薄壁小管徑焊接球節(jié)點(diǎn)焊縫常見缺陷與超聲波檢測方法

馬偉誠，朱振華

（鎮(zhèn)江市建科工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有剛度大、穩(wěn)定性能好、跨度大、結(jié)構(gòu)受力合理等諸多優(yōu)越性，越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)及公共建筑。大型網(wǎng)架多采用焊接球節(jié)點(diǎn)和螺栓球節(jié)點(diǎn)或兩者組合的方式進(jìn)行連接。焊接球網(wǎng)架的構(gòu)件種類少，節(jié)點(diǎn)簡單，單位面積用鋼量相對(duì)少，受力明確，不產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)偏心，因而桿件受力特別大的網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)大多采用焊接球。缺點(diǎn)是現(xiàn)場施工焊接工作量大，仰焊、立焊較多，焊縫質(zhì)量也不容易得到保證。因此，控制焊縫的質(zhì)量對(duì)整個(gè)網(wǎng)架的安全性至關(guān)重要。

2 焊接球節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)

2.1 受力特點(diǎn)

焊接球節(jié)點(diǎn)主要是焊接球與無縫鋼管或水平焊接或按一定角度焊接，管壁與管相貫，焊縫位于球與管的相貫線上，與空心球?qū)邮┖敢话悴捎眉右r管、留間隙、留鈍邊的形式，管端開35～45 °的坡口，并有一定的焊高，見圖1。

圖1

其焊縫受各種應(yīng)力作用：大致上是上弦桿與球節(jié)點(diǎn)焊縫受壓力作用；下弦桿與球節(jié)點(diǎn)焊縫受拉力作用；還有因空間位置特殊受到拉力、壓力共同作用的節(jié)點(diǎn)焊縫。

2.2 容易出現(xiàn)的缺陷及產(chǎn)生原因

焊接球節(jié)點(diǎn)焊縫常見的缺陷有裂紋、根部未焊透等。裂紋的產(chǎn)生多為應(yīng)力集中引起，一方面在網(wǎng)架安裝時(shí)強(qiáng)行校正，造成焊縫根部撕裂所致；另一方面是在焊接中，焊縫點(diǎn)焊后沒及時(shí)焊接，從而出現(xiàn)應(yīng)力裂紋。未焊透一般發(fā)生在焊縫根部，產(chǎn)生的原因主要是桿件尺寸偏差、坡口角度偏小、鈍邊過大或焊接電流偏小。上述缺陷將使焊縫的受力面積減少從而降低焊縫的機(jī)械性能，并導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生安全隱患。因此有必要對(duì)球管節(jié)點(diǎn)焊縫質(zhì)量進(jìn)行有效地控制，避免災(zāi)難性后果的發(fā)生。

3 超聲波探傷系統(tǒng)的建立

3.1 探頭的選擇

薄壁小管徑（厚度4～8 mm、管徑60～159 mm）桿件，曲率大，易造成聲束擴(kuò)散，使靈敏度降低；管壁薄、聲程短，有近場干擾、發(fā)散嚴(yán)重，且雜波多；探頭折射角大，極易產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換；折射角小，一次波無法探測到焊縫根部缺陷。針對(duì)上述特點(diǎn)，對(duì)探頭的綜合要求是晶片尺寸小、前沿短、頻率高。

3.1.1 探頭頻率選擇

選用頻率5 MHz，能量高且集中，聲束指向性好，靈敏度和分辨率高，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力高。

3.1.2 晶片尺寸的選擇

由于鋼管的曲率較大，為增加與探測面的接觸面積，減少耦合損失，宜選用小晶片、前沿短的探頭。晶片尺寸小，近場短、近距離聲束窄、能量集中，有利于缺陷定位。可選用知名廠家生產(chǎn)的晶片尺寸6 mm×6 mm、前沿距離≤5 mm單晶斜探頭。

3.1.3 探頭折射角

探頭折射角選擇對(duì)于缺陷的檢出至關(guān)重要，根據(jù)實(shí)際鋼管的厚度以及焊縫寬度，按（1）式計(jì)算出最小 K值，使所選的探頭發(fā)射的一次波能夠掃查到根部1/4的位置，防止漏檢。

K＝（A＋B＋L0）/（3T/4） （1）

式中，A：球面與管內(nèi)壁接觸點(diǎn)到外焊縫邊緣的水平距離，mm；

B：內(nèi)焊縫寬，mm；

L0：探頭的前沿距離，mm；

T：鋼管桿件管厚度，mm。

3.2 距離－波幅（DAC）曲線的繪制

選用標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK－I Cj上直徑3 mm的橫孔繪制距離－波幅曲線，測定系統(tǒng)的性能。選用 RBJ－1比對(duì)試塊評(píng)定焊縫根部未焊透程度。由于不同探測位置的截面曲率半徑不同，所以探頭斜楔要磨成與管表面相吻合的曲面，然后依據(jù)JG/T 203－2007《鋼結(jié)構(gòu)超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)法》標(biāo)準(zhǔn)中的方法測定其前沿長度、K值、繪制DAC曲線。

