鋼結(jié)構(gòu)T 接焊縫缺陷檢測(cè)技術(shù)探究及實(shí)踐運(yùn)用

張潔

（上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 200441）

0 引言

相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗震性能好、施工效率高，跨江、跨河、城市快速路等大跨度結(jié)構(gòu)工程中往往采用鋼結(jié)構(gòu)，在房建、水利、橋梁等領(lǐng)域均有普及，鋼結(jié)構(gòu)一般采用焊接、螺栓連接等方式進(jìn)行制作安裝，其中焊縫質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響較大，不可小覷，受力焊縫節(jié)點(diǎn)需要著重檢測(cè)。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)焊縫而言，目前在用的無(wú)損檢測(cè)方法包括超聲、射線(xiàn)、磁粉、滲透、目視等，行業(yè)內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)和研究成果較多，例如，趙新玉等[1]采用常規(guī)超聲波水浸法檢測(cè)薄型鋼板焊接質(zhì)量的若干分析，趙曉鑫等[2]分別采用相控陣檢測(cè)技術(shù)和射線(xiàn)成像技術(shù)這兩種不同的檢測(cè)方法對(duì)焊接試板焊縫缺陷的識(shí)別，驗(yàn)證了相控陣檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)越性，沈玉娣[3]現(xiàn)階段常用的無(wú)損檢測(cè)方法及未來(lái)的發(fā)展方向，俞麗等[4]通過(guò)磁粉、滲透方法將鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)拼接焊縫表面質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)室樣品檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，張阿南等[5]采用X 射線(xiàn)照相技術(shù)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷的定量、定性判別，上述方法對(duì)焊縫缺陷均有一定的檢測(cè)能力，但對(duì)于T 接焊縫，目前在用的還是常規(guī)超聲、磁粉，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有疑問(wèn)時(shí)可采用PAUT 相控陣超聲進(jìn)行驗(yàn)證。下面就常規(guī)超聲波脈沖反射法、磁粉檢測(cè)技術(shù)、PAUT（相控陣超聲）檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)原理及實(shí)踐運(yùn)用作詳細(xì)介紹。

1 T 接焊縫的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1.1 常規(guī)超聲波脈沖反射法

（1）檢測(cè)原理。不同介質(zhì)有著不同的聲阻抗，顧名思義，聲阻抗是指聲波阻抗或音阻，代表介質(zhì)對(duì)聲波傳播的阻力，它是影響超聲波傳播的關(guān)鍵因素，它是介質(zhì)固有的物理特性。每種介質(zhì)都有自身的聲阻抗，，它的取值為介質(zhì)中聲音密度與速度的乘積。當(dāng)超聲波從材料1（Z1）入射到材料2（Z2）時(shí)，在兩種材料界面處會(huì)產(chǎn)生反射、折射、透射等現(xiàn)象。其中反射系數(shù)R 的大小由式（1）得出：

查閱相關(guān)資料，可以得出各材料的聲阻抗數(shù)值如下：鋼結(jié)構(gòu)為46×106g/（cm2·s），尼龍為0.29×106g/（cm2·s），空氣為0.00004×106g/（cm2·s），結(jié)合式（1）可以得出鋼/空氣界面聲波反射系數(shù)R1 約為100%，即聲波如果在鋼/空氣界面?zhèn)鞑ソ跞瓷洌讳?尼龍界面聲波反射系數(shù)R2 約為97%，即聲波如果在鋼/尼龍界面?zhèn)鞑ゼs3%的能量反射回來(lái)。

（2）檢測(cè)方式。采用常規(guī)超聲法檢測(cè)T 接焊縫時(shí)，由于缺陷的走向不確定，應(yīng)選擇不同檢測(cè)面和多種角度的探頭，T 接焊縫超聲檢測(cè)有多種不同檢測(cè)方式，在實(shí)際工作中，可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇其中的一種或者相互結(jié)合使用。①P 波直探頭在翼緣板外側(cè)沿焊縫中心線(xiàn)進(jìn)行掃查，主要識(shí)別靠近翼緣板部位的未熔合。②S 波斜探頭在翼緣板外側(cè)沿焊接接頭采用直射波法進(jìn)行檢測(cè)，主要判別焊接接頭內(nèi)部缺陷，翼緣板一側(cè)的橫波斜探頭建議使用K1 探頭。③S 波斜探頭在腹板一側(cè)采用直射波法進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)腹板側(cè)未熔合以及焊接接頭內(nèi)部缺陷，T 接焊縫對(duì)缺陷進(jìn)行等級(jí)評(píng)定時(shí)，以腹板的厚度為準(zhǔn)。

