何夏怡（江门市新会区建设工程质量检测站，广东江门529100）
摘要：介绍建筑钢结构中由8~16mm厚的钢板焊接而成的T型角接焊缝，探讨如何利用探头的选择应用于工程实际中的超声波检测。
关键词：薄板；T型角焊缝；探头；超声波检测
钢结构由于具有强度高、自重轻、工厂化生产程度高与施工周期短等等的优点，因此，钢结构有着广泛的应用领域。在房屋建筑中，有着大量的钢结构厂房、高层钢结构建筑和大跨度钢网架建筑等等应用。随着我国钢结构建筑的迅速发展，钢结构在我国的应用与发展走上一个又一个的高潮。而在建筑工程钢结构的制作过程中，某些钢构件（如行车梁、牛腿等）的T型角焊缝（如下图1）的质量要求非常严格，利用超声波检测可以对焊缝进行扫查，及时发现缺陷并进行返工，可以有效保证焊缝质量。对于此，超声波探伤这种无损检测作为钢构件焊缝的主要检测手段，在这里得以充分的表现，地位极其重要。
对于8~16mm左右的这一厚度范围的钢板，在建筑刚结构中比较常用，而板-板角接焊缝的检测容易受到焊缝的余高、焊角、板面多次反射波的干扰，超声检测对缺陷的识别就有一定的困难，如何选择好探伤方法、探头参数，就成了薄板角焊缝检测的关键。
图1T型角焊缝透视
一、检测前准备
1.仪器设备的选择
根据施工条件和工作环境的特点，检测时大多选用数字式超声探伤仪对钢构件角焊缝进行检测。数字式超声探伤仪存在以下优点：重量轻携带方便，便于高空作业。其次，数字式超声探伤仪具有多通道贮存，方便于不同探头的调节使用。再次，数字式超声探伤仪的科学性及判断的准确性均向前迈进了一大步。而对于超声波探伤常用的主要参数（如声程、水平距离、深度、波幅等）数字式超声探伤仪在荧屏上均能一一显现出来，直观了然。尤其是缺陷回波峰值时的测定，数字式超声探伤仪的客观性和稳定性更能充分地表现出来，这与模拟式探伤仪的主观性判断有着明显的区别。另外，数字式超声探伤仪在减少人为误差和降低工作强度等方面也起到了较大的作用。
2.探头参数的确定
2.1探头K值
探头K值的选择应使声束能扫查到整个焊缝截面并使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直，保证有足够的灵敏度。若K值偏大,焊缝漏检区大。K值偏小,虽然漏检区相对减少,但是不利于对腹板侧的未熔合、热影响区裂纹及翼板侧的热影响区裂纹的检出。同时,对于焊趾裂纹也易造成漏检和误判。对于薄板焊缝探伤，考虑到板薄、声程短的原因，首先尽量避免近场区探伤，故探伤中尽量减少近场区长度N，N的计算公式为：
由上式可见，N与cosβ/cos成正比，而近场区长度N与探头K值成反比关系。也就是说，当探头晶片尺寸一定、探头频率一定，即a,b,一定时，应选取大K值的探头进行探伤，以避免进场区探伤。当K值不同时，超声波入射不同，当选用大K值探头时，探头一次可以跨过焊缝根部，从而将焊缝全部扫查到，如图2；如探头K值较小，容易产生图3的漏检区。应此，对于薄板采用2.5或3的K值，避免了近场区探伤，提高了定位、定量精度。
图2大K值探头超声波入射图3小K值探头超声波入射
2.2探头的频率
根据公式θ=arcsin1.22λ/D可知，若提高频率,会使半扩散角θ减少,而近场长度增加。半扩散角θ减少使超声波能量更加集中,声束指向性好，提高了探伤灵敏度，有利于发现缺陷并对缺陷定位。实际探伤检测中常用的频率为2.5~5MHz的探头。
2.3探头晶片的尺寸
根据超声场原理，超声发射的进场长度N=F/（πλ）,进场区长度与波源面积F成正比，与波长λ成反比，应此，应选择波源面积小的探头，即小晶片探头来探伤，以此减少探头的近场区长度、扩大探伤有效范围。如果由于晶片尺寸较大，易形成多次反射，反射杂波较多，尤其在近场区，缺陷波难以分辨。所以在探伤时，选择晶片尺寸为6×6mm至10×10mm。
2.4探头前沿l0
探头前沿，探头入射点到探头前端面的距离。前沿长度太长时，将会导致所需K值太大，检测声程加长，有可能无法扫查到焊缝根部造成漏检，对检测不利。此外，在许多构件实际情况中，前沿长度达的探头其体积和探头长度都比较大，从而限制了在一些空间较狭小的部位使用。因此，薄板焊缝检测宜采用前沿小的探头。
