一種復(fù)合焊接接頭超聲波檢測對比試塊

韓博，潘云龍，郭建斌

（中鐵九橋工程有限公司，江西 九江 332000；江蘇法爾勝材料分析測試有限公司，江蘇 無錫 214400）

不銹鋼復(fù)合鋼板是一種新型橋梁鋼結(jié)構(gòu)用鋼板，通常是在基體碳鋼板上復(fù)合一層較薄的不銹鋼板，它既保持了碳鋼板原有的較高的強度、塑性、韌性以及較好的焊接性、抗疲勞性能，又兼?zhèn)淞瞬讳P鋼板良好的耐蝕性。解決了鐵路橋面鋼板的長效防腐問題，提高了橋梁的使用壽命，減少了橋梁的維護成本。因此近年來不銹鋼復(fù)合鋼板開始逐漸應(yīng)用于鐵路橋面鋼板的制造中[1]。

超聲波在復(fù)合鋼板內(nèi)傳播時，由于不銹鋼晶粒粗大和彈性各向異性，導(dǎo)致超聲波傳播規(guī)律復(fù)雜，致使聲束彎曲畸變，造成缺陷定位不準(zhǔn)，影響缺陷的檢測和評定。本文將介紹一種復(fù)合焊接接頭超聲波檢測對比試塊，幫助校準(zhǔn)超聲波儀器，使超聲波能夠準(zhǔn)確檢測焊縫質(zhì)量。

1 復(fù)合鋼板材質(zhì)

目前國內(nèi)橋梁行業(yè)采用的復(fù)合鋼板均由基體層和復(fù)合層構(gòu)成，基材主要作用是承受載荷，其材質(zhì)為橋梁用鋼，符合GB/T714橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的要求[2]。復(fù)材主要作用是耐腐蝕、耐磨、抗磁。復(fù)材選用的不銹鋼板，對不計入強度計算的奧氏體型不銹鋼復(fù)材，符合GB/T24511以外的國家標(biāo)準(zhǔn)中的鋼材，該復(fù)材鋼號的技術(shù)要求（如磷、硫含量，強度指標(biāo)等）允許低于GB/T24511相應(yīng)鋼號的規(guī)定。

2 復(fù)合接頭焊接工藝

不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接分為：基層的焊接、過渡層的焊接和復(fù)層的焊接，而且各層焊接采用的焊材也不相同。因此，不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接工藝較為復(fù)雜。焊接時，先用藥芯焊絲氣體保護焊打底，基層的填充可以選擇埋弧自動焊，提高工效和焊接質(zhì)量，基層焊接完成后，再焊過渡層，最后焊復(fù)層（見圖1）。表1即為一種該類型焊縫焊接的工藝參數(shù)。

試塊焊接工藝 表1

圖1 復(fù)合焊接接頭斷面宏觀腐蝕圖

3 不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接缺陷特點及超聲波檢測難點

3.1 缺陷分析

不銹鋼復(fù)合鋼板在焊接過程中，過渡層附近很容易產(chǎn)生未熔合和夾渣等缺陷[3]。當(dāng)焊接過渡層位置時，焊條角度不當(dāng)，穩(wěn)弧的時間又過短，鎳基填充金屬在液態(tài)狀態(tài)下粘度變大，引起坡口金屬的熔合狀態(tài)不好，那么填充的金屬無法與母材熔合，形成了坡口邊緣未熔合。同樣由于上述原因焊接造成的熔渣不易浮出，這些熔渣待過渡層金屬凝固后成為夾渣。

3.2 超聲波檢測難點

在不銹鋼復(fù)合層面探傷（見圖2）聲束穿透不銹鋼復(fù)合層鋼板，聲束將發(fā)生頻散、衰減、波束偏移等現(xiàn)象，導(dǎo)致缺陷定位不準(zhǔn)，容易誤判和漏檢。

在碳鋼基層面探傷（見圖3），聲束穿透碳鋼基層再穿透鎳基過渡層到達不銹鋼復(fù)合層，在碳鋼基層面探傷效果大大好于在不銹鋼復(fù)合層面探傷。

圖2 在碳鋼基層面探傷示意圖

圖3 在不銹鋼復(fù)合層面探傷示意圖

但是在建造現(xiàn)場，由于工位限制，無損檢測人員往往很難懸空攀爬至結(jié)構(gòu)背面進行仰臉探傷。所以從碳鋼基層面探傷是不可行的。

因此探測面的選擇只能從不銹鋼復(fù)合層面進行。如果從不銹鋼復(fù)合層面探傷，首先就要解決超聲波穿過異質(zhì)界面時主聲束彎曲偏移對缺陷的定位不準(zhǔn)確，另外就是確定檢測靈敏度。于是設(shè)計了一種復(fù)合板焊接接頭超聲波檢測對比試塊，在對比試塊上制作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人工反射體，利用對比試塊上的人工反射體，校準(zhǔn)超聲波儀器使超聲波能夠準(zhǔn)確定位，其次就是確定無損檢測時聲束是否能夠覆蓋檢測區(qū)域，另外就是確定檢測靈敏度，保證焊縫檢測質(zhì)量。