（3）缺陷的定量與評(píng)定。缺陷X0位置以缺陷最高反射波為準(zhǔn)，當(dāng)焊縫內(nèi)部有缺陷時(shí)，在時(shí)基線(xiàn)上該缺陷波的位置出現(xiàn)在工件底波的前面，結(jié)合深度、水平、當(dāng)量等信息，將探頭放在最高反射波的位置，測(cè)定回波幅度，采用評(píng)定線(xiàn)法測(cè)長(zhǎng)，左右平移探頭直至波幅降低至評(píng)定線(xiàn)，降低至首尾兩側(cè)評(píng)定線(xiàn)長(zhǎng)度即為指示長(zhǎng)度。

1.2 磁粉檢測(cè)技術(shù)

該技術(shù)主要檢測(cè)焊縫表面或者近表面缺陷，該方法是采用合適的介質(zhì)，例如反差增強(qiáng)劑、磁懸液等，根據(jù)漏磁場(chǎng)的原理對(duì)鐵磁性材料表面或者近表面的缺陷進(jìn)行判別的一種檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)焊縫表面有缺陷時(shí)，磁力線(xiàn)穿透焊縫不連續(xù)，通過(guò)施加磁懸液，有缺陷的部位就會(huì)形成漏磁場(chǎng)，周?chē)拇欧劬蜁?huì)集中吸附在這些部位形成磁痕顯示，從而判別缺陷的存在。

1.3 PAUT（相控陣超聲）檢測(cè)技術(shù)

該技術(shù)是通過(guò)控制發(fā)射聲束傾角和電子延時(shí)，按既定的規(guī)則和順序激發(fā)換能器晶片，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換發(fā)射超聲波，每個(gè)晶片發(fā)射的超聲波頻率是相同的，在介質(zhì)上的某點(diǎn)，當(dāng)各列波波前同時(shí)到達(dá)時(shí)，便在該點(diǎn)形成波峰的疊加，達(dá)到能量的聚集，從而更有效的檢查出介質(zhì)的不連續(xù)性。相控陣檢測(cè)可以進(jìn)行線(xiàn)掃、扇掃和動(dòng)態(tài)深度聚焦，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)速度快，實(shí)時(shí)彩色成像，包括A、B、C、S 掃描，便于缺陷判斷；相控陣檢測(cè)可以通過(guò)建模，構(gòu)建3D 圖形，缺陷顯示直觀(guān)明了，總之，相控陣檢測(cè)方式很靈活，可以實(shí)現(xiàn)其他常規(guī)檢測(cè)技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的功能，比如對(duì)復(fù)雜工件的檢測(cè)、T 接焊縫的檢測(cè)，對(duì)各種走向及不同位置的缺陷檢測(cè)辨別能力強(qiáng)、檢測(cè)分辨率高、不易漏檢，檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響小，數(shù)據(jù)便于存儲(chǔ)、管理、溯源，可以作為常規(guī)超聲檢測(cè)驗(yàn)證使用。

2 實(shí)踐運(yùn)用

2.1 工程案例1

以臨港新城某地塊鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例，采用常規(guī)超聲波脈沖反射法檢測(cè)勁性柱工廠(chǎng)制作T 接焊縫，超聲檢測(cè)如圖1 所示，內(nèi)部缺陷之未熔合如圖2 所示。

圖1 超聲檢測(cè)

圖2 未熔合

檢測(cè)結(jié)果如下：共檢測(cè)5 根勁性柱，累計(jì)焊縫長(zhǎng)度18.6m（檢測(cè)區(qū)域?yàn)楹缚p及其兩側(cè)熱影響區(qū)各10mm），該批構(gòu)件焊接方式采用二氧化碳?xì)獗：福缚p坡口類(lèi)型為單V，檢測(cè)面及檢測(cè)時(shí)機(jī)均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求，采用常規(guī)超聲法，檢測(cè)過(guò)程中共發(fā)現(xiàn)1 處超標(biāo)缺欠，缺陷性質(zhì)為未熔合，上述超標(biāo)缺欠經(jīng)返修后復(fù)檢合格，此檢測(cè)項(xiàng)最終檢測(cè)結(jié)果合格。

缺陷產(chǎn)生原因分析、技術(shù)難點(diǎn)及解決方案：上述缺陷是由于勁性柱柱腳T 接焊縫兩側(cè)翼板空間受限，焊縫坡口角度小、焊道未清理干凈等造成的，該類(lèi)缺陷易漏檢而且危害性大，技術(shù)難點(diǎn)是主要在于檢測(cè)人員對(duì)工藝規(guī)程及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的熟悉，要求檢測(cè)人員對(duì)不同類(lèi)型缺陷的波形判別有豐富的經(jīng)驗(yàn)，從顯示波形來(lái)看，缺陷波幅較低且大部分低于評(píng)定線(xiàn)，但是指示長(zhǎng)度較長(zhǎng)，這種情況也應(yīng)記錄，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)判斷這種缺陷為未熔合的可能性較大，這時(shí)，我們應(yīng)采用不同角度探頭、增加檢測(cè)面并結(jié)合焊接工藝綜合判定。導(dǎo)致未熔合的原因有很多種，例如電焊工運(yùn)條速率太快、焊接過(guò)程中焊條擺幅不規(guī)范、坡口角度太小、焊道雜物未清理干凈、焊接前未按規(guī)范要求進(jìn)行預(yù)熱等，解決辦法如下：焊接前做好技術(shù)交底，對(duì)電焊工進(jìn)行焊接試板考試，遵守焊接工藝規(guī)程、焊接規(guī)范，選擇合適的焊接電流、控制焊接速率、清理焊道氧化皮、控制好坡口角度等。

