焊接空心球对接焊缝超声波探伤技术

焊接空心球对接焊缝超声波探伤中 探头折射角选用及缺陷定位的浅述

周文超 石约翰

摘 要 以国标GB11345-89和行标JG/T3034·1-1996为依据论述对空心焊接球对接焊缝超声波探测时探头有效折射角必须进行科学选择，缺陷定位必须进行计算的叙述。

关键词 空心焊接球 超声波探伤 有效折射角 内曲面反射角 缺陷弧长位置 实际埋藏位置

引言

在制造安装大中型钢网架结构中，因工程结构需要较多使用焊接球节点以进一步增加结构的强度和稳定性。焊接球的制作是由成型的两只空心半球加肋板或加垫板对接组焊而成，其焊缝的内在质量直接影响到网架主体结构的安全性。因此建设部网架行业据国标《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001规定焊接球焊缝应进行超声波探伤，但焊接球是个空心球体，具有曲率，声波在壳体介质中传播，因对应圆心角的变化，其声束与内曲面有相切或有不同于折射角度的反射，甚至有不与内曲面相迂的特性，它不同于平板焊缝的探测。对缺陷波的认定及对缺陷的精确定位，都与平板焊缝探伤不同，所以对空心焊接球焊缝超声波探伤应有所探讨。 一、关于所用探头有效折射角度的选用分析 超声波探伤是利用探头中压电晶片由电能转变为声能产生超声波束在介质中传播迂到介面产生反射、折射、透射这一基本原理实施的。 对平板焊缝的探伤，只需考虑声束的覆盖面，声能强度的损耗欲检缺陷的当量及方向，而各种规格的空心球有其相应的曲率，当声束在外界面以一定的折射角度β进入介质后，在内界面产生反射有一个对应的随之变化的园心角O′的影响，它在内界面可能不形成反射见图1或与内界面相切，同时产生表面波见图2，而探测球焊缝则需声束中心射线在内界面有一合适γ的反射见图3。 γ βββO’ R内R内R内 图1图2图3 部标JG/T3034·1-1996及国标GB11345-89中给了一个检测对象为曲面工件的探头折射βmax角提示：“声束在曲底面的入射角度不超过70°”的推荐数值，为此我们对βmax再给R外R外R外上一个反射角γ=70°的正弦值，即β有效=sin（βmax·sin70°）=sin（βmax·0.939）———公式1，使声波在内曲面的入射角限定在γ70°以内。但声束在曲底面的入射角度因球壁的厚度、球径的不同，即使用同一个探头声束中心射线与内球面交点亦是一个变量，所以其-1入射角γ也是变量值，入射角变量值利用正弦定理得γ入=sin（R外/R内·sinβ）———公式2。 γ1 β1 γ2β2 β3γ3 202020150 O 图4 图4中若R1外、R2外、R3外、R1内、R2内、R3内分别代表三只壁厚均为已知的球的内外球半径，此时声束中心射线只能与三只球内曲面相切的最大标称折射角β1、β2、β3的折射角度分别为： -1-1 β1=sin·R内/R外=sin·190/210=64.79° -1-1 β2=sin·R内/R外=sin·170/190=63.47° -1-1

β3=sin·R内/R外=sin·150/170=61.93°

此时β1、β2、β3角度在各自球壳介质内曲面的入射角度都为90°，波型已基本全转换为表面波，沿内曲面表面爬行振动，难以扫查到焊缝的上半部，造成漏检，现用上例三只空心焊接球以不同的折射角βa=61.93°、βb=56.31°入射，在内曲面的入射角γ1、γ2、γ3量值分别为：

