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摘 要：本研究课题是以加垫板单面焊接的圆钢柱焊缝为研究对象，针对目前常规超声波检测碰到的一些工程实际问题和技术限制，采用试验研究与理论分析相结合的方法，对超声技术如何更精确、科学检测特定研究对象的焊接质量进行较系统和深入的研究，重点探讨各种加垫板单面焊接工艺中缺陷的判定和精确定位等问题，同时采用精度较高的射线检测技术进行验证。为采用加垫板焊接工艺的钢结构工程质量控制提供有力的技术支撑，具有较高的工程实际应用价值。
关键词：钢结构；超声检测；加垫板单面焊；回波判断；定位；
引 言
带垫板的单面焊可以有效的解决因无法双面焊接带来的诸多问题，且对焊缝的烧穿规避了一定的风险。但使用这种焊接技术的焊缝根部或靠近垫板部位易产生危害较大的缺欠。通常采用无损检测中的超声或射线检测，但射线检测从经济角度考虑，成本高，检测速度相对较慢，且对环境甚至人体有辐射污染。因此，实际钢结构工程检测方法中，普遍采用超声波。然而，超声波检测主要是以波形为直接变现形式，对探伤人员技术能力要求较高，所以，对于波形的精准判断是钢结构加垫板焊接超声波检测的一个难点。
一、实验对象及方案
以在建的某大厦钢结构工程，其中编号为24GZ-1、24GZ-7、24GZ-8圆管柱的三条对接环焊缝作为主要研究对象，材质为Q345B，母材设计厚度t为26mm。焊接垫板的焊接性能与Q345B相近但非同材质，垫板宽度为40mm，厚度为4mm。
对于单面焊接焊缝进行超声检测时，其根部产生的回波信号并不是单一的缺欠回波，既可能有根部未焊透等焊接缺欠产生的信号，又可能有焊缝凹陷和错边等产生的工件形状回波。这些信号位置相同或相近，甚至探头移动时的波形形态也相似，很可能造成实验的错判或漏检。我们需要观察检测过程中遇到的各种波形，从变型波的理论知识着手，分析波形规律，最终总结带垫板单面焊的焊缝的检测规律。
二、实验数据采集及分析
2.1超声检测灵敏度的设定
根据验收标准钢结构工程施工质量验收规范GB 50205-2001，检测标准GB/T 11345-2013焊缝无损检测，超声检测技术、检测等级和评定，同时，客户提供待检焊缝的检测等级为一级，确定验收等级为2级，以技术1制作距离-波幅曲线（DAC）。
2.2实验数据的采集
首先选用探头2.5P12×13A60,采集的数据如下：
编号为24GZ-1的圆管柱对接焊缝检测中，仪器上发现水平时基线16mm至20mm的位置及22mm至24mm两处位置有波形显示。水平时基线16mm至20mm的位置波形用半波高法测出其长度L为96mm，仪器显示最高回波的波高为DAC+2.2db，深度为17.2mm，水平为17.7mm，声程为34.3mm，如图2.1所示：
图2.1水平时基线16mm至20mm的位置波形示意图
水平时基线22mm至24mm的位置波形用半波高法测出其长度L为35mm，仪器显示最高回波的波高为DAC-8.8db，深度为23.8mm，水平为29.2mm，声程为47.5mm，且探头移动或转动波形下降均匀，并不是裂纹呈现的形态，如图2.2所示：
图2.2水平时基线22mm至24mm的位置波形示意图
编号为24GZ-7，24GZ-8的圆管柱对接焊缝检测中，仪器上发现水平时基线23mm至25mm位置均有波形显示，用半波高法测出其长度是沿着圆管柱断断续续一整圈，仪器波高最高显示分别为DAC-5.2db，DAC+7.9db,且探头移动或转动波形下降均匀，并不是裂纹呈现的形态。同时，在焊缝反面用手指沾油弹动焊缝，波形未有任何变化。仪器显示最高回波的波高为DAC+7.9db，深度为24.0mm，水平为29.5mm，声程为47.9mm，如图2.3所示：
图2.3圆管柱一整圈出现的波高为DAC+7.9db的波形示意图
2.3实验数据的分析
为便于实验数据分析，把编号为24GZ-1的圆管柱焊缝检测中，水平时基线16mm至20mm的位置波形称为波形?；22mm至24mm的位置波形称为波形?；编号为24GZ-7，24GZ-8的圆管柱检测中，水平时基线23-25mm的位置两处波形分别称为波形?和④。
1）波形?的判别
因圆管柱的母材厚度t为26mm，第一次底面回波B1出现的位置在26mm，而波形?出现的位置远离B1，且在B1之前，根据半波高法测定的长度L为96mm，且一级焊缝对应的验收等级为2级，当缺欠L＞t时，采用记录等级线3（DAC-14db），而验收等级线等于相应的记录等级曲线+4dB，即验收等级线等于DAC-14db+4dB=DAC-10db，仪器采集的波高显示为DAC+2.2db，超出了验收等级标准规定的DAC-10db，具体超出的分贝值为：DAC+2.2db-（DAC-10db）=12.2db，很容易判断出波形?是缺陷波，不验收。
2）波形?的判别
第一次底面回波B1出现的位置在26mm，而波形?出现的位置是远离B1的，且在B1之前，根据半波高法测定的长度L为35mm，一级焊缝的对应验收等级为2级，当缺欠L＞t时，采用记录等级线3（DAC-14db），而验收等级线等于相应的记录等级线+4dB，即验收等级线等于DAC-14db+4dB=DAC-10db，仪器采集的波高显示为DAC-8db，未超出验收等级标准规定的DAC-10db，且扫查时已判定非裂纹类缺欠，所以不记录。
波形?的判别