2.2 工程案例2

以某鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目包括三棟鋼結(jié)構(gòu)單體，均為二層結(jié)構(gòu)，框架為鋼柱、鋼梁結(jié)構(gòu)，其中鋼柱為圓管柱（設(shè)計(jì)直徑×壁厚為400mm×16mm、300mm×16mm），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鋼柱柱腳T 接焊縫熔深均為12mm 左右，這種情況可能是根部未焊透或者鋼板原材壁厚不足，于是采用不同角度斜探頭+直探頭掃查，相同檢測(cè)部位不同探頭熔深變化情況如表1 所示，并采用鋼板測(cè)厚儀對(duì)鋼柱壁厚進(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果顯示鋼柱壁厚均為12mm，與項(xiàng)目參建方反饋，如何保證結(jié)構(gòu)安全是個(gè)技術(shù)難題，于是要求施工方對(duì)所有不符合設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，并提出以下建議：①適當(dāng)增大焊腳尺寸，并需要設(shè)計(jì)驗(yàn)算承載力。②在鋼柱之間增加斜支撐，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)平面變形能力。③在鋼柱內(nèi)灌注混凝土并確保密實(shí)。經(jīng)總包方與原設(shè)計(jì)溝通，在綜合考慮結(jié)構(gòu)剛度及使用荷載的前提下，出具設(shè)計(jì)變更，對(duì)所有角柱開(kāi)槽并澆灌素混凝土，然后振搗密實(shí)，最后在開(kāi)槽部位焊接密閉完成，確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

表1 相同檢測(cè)部位不同探頭熔深變化情況

2.3 工程案例3

以浦東新區(qū)某項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目主體框架采用鋼結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)件類(lèi)型為鋼柱、鋼梁，在檢測(cè)工廠(chǎng)焊縫時(shí)發(fā)現(xiàn)部分鋼柱翼板與腹板T 接焊縫存在較長(zhǎng)裂紋，經(jīng)返修驗(yàn)證，該裂紋深度較淺，為表面缺陷。出現(xiàn)這種情況原因很多，如焊絲規(guī)格與鋼板材質(zhì)不匹配、焊接前未進(jìn)行預(yù)熱、焊接應(yīng)力過(guò)大、焊接順序不規(guī)范等。防范措施：選擇與鋼板材質(zhì)相匹配的焊條，例如，Q355B 材質(zhì)應(yīng)使用E50 型焊條，采用多層多道焊，焊縫外觀(guān)應(yīng)飽滿(mǎn)避免弧坑，焊接前用火烘烤預(yù)熱等，T 接焊縫表面縱向裂紋如圖3 所示。

圖3 T 接焊縫表面縱向裂紋

2.4 試塊缺陷驗(yàn)證

以編號(hào)為T(mén)J-UT20 的T 接試塊為例，用HSPA30-E型多功能相控陣超聲儀進(jìn)行檢測(cè)，采用S 掃描方式，將試塊實(shí)際缺陷起始位置X0、指示長(zhǎng)度L 與儀器檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)驗(yàn)證，兩者幾乎完全吻合，缺陷驗(yàn)證（測(cè)量缺陷位置和指示長(zhǎng)度）如圖4 所示，PAUT 相控陣超聲成像如圖5 所示。

圖4 缺陷驗(yàn)證（測(cè)量缺陷位置和指示長(zhǎng)度）

圖5 PAUT 相控陣超聲成像

圖5顯示：紅色部分為缺陷區(qū)域，超聲信號(hào)在接近20mm 焊縫根部位置反射強(qiáng)烈，從0 點(diǎn)起算，缺陷起始位置X0位于45mm 左右，缺陷類(lèi)型為未焊透，屬于危害性缺陷。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，采用常規(guī)超聲波脈沖反射法（直探頭+斜探頭）、磁粉檢測(cè)技術(shù)可以分別檢測(cè)T 接焊縫的內(nèi)部缺陷和表面缺陷，必要時(shí)可運(yùn)用PAUT（相控陣超聲）檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行驗(yàn)證，避免缺陷漏檢和誤判，在項(xiàng)目實(shí)際開(kāi)展過(guò)程中，要根據(jù)不同項(xiàng)目的工程特點(diǎn)、構(gòu)件連接形式、焊縫等級(jí)、焊縫接頭形式等，制定相匹配的檢測(cè)方案，選擇對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，確保檢測(cè)結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確、權(quán)威，為工程質(zhì)量把控提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，守住底線(xiàn)，當(dāng)好工程質(zhì)量的“守門(mén)員”。