DAC曲线灵敏度取值及缺陷质量分级，补充了《钢结构超声波探伤及质量分级法》JG/T 203-2007 中对建筑用薄钢板焊缝超声波检测的办法。
图1 焊接裂纹的种类
2. 焊接缺陷类型
影响焊缝性能的焊接缺陷有裂纹、未焊透、未熔合、夹渣和气孔等。
2.1 裂纹。
裂纹是一种具有尖锐端头且其开口位移长、 长宽比极高的断裂型非连续性、 锯齿形缺陷，它是焊缝中最危险的缺陷，其形成原因是由于焊接中熔融金属凝固时的收缩，以及母材在焊接过程中加热不均匀 ，使熔融金属与母材都处于张力状态所致 ，所以在焊缝内或热影响区容易产生裂纹。代表性的裂纹如图1 所示。
（1）焊口裂纹（2）热影响区的横裂纹（3）焊道下裂纹（4）焊接金属的根部裂纹（5）结合裂纹（6）缝边裂纹（7）焊接金属的纵裂纹（8）焊接金属的横裂纹
2.2 未焊透。
在焊缝的坡口处或根部，由于电弧未将母材熔化或未填满熔化金属所引起的缺陷，称为未焊透。不完全焊透时坡口的根部或清根不充分时坡口的底部残留着未熔合部分 ，成为如图2 所示的未焊透。坡口角度过小或根部间隙过于狭窄时容易产生未焊透。多数情况是连续产生一定长度的未焊透。特别是在背面不可能进行焊接的管材的对接焊缝容易产生。也有沿焊接线全长产生未焊透的极端情况。
图2 未焊透
图3 未熔合
2.3 未熔合。
所谓未熔合系指母材与焊缝金属(焊条熔化进入坡口的金属)没熔合及在焊接中前层焊缝金属和后续焊缝金属未熔合。坡口角度过小，母材或前层焊缝金属熔合不充分时 ，和焊接时焊缝的表面附着的熔渣和氧化物清除不彻底时产生熔合不良。后者多在熔合不良缺陷中含有熔渣 ，多数情况下不能清楚地和夹渣区别。在结合部产生的熔合不良例子如图3所示。
2.4 夹渣。
夹渣为焊接时熔池里熔渣未浮出而残留在焊缝中的缺陷。熔渣的一部分常残存在焊接金属内部，另一种情况是 ，当附着在下层焊接金属表面上的熔渣清除不彻底时 ，在上层焊接中不熔化而残存着。一般来说前者较小且分布比较均匀，反之，后者在多数情况下较大且形状不规则。夹渣的发生位置如图4 所示，夹渣常沿着结合部位发生。焊缝中的夹渣主要是氧化物、 硫化物等金属夹杂物。
图4 夹渣的发生位置
图5 多孔性和虫形气孔
2.5 气孔。
气孔是在焊接金属中存在的球状孔洞。这是在焊接金属冷却时 ，包含在熔化金属中的气体析出，没有完全浮到表面时就凝固而留在焊接金属中引起的。形成气孔的气体多数情况下是氢和二氧化碳气体 ，另外，还有焊条干燥不充分和电弧保护不好等原因。细小气孔数量多的情况称为多孔性，长而连续的情况称为虫形气孔 ，如图5 所示。
在使用低氢焊条时焊道的起点和二氧化碳气体焊缝，容易产生如图5 (a )的密集气孔。在初层焊接中常产生如图5 (b)所示的直线状气孔。在这种场合下，往往同时存在着
未焊透。气孔本身并不那么有害，但在产生气孔那样的焊接状况下 ，也有可能产生其他有害的缺陷。
3. 薄板焊缝超声波探伤专用探头、 试块的研制及试样制备
3.1 超声波探伤专用试块的设计制作。
用试块作为调节仪器、 定量缺陷的参考依据，是超声波探伤的一个特点。根据检测需要制作BH-I、 BH-Ⅱ型试块，其中，试块长度可按具体情况调整。对比试块采用与被检测材料相同或声学性能相近的钢材，其形状和尺寸如图6、图7所示。
图6 BH-I试块
3.2 薄板焊缝缺陷试样的设计制作。
3.2.1 坡口未熔合。
先刨削加工好试板的坡口面 ，在一侧的坡口面上放上并环焊好废旧手工钢锯条断片(其大小、 数量根据需要定) ，再与另一侧对接焊即可。如采用厚度为 1～1. 5mm的小铁片，效果也一样。
3.2.2 层间未熔合。
在焊缝的层与层之间放上并环焊好废旧手工钢锯条断片，继续焊好即可。
