超聲波探傷技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)無損檢測中的應(yīng)用

李克冰 南昌市建筑科學(xué)研究所（南昌市建筑工程質(zhì)量檢測中心）

1 前言

當(dāng)前我國建筑施工領(lǐng)域應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)較為頻繁，在鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)也要相應(yīng)的焊接技術(shù)，以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的有效連接，但是在應(yīng)用焊接技術(shù)時(shí)要避免鋼結(jié)構(gòu)工程因連接處不當(dāng)操作而出現(xiàn)縫隙等，因此應(yīng)用焊縫無損檢測技術(shù)至關(guān)重要，可以針對(duì)不同類型的鋼結(jié)構(gòu)工程及結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行全面的檢測，提高焊縫的整體質(zhì)量。但是如果只是簡單開展焊縫質(zhì)量檢查和缺陷排查，則往往會(huì)受到相關(guān)因素的影響和干擾，如金屬疲勞或出現(xiàn)質(zhì)量缺陷等，所以在鋼結(jié)構(gòu)工程中廣泛應(yīng)用焊縫無損檢測技術(shù)更加具有現(xiàn)代化的應(yīng)用意義和價(jià)值，能夠有效促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫連接技術(shù)水平的全面提升。

2 高層鋼結(jié)構(gòu)焊縫存在的缺陷

2.1 高層鋼結(jié)構(gòu)焊縫存在的常見缺陷

高層鋼結(jié)構(gòu)焊縫存在幾種常見的缺陷，這些缺陷，是施工單位在開展鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，需要進(jìn)行檢測的缺陷。

a)裂紋

裂紋，是指鋼結(jié)構(gòu)在焊接后或者焊接過程中，由于種種原因，焊接材料與被焊接材料的熔合之處產(chǎn)生了裂縫。比如焊縫中存在低熔點(diǎn)共晶體，導(dǎo)致綱結(jié)構(gòu)的焊接存在了質(zhì)量問題。裂紋又分為熱裂紋和冷裂紋兩種，這兩種裂紋對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的危害都比較大。

b)氣孔

氣孔，是指鋼結(jié)構(gòu)在加工過程中金屬吸收了太多的氣體，或者在焊接的過程中產(chǎn)生了過多的氣體而形成的空穴。在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫鍛造時(shí)，形成氣孔的因素比較多，它包含環(huán)境因素、施工技術(shù)因素、施工材料存在缺陷的因素等。通常氣孔會(huì)以橢圓形或球形的方式出現(xiàn)，它外實(shí)中空。氣孔還有密集氣空或單個(gè)氣體的區(qū)別。當(dāng)前人們可以應(yīng)用點(diǎn)狀缺陷回波特征來檢測鋼結(jié)構(gòu)是否存在氣孔。

c)夾渣

夾渣是指焊縫中存在著溶渣或其它非金屬夾雜物，通常它以條狀或點(diǎn)狀的方式出現(xiàn)。出現(xiàn)夾渣的原因是由于坡口不干凈、層間清渣不凈、焊接電流過小導(dǎo)致鋼材料未徹底焊成、焊接速度過快產(chǎn)生的化學(xué)反映不良導(dǎo)致生成雜質(zhì)、溶池冷卻過快形成雜質(zhì)且來不及浮起的緣故。雜渣的出現(xiàn)會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的物理性能。

d)未熔合

未熔合是指在焊接兩層金屬時(shí)，兩層金屬?zèng)]有熔合在一起。未熔合的因素包含在焊接以前沒有處理好焊接材料的表面，導(dǎo)致出現(xiàn)了雜質(zhì)；焊接電流過小，溫度沒有達(dá)到要求；焊接速度太快，焊接材料和被焊接材料沒有焊接在一起；焊接的技術(shù)出現(xiàn)問題等。未熔合會(huì)導(dǎo)致鋼材料的參數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。

e)未焊透

未焊透與未熔合的因素相同，只是在焊接時(shí)，焊接材料和被焊接材料沒有徹底焊接在一起，呈現(xiàn)存在連接，然而施工質(zhì)量卻未達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

