上海金艺检测技术有限公司检测技术部201107
摘要：介绍AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»的超声波在钢结构中的检测应用范围，探头、标准试块的选择与应用以及对工件中缺欠不连续性的检测时机和验收要求。与GB11345-1989«钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级»标准进行对比，使采用初次检测人员依据AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»进行NDT的人员能快速地理解和掌握此标准。
关键词：AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»；超声波检测；缺欠的不连续性；接受；拒收
中国加入世界贸易组织后，石油钻井机械制造业的市场发生了变化。在竞争更加激烈的市场环境及行业内日趋复杂的竞争形势下，如何融入国际大市场参与世界同行业的激烈竞争，对检测行业的工作者提出更高的技术要求和工作的责任性。焊接作为钢结构的主要连接方式之一，直接影响着钢结构的质量，因此对其焊接质量进行检验是确保钢结构质量的重要环节。国内钢结构构件一般采用GB/T11345-1989«钢焊手工超声波探伤方法和探伤结果分级»超声波检测标准，而国外一些工程的钢结构构件则较多地采用美标AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»超声波检测标准，因此熟悉和掌握超声波检测标准，是确保焊缝质量，从而保证产品质量的前提。
1、AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»NDT简介
AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»是由美国焊接协会编撰，出版的一部美国国家标准。规范广泛适用于碳钢和低合金钢制作的无损检测要求往往与静载荷（建筑物）、动载荷（桥梁）或管类结构的焊接结构件建造的详细要求合在一起。根据结构件的用途使用不同的验收标准。基体金属包括碳钢、低合金钢，这些材料常用于钢结构的制造。下面的文字和方法是基于静载荷所用的典型标准。包括的内容有扫查水平（随声程变化）和根据缺陷类别的不合格标准。缺陷的严重级别根据缺陷指示超过参考水平的程度来确定，并根据声程衰减、焊缝厚度和探头角度予以修正。验收标准级别如下：
A级（大不连续性）---任何这类指示必须全部拒收（不论其长度如何）
B级（中不连续性）--任何这类指示长度超过3/4in.[20mm]的这类指示必须拒收
C级（小不连续性）--任何这类指示长度超过2in.[50mm]的这类指示必须拒收
D级（细小不连续性）--任何这类指示，不论其在焊缝中长度或部位，必须判定接受
规范严格按照美国国家标准（ANSI）的程序规则制定，是保证钢结构制作质量的必须要求[2]。
2、AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»钢结构超声波检测标准的应用范围
标准规定的工艺与标准必须适用于厚度在5/16in和8in[8mm～200mm]之间、包括这两个厚度在内的坡口焊缝和HAZ的超声波检测，对厚度小于5/16in[8mm]或大于8in[200mm]的情况，检测必须按AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»附录S执行。
3、检测所用超声仪器、探头及试块
