鋼結(jié)構(gòu)工程焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

李仁龍　吳磊

摘要：在建筑施工領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)有著其自身的顯著特點(diǎn)，自身重量較輕，強(qiáng)度相對(duì)于一般建筑材料來(lái)說(shuō)更高，材質(zhì)均勻，并且可塑性極佳，不僅防震性能極高，并且工業(yè)裝配的程度更高。但是焊縫結(jié)構(gòu)的特殊性決定了焊縫無(wú)損檢測(cè)方法上的局限性，譬如在檢測(cè)的同時(shí)會(huì)損壞鋼結(jié)構(gòu)自身特性，甚至?xí)p壞鋼結(jié)構(gòu)本身的功能。本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)，介紹了一種鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，旨在保證鋼結(jié)構(gòu)自身完整性的基礎(chǔ)上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的功能特性進(jìn)行全面的檢測(cè)，為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確可靠的參考依據(jù)。

Abstract： In the field of construction， the steel structure has its own obvious characteristics， its own weight is light， the strength is higher than the general building materials， material is uniform， and the plasticity is excellent， not only the shock resistance is extremely high， and the level of industrial assembly is higher. But the particularity of the weld structure determines the limitation of weld nondestructive testing methods， such as that in the detection it will damage the structure of its own characteristics， and even damage the function of the steel structure itself. Combined with the characteristics of steel structure construction， this paper introduces a kind of nondestructive testing technique in steel structure， in order to comprehensively detect the functional properties of steel structure on the basis of ensuring the integrity of the steel structure， to provide accurate and reliable reference for the follow-up construction.

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)；應(yīng)用

Key words： steel structure；nondestructive testing technology；application

中圖分類(lèi)號(hào)：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）30-0091-03

0 引言

當(dāng)前在建筑鋼結(jié)構(gòu)處理當(dāng)中，焊接已經(jīng)成為了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的一種基本工藝，并且被廣泛地應(yīng)用在當(dāng)前各種類(lèi)型的鋼結(jié)構(gòu)元件當(dāng)中。因此，針對(duì)當(dāng)前的焊接縫隙進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)是對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行控制的最為重要的內(nèi)容之一。在焊接質(zhì)量檢驗(yàn)當(dāng)中，針對(duì)焊縫的缺陷進(jìn)行檢測(cè)占據(jù)了最為主體的地位。由于在進(jìn)行焊機(jī)的施工過(guò)程當(dāng)中會(huì)有各種各樣的缺陷，同時(shí)還會(huì)在進(jìn)行復(fù)議或者超期服役當(dāng)中經(jīng)歷多種條件的惡劣沖擊，比如應(yīng)力拉扯，荷載過(guò)大、金屬疲勞或者輻射，因此焊接質(zhì)量將會(huì)直接決定鋼結(jié)構(gòu)的施工和安全性。

在鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中，由于焊縫結(jié)構(gòu)的特殊性決定了焊縫無(wú)損檢測(cè)方法上的局限性，譬如在檢測(cè)的同時(shí)會(huì)損壞鋼結(jié)構(gòu)自身特性，甚至?xí)p壞鋼結(jié)構(gòu)本身造成二次傷害。本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)，介紹了一種鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，旨在保證鋼結(jié)構(gòu)自身完整性的基礎(chǔ)上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的功能特性及結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行全面的檢測(cè)，為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確可靠的參考依據(jù)。

1 鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷類(lèi)型就缺陷檢測(cè)要求

1.1 焊縫缺陷

焊縫缺陷指焊接過(guò)程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷。常見(jiàn)的鋼構(gòu)焊縫缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透（圖1）等；以及焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良等。裂紋是焊縫連接中最危險(xiǎn)的缺陷。產(chǎn)生裂紋的原因很多，如鋼材的化學(xué)成分不當(dāng)；焊接工藝條件（如電流、電壓、焊速、施焊次序等）選擇不合適；焊件表面油污未清除干凈等。

1.2 焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)要求

焊縫缺陷的存在將削弱焊縫的受力面積，在缺陷處引起應(yīng)力集中，故對(duì)連接的強(qiáng)度、沖擊韌性及冷彎性能等均有不利影響。因此，焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)極為重要。

焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)一般可用外觀(guān)檢查及內(nèi)部無(wú)損檢驗(yàn)，前者檢查外觀(guān)缺陷和幾何尺寸，后者檢查內(nèi)部缺陷。內(nèi)部無(wú)損檢驗(yàn)?zāi)壳皬V泛采用超聲波檢驗(yàn)。該方法使用靈活、經(jīng)濟(jì)，對(duì)內(nèi)部缺陷反應(yīng)靈敏，但不易識(shí)別缺陷性質(zhì)；有時(shí)還用磁粉檢驗(yàn)、熒光檢驗(yàn)等較簡(jiǎn)單的方法作為輔助。此外還可采用X射線(xiàn)或r射線(xiàn)透照或拍片。

