超聲波探傷技術在鋼結構無損檢測中的應用

李克冰 南昌市建筑科學研究所（南昌市建筑工程質量檢測中心）

1 前言

當前我國建筑施工領域應用鋼結構較為頻繁，在鋼結構施工時也要相應的焊接技術，以更好地實現對鋼結構的有效連接，但是在應用焊接技術時要避免鋼結構工程因連接處不當操作而出現縫隙等，因此應用焊縫無損檢測技術至關重要，可以針對不同類型的鋼結構工程及結構元件進行全面的檢測，提高焊縫的整體質量。但是如果只是簡單開展焊縫質量檢查和缺陷排查，則往往會受到相關因素的影響和干擾，如金屬疲勞或出現質量缺陷等，所以在鋼結構工程中廣泛應用焊縫無損檢測技術更加具有現代化的應用意義和價值，能夠有效促進鋼結構工程焊縫連接技術水平的全面提升。

2 高層鋼結構焊縫存在的缺陷

2.1 高層鋼結構焊縫存在的常見缺陷

高層鋼結構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構施工時，需要進行檢測的缺陷。

a)裂紋

裂紋，是指鋼結構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生了裂縫。比如焊縫中存在低熔點共晶體，導致綱結構的焊接存在了質量問題。裂紋又分為熱裂紋和冷裂紋兩種，這兩種裂紋對鋼結構的危害都比較大。

b)氣孔

氣孔，是指鋼結構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生了過多的氣體而形成的空穴。在對鋼結構進行高溫鍛造時，形成氣孔的因素比較多，它包含環境因素、施工技術因素、施工材料存在缺陷的因素等。通常氣孔會以橢圓形或球形的方式出現，它外實中空。氣孔還有密集氣空或單個氣體的區別。當前人們可以應用點狀缺陷回波特征來檢測鋼結構是否存在氣孔。

c)夾渣

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

d)未熔合

未熔合是指在焊接兩層金屬時，兩層金屬沒有熔合在一起。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，導致出現了雜質；焊接電流過小，溫度沒有達到要求；焊接速度太快，焊接材料和被焊接材料沒有焊接在一起；焊接的技術出現問題等。未熔合會導致鋼材料的參數達不到設計的要求。

e)未焊透

未焊透與未熔合的因素相同，只是在焊接時，焊接材料和被焊接材料沒有徹底焊接在一起，呈現存在連接，然而施工質量卻未達到設計的要求。

2.2 高層鋼結構焊縫常見缺陷的超聲波探傷識別技術

應用這種監測技術來檢測鋼材料的缺陷時，它針對的對象為氣孔、夾渣缺陷。它的應用原理是應用超聲波監測鋼材料焊接處，將監測的超聲波波形與焊接質量合格的波形進行對比，分析波形是否存在峰值兩側呈峰狀或球狀的異常變化，以此判斷鋼材料的焊接空間結構異常。在監測氣孔時，人們可以讓超聲波的探頭對鋼結構前后、左右進行轉動，然后分析反射體的回波動態特征。通過分析回波動態特征，人們可以初步判斷出鋼結構是否存在缺陷及判斷缺陷的類型。

a)點狀缺陷回波特征

存在氣孔或夾渣點狀反射體回波行征為尖峰的形態，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成球形，則意味著鋼結構的體積發生了異常變化，而出現氣孔就是讓鋼結構體積發生變化的因素之一。

b)線性缺陷回波特征

它針對的對象為夾渣、未焊透、未熔合缺陷。它的應用原理是應用超聲波監測鋼材料焊接處，將監測的超聲波波形與焊接質量合格的波形進行對比，分析波形是否存在峰狀或者類球狀，根據球狀兩側呈不規則分布的異常變化，以此判斷鋼材料的焊接空間結構異常。以夾渣為例，當鋼材料存在夾渣時，夾渣的體積與氣孔存在區別，它有可能為規則的球狀，也可能是不規則別的形狀，以此為基礎，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