2.2 高層鋼結(jié)構(gòu)焊縫常見缺陷的超聲波探傷識(shí)別技術(shù)

應(yīng)用這種監(jiān)測技術(shù)來檢測鋼材料的缺陷時(shí)，它針對(duì)的對(duì)象為氣孔、夾渣缺陷。它的應(yīng)用原理是應(yīng)用超聲波監(jiān)測鋼材料焊接處，將監(jiān)測的超聲波波形與焊接質(zhì)量合格的波形進(jìn)行對(duì)比，分析波形是否存在峰值兩側(cè)呈峰狀或球狀的異常變化，以此判斷鋼材料的焊接空間結(jié)構(gòu)異常。在監(jiān)測氣孔時(shí)，人們可以讓超聲波的探頭對(duì)鋼結(jié)構(gòu)前后、左右進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，然后分析反射體的回波動(dòng)態(tài)特征。通過分析回波動(dòng)態(tài)特征，人們可以初步判斷出鋼結(jié)構(gòu)是否存在缺陷及判斷缺陷的類型。

a)點(diǎn)狀缺陷回波特征

存在氣孔或夾渣點(diǎn)狀反射體回波行征為尖峰的形態(tài)，即波幅平滑，由零上升到最大值，又陡然下降到最小值。然而如果波幅峰值尖細(xì)成球形，則意味著鋼結(jié)構(gòu)的體積發(fā)生了異常變化，而出現(xiàn)氣孔就是讓鋼結(jié)構(gòu)體積發(fā)生變化的因素之一。

b)線性缺陷回波特征

它針對(duì)的對(duì)象為夾渣、未焊透、未熔合缺陷。它的應(yīng)用原理是應(yīng)用超聲波監(jiān)測鋼材料焊接處，將監(jiān)測的超聲波波形與焊接質(zhì)量合格的波形進(jìn)行對(duì)比，分析波形是否存在峰狀或者類球狀，根據(jù)球狀兩側(cè)呈不規(guī)則分布的異常變化，以此判斷鋼材料的焊接空間結(jié)構(gòu)異常。以夾渣為例，當(dāng)鋼材料存在夾渣時(shí)，夾渣的體積與氣孔存在區(qū)別，它有可能為規(guī)則的球狀，也可能是不規(guī)則別的形狀，以此為基礎(chǔ)，可以得到鋼材料焊接處的空間存在異常，但是它不是由于氣孔的緣故存在的異常，而有可能是夾渣存在的異常。

c)體積狀缺陷回波特征

它針對(duì)的對(duì)象為大夾渣缺陷。它的應(yīng)用原理是應(yīng)用超聲波監(jiān)測鋼材料焊接處，將監(jiān)測的超聲波波形與焊接質(zhì)量合格的波形進(jìn)行對(duì)比，分析波形是否存在峰值兩側(cè)呈不規(guī)則的峰狀，或者呈多種不規(guī)則類球狀的異常變化，以此判斷鋼材料的焊接空間結(jié)構(gòu)異常。夾渣的體積存在不規(guī)律性，并且夾雜的內(nèi)在結(jié)構(gòu)也存在差異，于是當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大夾渣時(shí)，超聲波檢測出來的波形峰值可能出現(xiàn)各種不規(guī)則的連續(xù)異常。