4 對比試塊的設(shè)計

4.1 設(shè)計思路

如果設(shè)計一種對比試塊在不銹鋼復(fù)合層面進行檢測，不僅可以減輕勞動強度（背面基層檢測需要搭腳手架，大量的打磨工作和大量的不穩(wěn)定的仰臉檢測），還可以提高功效，最重要的是設(shè)計可以在不銹鋼復(fù)合面進行檢測的對比試塊，可以校正定位精度，保證檢測質(zhì)量。

4.2 對比試塊

為了保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和可比性，根據(jù)不銹鋼復(fù)合板焊接接頭的實際形狀設(shè)計制作對比試塊。對比試塊可用于檢測方法的研究，評價和驗證儀器探頭系統(tǒng)的檢測能力和確定可靠的檢測工藝。對比試塊的制作要求與產(chǎn)品材質(zhì)相同、焊接工藝相同和接頭結(jié)構(gòu)相同。

由于對比試塊是模擬實際產(chǎn)品接頭設(shè)計制作的，因此通過對對比試塊的檢測研究分析，則可以確定有效的檢測工藝參數(shù)。

4.3 人工反射體孔徑

①依據(jù)GBT 29712－2013《焊縫無損檢測超聲檢測驗收等級》，《鐵路鋼橋制造規(guī)范》Q/CR 9211-2015及JTG T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》等國內(nèi)主要鋼橋焊縫驗收質(zhì)量規(guī)范對缺陷驗收的定義，對接焊縫均采用Φ3 mm橫通孔。故該對比試塊人工反射體采用Φ3mm橫通孔。

②人工反射體位置的設(shè)置

針對復(fù)合板焊接接頭缺陷易出現(xiàn)位置及焊頭結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計4個橫通孔，如圖4至圖5所示，孔1設(shè)在復(fù)合層與過渡層交界處，距離焊縫表面3 mm，復(fù)合層與過渡層是焊縫易出現(xiàn)缺陷的位置，孔3設(shè)計在過渡層與碳鋼層交界處，距離焊縫表面6～7 mm過渡層與碳鋼層交界處也是復(fù)合板焊縫易出現(xiàn)缺陷位置?？?及孔4分別設(shè)置在焊縫中心及焊縫根部，可以代表碳鋼焊縫的缺陷位置。

圖4 試塊左剖面圖

圖5 試塊右剖面圖

5 對比試塊使用

①使用超聲波儀器在標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-ⅠA中調(diào)試零偏、前沿及K值、聲速等參數(shù)。

②再使用對比試塊重新調(diào)整探頭K值及前沿距離，直到超聲波儀器顯示對比試塊橫通孔的水平和深度的位置，其精度偏差不超過0.5 mm[4]。

③超聲波DAC曲線的制作：進入超聲波儀器DAC曲線制作模式，利用對比試塊制作DAC曲線。

④按照Q/CR9211鐵路鋼橋制造規(guī)范或JTG/T F50公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)驗收規(guī)范要求，設(shè)置距離-波幅靈敏度。

6 結(jié)束語

經(jīng)過大量的現(xiàn)場實際檢測證明，不銹鋼復(fù)合板的對比試塊對焊縫缺陷檢是有效的，相對于常規(guī)方法，對缺陷的定位更加準(zhǔn)確，檢出率更高，對比試塊對此類復(fù)合焊縫的檢測具有更加良好的效果。

焊縫質(zhì)量是橋梁鋼結(jié)構(gòu)的生命，近年來我國在橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研發(fā)上突飛猛進，各類新型鋼材，焊材層出不窮。對于我們無損檢測者來說，應(yīng)該積極的適應(yīng)跟上行業(yè)的進步和發(fā)展，對于新材料新工藝的出現(xiàn)，需要認(rèn)真對待和研究，努力把好焊縫質(zhì)量關(guān)，確保橋梁的安全運行。