它針對的對象為大夾渣缺陷。它的應用原理是應用超聲波監測鋼材料焊接處，將監測的超聲波波形與焊接質量合格的波形進行對比，分析波形是否存在峰值兩側呈不規則的峰狀，或者呈多種不規則類球狀的異常變化，以此判斷鋼材料的焊接空間結構異常。夾渣的體積存在不規律性，并且夾雜的內在結構也存在差異，于是當鋼結構出現大夾渣時，超聲波檢測出來的波形峰值可能出現各種不規則的連續異常。

d)平面狀缺陷回波特征

它針對的對象為裂紋、面狀未熔合、面狀未焊透缺陷。它的應用原理是應用超聲波監測鋼材料焊接處，將監測的超聲波波形與焊接質量合格的波形進行對比，分析波形是否存在多重如同不規則鋸齒形峰狀，或者不規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構異常。裂紋、面狀未熔合、面狀未焊透存在有些位置焊接質量可能合格而有些位置焊接不合格的問題，于是它的監測結果波形或者異常或者不異常，異常與不異常的波形緊密結合導致波形的峰值存在不規律性，呈現鋸齒狀波形成監測裂紋、面狀未熔合、面狀未焊透缺陷時需要觀察的波形特征。

e)多重缺陷回波特征

它針對的對象為密集氣孔缺陷。它的應用原理是應用超聲波監測鋼材料焊接處，將監測的超聲波波形與焊接質量合格的波形進行對比，分析波形是否存在各種不規律的，大量的異常波形狀態特征。當出現波形特征狀態連續異常，并且每個單獨的波形特征又呈點狀缺陷特征時，便判斷為密集氣孔存在的缺陷。

3 鋼結構工程焊縫無損檢測技術分析

鋼結構工程中所應用的焊縫無損檢測能夠有效避免鋼結構檢測材料受到檢測的損傷，也能全面檢測與排查鋼結構材料表面和內部所出現的缺陷，并對材料的性能狀態等進行全面的檢測。

3.1 超聲檢測技術

鋼結構工程焊縫無縫檢測技術中應用超聲檢測技術，主要通過材料自身缺陷所呈現出的聲學特點，在進行超聲檢測時會對超聲波的傳播造成影響，應用超聲檢測技術能夠有效實現對材料物體的檢測與排查，超聲檢測技術時所主要采用的頻率為0.4MHz～4MHz，此種技術也被廣泛應用于鋼結構工程焊縫無損檢測之中。以A型脈沖反射法為例，在應用此項技術時能夠針對呈現平面狀態的缺陷進行更加精準的檢測，檢測效率更高。例如，鋼結構工程中材料之間出現了未融合或未焊透的問題，能夠應用脈沖反射法進行檢測，并且應用此類檢測技術的經濟成本投入較低，但是其主要缺陷在于超聲檢測技術應用過程中對鋼結構工程檢測材料的表面粗糙度標準較高，如果進行檢測人員專業能力不熟練也會導致超聲檢測技術效果受限。

3.2 射線探傷技術

射線探傷技術主要應用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，并對鋼結構工程焊縫質量水平進行全面的判定與等級劃分。應用射線探傷技術也能有效推動鋼結構工程焊縫無損技術的廣泛應用與質量提升。例如，所檢測的鋼結構工程處于密閉性較強的區域，在此時進行焊縫檢測就需要應用射線探傷技術，主要采用照相觀察的方式方法，提高檢測效果與質量。此外，在應用射線探傷技術時也可以同步應用電離與監督方法，針對鋼結構工程中所出現的不同焊縫缺陷問題進行嚴格的劃分與精準識別，特別是此類照相觀察的方式，其底片能夠進行長時間留檔。但是值得注意的是應用射線探傷技術時，射線難免會對施工技術人員造成健康等方面的影響，且應用此項技術成本較高，在無損檢測判斷周期方面耗時較長。

3.3 全息探傷技術

全息探傷技術發展時間較短，且在當前鋼結構工程焊縫無損檢測中，應用范圍較窄。該項技術能夠有效針對結構工程元件表面和內部進行全面的探測，及時識別相關缺陷的大小和位置，并實現更加精準的定位，能夠幫助檢測工作人員更加明確地對鋼結構工程焊縫質量進行判斷。但是全息探傷技術在應用過程中需要投入大量的資金成本，這也是導致此項技術難以廣泛推廣應用的主要弊端。

