隋亚军-超声波无损探伤检测技术

【关 键 词】 超声波 检测方法 检测过程 结果分析

一.超声波检测 1.超声波简介

声波频率超过人耳听觉，频率比20千赫兹高的声波叫超声波。

—中铁十三局厦深铁路（广东段）工程指挥部 隋亚军

【内容提要】榕江特大桥全长7373.921km［主跨为110m+2×220m+110m钢桁梁柔性拱，在亚洲同类桥梁单跨跨度居首位，是厦深铁路控制性工程，本文通过介绍厦深铁路-5标榕江特大桥主桥钢桁梁埋弧自动焊接的检测技术，并对焊接效果进行了总结，为钢桁梁的顺利施工提供依据。

用于探伤的超声波，频率为0.4-25兆赫兹，其中用得最多的是1-5兆赫兹。利用声音来检测物体的好坏，这种方法早已被人们所采用。

由于超声波探伤具有探测距离大，探伤装置体积小，重量轻，便于携带到现场探伤，检测速度快，而且探伤中只消耗耦合剂和磨损探头，总的检测费用较低等特点，目前建筑业市场主要采用此种方法进行检测。

1.2超声波探伤的原理

1.2.1超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透试件的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检验方法。

1.2.2利用现在广泛采用的是观测声脉冲在材料中反射情况的超声脉冲反射法，此外还有观测穿过材料后的入射声波振幅变化的穿透法和共振法。常用的频率在0.5～5MHz之间。

1.3超声波检测方法

超声波具有向一个方向直进的性质，因此从一个轧辊的表面向内部发射时，它就会直进到对面表面后反身而归，如果途中遇有缺陷，一部分超声波就会被反射而回，而返回的信号被阴极射线管接收，根据超声波走过的距离按比例在示波器上描出图形，从这个缺陷波与底面波的尺寸关系就可以确定缺陷的位置，根据其波形的大小，从缺陷波的形状可判断缺陷的形状和性质，但需要经验。

1.3.1脉冲反射法

超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检试件内,根据反射的情况来检测试件缺陷的一种方法 脉冲反射式超声波法同其他无损检验方法相比主要优点是：

穿透能力强，探测深度可达数米 灵敏度高，可发现与直径约十分之几毫米的空气隙反射能力相

当的反射体 ，在确定内部反射体的位向、大小、形状及性质等方面较为准确 仅须从一面接近被检验的物体 可立即提供缺陷检验结果 、操作安全、设备轻便。

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2010年优秀科技论文（技术总结） 超声波无损探伤检测技术 1.3.2穿透法

穿透法是根据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法.

1.3.3共振法

声波在工件内传播,当试件的厚度为超声波的半波长或半波长的整数倍时,由于入射波和反射波的位置相同,则引起共振,因而仪器可显示出共振频率点.

1.3.4按波形分类： 1.3.4.1纵波法

使用直探头发射纵波进行探伤的方法，称为纵波法。此法常将波束垂直入射至试件探测面，以不变的波形和方向透入试件，所以又称垂直法。垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤。

1.3.4.2 横波法

将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件探射面，利用波形转换得到横波进行探伤的方法，称为横波法。此方法主要适用于管材及焊缝的探伤。

1.3.4.3 表面波法

使用表面波进行探伤的方法，称为表面波法。这种方法主要用于表面光滑的试件。

1.3.4.4板波法

使用板波法进行探伤的方法，主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件探伤。

用纵波可探测金属铸锭、坯料、中厚板、大型锻件和形状比较简单的制件中所存在的夹杂物、裂

缝、缩管、白点、分层等缺陷；用横波可探测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺陷；用表面波可探测形状简单的制件上的表面缺陷；用板波可探测薄板中的缺陷。