d)平面狀缺陷回波特征

它針對(duì)的對(duì)象為裂紋、面狀未熔合、面狀未焊透缺陷。它的應(yīng)用原理是應(yīng)用超聲波監(jiān)測鋼材料焊接處，將監(jiān)測的超聲波波形與焊接質(zhì)量合格的波形進(jìn)行對(duì)比，分析波形是否存在多重如同不規(guī)則鋸齒形峰狀，或者不規(guī)則鋸齒形峰狀的峰尖異為圓滑的異常變化，以此判斷鋼材料的焊接空間結(jié)構(gòu)異常。裂紋、面狀未熔合、面狀未焊透存在有些位置焊接質(zhì)量可能合格而有些位置焊接不合格的問題，于是它的監(jiān)測結(jié)果波形或者異常或者不異常，異常與不異常的波形緊密結(jié)合導(dǎo)致波形的峰值存在不規(guī)律性，呈現(xiàn)鋸齒狀波形成監(jiān)測裂紋、面狀未熔合、面狀未焊透缺陷時(shí)需要觀察的波形特征。

e)多重缺陷回波特征

它針對(duì)的對(duì)象為密集氣孔缺陷。它的應(yīng)用原理是應(yīng)用超聲波監(jiān)測鋼材料焊接處，將監(jiān)測的超聲波波形與焊接質(zhì)量合格的波形進(jìn)行對(duì)比，分析波形是否存在各種不規(guī)律的，大量的異常波形狀態(tài)特征。當(dāng)出現(xiàn)波形特征狀態(tài)連續(xù)異常，并且每個(gè)單獨(dú)的波形特征又呈點(diǎn)狀缺陷特征時(shí)，便判斷為密集氣孔存在的缺陷。

3 鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫無損檢測技術(shù)分析

鋼結(jié)構(gòu)工程中所應(yīng)用的焊縫無損檢測能夠有效避免鋼結(jié)構(gòu)檢測材料受到檢測的損傷，也能全面檢測與排查鋼結(jié)構(gòu)材料表面和內(nèi)部所出現(xiàn)的缺陷，并對(duì)材料的性能狀態(tài)等進(jìn)行全面的檢測。

3.1 超聲檢測技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫無縫檢測技術(shù)中應(yīng)用超聲檢測技術(shù)，主要通過材料自身缺陷所呈現(xiàn)出的聲學(xué)特點(diǎn)，在進(jìn)行超聲檢測時(shí)會(huì)對(duì)超聲波的傳播造成影響，應(yīng)用超聲檢測技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)材料物體的檢測與排查，超聲檢測技術(shù)時(shí)所主要采用的頻率為0.4MHz～4MHz，此種技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫無損檢測之中。以A型脈沖反射法為例，在應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)時(shí)能夠針對(duì)呈現(xiàn)平面狀態(tài)的缺陷進(jìn)行更加精準(zhǔn)的檢測，檢測效率更高。例如，鋼結(jié)構(gòu)工程中材料之間出現(xiàn)了未融合或未焊透的問題，能夠應(yīng)用脈沖反射法進(jìn)行檢測，并且應(yīng)用此類檢測技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本投入較低，但是其主要缺陷在于超聲檢測技術(shù)應(yīng)用過程中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程檢測材料的表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)較高，如果進(jìn)行檢測人員專業(yè)能力不熟練也會(huì)導(dǎo)致超聲檢測技術(shù)效果受限。

3.2 射線探傷技術(shù)

射線探傷技術(shù)主要應(yīng)用C射線或X射線，讓射線穿透焊接處位置，讓成像能夠直接投射至熒光屏上，操作人員可以通過熒光屏了解檢測材料中所存在的缺陷問題、大小問題等，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫質(zhì)量水平進(jìn)行全面的判定與等級(jí)劃分。應(yīng)用射線探傷技術(shù)也能有效推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫無損技術(shù)的廣泛應(yīng)用與質(zhì)量提升。例如，所檢測的鋼結(jié)構(gòu)工程處于密閉性較強(qiáng)的區(qū)域，在此時(shí)進(jìn)行焊縫檢測就需要應(yīng)用射線探傷技術(shù)，主要采用照相觀察的方式方法，提高檢測效果與質(zhì)量。此外，在應(yīng)用射線探傷技術(shù)時(shí)也可以同步應(yīng)用電離與監(jiān)督方法，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程中所出現(xiàn)的不同焊縫缺陷問題進(jìn)行嚴(yán)格的劃分與精準(zhǔn)識(shí)別，特別是此類照相觀察的方式，其底片能夠進(jìn)行長時(shí)間留檔。但是值得注意的是應(yīng)用射線探傷技術(shù)時(shí)，射線難免會(huì)對(duì)施工技術(shù)人員造成健康等方面的影響，且應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)成本較高，在無損檢測判斷周期方面耗時(shí)較長。