《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-2001）規(guī)定焊縫按其檢驗(yàn)方法和質(zhì)量要求分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。三級(jí)焊縫只要求對(duì)全部焊縫作外觀(guān)檢查且符合三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)要求全焊透的一級(jí)、二級(jí)焊縫則除外觀(guān)檢查外，還要求用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)，超聲波探傷不能對(duì)缺陷作出判斷時(shí)，應(yīng)采用射線(xiàn)探傷檢驗(yàn)，并應(yīng)符合國(guó)家相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。一級(jí)焊縫超聲波和射線(xiàn)探傷的比例均為100%，二級(jí)焊縫超聲波探傷和射線(xiàn)探傷的比例均為20%且均不小于200mm。當(dāng)焊縫長(zhǎng)度小于200mm時(shí)，應(yīng)對(duì)整條焊縫探傷。

2 鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)原理

無(wú)損檢測(cè)是在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，采用射線(xiàn)、超聲、紅外、電磁等原理技術(shù)儀器對(duì)材料、零件、設(shè)備進(jìn)行缺陷、化學(xué)、物理參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)，無(wú)損檢測(cè)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具。進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損探傷檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并彌補(bǔ)鋼結(jié)構(gòu)的缺陷，是確保建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性的重要手段之一。

超聲波探傷是目前鋼結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域常用的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。它是指利用超聲波探測(cè)材料內(nèi)部的缺陷。物理實(shí)驗(yàn)表明，超聲波在同一均勻介質(zhì)中，會(huì)沿直線(xiàn)以同一速度傳播，而當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)中傳播時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射或折射。超聲波探傷就是利用這一原理，將超聲波儀探頭產(chǎn)生并發(fā)射高頻率的超聲波到被檢材料中，再由超聲儀接受這些反射、折射來(lái)的超聲波，并在顯示屏上顯示，由專(zhuān)業(yè)工作人員對(duì)該波進(jìn)行分析，判斷缺陷的種類(lèi)和大小。超聲波探傷檢測(cè)具有和滲透探傷檢測(cè)一樣的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損探傷檢測(cè)中。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，這種技術(shù)需要人為操作的步驟較多，因此對(duì)缺陷的定性以及定量的評(píng)定結(jié)構(gòu)受工作人員主觀(guān)因素影響較大，為了確保檢測(cè)精度，下文將針對(duì)超聲波焊縫無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行重點(diǎn)解析。

3 鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

3.1 鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)收規(guī)范對(duì)超聲波檢測(cè)的要求

根據(jù)GB50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)一級(jí)、二級(jí)焊縫內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，檢測(cè)比例分別是焊縫長(zhǎng)度的100%和20%。對(duì)于手工電弧焊，同一制造單位的焊工的焊接水平可能存在較大差異，抽取部分構(gòu)件的20%進(jìn)行焊縫檢測(cè)往往不能有效的反應(yīng)整批焊縫質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了探傷比例按每條焊縫長(zhǎng)度的百分?jǐn)?shù)計(jì)，且不小于200mm，而絕對(duì)不是構(gòu)件焊縫總長(zhǎng)度的百分?jǐn)?shù)；這是保證每條焊縫質(zhì)量的硬性規(guī)定。這一點(diǎn)在執(zhí)行過(guò)程中往往得不到足夠的重視。

焊縫超聲波抽檢分為兩種情況，一是對(duì)制造廠(chǎng)質(zhì)保體系具備探傷條件的，根據(jù)其企業(yè)內(nèi)部檢驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行抽樣核實(shí)，其探傷比例為焊縫數(shù)量是20%。二是對(duì)制造廠(chǎng)質(zhì)保體系不具備探傷條件的情況，或現(xiàn)場(chǎng)組裝的鋼結(jié)構(gòu)焊縫，則應(yīng)嚴(yán)格按照GB50205-2001規(guī)定探傷比例按每條焊縫長(zhǎng)度的20%且不小于200mm進(jìn)行檢測(cè)抽查。

3.2 檢測(cè)掃描的影響因素

3.2.1 儀器的影響

首先是以其自身的水平線(xiàn)性影響和干擾。當(dāng)前儀器的水平線(xiàn)性影響好壞對(duì)于當(dāng)前的缺陷定位會(huì)造成很大程度上的干擾和影響。如果以其自身的水平線(xiàn)性無(wú)法達(dá)到測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，那么缺陷和定位的誤差就會(huì)產(chǎn)生巨大的干擾，直接造成定位失誤甚至是測(cè)量失敗。其次是以其自身的水平刻度精度的影響和干擾。在進(jìn)行測(cè)量施工的時(shí)候，以其自身的基線(xiàn)比例是根據(jù)對(duì)應(yīng)的儀器示波屏上面的水平刻度值進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)的。也就是說(shuō)，如果儀器本身的水平刻度出現(xiàn)了較大的偏差的時(shí)候，那么缺陷的定位誤差就會(huì)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這就會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成最為直接的干擾。

