大型船舶局部融合角焊缝无损检测方法研究

    陆文兵

    摘 要：局部熔合角焊缝的质量检测是大型船舶无损检测工作面临的全新课题。本文结合作者实际工作经验介绍了常规超声波检测、射线或磁粉与超声波结合检测、超声向控阵技术以及激光全息照相等新型无损检测方法在局部熔合角焊缝质量检验中的运用，同时对各种检测方法的优势进行了比较。

    关键词：大型船舶 局部熔合角焊缝 无损检测

    进入二十一世纪以来，船舶大型化的趋势日益明显。随着新型船舶主尺度的不断增加，船用钢材的厚度也有了显著的提高。目前大型散货船的甲板边板与舷顶列板等船舶高应力承受区域的钢板厚度已经达到30mm以上，大型集装箱船的抗扭箱、舱口围板甚至达到了80mm。由于这些位置对于船舶结构安全非常重要，因此普遍采用EH级高强度钢材，这类高等级钢材焊接工艺复杂、焊接工作量大，一旦操作不当非常容易发生质量问题。然而由于这些位置普遍采用局部熔合的角接接头型式，由于种种原因目前我国船舶工业对于这类重要位置角接焊缝质量检测主要依靠外观目视检查进行，对其内部检测方法及标准尚处于真空状态。

    目前无损检测技术的局限性

    当钢板达到一定厚度时采用局部融合而非全熔透的焊接连接型式可以避免建造过程中过多的电焊工作量，提高船舶建造效率；同时这种焊接结构能够有效地减少焊接过程中不必要的能量输入，避免焊接过程中接头韧性的损失。因此，目前世界范围内船舶工业对于40mm以上的钢材T型接头普遍采用局部深熔角焊的连接型式。

    然而，局部熔合焊角接接头的固有特点决定了其存在内部质量检测困难的问题。射线检测与超声波检测是目前造船行业中使用最为普遍的焊接接头内部无损检测方法。然而，X射线理论上最大穿透厚度只有60mm，实际普遍在40mm左右；γ射线的穿透力虽然强一些（根据γ源的不同可达120-200mm），然而由于角接接头存在复杂的几何形状，理论上γ射线也只能检测板厚不超过60mm的角接接头，且无法准确判断缺陷的位置是在焊道还是母材上。常规的超声波检测虽然可以扫查到焊道内部情况，然而由于存在留根问题，当波束扫查到焊道根部时，无损检测人员很难从反射波形上分析究竟是焊道的几何边界还是缺陷。因此常规的超声波检测对于焊道根部这一最容易产生致命缺陷的位置也无能为力。同时超声波波束在厚板结构中的能量损失较大，检测过程中得到的反射波波形也不明显，利用常规超声波检测这类焊缝内部缺陷存在一定的困难。因此，根据我国船舶行业现有的无损检测标准及工艺，对于局部深熔角焊缝的质量检查只能采用外观目视检查以及磁粉检测的方法进行表面质量检测，对其内部检查尚无有效方法。

    常规超声波检测对局部熔合角焊缝的检查方法

    合适的检测方法和检测工艺是超声波检测局部熔合角焊缝内部缺陷的关键。常规的全熔透角焊缝超声波检测主要采用小角度斜探头在角焊缝附近的钢板区域扫查（如图1左图所示），这种方法对焊道内的纵向缺陷有效，然而由于波束与缺陷的角度难以控制，这类扫查方法对于焊道内的横向缺陷、特别是微小的横向裂纹收效甚微。同时这类检测方法对于部分熔合角焊缝根部缺陷与形状反射波区分的难度较大。

    图1 超声波检测时探头的位置

    对于部分熔合角焊缝的无损检测可以参照国标（GB11345-89）对接焊缝C级检测的方法采用如图1右图所示将探头骑在角焊缝表面上的扫查方式，将角焊缝表面打磨光顺后在内、外两侧焊缝表面各作一次双向平行扫查，以确保超声波束能够扫查到焊道的整个截面。为确保能够有效地检测出危害性缺陷，扫查时超声波入射角与危害性缺陷应尽可能垂直，因此探头角度要尽量大，通常可以选择70°左右的探头为宜。同时，考虑到焊缝表面难以完全打磨光顺，超声波扫描频率不宜太大，控制在2.5MHz左右检测效果最好；表面补偿量可根据焊缝实际打磨情况而定，通常应取4dB或更大；为增强声能耦合，探头晶片尺寸不宜过大，实际应选用9×9或更小的晶片；另外，作为耦合剂的浓度比普通类型的超声波检查要更高，而且要反复涂刷，以最大可能地减少声能量的衰减。对于扫描参数可参照欧盟标准EN1712、EN1714标准相关检测条件、参数做出选择。

    实践证明这种将探头骑在角焊缝表面上的扫查方式，能有效地发现角焊缝内部危害性缺陷。其主要优点在于设备操作非常简单，采用常规的超声波检测仪器及探头即可完成检测。对于接头内部检测结果的评判也类似于常规的超声波检查，具有一定经验的无损检测人员很容易掌握。然而该方法对焊道打磨要求较高，焊缝表面不能成明显凸状，否则入射波声能损耗过大将导致示波屏上易形成不规则的杂波，影响缺陷的判断。由于实践中焊道很难打磨到理想的光顺状态，因此需要检测人员根据焊道的实际情况及检测经验选择合适的探头及扫描参数，如果参数选择不合适就可能造成漏检。虽然在实践中可以采用多个扫描参数多次检测的方法解决这一问题，然而焊道打磨及多次检测对于船舶建造周期的影响也是不可忽略的。

