■建筑结构福建建设科技 20101No1223
陈 华(福建省建筑科学研究院 福州 350025)
[摘 要] 本文就钢结构薄板焊缝缺陷的超声波检测所涉及的关键性问题进行分析，通过对特制试样的研究，提出相应的检测方法。 [关键词] 钢结构 薄板 焊缝 超声波探伤
Resear ch of ultra sonic test ing of w el ds for st eel sheet s
Abstract:By t he analysis of key problems about welding f la w of steel shee ts and the re search of special sa mple s,the a utho r ad2 va nced t he cor responding testing methods.
K e y words:steel struct ur e;shee t;weld;ult rasonic testing
1前言
在建筑工业领域中，根据钢板的厚度的不同，将钢板分为薄板、中厚板和厚板。一般薄板厚度δ<8mm，
中厚板δ≥8mm。目前，国内钢结构焊缝的超声检测与评定按《钢结构工程施工质量验收规范》G50205-2001和《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》G B11345-89执行。而G B11345-89仅适用于板厚在8mm以上的焊缝，对于板厚在8mm以下的焊缝，目前国内外并没有具体的、系统的检测标准参照，近些年建筑钢结构的兴起，检测标准没有相应修改，板厚在8mm以下的焊缝经常出现严重的焊接缺陷。 本文运用超声波检测新技术，就焊缝内部缺陷的超声波检测及安全评定过程中所涉及的关键性问题进行分析，研究超声探头各个参数对探测缺陷能力的影响，通过对特制试样的试验研究，解决厚度在2.8mm～8mm的薄板焊缝超声波检测所存在的问题，填补了G B11345-89规范仅限于≥8mm 的钢焊缝超声波检测方法的空白，通过细化对探头参数的选择，调整了DAC曲线灵敏度取值及缺陷质量分级，补充了《钢结构超声波探伤及质量分级法》J G/T203-2007中对建筑用薄钢板焊缝超声波检测的办法。
2焊接缺陷类型
影响焊缝性能的焊接缺陷有裂纹、未焊透、未熔合、夹渣和气孔等。 2.1裂纹
裂纹是一种具有尖锐端头且其开口位移长、长宽比极高的断裂型非连续性、锯齿形缺陷，它是焊缝中最危险的缺陷，其形成原因是由于焊接中熔融金属凝固时的收缩，以及母材在焊接过程中加热不均匀，使熔融金属与母材都处于张力状态所致，所以在焊缝内或热影响区容易产生裂纹。代表性的裂纹如图2.1所示。 2.2未焊透
在焊缝的坡口处或根部，由于电弧未将母材熔化或未填满熔化金属所引起的缺陷，称为未焊透。不完全焊透时坡口的根部或清根不充分时坡口的底部残留着未熔合部分，成为如图2.2所示的未焊透。坡口角度过小或根部间隙过于狭窄时容易产生未焊透。多数情况是连续产生一定长度的未焊透。特别是在背面不可能进行焊接的管材的对接焊缝容易产生。也有沿焊接线全长产生未焊透的极端情况。
3
未熔合
⑴焊口裂纹 ⑵热影响区的横裂纹 ⑶焊道下裂纹 ⑷焊接金属的根部裂纹 ⑸结合裂纹 ⑹缝边裂纹 ⑺焊接金属的纵裂纹 ⑻焊接金属的横裂纹
电流器图2.1
焊接裂纹的种类
图2.2 未焊透
所谓未熔合系指母材与焊缝金属(焊条熔化进入坡口的金属)没熔合及在焊接中前层焊缝金属和后续焊
缝金属未熔合。坡口角度过小，母材或前层焊缝金属熔合不充分时，和焊接时焊缝的表面附着的熔渣和氧化物清除不彻底时产生熔合不良。后者多在熔合不良缺陷中含有熔渣，多数情况下不能清楚地和夹渣区别。在结合部产生的熔合不良例子如图2.3
所示。
图2.3 未熔合
2.4夹渣
夹渣为焊接时熔池里熔渣未浮出而残留在焊缝中的缺陷。熔渣的一部分常残存在焊接金属内部，另一种情况是，当附着在下层焊接金属表面上的熔渣清除不彻底时，在上层焊接中不熔化而残存着。一般来说前者较小且分布比较均匀，反之，后者在多数情况下较大且形状不规则。夹渣的发生位
2.
