大型船舶局部融合角焊縫無(wú)損檢測(cè)方法研究

陸文兵

摘 要：局部熔合角焊縫的質(zhì)量檢測(cè)是大型船舶無(wú)損檢測(cè)工作面臨的全新課題。本文結(jié)合作者實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)介紹了常規(guī)超聲波檢測(cè)、射線或磁粉與超聲波結(jié)合檢測(cè)、超聲向控陣技術(shù)以及激光全息照相等新型無(wú)損檢測(cè)方法在局部熔合角焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)中的運(yùn)用，同時(shí)對(duì)各種檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：大型船舶 局部熔合角焊縫 無(wú)損檢測(cè)

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，船舶大型化的趨勢(shì)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(yīng)力承受區(qū)域的鋼板厚度已經(jīng)達(dá)到30mm以上，大型集裝箱船的抗扭箱、艙口圍板甚至達(dá)到了80mm。由于這些位置對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)安全非常重要，因此普遍采用EH級(jí)高強(qiáng)度鋼材，這類高等級(jí)鋼材焊接工藝復(fù)雜、焊接工作量大，一旦操作不當(dāng)非常容易發(fā)生質(zhì)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(guó)船舶工業(yè)對(duì)于這類重要位置角接焊縫質(zhì)量檢測(cè)主要依靠外觀目視檢查進(jìn)行，對(duì)其內(nèi)部檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)尚處于真空狀態(tài)。

目前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的局限性

當(dāng)鋼板達(dá)到一定厚度時(shí)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(shí)這種焊接結(jié)構(gòu)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(nèi)船舶工業(yè)對(duì)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(diǎn)決定了其存在內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)困難的問題。射線檢測(cè)與超聲波檢測(cè)是目前造船行業(yè)中使用最為普遍的焊接接頭內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)方法。然而，X射線理論上最大穿透厚度只有60mm，實(shí)際普遍在40mm左右；γ射線的穿透力雖然強(qiáng)一些（根據(jù)γ源的不同可達(dá)120-200mm），然而由于角接接頭存在復(fù)雜的幾何形狀，理論上γ射線也只能檢測(cè)板厚不超過60mm的角接接頭，且無(wú)法準(zhǔn)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(cè)雖然可以掃查到焊道內(nèi)部情況，然而由于存在留根問題，當(dāng)波束掃查到焊道根部時(shí)，無(wú)損檢測(cè)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(cè)對(duì)于焊道根部這一最容易產(chǎn)生致命缺陷的位置也無(wú)能為力。同時(shí)超聲波波束在厚板結(jié)構(gòu)中的能量損失較大，檢測(cè)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(cè)這類焊縫內(nèi)部缺陷存在一定的困難。因此，根據(jù)我國(guó)船舶行業(yè)現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及工藝，對(duì)于局部深熔角焊縫的質(zhì)量檢查只能采用外觀目視檢查以及磁粉檢測(cè)的方法進(jìn)行表面質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)其內(nèi)部檢查尚無(wú)有效方法。

常規(guī)超聲波檢測(cè)對(duì)局部熔合角焊縫的檢查方法

合適的檢測(cè)方法和檢測(cè)工藝是超聲波檢測(cè)局部熔合角焊縫內(nèi)部缺陷的關(guān)鍵。常規(guī)的全熔透角焊縫超聲波檢測(cè)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(duì)焊道內(nèi)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(duì)于焊道內(nèi)的橫向缺陷、特別是微小的橫向裂紋收效甚微。同時(shí)這類檢測(cè)方法對(duì)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(cè)時(shí)探頭的位置

對(duì)于部分熔合角焊縫的無(wú)損檢測(cè)可以參照國(guó)標(biāo)（GB11345-89）對(duì)接焊縫C級(jí)檢測(cè)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(nèi)、外兩側(cè)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(gè)截面。為確保能夠有效地檢測(cè)出危害性缺陷，掃查時(shí)超聲波入射角與危害性缺陷應(yīng)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(shí)，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(cè)效果最好；表面補(bǔ)償量可根據(jù)焊縫實(shí)際打磨情況而定，通常應(yīng)取4dB或更大；為增強(qiáng)聲能耦合，探頭晶片尺寸不宜過大，實(shí)際應(yīng)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(fù)涂刷，以最大可能地減少聲能量的衰減。對(duì)于掃描參數(shù)可參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1712、EN1714標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)檢測(cè)條件、參數(shù)做出選擇。

實(shí)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(xiàn)角焊縫內(nèi)部危害性缺陷。其主要優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備操作非常簡(jiǎn)單，采用常規(guī)的超聲波檢測(cè)儀器及探頭即可完成檢測(cè)。對(duì)于接頭內(nèi)部檢測(cè)結(jié)果的評(píng)判也類似于常規(guī)的超聲波檢查，具有一定經(jīng)驗(yàn)的無(wú)損檢測(cè)人員很容易掌握。然而該方法對(duì)焊道打磨要求較高，焊縫表面不能成明顯凸?fàn)睿駝t入射波聲能損耗過大將導(dǎo)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(shí)踐中焊道很難打磨到理想的光順狀態(tài)，因此需要檢測(cè)人員根據(jù)焊道的實(shí)際情況及檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)選擇合適的探頭及掃描參數(shù)，如果參數(shù)選擇不合適就可能造成漏檢。雖然在實(shí)踐中可以采用多個(gè)掃描參數(shù)多次檢測(cè)的方法解決這一問題，然而焊道打磨及多次檢測(cè)對(duì)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(jié)合的檢查方法