1.3.5按探头数目分类： 1.3.5.1单探头法

使用一个探头兼作发射和接收超声波的探伤方法称为单探头法。单探头法操作 方便，大多数缺陷可以检出。

1.3.5.2双探头法

使用两个探头进行探伤的方法称为双探头法。一个发射，一个接收。主要是为发现单探头法难以检出的缺陷。

1.4 超声波的优缺点

超声波无损探伤检测厚度大、灵敏度高、直接，连续，轻便，成本低，穿透力强，对人体无害，能准确探明细小缺陷位置，效率高，速度可与剪切线能力相配合。然而，超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，要由有经验的人员谨慎操作 对粗糙、形状不规则、小、薄或非均质材料难以检查 对所发现缺陷作十分准确的定性、定量表征仍有困难。

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2010年优秀科技论文（技术总结） 超声波无损探伤检测技术

二.工程实例：榕江特大桥主梁梁板超声波无损探伤检测

由中铁十三局集团第三工程有限公司承建的厦深铁路（广东段）榕江特大桥，主跨为110m+2×220m+110m钢桁梁柔性拱。在拼装过程中，梁板采用埋弧自动焊接，焊接完毕后，首先要进行外观检验，合格后，并待焊缝冷却至室温24小时后。进行无损检测，梁板的焊接质量十分重要，无损检测是保证梁板焊接质量的重要方法。

无损检测的常规方法有直接用肉眼检查的宏观检验和用射线照相探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤等仪器检测。肉眼宏观检测可以不使用任何仪器和设备，但肉眼不能穿透工件来检查工件内部缺陷，而射线照相等方法则可以通过各种各样的仪器或设备来进行检测，既可以检查肉眼不能检查的工件内部缺陷，也可以大大提高检测的准确性和可靠性。至于用什么方法来进行无损检测，这需根据钢梁的工件情况和检测的目的来确定。

2.1查看图纸 埋弧自动焊

接到探伤任务后，首先要了解榕江特大桥钢梁对焊接质量的技术要求。目前钢结构的验收标准是依据GB50205-95《钢结构工程施工及验收规范》来执行的。标准规定：对于图纸要求焊缝焊接质量等级为一级时评定等级为Ⅱ级时规范规定要求做100%超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为二级时评定等级为Ⅲ级时规范规定要求做20%超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为三级时不做超声波内部缺陷检查。

2.2钢材

值得注意的是超声波探伤用于全熔透焊缝，其探伤比例按每条焊缝长度的百分数计算，并且不小于200mm。对于局部探伤的焊缝如果发现有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加探伤长度，增加长度不应小于该焊缝长度的10%且不应小于200mm，当仍有不允许的缺陷时，应对该焊缝进行100%的探伤检查，其次应该清楚探伤时机，碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度后、低合金结构钢在焊接完成24小时以后方可进行焊缝探伤检验。另外还应该知道待测工件母材厚度、接头型式及坡口型式。

2.3试验前仪器标定

在实际工作中接触到的要求探伤的绝大多数焊缝都是中板对接焊缝的接头型式。榕江特大桥钢桁梁的梁板厚16mm，坡口型式有I型、单V型、X型等几种形式。 壁厚为8～120㎜的焊缝，其距离—波幅曲线灵敏度按表1 的规定。

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2010年优秀科技论文（技术总结） 超声波无损探伤检测技术

试验前标定 图1 试验后标定 图2

图3 距离—波幅曲线

表1 斜探头距离—波幅曲线的灵敏度 （㎜）

焊缝质量等级 对接焊缝Ⅰ、Ⅱ级 对接焊缝Ⅰ、Ⅱ级 角焊缝Ⅱ级 角焊缝Ⅱ级 板厚（㎜） 10～46 ＞46～56 10～25 ＞25～56 判废线 ￠3×40-6db ￠3×40-2db ￠1×2 ￠1×2＋4db 定量线 ￠3×40-14db ￠3×40-10db ￠1×2-6db ￠1×2-4db 评定线 ￠3×40-20db ￠3×40-16db ￠1×2-12db ￠1×2-10db 在每次探伤操作前都必须利用标准试块（CSK-IA、CSK-ⅢA）校准仪器的综合性能，校准面板曲线，探伤结果的准确性。

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2010年优秀科技论文（技术总结） 超声波无损探伤检测技术 L—试块长度，由使用的声程确定； T—试块厚度，由被检材料厚度确定；

I—标准孔位置，由被检材料厚度确定，根据检测需要可在试块上添加标准孔。

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2.4探测面的修整

应清除焊接工作表面飞溅物、氧化皮、凹坑及锈蚀等，摊上面保证平整光滑，光洁度一般低于▽4。

焊缝两侧探伤面的修整宽度一般为大于等于2KT+50mm，（K:探头K

值，T：工件厚 度）。一般的根据 焊件母材选择K值为2.5探头。例如：榕江特大桥钢桁梁的梁板厚度为16mm,那么就应在焊缝两侧各修磨130mm。

图8

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2010年优秀科技论文（技术总结） 超声波无损探伤检测技术 2.5刷耦合剂

2.5.1.超声偶合是指超声波在探测面上的声强透射率。为了提高耦合效果，在探头与工件表面之间施加的一层透声介质称为耦合剂。超声波探伤中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。 2.5.2、耦合剂的选择应考虑到粘度、流动性、附着力、对工件表面无腐蚀、易清洗，而且经济，综合以上因素选择浆糊作为耦合剂。

2.5.3、由于母材厚度较薄因此探测方向采用单面双侧进行。

2.5.4、由于板厚小于20mm所以采用水平定位法来调节仪器的扫描速度。 2.6.扫查方式

在探伤操作过程中分为粗探伤和精探伤。在对榕江特大桥钢桁梁梁板进行探伤时为了大概了解缺陷的有无和分布状态、定量、定位，我们采用精探伤。使用锯齿形扫查、左右扫查、前后扫查、转角扫查、环绕扫查等几种扫查方式以便于发现各种不同的缺陷并且判断缺陷性质。以便及时的发现焊接过程中存在的缺陷，便于及时、准确、高效率的完成钢桁梁的拼装。

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2010年优秀科技论文（技术总结） 超声波无损探伤检测技术 2.7.对探测结果进行记录

目前为止，还未发现梁板焊接存在较大的焊接缺陷，在发现一些微小的内部缺陷时，也及时对其进行评定分析。并进行了处理。焊接对头内部缺陷分级是按照现行国家标准GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》的规定，来评判该焊否合格。如果发现有超标缺陷，应及时下达整改通知书，令其整改后进行复验直至合格。

2.8焊接常见的几种缺陷

一般的焊缝中常见的缺陷有：气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等。到目前为止还没有一个成熟的方法对缺陷的性质进行准确的评判，只是根据荧光屏上得到的缺陷波的形状和反射波高度的变化结合缺陷的位置和焊接工艺对缺陷进行综合估判。

对于内部缺陷的性质的估判以及缺陷的产生的原因和防止措施大体总结了以下几点：

2.8.1气孔

单个气孔回波高度低，波形为单缝，较稳定。从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头

就消失，密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。

产生这类缺陷的原因主要是焊材未按规定温度烘干，焊条药皮变质脱落、焊芯锈蚀，焊丝清理不

干净，手工焊时电流过大，电弧过长；埋弧焊时电压过高或网络电压波动太大；气体保护焊时保护气体纯度低等。如果焊缝中存在着气孔，既破坏了焊缝金属的致密性，又使得焊缝有效截面积减少，降低了机械性能，特别是存链状气孔时，对弯曲和冲击韧性会有比较明显降低。

防止这类缺陷防止的措施有：不使用药皮开裂、剥落、变质及焊芯锈蚀的焊条，生锈的焊丝必须

除锈后才能使用。所用焊接材料应按规定温度烘干，坡口及其两侧清理干净，并要选用合适的焊接电流、电弧电压和焊接速度等。

2.8.2夹渣

点状夹渣回波信号与点状气孔相似，条状夹渣回波信号多呈锯齿状波幅不高，波形多呈树枝状，

主峰边上有小峰，探头平移波幅有变动，从各个方向探测时反射波幅不相同。

这类缺陷产生的原因有：焊接电流过小，速度过快，熔渣来不及浮起，被焊边缘和各层焊缝清理

不干净，其本金属和焊接材料化学成分不当，含硫、磷较多等。

防止措施有：正确选用焊接电流，焊接件的坡口角度不要太小，焊前必须把坡口清理干净，多层

焊时必须层层清除焊渣；并合理选择运条角度焊接速度等。

2.8.3未焊透

反射率高，波幅也较高，探头平移时，波形较稳定，在焊缝两侧探伤时均能得到大致相同的反射

波幅。这类缺陷不仅降低了焊接接头的机械性能，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载

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2010年优秀科技论文（技术总结） 超声波无损探伤检测技术 后往往会引起裂纹，是一种危险性缺陷。

其产生原因一般是：坡口纯边间隙太小，焊接电流太小或运条速度过快，坡口角度小，运条角度

不对以及电弧偏吹等。

防止措施有：合理选用坡口型式、装配间隙和采用正确的焊接工艺等。 2.8.4未熔合

探头平移时，波形较稳定，两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。 其产生的原因：坡口不干净，焊速太快，电流过小或过大，焊条角度不对，电弧偏吹等。 防止措施：正确选用坡口和电流，坡口清理干净，正确操作防止焊偏等。 2.8.5、裂纹

回波高度较大，波幅宽，会出现多峰，探头平移时反射波连续出现波幅有变动，探头转时，波峰

有上下错动现象。裂纹是一种危险性最大的缺陷，它除降低焊接接头的强度外，还因裂纹的末端呈尖销的缺口，焊件承载后，引起应力集中，成为结构断裂的起源。裂纹分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹三种。

热裂纹产生的原因是：焊接时熔池的冷却速度很快，造成偏析；焊缝受热不均匀产生拉应力。 防止措施：限制母材和焊接材料中易偏析元素和有害杂质的含量，主要限制硫含量，提高锰含量；

提高焊条或焊剂的碱度，以降低杂质含量，改善偏析程度；改进焊接结构形式，采用合理的焊接顺序，提高焊缝收缩时的自由度。

冷裂纹产生的原因：被焊材料淬透性较大在冷却过程中受到人的焊接拉力作用时易裂开；焊接时

冷却速度很快氢来不及逸出而残留在焊缝中，氢原子结合成氢分子，以气体状态进到金属的细微孔隙中，并造成很大的压力，使局部金属产生很大的压力而形成冷裂纹；焊接应力拉应力并与氢的析集中和淬火脆化同时发生时易形成冷裂纹。

防止措施：焊前预热，焊后缓慢冷却，使热影响区的奥氏体分解能在足够的温度区间内进行，避

免淬硬组织的产生，同时有减少焊接应力的作用；焊接后及时进行低温退火，去氢处理，消除焊接时产生的应力，并使氢及时扩散到外界去；选用低氢型焊条和碱性焊剂或奥氏体不锈钢焊条焊丝等，焊材按规定烘干，并严格清理坡口；加强焊接时的保护和被焊处表面的清理，避免氢的侵入；选用合理的焊接规范，采用合理的装焊顺序，以改善焊件的应力状态。

结论

榕江特大桥主跨钢桁梁拼装焊接，采用超声波无损探伤检测技术，该检测技术，是一种最为重要和广泛应用的无损探伤检测方法，同时在建筑业和冶金业得到全面应用。以上所总结的几个方面还不够全面，有待于在实际工作中不断地总结和完善，为钢桁梁的正常拼装把好质量关。

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2010年优秀科技论文（技术总结） 超声波无损探伤检测技术 参考文献：

GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分析》 TB10212-2009《铁路钢桥制造规范》

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