4 鋼結構焊接加工的主要知識

4.1 鋼結構焊接加工的方法及主要形式

在開展鋼結構焊接加工時，人們需要了解焊接方法及主要形式，在焊接的時候，鋼結構施工可能會出現缺陷。

a)焊接方法

在開展鋼結構的施工時，將鋼材連接起來的重要方式之一就是焊接。當前人們在手工焊接的基礎上創造出了自動焊接的方式，并且為了避免環境因素的影響，人們研發出了應用氣體保護的焊接技術，及各種控制焊接溫度和速度的技術。建筑施工的焊接技術原理就是利用電能或其它的能量產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冶金反應后進行冷卻，之后焊接材料和被焊接材料將融合在一起。人們在應用焊接技術時，要應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，材料的性能發生了變化，并影響鋼結構的使用，那么焊接便存在質量問題。

b)主要形式

目前焊接技術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，人們會在焊接材料和被焊接材料接縫處預留I型、V開支、U型、X型、K型的接口，而預留坡口的目的是為了讓材料能完全熔透，減少填充量；而坡口面的鈍邊設計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，是為了控制內凹，防止材料沒有焊透。接頭形式包含對接接頭、角接接頭、T型接頭，人們可以根據需要選擇不同的接頭形式來建構鋼材料焊接以后形成的幾何形狀。

4.2 鋼結構焊縫探傷中偽缺陷波的分析與判斷

雖然在鋼結構的焊縫探傷中，超聲波檢測具有較大的應用優勢，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，在判斷鋼結構焊縫探傷時排除誤判。

a)儀器雜波

這是指儀器本身性能不良，在作業的時候出現了誤判。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。為了避免作業出現這一缺陷，要制訂合理的維修計劃。

b)探頭雜波

它是由于探頭本身存在缺陷而導致作業出現誤差，通常人們可以觀察探頭出現特殊波形以后，波形位置不隨探頭移動而移動，發現這一情況即能了解作業時是否存在這種誤判。人們可以應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

這種誤判通常出現在薄板焊縫探傷中，當探頭的折射角大、靈敏度調節較高時，可能會發現一部分能量被轉換成表面波的誤判。在人們判斷可能存在這種誤判時，可以應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

通常這種誤判會出現一次、二次波前面，當可能存在這種誤判時，可以用手指沾點耦合劑輕敲焊縫邊緣咬邊處，觀察反射信號是否出現異常跳躍。應用這樣的方式，需要重新采樣咬邊反射信號樣本，以便作正確的對比。

e)錯邊反射

它在鋼結構制作和安裝中經常出現。如果焊縫的焊接材料和被焊接材料一邊高一邊低時，超聲波可能會出現誤判，此時同樣需要采集正確樣本進行對比。

4 超聲波探傷技術在鋼結構無損檢測中的具體應用

4.1 在焊接方面的應用

超聲波探傷技術應用于焊接施工中，是為了檢測焊接施工的質量，并將鋼結構的焊縫等級進行分類。國家已經制訂了焊縫等級的分類標準及檢測的方法，施工單位需依國家制訂的標準完成檢測，對焊接質量進行評估，然后以此為依據做好焊接的質控管理工作。

4.2 在壓力管道強度檢測中的應用

超聲波對鋼材料的無損檢測技術是通過檢測缺陷了解壓力管道工件的材質、結構、焊接方法、受力狀態是否達到預先設計的要求。于是人們可以應用這一技術對壓力管道強度進行檢測，以此控制壓力管道強度施工。

4.3 在壓力容器厚度檢測中的應用

人們可以通過采集超聲波對鋼材料的無損檢測結果來還原材質的結構、空間的信息等，它能檢測壓力容器厚度，因此人們可以應用這一技術來控制壓力容器厚度的質量風險。

5 結語

人們在開展高層建筑施工時，必須監測鋼結構的缺陷。超聲波檢測技術是鋼結構無損檢測技術的一種，這種檢測技術應用操作程序簡單、檢測周期短、應用成本不高、環境適應性強、檢測效率高、對人體無害、對各種接頭的適應性好、可以檢測出數種鋼結構的缺陷。在施工時，人們要優化鋼結構無損檢測中超聲波探傷技術的應用，以此作為鋼結構施工質量控制的依據。