由于結(jié)構(gòu)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(xiàn)在焊接的初始階段，即根部打底焊階段。因此在實(shí)踐中可以采取兩次或者多次無(wú)損檢測(cè)的方法對(duì)焊道的質(zhì)量狀況進(jìn)行檢測(cè)，即在打底焊結(jié)束后采用射線或工業(yè)可視化射線檢測(cè)的方法對(duì)打底焊質(zhì)量進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)問題之后繼續(xù)燒焊，待焊接結(jié)束后采用超聲波對(duì)未檢測(cè)的蓋面焊部分進(jìn)行檢查。對(duì)于照射厚度超出射線檢測(cè)范圍的位置，也可以采用磁粉檢測(cè)代替射線檢測(cè)。為確保焊接質(zhì)量，打底焊通常采用小電流低速的燒焊方式，熔深不會(huì)太大，其內(nèi)部缺陷用磁粉檢測(cè)的方法足以檢出。

常規(guī)的射線或磁粉與超聲波相結(jié)合的檢測(cè)方法能夠充分地發(fā)揮各種無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，有效地避免部分熔合角焊縫內(nèi)部的漏檢。具體的檢測(cè)操作及缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)無(wú)損檢測(cè)沒有太大區(qū)別。采用這種方法的檢測(cè)工藝參數(shù)及焊道的打磨要求相對(duì)之前的檢測(cè)方法而言簡(jiǎn)化了很多，實(shí)際操作起來(lái)更加便利。然而該方法需要在焊接的過程中進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，現(xiàn)行無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中射線及磁粉檢測(cè)均需要對(duì)焊道表面進(jìn)行冷卻及清理，焊道在檢測(cè)過程中存在一個(gè)保溫逐漸冷卻后清潔焊道待檢測(cè)完成后重新燒焊前再加熱的過程，這必然對(duì)生產(chǎn)效率造成一定的影響。

新型無(wú)損檢測(cè)工藝在部分熔合角焊縫無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

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

1、超聲波相控陣技術(shù)

超聲相控陣技術(shù)是對(duì)陣列探頭的不同單元在發(fā)射或接收聲波時(shí)施加不同的時(shí)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(shí)現(xiàn)聲束的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能的超聲成像檢測(cè)技術(shù)，是近年來(lái)超聲檢測(cè)中的一個(gè)新的技術(shù)熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)相比，超聲相控陣技術(shù)最明顯的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷位置的成像，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的顯示非常直觀。當(dāng)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和常規(guī)超聲波探測(cè)盲區(qū)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波相控陣技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

從某種意義上來(lái)說，超聲波相控陣技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將焊縫內(nèi)部的實(shí)際情況以圖像的形式在顯示器上展現(xiàn)出來(lái)。因此當(dāng)對(duì)部分熔合角焊縫內(nèi)部進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，該技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法而言具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。然而目前超聲波相控陣檢測(cè)設(shè)備主要以進(jìn)口為主，總體成本，特別是探頭等消耗件的價(jià)格非常昂貴，這在很大程度上制約了該技術(shù)的推廣。另外，超聲波相控陣檢測(cè)儀器設(shè)置復(fù)雜，校準(zhǔn)繁瑣，檢測(cè)工藝需要計(jì)算機(jī)軟件輔助，與傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)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(jīng)過一定時(shí)間的專業(yè)訓(xùn)練方能掌握，對(duì)操作人員的總體要求較高。更為重要的是目前國(guó)際上并沒有公認(rèn)的關(guān)于超聲波相控陣檢測(cè)人員資質(zhì)以及檢測(cè)結(jié)果評(píng)定方面的標(biāo)準(zhǔn)，船東及船級(jí)社是否愿意接受這種檢測(cè)方法也是該技術(shù)在采用是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2、激光全息照相檢測(cè)技術(shù)

激光全息照相檢測(cè)技術(shù)的基本原理是通過對(duì)被測(cè)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(diǎn)，通過加載前后所形成的全息圖像的疊加來(lái)反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷。當(dāng)全息照片上的干涉條紋顯示有規(guī)律、連續(xù)的特點(diǎn)時(shí)，說明結(jié)構(gòu)內(nèi)不存在缺陷；而當(dāng)全息照片上的突變及不連續(xù)位置即可能存在缺陷。實(shí)踐中常見的加載方式主要有機(jī)械加載、振動(dòng)加載、壓力加載及熱加載幾種方式。激光全息照相技術(shù)對(duì)被檢測(cè)物體的形狀及表面狀態(tài)沒有特殊要求，整個(gè)檢測(cè)過程中與檢測(cè)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生接觸，可以通過干涉條紋的形狀進(jìn)行定量檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度高，檢測(cè)結(jié)果也相對(duì)直觀。

激光全息照相檢測(cè)技術(shù)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(jié)構(gòu)剛性普遍較大，常規(guī)的機(jī)械加載、振動(dòng)加載、壓力加載等方式都難以使結(jié)構(gòu)發(fā)生足夠的塑性變形，進(jìn)而影響檢測(cè)的靈敏度。從理論上來(lái)說熱加載可以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生足夠的變形，然而加熱過程需要消耗大量的能源及時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度的影響是非常顯著的。在實(shí)踐中也可以通過改變分段的放置位置從而改變其內(nèi)部受力狀況實(shí)現(xiàn)加載，但這種加載方式需要大型起重機(jī)全程配合，對(duì)生產(chǎn)效率也會(huì)造成一定的影響。

結(jié)束語(yǔ)

部分熔合角焊縫的無(wú)損檢測(cè)是世界船舶工業(yè)發(fā)展過程中必須面對(duì)的問題，盡管以上給出了幾種對(duì)于這類焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)的方法，然而這些方法只是筆者實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，缺乏國(guó)際公認(rèn)的檢測(cè)工藝以及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的問題。根據(jù)當(dāng)前世界科技發(fā)展趨勢(shì)，加快新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)于我國(guó)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）