3.3 探傷靈敏度及掃查范圍的確定

3.3.1 探傷靈敏度

較高的探傷靈敏度對(duì)于缺陷的檢出有利，在確定了耦合補(bǔ)償和表面補(bǔ)償?shù)那闆r下，宜選擇評(píng)定線作為探傷靈敏度。

3.3.2 掃查范圍

受檢區(qū)為焊縫本身加上管材一側(cè)相當(dāng)于管壁厚30%的一段區(qū)域，并且不超過10 mm，掃查范圍應(yīng)確保探頭的二次波完全掃查到焊縫上部范圍，防止漏檢。一般可按（2）式計(jì)算探頭探傷的最小跨距P，用一次波直射法掃查時(shí)，掃查范圍應(yīng)大于0.75 P；用一次反射法掃查時(shí)，掃查范圍應(yīng)大于1.25 P。

P＝2δtanβ （2）

式中，P：斜探頭探傷最小跨距（范圍），mm；

δ：鋼管壁厚，mm；

β：探頭的折射角，度。

4 典型缺陷反射波形的甄別

4.1 裂紋

通常裂紋表面曲折、不光滑，故反射波幅寬，會(huì)出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，一般來說其回波高度較大。探頭平移時(shí)，反射波連續(xù)出現(xiàn)，波幅有變動(dòng)，波峰隨裂紋的走向發(fā)生變化；探頭定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，波峰有上下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)際探傷時(shí)，有的缺陷反射波不高，但波形特征與裂紋相同的也應(yīng)判為裂紋。

4.2 根部未焊透

一般位于焊縫中心線上，接近壁厚一次聲程處，反射波幅較高，周向具有一定長度，當(dāng)探頭垂直于缺陷作定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，回波消失較快；當(dāng)探頭平移時(shí)，波形比較穩(wěn)定。從反射波的包絡(luò)線看，脈沖前后沿有雜波，主峰出現(xiàn)雙峰，由根部和肩臺(tái)反射造成。

4.3 偽缺陷波的判別

4.3.1 焊縫余高的干擾

實(shí)際焊縫探傷中熒光屏出現(xiàn)非缺陷信號(hào)，往往是由于焊縫窄、焊縫余高所造成的，當(dāng)一次波主聲束后面的擴(kuò)散聲束經(jīng)底面反射到焊縫余高時(shí)，將產(chǎn)生反射波，正好處在一次波和二次波標(biāo)記點(diǎn)之間，如不正確判斷往往造成誤判。解決這個(gè)問題需要特別精確地確定聲程距離，并根據(jù)水平位置來確定深度或用手粘上耦合劑，輕輕拍打焊縫兩側(cè)看反射波信號(hào)是否出現(xiàn)跳動(dòng)等進(jìn)行綜合判斷。

4.3.2 根部成形情況的干擾

當(dāng)根部成形較好時(shí)，一般無反射波或反射波較弱；當(dāng)根部成形不良（如焊接透度大、成形不規(guī)則、咬邊或錯(cuò)邊）時(shí)，均有反射信號(hào)。其波形特點(diǎn)與根部缺陷相似，很容易混淆產(chǎn)生誤判。區(qū)別的方法主要是結(jié)合聲程、水平距離和深度準(zhǔn)確定位加以甄別。

5 檢測結(jié)果評(píng)定

在排除了不允許出現(xiàn)的裂紋及其他線性危害性缺陷后，檢測結(jié)果按照J(rèn)G/T 203－2007《鋼結(jié)構(gòu)超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)法》定級(jí)。

6 討論和建議

（1）由于焊接球節(jié)點(diǎn)管壁較薄，儀器宜選擇聲程定標(biāo)，其范圍根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)，不宜太大。

（2）實(shí)際檢測時(shí)，由于管件壁厚多為負(fù)公差，容易導(dǎo)致誤判，必要時(shí)用測厚儀確定厚度，以提高探傷的精確度，減少誤判。

（3）標(biāo)準(zhǔn)試塊人孔缺陷為φ3長橫孔，參照判定標(biāo)準(zhǔn)，指示長度3 mm，相對(duì)管壁（4～8 mm）是否偏大，建議參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以φ1橫通孔為反射體繪制DAC曲線。