超聲檢測技術在建筑鋼結構焊縫無損檢測中的應用

高慧 唐燦

無損檢測中的超聲檢測是建立在現代化科學技術基礎上發展而來的一種新型檢測技術，其中常用的A 型脈沖反射法技術利用超聲波在材料內部異質界面上反射回波的物理特征，在不破壞被檢焊縫的前提下判斷是否存在內部缺陷[1]。當前，該技術被廣泛應用到建筑鋼結構焊縫檢測工作中，不僅能夠檢測出缺陷的位置和大小，還能夠分析危害程度和產生原因，可以為工程技術人員針對性采取措施處理缺陷提供依據，在一定程度上降低了建筑工程質量隱患和安全隱患。

1.超聲檢測技術原理

超聲波是指頻率大于20000Hz 的機械波，在彈性介質中傳播時會發生反射、透射、衍射、波形轉換等物理現象，遵循幾何聲學定律，具有能量高、穿透力強、指向性好等優點。在實際應用中，超聲檢測儀發射高頻振蕩電壓施加到探頭晶片的兩極，利用晶片的逆壓電效應激勵晶片產生高頻振動發射超聲波，通過耦合劑進入材料內部，在傳播過程中如果遇到異質界面（缺欠或材料端部），會產生反射回波，該回波又引起探頭晶片振動，通過正壓電效應產生交變電場被儀器檢測到，以動態二維波形的形式顯示在熒光屏上。通過回波強度可以計算缺欠當量大小，通過回波時間可以計算缺欠位置。因此超聲檢測具有靈敏度高、定位準確、對焊縫中危害性嚴重的面積型缺陷檢出率較高等優點，又因其檢測成本低、速度快、設備輕便、對人體及環境無害，所以廣泛應用于建筑鋼結構焊縫檢測中。

2.建筑鋼結構工程驗收標準及焊縫超聲檢測依據

當前，建筑鋼結構工程的國家現行驗收標準為《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB50205-2020），根據該標準第5.2.5 條的規定，不同的焊接結構形式所采用的超聲檢測標準及評定依據也不同，本文以建筑鋼結構中最常見的承受靜荷載結構形式的8mm 及以上板厚的平板對接焊縫、T 型焊縫和L 型焊縫為例，其內部缺陷的超聲檢測標準及評定依據為《鋼結構焊接規范》（GB50661-2011），超聲檢測設備及工藝要求為《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》（GB/T 11345-2013）[2]。

3.檢測人員及儀器設備要求

3.1 聘用專業的檢測人員

檢測人員必須持有無損檢測超聲檢測資格證書，掌握超聲檢測通用知識，了解基礎的金屬材料和焊接知識，能熟練使用超聲檢測設備，識別和分析超聲波形，熟悉超聲檢測標準規范，具有豐富的檢測經驗。

3.2 使用合格的儀器設備

超聲檢測儀和試塊應分別符合《A型脈沖反射式超聲波探傷儀 通用技術條件》（JB/T 10061-1999）和《無損檢測超聲檢測用試塊》（GB/T 23905-2009）中相應的規定和技術要求；應按《無損檢測 A 型脈沖反射式超聲檢測系統工作性能測試方法》（JB/T 9214-2010）中的方法和要求進行儀器性能和系統性能測試，測試結果應符合《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》（GB/T 11345-2013）第6.2.2 和6.2.3 條的規定。

3.3 選擇合理的探頭型號

建筑鋼結構焊縫超聲檢測主要使用橫波斜探頭，其重要的參數有檢測頻率、折射角度和晶片尺寸。檢測頻率應在2MHz～5MHz 范圍內選擇較低的檢測頻率，有特殊需要時可適當提高；探頭的折射角度在35°至70°之間，且盡可能使聲束垂直于焊縫熔合面，使用2 個斜探頭時角度之差應大于15°；晶片尺寸的選擇與頻率和聲程相關，一般情況下，薄板和中厚板檢測可使用晶片等效面積為28mm2～113 mm2探頭，厚板檢測可使用晶片等效面積為113mm2～452 mm2探頭。

3.4 選用合適的耦合劑

耦合劑用來填充探頭與工件間的空氣間隙以提高聲強透射率，同時具有潤滑作用，便于探頭移動及減小磨損。在超聲檢測中，盡可能選擇流動性好、透聲性強、價格低廉且對人體和工件無損傷作用的液體或糊狀物，如機油、化學糨糊等。

4.檢測前的準備工作

4.1 檢測前必需的信息

檢測人員在開展檢測工作前，需要先獲得一些必需的信息，其中包括建筑鋼結構的荷載特性、焊縫類型、焊縫質量等級、檢驗等級、母材類型及門類、坡口型式及尺寸等參數信息，這些信息關系到超聲檢測標準依據的選用，也關系到檢測靈敏度的設定、掃查要求和檢測比例（數量），還關系到缺欠的定位與評定，因此必須在檢測前獲得。

4.2 儀器設備的調節與設定

在焊縫檢測開始前，需要對儀器設備進行調節與設定。首先在CSK-IA 試塊上獲取R50mm 和R100mm 弧面的最高反射回波進行時基線調節，測定聲速、零偏和探頭前沿；其次在CSK-IA 試塊上獲取φ50mm 圓孔的最高反射回波，測定探頭折射角度；最后在RB 試塊上獲取至少3 個深度的φ3mm×40mm 橫孔反射體的最高反射回波制作距離-波幅曲線（DAC曲線），且最深反射體的深度不小于兩倍母材厚度。曲線制作完成后，還需要根據檢測標準中規定的檢測靈敏度要求在儀器中分別設定評定線（-14dB）、定量線（-6dB）和判廢線（0dB）。

4.3 焊縫檢測前的準備

焊縫在檢測前需要清理干凈，必要時應進行打磨，確保焊縫兩側探頭移動區寬度1.25P（P=2·tanθ·T，θ 為斜探頭折射角，T 為母材厚度）范圍內的表面粗糙度不大于0.5mm，同時還應考慮被檢焊縫與試塊的聲能性能差異，通常采取提高4dB 的方式進行表面補償，或按《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》（GB/T 11345-2013）附錄F測定聲能傳輸損失差值。需要注意的是，焊縫檢測時的溫度與在試塊上的調節儀器時的溫度差值應不大于15℃，且應使用相同的耦合劑。

5.焊縫內部缺陷的掃查

在焊縫外觀檢測合格且完成焊接達到規定的時間后，方可開始對被檢焊縫的掃查工作。掃查應按B 級檢驗等級的要求進行，采用一個斜探頭在焊縫單面雙側進行掃查，條件受限時采用兩個斜探頭在焊縫的單面、單側掃查。掃查又可分為初步掃查、精細掃查和復核掃查。

5.1 初步掃查

在保證掃查靈敏度的前提下（兩倍母材厚度位置處評定線不低于熒光屏20%高度），將斜探頭置于焊縫一側，垂直于焊縫長度方向做鋸齒形來回掃查，對焊縫進行單面雙側初掃，掃查寬度不小于1.25P 以確保聲束能覆蓋整個檢測區域，掃查速度不宜過快，且每次來回掃查應重疊10%的探頭寬度。掃查的同時觀察熒光屏顯示，如果發現有高于評定線的回波信號，則對該處位置做出標記，為下一步精細掃查測量缺欠奠定基礎。鋸齒型掃查能有效檢測出縱向缺陷，如需檢測橫向缺陷，則應進行平行和斜平行掃查。

5.2 精細掃查

在焊縫精細掃查時，對在初步掃查過程中標記的位置分別進行仔細探測，結合前后、左右、轉角、環繞等方式掃查，根據顯示的位置與焊縫結構尺寸的關系分析是否為偽顯示。排除所有的偽顯示后，找出缺欠最高反射回波，記錄該回波的幅度與詳細位置，采用6dB 法或端點峰值法測量缺欠指示長度并記錄。完成上述工作后，對下一處標記位置進行精細掃查[3]。

5.3 復核掃查

一般情況下，通過實施初步掃查和精細掃查兩個步驟，可以獲得較為準確的檢測結果，但對于一些異常或疑難反射回波，則應再進行復核掃查。復核掃查可以通過更換檢測人員、增加探頭角度、改變掃查面、增加直探頭掃查等方式進行，對缺陷做進一步驗證和確定，如果還是無法確定或對結果有疑義，則應采用射線檢測進行驗證。

6.超聲檢測結果評級與判定

依據缺欠最高反射回波幅度的高低和指示長度的長短，按照《鋼結構焊接規范》（GB 50661-2011）中的相應的評級要求，可以將焊縫超聲檢測結果評定為I 級、II 級、III 級或IV 級當中的一種，代表了焊縫內部質量的好壞程度，I 級為最好，IV 級為最差[4]。

依據焊縫超聲檢測的評級結果，可以對建筑鋼結構焊縫內部缺陷進行合格與否的判定。按照《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205-2020）表5.2.4中的要求：一級焊縫超聲檢測結果評級為I 級或II 級時判定合格，評級為III 級或IV 時判定不合格；二級焊縫超聲檢測結果評級為I級、II級或III級時判定合格，評級為IV 級時判定不合格[5]。

不合格焊縫應進行更換或返修，并按原檢測方法及要求進行復檢。如果是抽樣檢驗，還應按《鋼結構焊接規范》（GB 50661-2011）第8.1.8 條的規定對檢驗批進行結果判定與處理。

7.結束語

綜上所述，超聲檢測是建筑鋼結構焊縫檢測中應用最廣泛也是最重要的檢測方法，具有操作便捷、定位精確、能夠及時有效檢測出焊縫內部各種常見缺陷等優勢，有利于工程技術人員有針對性地采取措施處理隱患，從而提高建筑鋼結構整體安全性和穩定性。