因第一次底面回波B1出现的位置在26mm，而波形?出现的位置离B1出现的位置非常接近，在超声检测中，若遇焊缝底面粗糙，底面反射波仍有可能被探头接收，即在工件厚度相应的位置上会出现底面回波的显示。而这里的焊缝工艺是加了厚度为4mm的垫板的焊接，若是工件焊缝底面跟垫板接触不好，或焊缝底面出现未焊透缺陷，都有可能在距离B1的位置出现反射回波，所以，对波形?的精准判断，便是超声波检测加垫板焊缝中的一个难点。
首先，由于波形?的回波信号正好出现在靠近第一次底面回波B1的位置，我们先判断是否是根部未焊透，发现波形?的位置是扫查位置1，此时用的是一次波扫查，假设波形?是根部未焊透，那么从理论上分析，当探头摆放至扫查位置2的时候，即用二次波扫查时，屏幕上应该有波形出现，现我们仍采用探头2.5P12×13A60，同时打磨光滑焊缝周边，分别在扫查位置2和扫查位置3进行检测，扫查示意图见图2.4，屏幕上并未出现任何波形，换用探头2.5P12×13K1.5，2.5P12×13K2.5，也并未出现任何波形显示，由此初步判断波形?不属于底部缺欠。
图2.5变型纵波波形示意图
因最先选用探头2.5P12×13A60，折射横波角度为60°，且选用的是跟母材材质相似的钢垫板，在垫板跟母材焊缝焊接完好的前提下，入射横波直接进入垫板，在垫板的底面，发生横波反射，反射的横波又入射到垫板的侧面，此时入射角为30°，而我们前面已计算出钢中发生全反射的条件是，入射横波角度大于33.2°，因此在垫板的侧面产生了反射纵波L。
我们用字母Hs表示横波入射时声程所对应的深度，正常底面反射横波的深度Hs为：Hs=HS1+HS2+HS1+HS2 =25+4+25+4=58mm
因仪器扫描声时设定的是计算单倍的回波时间，所以，正常底面反射横波B1理论上应显示在58/2=29mm的深度位置。
我们用字母HL表示纵波入射时声程所对应的深度，垫板的侧面产生的反射纵波的深度HL为：HL=HS1+HS2+HS3+HL1 =25+4+(25+4)*(3230/5900)=44.8mm
这里垫板厚度4mm，HS3理论上未计入计算中,对于钢中纵波传播速度为5900m/s，横波传播速度为3230m/s，因而垫板侧面产生的反射纵波L理论上显示在44.8/2=22.4mm的深度位置。而实际上波形?正好出现在23-25mm的深度位置。
在上述的理论分析计算中，垫板上产生变型纵波L的前提条件是，在垫板侧面的入射横波角是30°，因而在钢中未发生横波全反射，因此，我们采用其它探头重复检测编号为24GZ-7的圆管柱出现波形?的位置。
采用2.5P12×13K2.5（实际折射横波角度为arctg2.46=67.9°）的探头时，检测过程中再次出现波形?一样情况的波形，而采用2.5P12×13K1.5探头时，检测过程中在23-25mm的位置未出现波形。因为2.5P12×13K1.5探头的实际折射横波角度arctg1.49=56.1°，在垫板的底面，发生横波反射时，反射的横波又入射到垫板的侧面，此时入射角为90°-56.1°=33.9°，大于钢中全反射角33.2°。即在垫板中未产生变型纵波。综上所述，完全符合前面的理论推理，在23-25mm的位置出现的波形?是超声波在垫板内发生变型的回波反射信号，而非缺欠波。
基于以上分析，此回波不判为焊缝缺欠波之列，不予记录，但超声波检测并不是一项直观的检测方法，受仪器精度，人员检测技术，工件工艺等因素影响很大，为更精准的证明我们的理论分析判断，我们再次对超声波检测后有怀疑的缺欠位置处进行射线拍片检测。
经射线底片影像显示：管柱号为24GZ-7的底片并无缺欠影像显示；管柱号为24GZ-8的底片并无缺欠影像显示。
三、结论及展望
在加垫板焊接工艺中，超声检测对于在工件厚度附近出现的波形的判断要精准分析，母材厚度是影响到波形采集、分析的重要参数之一。而过往的超声技术检测时，往往采用母材的公称厚度值，而母材的公称厚度值跟实际厚度却有一定差别，这可能会对焊缝缺欠的准确判断带来较大的影响。
检测过程中必须时刻考虑变型波的情况。在圆管柱加工卷曲过程中厚度也可能产生变型，出现实际厚度小于设计厚度的状况，所以，在超声波到达母材底部，进入垫板内时可能产生波型转换，即入射的横波经过母材到垫板侧端，产生变型纵波，反射回来时转换的变型纵波被探头接收，又因为钢中纵波声速大于横波声速，这样即在底波之前的位置上即可能显示了一个变型纵波，而非缺欠波。
用双面双侧的探测方法，选用多角度探头等手段，同时结合本课题阐述的声程计算式，推算各种变型波在仪器面板上应当出现的位置，最终区分出根部未焊透和变型波。
已明确是缺欠的信号时，首先根据验收标准确定焊缝对应的验收等级，然后根据检测标准确定记录等级线，进一步确定验收等级线，最后根据缺欠的回波信号显示，判定出缺欠是否验收，以达到保证建筑质量安全的目的。
参考文献
[1]郑晖,林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008：5-486
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论文作者:袁媛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年1月
论文发表时间:2017/4/17
标签：波形论文; 垫板论文; 回波论文; 缺欠论文; 位置论文; 纵波论文; 底面论文; 《建筑学研究前沿》2017年1月论文;