3.3 全息探傷技術(shù)

全息探傷技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，且在當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫無損檢測中，應(yīng)用范圍較窄。該項(xiàng)技術(shù)能夠有效針對(duì)結(jié)構(gòu)工程元件表面和內(nèi)部進(jìn)行全面的探測，及時(shí)識(shí)別相關(guān)缺陷的大小和位置，并實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的定位，能夠幫助檢測工作人員更加明確地對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫質(zhì)量進(jìn)行判斷。但是全息探傷技術(shù)在應(yīng)用過程中需要投入大量的資金成本，這也是導(dǎo)致此項(xiàng)技術(shù)難以廣泛推廣應(yīng)用的主要弊端。

4 鋼結(jié)構(gòu)焊接加工的主要知識(shí)

4.1 鋼結(jié)構(gòu)焊接加工的方法及主要形式

在開展鋼結(jié)構(gòu)焊接加工時(shí)，人們需要了解焊接方法及主要形式，在焊接的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)施工可能會(huì)出現(xiàn)缺陷。

a)焊接方法

在開展鋼結(jié)構(gòu)的施工時(shí)，將鋼材連接起來的重要方式之一就是焊接。當(dāng)前人們?cè)谑止ず附拥幕A(chǔ)上創(chuàng)造出了自動(dòng)焊接的方式，并且為了避免環(huán)境因素的影響，人們研發(fā)出了應(yīng)用氣體保護(hù)的焊接技術(shù)，及各種控制焊接溫度和速度的技術(shù)。建筑施工的焊接技術(shù)原理就是利用電能或其它的能量產(chǎn)生高溫讓金屬熔化形成熔池，然后讓熔融的金屬在熔池中經(jīng)冶金反應(yīng)后進(jìn)行冷卻，之后焊接材料和被焊接材料將融合在一起。人們?cè)趹?yīng)用焊接技術(shù)時(shí)，要應(yīng)用各種方法既讓材料焊接在一起，又盡可能的不破壞材料本身的性能。如果在焊接的過程中，材料的性能發(fā)生了變化，并影響鋼結(jié)構(gòu)的使用，那么焊接便存在質(zhì)量問題。

b)主要形式

目前焊接技術(shù)最常見的焊接形式為坡口形式及接頭形式。坡口形式是指為了讓焊接材料和被焊接材料能完全融合于一體，人們會(huì)在焊接材料和被焊接材料接縫處預(yù)留I型、V開支、U型、X型、K型的接口，而預(yù)留坡口的目的是為了讓材料能完全熔透，減少填充量；而坡口面的鈍邊設(shè)計(jì)目的是為了在熔透的過程中防止咬邊；保留材料間隙的目的，是為了控制內(nèi)凹，防止材料沒有焊透。接頭形式包含對(duì)接接頭、角接接頭、T型接頭，人們可以根據(jù)需要選擇不同的接頭形式來建構(gòu)鋼材料焊接以后形成的幾何形狀。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷中偽缺陷波的分析與判斷