置如图2.4所示，夹渣常沿着结合部位发生。焊缝中的夹渣主要是氧化物、
硫化物等金属夹杂物。
图2.4 夹渣的发生位置
2.5气孔
气孔是在焊接金属中存在的球状孔洞。这是在焊接金属冷却时，包含在熔化金属中的气体析出，没有完全浮到表面时就凝固而留在焊接金属中引起的。形成气孔的气体多数情况下是氢和二氧化碳气体，另外，还有焊条干燥不充分和电弧保护不好等原因。细小气孔数量多的情况称为多孔性，长而连续的情况称为虫形气孔，如图2.5所示。
图2.5 多孔性和虫形气孔
在使用低氢焊条时焊道的起点和二氧化碳气体焊缝，容
易产生如图2.5(a )的密集气孔。在初层焊接中常产生如图2.5(b )所示的直线状气孔。在这种场合下，往往同时存在着未焊透。气孔本身并不那么有害，但在产生气孔那样的焊接状况下，也有可能产生其他有害的缺陷。
涂锡焊带3薄板焊缝超声波探伤专用探头、试块的研制及试样制备
3.1超声波探伤专用试块的设计制作用试块作为调节仪器、定量缺陷的参考依据，是超声波探伤的—个
特点。根据检测需要制作B H —I 、B H —Ⅱ型试块，其中，试块长度可按具体情况调整。对比试块采用与被检测材料相同或声学性能相近的钢材，其形状和尺寸如图3.1
所示。
图3.1-1 B H —I 试块
3.2薄板焊缝缺陷试样的设计制作
3.2.1坡口未熔合
先刨削加工好试板的坡口面，在一侧的坡口面上放上并环焊好废旧手工钢锯条断片(其大小、数量根据需要定)，再与另一侧对接焊即可。如采用厚度为1—1.5mm 的小铁片，效
果也一样。
3层间未熔合
在焊缝的层与层之间放上并环焊好废旧手工钢锯条断片，继续焊好即可。
33
内部未焊透
图3.1-2 B H —Ⅱ试块
可以将钝边尺寸加大或不刨坡口，再配以较粗的焊条，用较低电流施焊即可。
3.2.4根部未焊透
两块钢板将钝边顶死将钢板拼在一起，然后焊好坡口，再把钢板翻过来把底部的缝隙封焊好即可。
3.2.5内部裂纹
采用断裂法制作内部裂纹。先将刨好的试块局部焊接起
来，焊接长度稍大于欲得到的裂纹长度。冷却后，用外力(如锤击或材料实验机加压力等)使之断裂或断开。再摆平对好,
用较低焊接电流将断处封焊好，其余都按正常工艺焊接即成。
一次性餐具环保3.2.6表面裂纹
在焊接普通钢板时，最初几层用碳钢焊条焊接，但焊到倒数第二层时改为先用奥氏体不锈钢焊条间断地焊几小段(一般是1～3段，每段长30mm 左右)，再用碳钢补全该层(也可是整个倒数第二层都用不锈钢焊条)。最后一层即表面层全部都用碳钢均匀盖好，立即喷冷水。这样在凡有不锈钢的部位都会有表面裂纹产生。
3.2.7气孔
要使焊缝产生气孔只需要焊条潮湿、有锈、油污即可。3.2.8夹渣
电流太小，熔池温度不够都易产生夹渣，在焊缝的层与层之间放入一小段瓷片或在焊完一层之后不敲渣即可产生夹渣。
3.3研制特种换能器
在声学领域，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的相互转换。超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转化，因此把探头叫做换能器。
3.3.1探头类型
在焊缝超声探测时，总希望声速尽可能地垂直于缺陷反射面，以获得较大稳定地缺陷反射波.薄板焊缝探伤时，由于板厚较薄，除满足声束角度方面的要求外.还希望减少变形波、表面波的干扰，并对声速垂直方向上的分辨力有一定的要求，这样就使得探伤时对探头晶片的频率、探头入射角度、晶片尺寸等参数的选择存在一定的局限性。为了满足薄板焊缝超声波探伤的需要，我们研制了双晶双倾角聚焦横波斜探头。
3.3.2探头频率的选择
由于薄板焊缝探伤时声束基本上是工作在1.6N 以内，焊接件晶粒较细，为了能达到相应的灵敏度要求，应选择较高频率的探头，同时也可以减少表面波的干扰，选择探头频率5M Hz 。
3.3.3探头晶片尺寸
选择小晶片有利于提高声束的纵向方向分辨力。大K 值探头可使假象源的尺寸在垂直方向进一步缩小。否则，将产生严重的表面波和变形波的干扰，使缺陷波难以分辨。晶片尺寸对声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响，综合考虑，选择探头晶片尺寸为3×5×(双)和6×6(单)。
(下转第页)
.2.2.2.2mm mm 22
力8.8N/mm 2<0.8f c k =0.8×29.6=23.7N/mm 2。
4细部设计
(1)加劲横隔梁(L1)的布置及尺寸：为增加预应力梁板
