鋼結構T 接焊縫缺陷檢測技術探究及實踐運用

張潔

（上海同濟檢測技術有限公司，上海 200441）

0 引言

相對于鋼筋混凝土結構而言，鋼結構具有自重輕、抗震性能好、施工效率高，跨江、跨河、城市快速路等大跨度結構工程中往往采用鋼結構，在房建、水利、橋梁等領域均有普及，鋼結構一般采用焊接、螺栓連接等方式進行制作安裝，其中焊縫質量對結構承載力影響較大，不可小覷，受力焊縫節點需要著重檢測。對于鋼結構焊縫而言，目前在用的無損檢測方法包括超聲、射線、磁粉、滲透、目視等，行業內相關試驗和研究成果較多，例如，趙新玉等[1]采用常規超聲波水浸法檢測薄型鋼板焊接質量的若干分析，趙曉鑫等[2]分別采用相控陣檢測技術和射線成像技術這兩種不同的檢測方法對焊接試板焊縫缺陷的識別，驗證了相控陣檢測技術的優越性，沈玉娣[3]現階段常用的無損檢測方法及未來的發展方向，俞麗等[4]通過磁粉、滲透方法將鋼結構現場拼接焊縫表面質量與實驗室樣品檢測結果進行比對，張阿南等[5]采用X 射線照相技術對焊縫內部缺陷的定量、定性判別，上述方法對焊縫缺陷均有一定的檢測能力，但對于T 接焊縫，目前在用的還是常規超聲、磁粉，對試驗結果有疑問時可采用PAUT 相控陣超聲進行驗證。下面就常規超聲波脈沖反射法、磁粉檢測技術、PAUT（相控陣超聲）檢測技術的檢測原理及實踐運用作詳細介紹。

1 T 接焊縫的無損檢測技術

1.1 常規超聲波脈沖反射法

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

查閱相關資料，可以得出各材料的聲阻抗數值如下：鋼結構為46×106g/（cm2·s），尼龍為0.29×106g/（cm2·s），空氣為0.00004×106g/（cm2·s），結合式（1）可以得出鋼/空氣界面聲波反射系數R1 約為100%，即聲波如果在鋼/空氣界面傳播近乎全反射；鋼/尼龍界面聲波反射系數R2 約為97%，即聲波如果在鋼/尼龍界面傳播約3%的能量反射回來。

（2）檢測方式。采用常規超聲法檢測T 接焊縫時，由于缺陷的走向不確定，應選擇不同檢測面和多種角度的探頭，T 接焊縫超聲檢測有多種不同檢測方式，在實際工作中，可以根據項目實際情況選擇其中的一種或者相互結合使用。①P 波直探頭在翼緣板外側沿焊縫中心線進行掃查，主要識別靠近翼緣板部位的未熔合。②S 波斜探頭在翼緣板外側沿焊接接頭采用直射波法進行檢測，主要判別焊接接頭內部缺陷，翼緣板一側的橫波斜探頭建議使用K1 探頭。③S 波斜探頭在腹板一側采用直射波法進行檢測，主要檢測腹板側未熔合以及焊接接頭內部缺陷，T 接焊縫對缺陷進行等級評定時，以腹板的厚度為準。

（3）缺陷的定量與評定。缺陷X0位置以缺陷最高反射波為準，當焊縫內部有缺陷時，在時基線上該缺陷波的位置出現在工件底波的前面，結合深度、水平、當量等信息，將探頭放在最高反射波的位置，測定回波幅度，采用評定線法測長，左右平移探頭直至波幅降低至評定線，降低至首尾兩側評定線長度即為指示長度。

1.2 磁粉檢測技術

該技術主要檢測焊縫表面或者近表面缺陷，該方法是采用合適的介質，例如反差增強劑、磁懸液等，根據漏磁場的原理對鐵磁性材料表面或者近表面的缺陷進行判別的一種檢測技術，當焊縫表面有缺陷時，磁力線穿透焊縫不連續，通過施加磁懸液，有缺陷的部位就會形成漏磁場，周圍的磁粉就會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）檢測技術

該技術是通過控制發射聲束傾角和電子延時，按既定的規則和順序激發換能器晶片，通過能量轉換發射超聲波，每個晶片發射的超聲波頻率是相同的，在介質上的某點，當各列波波前同時到達時，便在該點形成波峰的疊加，達到能量的聚集，從而更有效的檢查出介質的不連續性。相控陣檢測可以進行線掃、扇掃和動態深度聚焦，從而實現了復雜結構件和盲區位置缺陷的檢測，檢測速度快，實時彩色成像，包括A、B、C、S 掃描，便于缺陷判斷；相控陣檢測可以通過建模，構建3D 圖形，缺陷顯示直觀明了，總之，相控陣檢測方式很靈活，可以實現其他常規檢測技術所不能實現的功能，比如對復雜工件的檢測、T 接焊縫的檢測，對各種走向及不同位置的缺陷檢測辨別能力強、檢測分辨率高、不易漏檢，檢測結果受人為因素影響小，數據便于存儲、管理、溯源，可以作為常規超聲檢測驗證使用。