雖然在鋼結(jié)構(gòu)的焊縫探傷中，超聲波檢測具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，然而它還是存在偽缺陷波的判別問題，即由于種種因素，導(dǎo)致超聲波檢測存在誤判。人們必須要了解幾種常見的誤判特征，在判斷鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷時(shí)排除誤判。

a)儀器雜波

這是指儀器本身性能不良，在作業(yè)的時(shí)候出現(xiàn)了誤判。人們可以通過安裝和卸下探頭的情況下，觀察儀器靈敏度變化的方法分析儀器是否存在雜波。為了避免作業(yè)出現(xiàn)這一缺陷，要制訂合理的維修計(jì)劃。

b)探頭雜波

它是由于探頭本身存在缺陷而導(dǎo)致作業(yè)出現(xiàn)誤差，通常人們可以觀察探頭出現(xiàn)特殊波形以后，波形位置不隨探頭移動(dòng)而移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)這一情況即能了解作業(yè)時(shí)是否存在這種誤判。人們可以應(yīng)用修理或更換探頭的方式解決這種判斷缺陷。

c)耦合劑反射

這種誤判通常出現(xiàn)在薄板焊縫探傷中，當(dāng)探頭的折射角大、靈敏度調(diào)節(jié)較高時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一部分能量被轉(zhuǎn)換成表面波的誤判。在人們判斷可能存在這種誤判時(shí)，可以應(yīng)用擦掉探頭前的耕合劑的方式解決這一誤判問題。

d)咬別反射

通常這種誤判會(huì)出現(xiàn)一次、二次波前面，當(dāng)可能存在這種誤判時(shí)，可以用手指沾點(diǎn)耦合劑輕敲焊縫邊緣咬邊處，觀察反射信號(hào)是否出現(xiàn)異常跳躍。應(yīng)用這樣的方式，需要重新采樣咬邊反射信號(hào)樣本，以便作正確的對(duì)比。

e)錯(cuò)邊反射

它在鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝中經(jīng)常出現(xiàn)。如果焊縫的焊接材料和被焊接材料一邊高一邊低時(shí)，超聲波可能會(huì)出現(xiàn)誤判，此時(shí)同樣需要采集正確樣本進(jìn)行對(duì)比。

4 超聲波探傷技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)無損檢測中的具體應(yīng)用

4.1 在焊接方面的應(yīng)用

超聲波探傷技術(shù)應(yīng)用于焊接施工中，是為了檢測焊接施工的質(zhì)量，并將鋼結(jié)構(gòu)的焊縫等級(jí)進(jìn)行分類。國家已經(jīng)制訂了焊縫等級(jí)的分類標(biāo)準(zhǔn)及檢測的方法，施工單位需依國家制訂的標(biāo)準(zhǔn)完成檢測，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，然后以此為依據(jù)做好焊接的質(zhì)控管理工作。

4.2 在壓力管道強(qiáng)度檢測中的應(yīng)用

超聲波對(duì)鋼材料的無損檢測技術(shù)是通過檢測缺陷了解壓力管道工件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、焊接方法、受力狀態(tài)是否達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的要求。于是人們可以應(yīng)用這一技術(shù)對(duì)壓力管道強(qiáng)度進(jìn)行檢測，以此控制壓力管道強(qiáng)度施工。

4.3 在壓力容器厚度檢測中的應(yīng)用

人們可以通過采集超聲波對(duì)鋼材料的無損檢測結(jié)果來還原材質(zhì)的結(jié)構(gòu)、空間的信息等，它能檢測壓力容器厚度，因此人們可以應(yīng)用這一技術(shù)來控制壓力容器厚度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

人們?cè)陂_展高層建筑施工時(shí)，必須監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)的缺陷。超聲波檢測技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的一種，這種檢測技術(shù)應(yīng)用操作程序簡單、檢測周期短、應(yīng)用成本不高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、檢測效率高、對(duì)人體無害、對(duì)各種接頭的適應(yīng)性好、可以檢測出數(shù)種鋼結(jié)構(gòu)的缺陷。在施工時(shí)，人們要優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)無損檢測中超聲波探傷技術(shù)的應(yīng)用，以此作為鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制的依據(jù)。