一種復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）

不銹鋼復合鋼板是一種新型橋梁鋼結構用鋼板，通常是在基體碳鋼板上復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，又兼備了不銹鋼板良好的耐蝕性。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合鋼板開始逐漸應用于鐵路橋面鋼板的制造中[1]。

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

1 復合鋼板材質

目前國內橋梁行業采用的復合鋼板均由基體層和復合層構成，基材主要作用是承受載荷，其材質為橋梁用鋼，符合GB/T714橋梁用結構鋼的要求[2]。復材主要作用是耐腐蝕、耐磨、抗磁。復材選用的不銹鋼板，對不計入強度計算的奧氏體型不銹鋼復材，符合GB/T24511以外的國家標準中的鋼材，該復材鋼號的技術要求（如磷、硫含量，強度指標等）允許低于GB/T24511相應鋼號的規定。

2 復合接頭焊接工藝

不銹鋼復合鋼板的焊接分為：基層的焊接、過渡層的焊接和復層的焊接，而且各層焊接采用的焊材也不相同。因此，不銹鋼復合鋼板的焊接工藝較為復雜。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，提高工效和焊接質量，基層焊接完成后，再焊過渡層，最后焊復層（見圖1）。表1即為一種該類型焊縫焊接的工藝參數。

試塊焊接工藝 表1

圖1 復合焊接接頭斷面宏觀腐蝕圖

3 不銹鋼復合鋼板的焊接缺陷特點及超聲波檢測難點

3.1 缺陷分析

不銹鋼復合鋼板在焊接過程中，過渡層附近很容易產生未熔合和夾渣等缺陷[3]。當焊接過渡層位置時，焊條角度不當，穩弧的時間又過短，鎳基填充金屬在液態狀態下粘度變大，引起坡口金屬的熔合狀態不好，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

在不銹鋼復合層面探傷（見圖2）聲束穿透不銹鋼復合層鋼板，聲束將發生頻散、衰減、波束偏移等現象，導致缺陷定位不準，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合層，在碳鋼基層面探傷效果大大好于在不銹鋼復合層面探傷。

圖2 在碳鋼基層面探傷示意圖

圖3 在不銹鋼復合層面探傷示意圖

但是在建造現場，由于工位限制，無損檢測人員往往很難懸空攀爬至結構背面進行仰臉探傷。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合層面進行。如果從不銹鋼復合層面探傷，首先就要解決超聲波穿過異質界面時主聲束彎曲偏移對缺陷的定位不準確，另外就是確定檢測靈敏度。于是設計了一種復合板焊接接頭超聲波檢測對比試塊，在對比試塊上制作標準規定的人工反射體，利用對比試塊上的人工反射體，校準超聲波儀器使超聲波能夠準確定位，其次就是確定無損檢測時聲束是否能夠覆蓋檢測區域，另外就是確定檢測靈敏度，保證焊縫檢測質量。

4 對比試塊的設計

4.1 設計思路

如果設計一種對比試塊在不銹鋼復合層面進行檢測，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定的仰臉檢測），還可以提高功效，最重要的是設計可以在不銹鋼復合面進行檢測的對比試塊，可以校正定位精度，保證檢測質量。

4.2 對比試塊

為了保證檢測結果的準確性、可重復性和可比性，根據不銹鋼復合板焊接接頭的實際形狀設計制作對比試塊。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品材質相同、焊接工藝相同和接頭結構相同。

由于對比試塊是模擬實際產品接頭設計制作的，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。

4.3 人工反射體孔徑

①依據GBT 29712－2013《焊縫無損檢測超聲檢測驗收等級》，《鐵路鋼橋制造規范》Q/CR 9211-2015及JTG T F50-2011《公路橋涵施工技術規范》等國內主要鋼橋焊縫驗收質量規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置

針對復合板焊接接頭缺陷易出現位置及焊頭結構形式，設計4個橫通孔，如圖4至圖5所示，孔1設在復合層與過渡層交界處，距離焊縫表面3 mm，復合層與過渡層是焊縫易出現缺陷的位置，孔3設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合板焊縫易出現缺陷位置。孔2及孔4分別設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準試塊CSK-ⅠA中調試零偏、前沿及K值、聲速等參數。

②再使用對比試塊重新調整探頭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鐵路鋼橋制造規范或JTG/T F50公路橋涵施工技術規范鐵路橋梁鋼結構驗收規范要求，設置距離-波幅靈敏度。

6 結束語

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

焊縫質量是橋梁鋼結構的生命，近年來我國在橋梁鋼結構的設計和研發上突飛猛進，各類新型鋼材，焊材層出不窮。對于我們無損檢測者來說，應該積極的適應跟上行業的進步和發展，對于新材料新工藝的出現，需要認真對待和研究，努力把好焊縫質量關，確保橋梁的安全運行。