2 實踐運用

2.1 工程案例1

以臨港新城某地塊鋼結構項目為例，采用常規超聲波脈沖反射法檢測勁性柱工廠制作T 接焊縫，超聲檢測如圖1 所示，內部缺陷之未熔合如圖2 所示。

圖1 超聲檢測

圖2 未熔合

檢測結果如下：共檢測5 根勁性柱，累計焊縫長度18.6m（檢測區域為焊縫及其兩側熱影響區各10mm），該批構件焊接方式采用二氧化碳氣保焊，焊縫坡口類型為單V，檢測面及檢測時機均滿足現行規范要求，采用常規超聲法，檢測過程中共發現1 處超標缺欠，缺陷性質為未熔合，上述超標缺欠經返修后復檢合格，此檢測項最終檢測結果合格。

缺陷產生原因分析、技術難點及解決方案：上述缺陷是由于勁性柱柱腳T 接焊縫兩側翼板空間受限，焊縫坡口角度小、焊道未清理干凈等造成的，該類缺陷易漏檢而且危害性大，技術難點是主要在于檢測人員對工藝規程及結構構造的熟悉，要求檢測人員對不同類型缺陷的波形判別有豐富的經驗，從顯示波形來看，缺陷波幅較低且大部分低于評定線，但是指示長度較長，這種情況也應記錄，實踐經驗判斷這種缺陷為未熔合的可能性較大，這時，我們應采用不同角度探頭、增加檢測面并結合焊接工藝綜合判定。導致未熔合的原因有很多種，例如電焊工運條速率太快、焊接過程中焊條擺幅不規范、坡口角度太小、焊道雜物未清理干凈、焊接前未按規范要求進行預熱等，解決辦法如下：焊接前做好技術交底，對電焊工進行焊接試板考試，遵守焊接工藝規程、焊接規范，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

以某鋼結構項目為例，該項目包括三棟鋼結構單體，均為二層結構，框架為鋼柱、鋼梁結構，其中鋼柱為圓管柱（設計直徑×壁厚為400mm×16mm、300mm×16mm），經現場超聲檢測發現鋼柱柱腳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，相同檢測部位不同探頭熔深變化情況如表1 所示，并采用鋼板測厚儀對鋼柱壁厚進行驗證，檢測結果顯示鋼柱壁厚均為12mm，與項目參建方反饋，如何保證結構安全是個技術難題，于是要求施工方對所有不符合設計要求的構件進行加固補強，并提出以下建議：①適當增大焊腳尺寸，并需要設計驗算承載力。②在鋼柱之間增加斜支撐，增強結構平面變形能力。③在鋼柱內灌注混凝土并確保密實。經總包方與原設計溝通，在綜合考慮結構剛度及使用荷載的前提下，出具設計變更，對所有角柱開槽并澆灌素混凝土，然后振搗密實，最后在開槽部位焊接密閉完成，確保結構整體穩定性。

表1 相同檢測部位不同探頭熔深變化情況

2.3 工程案例3

以浦東新區某項目為例，該項目主體框架采用鋼結構形式，構件類型為鋼柱、鋼梁，在檢測工廠焊縫時發現部分鋼柱翼板與腹板T 接焊縫存在較長裂紋，經返修驗證，該裂紋深度較淺，為表面缺陷。出現這種情況原因很多，如焊絲規格與鋼板材質不匹配、焊接前未進行預熱、焊接應力過大、焊接順序不規范等。防范措施：選擇與鋼板材質相匹配的焊條，例如，Q355B 材質應使用E50 型焊條，采用多層多道焊，焊縫外觀應飽滿避免弧坑，焊接前用火烘烤預熱等，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 試塊缺陷驗證

以編號為TJ-UT20 的T 接試塊為例，用HSPA30-E型多功能相控陣超聲儀進行檢測，采用S 掃描方式，將試塊實際缺陷起始位置X0、指示長度L 與儀器檢測結果進行比對，經驗證，兩者幾乎完全吻合，缺陷驗證（測量缺陷位置和指示長度）如圖4 所示，PAUT 相控陣超聲成像如圖5 所示。

圖4 缺陷驗證（測量缺陷位置和指示長度）

圖5 PAUT 相控陣超聲成像

圖5顯示：紅色部分為缺陷區域，超聲信號在接近20mm 焊縫根部位置反射強烈，從0 點起算，缺陷起始位置X0位于45mm 左右，缺陷類型為未焊透，屬于危害性缺陷。

3 結語

實踐證明，采用常規超聲波脈沖反射法（直探頭+斜探頭）、磁粉檢測技術可以分別檢測T 接焊縫的內部缺陷和表面缺陷，必要時可運用PAUT（相控陣超聲）檢測技術對焊縫內部缺陷進行驗證，避免缺陷漏檢和誤判，在項目實際開展過程中，要根據不同項目的工程特點、構件連接形式、焊縫等級、焊縫接頭形式等，制定相匹配的檢測方案，選擇對應的檢測方法，確保檢測結果真實、準確、權威，為工程質量把控提供可靠的數據支撐，守住底線，當好工程質量的“守門員”。