的整体性，增强次梁之间协同受力的能力，在次梁之间沿B 轴、C 轴、E 轴以及5/E 轴设置4道加劲横隔梁(L1)，一般横隔梁的高度取为预应力次梁高度的3/4，宽度为200～250[5]，配筋按构造进行设置。
(2)后浇带的设置：由于力筋的张拉对预应力次梁要形成
轴向变形，为防止该变形对8～12轴以外的非预应力部分形成影响，在8轴及12轴附近设置后浇带，待预应力张拉完成后再进行混凝土浇注。
(3)节点设计：预应力次梁Y L1与主梁W K L2相交形成
相交节点，一般有外凸式和
内凹式两种方式，对于外凸式，一方面锚头外露，建筑立面上不好处理，另一方面，张拉时的预压力将沿主梁表面产生较大的分力，所以必须验算外凸部分与主梁接触面的抗剪承载力。对于凹入式，基本可以克服上述缺点，张拉时缺口处的抗剪面比外凸式要大得多，只要构造得当，一般不会对主梁造成不利影响。工程采用凹入式节点，如图7
所示。
图7 预应力次梁与边主梁相交凹入式节点大样5结论
(1)本大跨屋盖采用预应力次梁密肋梁板结构方案，该方
案的最大特点在于把次梁布置在柱网尺寸大的方向，并施加
预应力，把主梁放在柱网尺寸小的方向，一般不必施加预应力。该方案传力途径清晰，比较经济合理;
(2)大跨次梁体系中，中间支座处主梁的抗扭是该体系中
一个较为突出的问题，本工程采取将次梁简支于中间主梁之
上来解决主梁抗扭问题。对于中间跨较长，两侧延伸跨较短的3跨连续梁，两侧短跨对中间跨约束较少，次梁两端的约束按半刚接考虑;
(3)除预应力次梁自重以外，覆土荷载以及使用活荷载较大是本工程另一个较为突出的问题，合理选用裂缝控制等级是解决施工阶段预应力反拱不超过规定限值的一个有效措施;
(4)加劲横隔梁的设置能有效增加预应力梁板的整体性,
增强次梁之间协同受力的能力。后浇带的设置是减少力筋张拉对非预应力结构影响的重要手段;
(5)预应力次梁与边主梁相交时，凹入式节点优于外凸式
节点。
参考文献
[1]李唐宁、秦士洪、周晓雪、何洪建，大跨预应力次梁楼盖结构体系设
计，北京：工业建筑,1999.10
[2]大跨度预应力次梁楼盖结构体系工程实践和理论研究总报告，重
庆建筑大学建筑工程学院,1997
[3]中华人民共和国国家标准，混凝土结构设计规范(G B50010-2002)，北京：中国建筑工业出版社,2002.01
[4]吕志涛、孟少平，现代预应力设计，北京：中国建筑工业出版社,1998.5
[5]东南大学、同济大学、天津大学合编，混凝土结构(下)-混凝土桥
梁设计，北京：中国建筑工业出版社,2003.1
抗石击涂料[6]刘宜丰、黄利平，阶梯教学楼大跨度预应力次梁楼盖结构设计，北
京：建筑结构,2004.08
作者简介：郑国和，男,1967年8月出生，工程师，福建交通
职业技术学院任教。研究方向：力学。
(上接第24页)
4缺陷的评定与质量分级
根据大量的试验数据和数理统计工作，制定专用的薄板焊缝超声波探伤DAC 曲线和质量分级法。
4.1DAC 曲线的绘制
采用在B H —Ⅰ对比试块上实测的ф2mm 横通孔反射波幅以及表面补偿数据，按表4.1的规定绘制DAC 曲线。
表4.1
DAC 曲线的绘制
板厚δ(m m)6≤δ<8 2.8≤δ<6所用试块BH -ⅡBH -Ⅰ
DA C 曲线灵敏度
RL
S L
E L
RL
防伪标签识别
S L
E L
人造石板
DA C 24d B DA C 210d B DAC 216dB D AC 26dd B DAC 212dB DAC 218d B
4.2薄板焊缝的质量分级
根据大量现场检测检测工作，对于板厚≤8mm 的薄钢板焊缝采取下列评定标准:
对于焊缝中有任何裂纹、未熔合和未焊透等危害
性缺陷，均判为不合格。
缺陷反射波高位于D 曲线Ⅲ区时，为不合格;
位于DAC 曲线Ⅱ区时，应测长;
4.2.3薄板焊缝质量分类与分级应符合表4.2的规定。
表4.2质量分类与分级
等级板厚δ(mm)反射波幅(所在区域)单个缺陷指示长度L (mm)
I
2.8≤δ<8I 非裂纹类缺陷
2.8≤δ<66≤δ<8
II L 最大为5L 最大为8II
2.8≤δ<66≤δ<8II L 最大为8L 最大为10Ⅲ 2.8≤δ<66≤δ<8II L 最大为12L 最大为16Ⅳ
2.8≤δ<8
II
超过Ⅲ级者Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
裂纹等危害性缺陷
参考文献
[1]福建省建设厅.DBJ /T13-104-2009建筑用薄钢板焊缝超声检
测及质量分级法[S].福州.2009
作者简介陈华()男，同济大学工学硕士，高工，研究方向建筑结构检测。
4.2.14.2.2A C :1970--:
