T型焊缝未焊透高度的超声检测方法及特点的探讨

T型角焊缝在金属结构件中应用非常广泛。在有关的金属结构施工标准规范中，对其焊缝内部质量都要进行无损检测，其中包括未焊透高度（由其得出焊接的有效厚度）的检测。用射线照相法测定T型角焊缝未焊透高度几乎是不可能的，需要用超声检测方法解决。根据未焊透的特点和斜探头的声场结构，从提高检测精度入手，探讨了未焊透轮廓线定位法和未焊透两侧轮廓线同时回波声程计算法。

1 T型角焊缝未焊透的特点

金属结构件中，T型角焊缝的形式见图1，其未焊透两侧轮廓线的大致形状见图2（图中阴影部分为已焊透部分，中间为未焊透部分）。其中图2a、b为埋弧自动焊的未焊透形状，轮廓线比较规则；图2c、d为手工电弧焊的未焊透形状，轮廓线不规则。这里没有考虑因焊接工艺条件等因素的变化而造成的未焊透轮廓线弯曲等情况，此后的分析也均认为未焊透两侧轮廓线局部是相互平行的。

1——腹板；2——翼板；3——未焊透；4——焊缝。

2 轮廓线回波定位法

2.1 未焊透的轮廓线测定

根据上述未焊透的特点，用斜探头直射法在翼板A面上检测时，对于一定的折射角β，由公式W =T /cos β（其中W为声程，T为所测钢板厚度，β为斜探头折射角）可知，未焊透回波声程是固定的。这样，测量时利用声程定位法确定未焊透的轮廓线与波幅法比较，可以避免由耦合造成的测量误差。当工件和试块的声速相同或接近时，也不会因折射角测不准而影响未焊透高度的测量精度，从而能提高测量精度。

这种方法的可能方式示意图如图3所示（翼板厚度为T）。由斜角探伤法知识可知，未焊透的轮廓线位于翼板A面上、距探头入射点T Tg β 距离处的下方，未焊透高度的计算也非常简单，图3示出的3种计算公式分别为：

图3a：d =L（或d =L′）；

图3b：d = L-2T Tgβ（或d =L′+2L0-2T Tgβ）；

图3c：d = 2T Tgβ-L（或d = 2T Tgβ-L′-2 L0）。

其中 d为未焊透高度；L0为斜探头的前沿长度（实际值）；β为斜探头折射角（测量值）；L为两探头入射点之间的距离；L′为两探头前沿之间的距离。

2.2 测量误差分析和测量方式选择原则

由图3可知，用该种方法测量未焊透高度时，引起误差的因素主要有：斜探头前沿长度测量误差（即入射点测量误差）、工件上探头前沿（入射点）的两次测量误差、试件和工件声速误差，另外还有仪器调节误差和示波屏读数视差等。可得出如下结论：当工件声速高于试块声速时，同一深度下工件中声速等效于相应试块声程的折射声束所对应的折射角β′。β′大于试块上测定的折射角，否则反之。

2.3 试验条件及结果

本试验条件：1）CST-22型超声波探伤仪；2）CSK-I A试块；3）斜探头为2.5P13*13K2（晶片尺寸为13 mm×13 mm K2，频率为2.5 MHz，在CSK-I A上测试β为44.8°， L0′为13.6 mm，W0为6.5 mm）；4）试件形状如图4所示；5）探伤仪时基线扫描调节为声程2:1；6）测量工具为钢板尺（分度值为1 mm）和游标卡尺（分度值为0.02 mm）。

图4  试件形状

测量时，每次都应把未焊透轮廓线回波调在W1声程处，调整增益旋钮使波幅达到基准波高（一般为40%～80%满刻度），本试验取60%满刻度，而不管未焊透回波此时是否为最高波幅。固定探头不动，然后用尺子量出探头前沿（或入射点）的位置。距探头前沿（T Tg β- L0′）处（或距入射点 T Tg β处）就是未焊透轮廓线在翼板A面上的投影位置。再分别根据图3示出的公式即可得到未焊透高度d。

这里还应指出，为了保证和提高测量精度及检测较小未焊透高度的能力，应选用较高频率的斜探头，其声束不能有双峰或偏斜。发射脉冲能量使用过高或过低，会导致分辨率下降或信噪比下降；再者，抑制量的使用要特别慎重。试验表明，使用抑制量超过20%（抑制旋钮满量程）会导致未焊透轮廓线回波前沿高频节点（图7中回波波形上升沿或下降沿的突变处）损失而造成测量误差。

在上述试验条件下，用图3所示的3种方式分别在选定的试件测量点上重复测量10次，其测量结果为：1）图3a方式测量误差为0.6 mm；2）图3b方式和图3c方式测量误差为1.5 mm，二者的误差值基本上大小相等、正负相反；3）各个方式可测量的未焊透高度最小值约为2 mm。当未焊透高度较小时，图3c方式测量较困难。这一结果与理论分析相符合。