二、探伤方法的选择与探测
图4直探头、斜探头探测位置
1.直探头
采用直探头在翼板上探测(如上图4a位置所示),可检测T型焊缝中腹板与翼板间未焊透和翼板侧焊缝上部层状撕裂等缺陷。此方法波形简单、直观,受焊接影响小,毋需表面修整。但GB11345-89标准中对直探头探伤评级标准规定的不明确。因此,用直探头探伤不能保证把焊缝中缺陷全部检出,它只应用于初始检验等辅助探测过程。
2.斜探头
斜探头在腹板上利用直射波、一次反射波进行探测(如上图4b位置所示)。可扫查整个焊缝截面,既可检测T型角焊缝内的缺陷,又可检测焊缝热影响区内缺陷,尤其是对未焊透缺陷的检测效率非常高。因为探伤时能观察到角焊缝,而且焊接过程中产生的扭曲和变形对探伤时定位影响不大,所以,此方法探伤方便,定位准确。按照GB11345-89规定可采用双面单侧、两种角度探头的B级检测。
三、工程实例
纸业基地某纸厂的钢结构厂房，梁腹板板厚为10mm，翼板板厚为12mm，螺栓板板厚为25mm，翼、腹板与端板均为T型角接焊缝。钢构件在生产厂出厂时厂方对此批构件的焊缝进行了出厂检验，检测时采用K=2，前沿为l0=16mm的探头（2.5P13×13K2，频率2.5MHz，晶片尺寸13×13mm，K值为2），按GB11345-89标准对构件进行检测，探伤结果为全部合格，准予出厂。当该批钢构件运输到工地现场，我们作为检测第三方接受委托进行现场检测。在作检测方案时，考虑到该批构件的T型焊接接头的板厚都是薄板型，决定采用前沿为l0=10mm的探头（5P8×8K3，频率5MHz，晶片尺寸8×8mm，K值为3），检测标准GB11345-89。现场检测结果是该批构件的腹板T型角焊缝在深度范围7.5~8.5mm位置均有直接判废缺陷反射回波，现场工具打开焊缝确认后，发现该位置均为未焊透缺陷，并贯穿整条腹板与螺栓板连接的焊缝，现场结果与出厂检验结果完全相反。根据两次检验所采用的不同探头的数据，现分析如下：
现场焊缝实际宽度S约为10mm，根据三角形各边长关系（如图5）
图5超声入射波三角形各边长关系
缺陷水平距离L（焊缝宽度S+前沿长度l0）与深度关系为
H=（S+l0）/tgβ或H=（S+l0）/K
若采用K2探头，前沿为16mm，根据公式，该探头一次检出最小深度为h=（10+16）/2=13mm,无法由一次波检测出缺陷，而二次波检出深度则为10×2-13=7mm，得下表1K2探头结论：该探头一、二次波都无法检测出7.5~8.5mm深的缺陷。
当采用K3探头，前沿为10mm，根据公式，该探头一次检出最小深度为h=（10+10）/3=6.7mm，一次波可以检测出7.5~8.5mm深的缺陷，得表1K3探头结论：探头一、二次波都可以检测出7.5~8.5mm深的缺陷。
表1两种K值探头检测结构对比表
由此可见，在此类T型角焊缝检测中，应尽可能采用K值（角度）大且前沿短的探头，而正确选择合适的探头，对于确保检测质量非常关键，这也要求我们检测员有一定的基础知识和足够的探伤经验。
四、结语
超声波检测是一种成熟的无损检测方法，对于钢结构焊接质量的控制起着无可比拟的重要作用。而工程实际中由于焊接接头的多样性、焊接质量的不确定性、检测人员检测水平的参差性等等原因，都会对检测质量产生巨大的影响。因此，如何正确运用超声波探伤方法来控制焊接质量，特别是薄板T型角接焊缝的焊接质量，都是每一位超声检测员要认真思考与对待的问题。本文试图理论联系实际事例，浅谈关于建筑钢结构中T型角焊缝的超声波检测。
参考文献：
[1]《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89.
[2]《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001.
[3]《无损检测手册》机械工业出版社2002年.