图7 BH-Ⅱ试块
3.2.3 内部未焊透。
可以将钝边尺寸加大或不刨坡口，再配以较粗的焊条，用较低电流施焊即可。
3.2.4 根部未焊透。
两块钢板将钝边顶死将钢板拼在一起，然后焊好坡口，再把钢板翻过来把底部的缝隙封焊好即可。
3.2.5 内部裂纹。
采用断裂法制作内部裂纹。先将刨好的试块局部焊接起来，焊接长度稍大于欲得到的裂纹长度。冷却后 ，用外力(如锤击或材料实验机加压力等)使之断裂或断开。再摆平对好，用较低焊接电流将断处封焊好，其余都按正常工艺焊接即成。
3.2.6 表面裂纹。
在焊接普通钢板时，最初几层用碳钢焊条焊接 ，但焊到倒数第二层时改为先用奥氏体不锈钢焊条间断地焊几小段(一般是1～3段 ，每段长30mm左右) ，再用碳钢补全该层(也可是整个倒数第二层都用不锈钢焊条) 。最后一层即表面层全部都用碳钢均匀盖好，立即喷冷水。这样在凡有不锈钢的部位都会有表面裂纹产生。
3.2.7 气孔。
要使焊缝产生气孔只需要焊条潮湿、 有锈、 油污即可。
3.2.8 夹渣。
电流太小，熔池温度不够都易产生夹渣，在焊缝的层与层之间放入一小段瓷片或在焊完一层之后不敲渣即可产生夹渣。
3.3 研制特种换能器。
在声学领域，换能器主要是指电声换能器 ，它能实现电能和声能之间的相互转换。超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转化，因此把探头叫做换能器。
3.3.1 探头类型。
在焊缝超声探测时，总希望声速尽可能地垂直于缺陷反射面，以获得较大稳定地缺陷反射波. 薄板焊缝探伤时，由于板厚较薄，除满足声束角度方面的要求外.还希望减少变形波、 表面波的干扰 ，并对声速垂直方向上的分辨力有一定的要求，这样就使得探伤时对探头晶片的频率、 探头入射角度、 晶片尺寸等参数的选择存在一定的局限性。为了满足薄板焊缝超声波探伤的需要，我们研制了双晶双倾角聚焦横波斜探头。
3.3.2 探头频率的选择。
由于薄板焊缝探伤时声束基本上是工作在 1.6N 以内，焊接件晶粒较细，为了能达到相应的灵敏度要求，应选择较高频率的探头，同时也可以减少表面波的干扰，选择探头频率5MHz。
3.3.3 探头晶片尺寸。
选择小晶片有利于提高声束的纵向方向分辨力。大K值探头可使假象源的尺寸在垂直方向进一步缩小。否则 ，将产生严重的表面波和变形波的干扰，使缺陷波难以分辨。晶片尺寸对声束指向性、 近场区长度、 近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响，综合考虑 ，选择探头晶片尺寸为3×5×2mm (双)和6×6 mm (单)。
4. 缺陷的评定与质量分级
根据大量的试验数据和数理统计工作，制定专用的薄板焊缝超声波探伤 DAC曲线和质量分级法。
4.1 DAC曲线的绘制。
采用在BH -Ⅰ 对比试块上实测的 ф 2mm横通孔反射波幅以及表面补偿数据 ，按表1 的规定绘制DAC曲线。
4.2 薄板焊缝的质量分级。
根据大量现场检测检测工作，对于板厚 ≤8mm的薄钢板焊缝采取下列评定标准:
4.2.1 对于焊缝中有任何裂纹、未熔合和未焊透等危害性缺陷，均判为不合格。
4. 2.2 缺陷反射波高位于DAC 曲线 Ⅲ区时，为不合格；位于DAC曲线Ⅱ区时，应测长。
4.2.3 薄板焊缝质量分类与分级应符合表2 的规定。
参考文献
［1］ 福建省建设厅.DBJ/T13-104-2009 建筑用薄钢板焊缝超声检测及质量分级法［S］.福州. 2009.
［2］ 福建省建筑科学研究院 陈华 钢结构薄板焊缝超声波探伤的研究.福州.2010.
［文章编号］1006-7619（2011）10-27-992