    射线或磁粉与超声波相结合的检查方法

    由于结构刚性及焊接区域的温度热量梯度，焊接缺陷、特别是裂纹等具有较大危害性的焊接缺陷通常出现在焊接的初始阶段，即根部打底焊阶段。因此在实践中可以采取两次或者多次无损检测的方法对焊道的质量状况进行检测，即在打底焊结束后采用射线或工业可视化射线检测的方法对打底焊质量进行检查，确认无问题之后继续烧焊，待焊接结束后采用超声波对未检测的盖面焊部分进行检查。对于照射厚度超出射线检测范围的位置，也可以采用磁粉检测代替射线检测。为确保焊接质量，打底焊通常采用小电流低速的烧焊方式，熔深不会太大，其内部缺陷用磁粉检测的方法足以检出。

    常规的射线或磁粉与超声波相结合的检测方法能够充分地发挥各种无损检测方法的优势，有效地避免部分熔合角焊缝内部的漏检。具体的检测操作及缺陷判定标准与常规无损检测没有太大区别。采用这种方法的检测工艺参数及焊道的打磨要求相对之前的检测方法而言简化了很多，实际操作起来更加便利。然而该方法需要在焊接的过程中进行无损检测，现行无损检测标准中射线及磁粉检测均需要对焊道表面进行冷却及清理，焊道在检测过程中存在一个保温逐渐冷却后清洁焊道待检测完成后重新烧焊前再加热的过程，这必然对生产效率造成一定的影响。

    新型无损检测工艺在部分熔合角焊缝无损检测中的应用

    随着世界范围内无损检测技术的不断发展，今年来不断完善的超声波相控阵成像技术、激光全息照相等新兴无损检测技术也可用于船舶部分熔合角焊缝的质量检测。

    1、超声波相控阵技术

    超声相控阵技术是对阵列探头的不同单元在发射或接收声波时施加不同的时间延迟（发射电压幅度）规则，即聚焦法则，通过波束形成实现声束的移动、偏转和聚焦等功能的超声成像检测技术，是近年来超声检测中的一个新的技术热点。与传统超声检测相比，超声相控阵技术最明显的特点是可以实现焊缝内部缺陷位置的成像，对于检测结果的显示非常直观。当在复杂结构件和常规超声波探测盲区进行检测时，超声波相控阵技术具有非常明显的优势。

    从某种意义上来说，超声波相控阵技术的实质是将焊缝内部的实际情况以图像的形式在显示器上展现出来。因此当对部分熔合角焊缝内部进行质量检测时，该技术相对于传统的无损检测方法而言具有无可比拟的优势。然而目前超声波相控阵检测设备主要以进口为主，总体成本，特别是探头等消耗件的价格非常昂贵，这在很大程度上制约了该技术的推广。另外，超声波相控阵检测仪器设置复杂，校准繁琐，检测工艺需要计算机软件辅助，与传统的超声波检测有很大区别。因此超声波相控阵仪器的操作及缺陷的判定需经过一定时间的专业训练方能掌握，对操作人员的总体要求较高。更为重要的是目前国际上并没有公认的关于超声波相控阵检测人员资质以及检测结果评定方面的标准，船东及船级社是否愿意接受这种检测方法也是该技术在采用是需要重点关注的问题。

    2、激光全息照相检测技术

    激光全息照相检测技术的基本原理是通过对被测物体加外加载荷，利用有缺陷部位的形变量与其它部位不同的特点，通过加载前后所形成的全息图像的叠加来反映结构内部是否存在缺陷。当全息照片上的干涉条纹显示有规律、连续的特点时，说明结构内不存在缺陷；而当全息照片上的突变及不连续位置即可能存在缺陷。实践中常见的加载方式主要有机械加载、振动加载、压力加载及热加载几种方式。激光全息照相技术对被检测物体的形状及表面状态没有特殊要求，整个检测过程中与检测结构不会发生接触，可以通过干涉条纹的形状进行定量检测，检测灵敏度高，检测结果也相对直观。

    激光全息照相检测技术在船舶工业中推广的最主要障碍在于加载方式的选择。由于部分熔合角焊缝位置结构刚性普遍较大，常规的机械加载、振动加载、压力加载等方式都难以使结构发生足够的塑性变形，进而影响检测的灵敏度。从理论上来说热加载可以使结构产生足够的变形，然而加热过程需要消耗大量的能源及时间，对生产进度的影响是非常显著的。在实践中也可以通过改变分段的放置位置从而改变其内部受力状况实现加载，但这种加载方式需要大型起重机全程配合，对生产效率也会造成一定的影响。

    结束语

    部分熔合角焊缝的无损检测是世界船舶工业发展过程中必须面对的问题，尽管以上给出了几种对于这类焊缝内部质量检测的方法，然而这些方法只是笔者实践工作经验的总结，缺乏国际公认的检测工艺以及评判标准的问题。根据当前世界科技发展趋势，加快新工艺、新标准的制定对于我国船舶工业的发展具有非常重要的意义。

    （作者单位：上海船厂船舶有限公司）