超声仪器必须为A型脉冲反射式探伤仪，配用的工作频率范围为1～6MHz，仪器至少在荧光屏满刻度的80%范围内呈线性显示。超声仪应至少在60dB的整个范围内每档1dB或2dB间断可调。直射波束（纵波）探头换能器应为圆形或方形，且工作面积必须在1/2in2[323mm2]～1in2[645mm2]范围内，斜射波束探头换能器的频率必须在2～2.5MHz之间，换能器的晶体形状必须为正方形或矩形，宽度为5/8in～1in[15mm]～[25mm]，高度为5/8in～1in[15mm]～[25mm]。单斜探头声束水平偏离角度不应大于±2º，探头的角度需为70º，60º和45º，主声束垂直方向不应有明显的双峰或多峰，探头的前沿距离严禁超过25mm。应采用ⅡW试块，在满足灵敏度要求时，也可采用其他形式的等效试块，例如“牛角试块”。探头包括纵波直探头和横波斜探头。探头的工作频率按如下表格1：
4、超声仪器的调节
4.1入射点的测量
将探头置于ⅡW试块上，移动探头，直到从R100mm圆弧上得到最大反射波。探头对准试块上半径线的点即为超声波的入射点，此时测量探头到试块边沿的距离为L，则探头的前沿距离L0=100-L。
4.2探头折射角度的测量
将探头置于ⅡW试块上选定探头角度指示线位置前后移动，直至从曲面处得到最大反射波。此时测量探头到试块边沿的距离为L1，则tanβ=（L1+L0-35）/h（h为反射孔的深度），β为探头折射角根据实际测距离的计算值。
4.3灵敏度的校准
灵敏度是指超声检测系统探测小的不连续性的能力，灵敏度一般通过参考试块上人工反射体产生的回波幅度来测量。将探头置于ⅡW试块上，然后调节从深度15mm，孔径为Φ0.060in[1.5mm]小孔处得到的最大反射波，由此获得的荧屏基准线高度即为基准灵敏度。调节波幅使其达到满刻度的80%，既得水平基准灵敏度读数为“基准值b”
5、超声焊缝检测与不连续性的记录
焊缝检测时，扫查灵敏度根据焊缝尺寸的大小来选择，应比基准灵敏有所提高，所以对接焊缝必须从焊缝轴线的两侧进行重叠的矩形扫查检测，角接接头和T型接头仅检测焊缝轴线的一侧或双侧，所有焊缝的检测必须使用适用的扫查方式。检测时机：原则上焊缝冷却至室温后立即进行或焊后24小时检测。但ASTMA514.A517钢和A709100及100W级钢，则应在焊接后至少48小时后进行超声检测。对于承受静载荷和周期载荷非管材连接的焊缝，其扫查灵敏度见表格2。
b.指声程距离，不是材料厚度。
为检测纵向缺欠，一般采用斜探头垂直于焊缝中心线放在检测面上，沿焊接接头进行重叠的矩形移动（图1a）。探头前后移动的范围应保证扫查到全部焊缝截面，在保证探头垂直焊缝中心线作前后移动的同时，还应作转动角度10º的左右移动。为检测焊缝及热影响区的横向缺欠应进行和斜平行扫查（图1b、1c）。
图1（a）重叠矩形扫查（b）斜平行扫查（c）平行扫查
检测时，可在焊缝两侧边缘使探头与焊缝中心线最大夹角15º的扫查角度作斜平行扫查，焊缝余高如果磨平时，可将探头放在焊缝及热影响区上作两个方向的平行扫查。为了确保缺欠的位置、方向和形状。对动态波形和区分缺欠信号或伪缺欠信号进行观察，可以采用前后、左右、转角、环绕4种基本扫查方式如图2
图24种基本扫查方式
点状缺欠如气孔的特征是左右移动距离短，波幅下降快，环绕运动波幅度不变；线形或面形缺欠如未焊透的特点是左右移动幅度变化小，环绕运动幅度下降快；不规则线形或面形缺欠如裂纹的特征是左右移动时，反射波连续出现，波幅有变化，动态波形会呈现出多峰或尖锐[3]如图3。
图3缺欠波形信号显示
在进行NDT检测过程中，当出现不连续性指示时，移动探头找到不连续性的最大反射波，调节仪器的增益（衰减），使最大反射波的波幅达到满刻度的80%，记下此时的增益（衰减）的读数为“指示基准值a”在超声检测报告中的“额定指示值d”表示衰减经修正后指示值与基准值之间的分贝值的代数差，表达式如下：
超声仪器为dB增益状态：a-b-c=d（dB）。
超声仪器为dB衰减状态：b-a-c=d（dB）。
C为衰减系数，是由声程减去1in[25mm]所得差值乘以余项0.08必须取整数得出dB值。随着现代科技的不断发展，现有的超声仪器如USM35SX的有些数字脉冲式仪器，调试好标准选择后，超声仪器可自动计算给出d值，不需要进行计算，给现场NDT检测工程师带来了方便。采用半波高度法测量不连续性的长度。根据不连续波的波幅，以确定A级、B级、C级、不连续的长度。
6、焊缝不连续性的检测
超声检测人员必须对超声检测过程和局限性有一个完整的了解，以保证使用合适的检测参数。检测人员必须知道以某种特殊工艺制造的物体中会产生那些典型的不连续性，不连续性在工件中的位置以及不连续性的取向。
为了获得足够的灵敏度必须选择合适的超声波波长和发射的信号幅度。为了能从不连续性上得到反射信号，超声波波长不能超过不连续性在垂直于声束方向上最小尺寸的两倍。有时必须在符合这些要求和穿透物体能力之间达成一个平衡，比如可以用稍长一些的波长。相似的必须有足够的信号幅度以便能从不连续性上得到显示，但信号幅度也不能太高，以避免把通常可接受的材料性质错误地判为不合格的不连续性。
不连续性的大小、形状、类型、方向和位置都会对超声反射产生影响。假定波长足够小能使不连续性产生反射，对于阻抗相差大的情况，球形不连续性如气孔反射最小，而光滑平面状的不连续性反射最大。不连续性的类型决定了阻抗差异，空隙如裂纹或气孔阻抗差别最大，而粘接夹杂和偏析阻抗差别最小。
如果不连续性上的大部分反射区域不是与超声束成90°，脉冲回波接收器将探测不到最大的反射波。然而，这个最大反射波可以从远离探头的一个位置上探测到。因此，如图4所示，必须选择最佳的声束角度和扫查方式得到不连续性的反射波[4]。
必须选择适当的探头尺寸，以便在选定的检测频率下声束可以扫查到工件所要求检测的部分。必须根据声束扩散和被检区域情况选择扫查方式。
7、焊缝验收的的依据
AWSD1.1/D1.1M«钢结构焊接规范»钢结构的焊缝分为全熔透（CJP）焊缝和部分熔透（PJP）焊缝。对于承受静载荷非管材连接的焊缝，设计要求除目视（VT）外还必须进行内部质量检验，根据“额定指示值d”对焊缝内部质量的合格与否进行验收。其探头角度的选用及合格验收情况必须符合表2要求。
表2UT-拒收标准（静载荷非管材连接）
A级（大不连续性）---任何这类指示必须全部拒收（不论其长度如何）。
B级（中不连续性）--任何这类指示长度超过3/4in.[20mm]的这类指示必须拒收。
C级（小不连续性）--任何这类指示长度超过2in.[50mm]的这类指示必须拒收。
D级（细小不连续性）--任何这类指示，不论其在焊缝中长度或部位，必须判定接受。
8、结论
（1）AWSD1.1/D1.1M-2010标准将焊缝分为全熔透（CJP）焊缝和部分熔透（PJP）焊缝，而国内标准将焊缝分为一级焊缝、二级焊缝和三级焊缝（现行标准将焊缝分为2级和3级）。
（2）在AWSD1.1/D1.1M-2010标准中未对检验等级进行分级，所有的对接焊缝必须从焊缝轴线的两侧进行检测，角接接头和T型接头仅从焊缝轴线的一侧检测，而在GB/T11345-1989探伤标准中将检验等级分为A、B、C这3个等级（现行标准将焊缝分为A、B、C、D这4个等级）。根据工件的材质、结构、焊接方式、使用条件及承受载荷的不同来选用检验等级。
（3）根据AWSD1.1/D1.1M-2010标准中相关规定，在检测时，可无需制作曲线，所有不连续性的判断均需在荷兰试块上的深度为15mm，孔径为1.5mm的横通孔的反射波进行比较，比较后经衰减修正，在依据接受、拒收条件进行验收。
（4）根据AWSD1.1/D1.1M-2010标准检测时，工件厚度不同，其接受、拒收条件不同。当工件厚度大于38mm时，在同一厚度范围内所使用的探头角度不同，其接受、拒收条件也不同。而根据GB/T11345-1989标准进行检测时，其检验结果的等级与所使用的探头角度无关，与工件厚度、缺欠的指示长度和波幅位于DAC的三个区域有关。
（5）在工作中实际检测中，将AWSD1.1/D1.1M-2010标准和GB/T11345-1989标准进行比较，当工件厚度≤20mm时，AWSD1.1/D1.1M标准对点状缺欠控制的比国内标准要严得多。而随着工件厚度的增加，美标对于点状缺欠的控制则没有国内标准严格。
参考文献：
[1]郑晖.林树青.超声检测[M].北京：中国劳动保障出版社.2008：
[2]刘溜.范铮.美国国家标准钢结构焊接规范[J]焊接2010：
[3]史亦书.超声检测[M].北京.机械工业出版社.2009：
[4]史天敏ASNT学习指导超声检测（内部资料）.2010：