3 回波声程计算法

本方法即把斜探头放在翼板A面上，用直射法测出未焊透两线端同时回波的声程，然后运用相应公式计算出未焊透高度。该方法除了具有图3a测量方式的优点之外，还有能消除探头位置测量误差的优点，从而使测量精度能进一步提高。

3.1 直射法检测未焊透高度

此方法的可能方式有2种。一是利用上半部声束和主声束，如图5所示；二是利用下半部声束和主声束，如图6所示。在图中，O点为斜探头晶片中心的等效位置（即虚拟声源的中心点）。

 图5  利用上半部声束和主声束检测         图6  利用下半部声束和主声束检测

由几何及三角函数知识，可分别得出图5、图6两种检测方式计算未焊透高度的公式:

d =[W22-（W1cos β）2]1/2 -W1cos β               （1）

d =W1sin β-[W2′2-（W1cos β）2]1/2              （2）

式中 W0——斜探头等效声源（晶片）的中心到入射点之间的距离；

     W1——主声束未焊透轮廓线回波总声程（测量时以β角对应声程为准），W1=T/cosβ+W0；

     W2（W2′）——上（下）边缘声束轮廓线回波总声程。

由上述公式可以看出，在翼板厚度和探头折射角一定的条件下，W1是不变的，W2（W2′）的大小则取决了未焊透的深度。

3.2 未焊透轮廓线回波特征

当未焊透高度较大时，两轮廓线回波波形是彼此分离的，而当未焊透高度小到一定值时，会使两轮廓线回波的前后沿重叠。

另外，试验还表明，由于干涉现象和杂乱回波等原因，有时会使图5方式的W2回波观察困难甚至观察不到。而图6方式的W2′回波一般都能观察到。再者，探头垂直于焊缝做前后移动时，有时会使轮廓线回波高度产生急骤的高低起伏现象。

3.3 试验条件

需要强调的是，用此方法测量，应选用水平线良好的探伤仪，扫描比例需按声程调节，探测范围的调节应遵循提高扫描速度展宽回波波形的原则，并使W1、W2（W2′）回波位于示波屏刻度的20%～80%之间，以减小误差。经采用折射角为38、45、60和70°等几种规格的探头试验对比，结果表明，2.5 MHz、45°折射角的斜探头测量误差较小，回波波形也较容易观察。本方法的其它试验条件和所用试件与轮廓线定位法完全相同。

3.4 测量方法

1）探伤仪扫描比例按声程2：1（或4：1）调节。

2）在翼板A面上确定了T型接头腹板厚度中心线后，把探头放在翼板A面上，垂直于焊缝方向前后移动探头，利用图7所示的波幅特征，测出未焊透轮廓线回波。移动探头和调节仪器增益，使主声束的反射波前沿位于W1处，回波幅度达到基准波高（如60%）。固定探头不动，只调节增益旋钮，把未焊透另一侧轮廓线的回波的幅度也达到基准波高。读出这一回波前沿对应的声程W2（图5）或W2′（图6）。

3）复杂情况下，由于未焊透高度d较小，或轮廓线形状不太规则、轮廓线附近有气孔、夹渣等缺陷，或声波干涉和波形在未焊透处发生变换等原因，会造成W1、W2（W2′）回波前沿观察困难。在这种情况下，可以采用下述的辨别方法进行判别：d较小时，使W1、W2（W2′）回波的前后沿重叠，其重叠的波谷就是W1回波前沿（图6）或W2回波前沿（图5），图7也示意了这种情况。

由W1、W2（W2′）回波波峰可见，信噪比很低（小于6dB），杂波很多，轮廓线回波前沿难以识别时，需要根据回波波形的高频节点分布情况来加以区分。波峰前沿的高频节点数与参考反射体（如翼板端角）回波同波高时的波峰前沿的高频节点数相同时所对应的波谷（即该高频节点与杂波的重叠交叉点）就是W1、W2（W2′）的前沿位置。

这里需要注意的是，斜探头主声束与焊缝的不垂直度不应超过5°，抑制的使用量也不应超过满量程的20%，以免造成轮廓线回波高频节点损失。

4 结束语

对于由普通的碳素结构钢和低合金结构钢制成的T型接头角焊缝而言，本测量方法不需要专门制作对比试块，不需要特种斜探头，且操作比较简单容易。该方法充分利用了超声检测所具有的许多优点，最大限度地减少了影响测量精度的误差因素，因而现场检测测量精度高。轮廓线回波声程定位法和两轮廓线同时回波声程计算法配合使用，对2 mm以上的未焊透高度都可测量，因而能满足T型接头角焊缝未焊透高度测量的技术要求。