a：以折射角βa=61.93°为例量值分别为：

-1-1

γ1=sin·（R内/R外·sinβa）=sin·（210/190·sin61.93°）=77.23°

-1-1

γ2=sin·（R内/R外·sinβa）=sin·（170/190·sin61.93°）=80.46°

-1-1

γ3=sin·（R内/R外·sinβa）=sin·（150/170·sin61.93°）=90°

b：以入射角折射角βb=56.3°为例量值分别为： γ1=66.86° γ2=68.4° γ3=70.54° 从上述条件下理论计算所得的：γ1、γ2、γ3各数值比较分析：①从a系列数据已知βa为61.93°时，用该探头检测上述三只球所形成的内曲面入射角γ都已大于70°，使声束中心射线在内球面都已产生大量的表面波。②从a、b两探头的理论计算情况看不宜选用折射角度大的探头。 再从同一角度探头对直径相同、壁厚不同空心焊接球焊缝的扫查情况看，设同时使用β=56.3°的探头见图5。 γ4 β4β3 18020O40160O R200R200-1-1

图5

-1-1

β4max=sin·R内/R外=sin·180/200=64.16°

-1-1

β3max=sin·R内/R外=sin·160/200=53.13°

-1-1

γ4=sin·（R外/R内·sinβ）=sin·（200/180·sin56.3°）=67.58°

-1-1-1

γ3=sin·（R外/R内·sinβ）=sin·（200/160·sin56.3°）=sin1.04°（大于90°）

从上述计算可知同一角度的探头在同直径球内球面的反射角随壁厚增大而增大，当入角大于90°时将无法与内球面相遇。

综上分析欲对空心钢球焊缝实施超声波探伤，首先对探头的折射角度应进行科学合理的选择，选择中我们引入标准中推荐的内曲面反射角度不大于70°这一推荐值，利用正弦定

-1

理得β有效=sinR内/R外·0.939（末位数只可省略不宜四舍五入）。

-1

在此，对我认为合理的选择β有效=sinR内/R外·0.939进行反证。

仍以图5的R内=160、R外=200的空心焊接球为例进行反推，首先求β有效值

-1-1

β有效=sin（R内/R外·0.939）=sin（160/200·0.939）=48.69° 再求该β有效值在内曲面的入射角度γ -1-1 γ=sin·（R外/R内·sinβ有效）=sin·（200/160·0.751）=69.84° 此时该空心焊接球对接焊缝超声波探伤若选用计算所得的β有效=48.69°折射角的探头探测，在内曲面所得的入射角度γ=69.84°已符合国标GB11345和JG/T3034·1规定的要求。-1这一计算数据β有效=sin（R内/R外·0.939）的选择对空心焊接球对接焊缝用超声波进行质量监控才是有利的而且也是较科学的，使我公司空心焊接球对接焊缝内在质量稳固在较好水准提供了科学的依据。 二、界面反射点位置的分析 探头选定之后，调校好仪器，探测实施前首先应对一次反射或二次反射的位置有一认定，常规平板探测的反射肯定是板厚乘以标称折射角的三角函数值，而空心焊接球因是曲面的工件，它的反射位置与曲率，半径及相应圆心角O′有关（图6）。 A FB’BC’ βγβEδ CO’ γDO’ 欲在内曲面形成上述较好的反射条件，则∠γ=∠β+∠O′≤70°（72°）此时，声束自入射点A至反射C（图7），在仪器萤光屏上的显示值与探测相同厚度平板的显示值在实际评判时是不同的，若探测平板反射点应在C′处，显示值B′C′=AC·COSβ=δ，而空心焊接球在内曲面一次反射点的显示值FC=AC·COSβ应大于δ，在△ACF中，欲知AC，先求解对应的圆心角O′，利用正弦定理： sin∠aco/R外=sinβ/R内 sin∠aco=R外/R内·sinβ 图6图7 则∠O′=sin（R外/R内·sinβ）-∠β=∠γ-∠β 公式3

-1

又：sin O′/AC=sinβ/R内 AC=R内/sinβ·sin｛sin（R外/R内·sinβ）-β｝=R内/sinβ·sin（γ-β） 在直角△AFC中

-1

FC=AC·cosβ=R内/sinβ·sin｛sin（R外/R内·sinβ）-β｝·cosβ= R内/tgβ·sin（γ-β）

从实际数值计算得知，由（图7）也可以看出FC大于B′C′，这就与常规平板焊缝探测时对波位置的分析有了区别，在对δ厚的平板焊缝探测中，发现反射波的位置在δ处时，我们可以认为是背缝焊角反射，但对壁厚δ的空心焊接球焊缝探测时，发现波的反射在人为标定的δ处时，这绝对是根部或近根部的缺陷反射。

根据超声波的反射理论，图7中一次反射波在球外界面D处入射并反射，这个D反射点，荧光屏上以深度显示的位置，就应该是2倍FC处，而如今尚未见过针对球类焊缝超声波检测专用试块颁布，探球仪器的调校只能沿用已颁布的常规试块，无法直观地标定声波在球壳介质中的反射位置，目前我们还只能以上述计算的FC和2FC来认定声波在球壳层内外界面的反射位置。 -1

三、缺陷反射点位置 在对空心球焊缝的超声波探测中，我们一般以一跨距为主要评测区。在此间的异常反射都应进行评判，在此我们对缺陷的性质、当量的评估暂不谈论，只对其所处的位置进行探讨。 A β D F CB O1234525225 图8 假定对一只WS5025的空心焊接钢球的焊缝用PXUT 27仪器2.5P9×9K1.5的探头，仪器调校在RB试块上按深度1：1校定，探测中发现荧光屏上50处一缺陷反射（如图8），AB为反射波在50处的理论深度AB=50，AC为反射波在50处的理论声程，C为进论反射点，F为实际反射点的荧光屏显示同样等于50，D为内曲面反射点，折射角β=k1.5=56.3°，R外=250，R内=225 AC=AB/cosβ=50/cos56.3=90.1 -1 AD=R内/sinβ·sin｛sin（R外/R内·sinβ）-β｝ -1 =225/sin56.3·sin｛sin（250/225·sin56.3）-56.3｝ =52.89 DC=DF=AC-AD=90.1-52.89=37.2 从式2、式3得圆心角O′=11.277° ∠ADO=∠FDO=180°-56.3°-11.277°=112.423°

2 公式4 OF = DF 2 ? OD -2?DF?OD?cos?FDO = 37.22?2252-2?37.2?225?cos?112.423 =241.65

EF=R外-OF=250-241.65=8.35

此时已知缺陷F点距外表面向圆心8.35mm处若探测平板焊缝该反射点是在焊缝表面。E点的弧长仍需求出：

利用正弦定理先求出∠DOE的度数，

sin∠DOE/OF= sin∠DOE/OF 设∠DOE为O”

sinO”= sin∠FDO/OF·DF=sin112.423/241.65·37.2=8.18° AE对应的圆心角OAE=∠AOD+∠DOF=11.2778+8.18=19.46° AE=Φπ/360/∠AOE 公式5 AE=Φπ/360/∠AOE =500·π/360/19.46=84.9

至此，缺陷反射点的位置我们已经知道，它位于入射点（实际操作中入射到探头前沿的弧长可近似认为就是探头前沿距离）起弧长84.9mm距外表面向圆心8.35mm处。 综上所述，我们认为空心球对接焊缝的起声波探伤中对缺陷位置的认定绝不等同于常规探测中的认定，它存在一个通过计算确定的过程。现场操作比较麻烦，目前我们尚未找出简易直观的方法。在实施检测时，首先应确定该规格空心球所应选用的探头折射角，以免过大，造成根部缺陷漏检，不同规格的焊接球不宜用同一角度探测。其次宜确定荧光屏上一次反射点和二次反射点的位置及球面上的相应弧长，探测过程中利用模糊概念，先近似评估反射点的位置对超标缺陷再进行计算确定，我们公司做过很多解剖试验，缺陷实际位置与计算误差极小，所以我们认为该方法目前可行。

参考文献

1．水利电力出版社，超声波探伤。

2．GB11345-89钢焊缝手工超声波探伤方法和结果的分析。 3．JG/T3034·1996焊接球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法。