3.2.2 探頭的影響

首先是聲速偏離的情況。我們無(wú)論是在進(jìn)行垂直入射還是在傾斜入射的檢測(cè)構(gòu)建，我們都需要假設(shè)當(dāng)前的波束軸線(xiàn)和探頭自身的晶片構(gòu)建下的幾何中心都呈現(xiàn)出一種重合的態(tài)勢(shì)，但是實(shí)際上這兩者重合的難度很高。如果實(shí)際的聲束軸線(xiàn)跟探頭的幾何中心軸線(xiàn)偏離角度較大的時(shí)候，那么針對(duì)缺陷定位的缺陷精度就呈現(xiàn)出一種下降的趨勢(shì)。

其次是探頭雙峰的情況。一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)探頭發(fā)射的超聲波聲場(chǎng)只會(huì)有一個(gè)主要的聲束，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的軸線(xiàn)上所產(chǎn)生的聲壓等級(jí)最高、但是如果探頭自身質(zhì)量不過(guò)關(guān)或者是因?yàn)橥饬σ蛩卦斐闪藫p壞，那么在進(jìn)行聲波探測(cè)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)主聲束。在發(fā)現(xiàn)缺陷的時(shí)候，我們就沒(méi)有辦法判斷是哪一個(gè)聲束發(fā)現(xiàn)的缺陷，所以也就沒(méi)有辦法對(duì)所出現(xiàn)的缺陷實(shí)際位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

第三就是斜楔磨損。當(dāng)波探頭進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，斜楔將會(huì)出現(xiàn)磨損的情況。如果操作者在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候用力出現(xiàn)了失衡的情況。那么探頭的斜楔前后兩部分所造成的磨損情況將會(huì)出現(xiàn)較大的差異。如果是斜楔前面的磨損出現(xiàn)較大程度的增加的話(huà)，那么折射角就會(huì)出現(xiàn)增大的情況，探頭的K值也會(huì)不斷增大，但是如果是斜楔后面的磨損出現(xiàn)較大程度的增加的話(huà)，那么折射角就會(huì)出現(xiàn)減小的情況，探頭的K值也會(huì)不斷減小。另外，探頭自身的磨損還會(huì)使得探頭整體的入射點(diǎn)出現(xiàn)較大的變化，對(duì)缺陷自身的定位造成較大的干擾，使得檢測(cè)者無(wú)法準(zhǔn)確判斷缺陷的具體位置和缺陷情況。

3.3 缺陷的定位

我們?cè)谶M(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的焊縫超聲檢測(cè)的時(shí)候，首先要進(jìn)行缺陷的準(zhǔn)確定位。我們一般通過(guò)水平調(diào)整的方法針對(duì)被檢測(cè)地點(diǎn)進(jìn)行掃描速度的調(diào)整，在檢測(cè)的時(shí)候在熒光屏上把缺陷的位置和第一次、第二次以及第三次的博所進(jìn)行的對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行比較和分析，通過(guò)這種對(duì)比我們可以知道缺陷的所處大致范圍，是在焊縫的整體上部分、中部分還是在焊縫的根部。如果缺陷波出現(xiàn)在當(dāng)前二次波附近的時(shí)候那么這種缺陷就屬于表面的缺陷；如果缺陷信號(hào)被夾在了一次波以及二次波之間，或者是被夾在了二次和三次波之間，那么這個(gè)缺陷就處于整個(gè)焊縫的中間部分；如果整個(gè)缺陷的信號(hào)處于靠近一次波或者是靠近三次波的位置，那么這個(gè)缺陷就處于近根部。如果說(shuō)當(dāng)前經(jīng)過(guò)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)正好是在一次波或者是三次波的位置上，我們就可以推斷出這種缺陷為根部缺陷。但是我們還需要留意當(dāng)前的焊波的反射干擾，如圖2。

3.4 缺陷波形的識(shí)別

當(dāng)前超橫波在界面上的回波幅度和對(duì)應(yīng)的界面特性聲阻抗差以及對(duì)應(yīng)的界面自身形狀有著很大的關(guān)系。當(dāng)界面特性聲阻抗差的數(shù)值越大，那么所對(duì)應(yīng)的回波聲壓就越大；如果界面和聲束交角產(chǎn)生了不同的地方，那么對(duì)應(yīng)的聲束反射路徑也會(huì)出現(xiàn)不同的地方。我們可以利用這幾個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的聲波特征判斷。

3.4.1 氣孔缺陷

單獨(dú)的一個(gè)氣孔回波高度很低，整體的波形呈現(xiàn)出一種穩(wěn)定的趨勢(shì)，無(wú)論是從哪一個(gè)方向上進(jìn)行探測(cè)，整個(gè)反射波的高度大體上是相同的。但是只要檢測(cè)員稍微移動(dòng)一下探頭，那么反射波就會(huì)消失。如果是密集氣孔構(gòu)建下那么就是一簇反射波，分別顯示不同的波高，這些波高是由每一個(gè)氣孔的大小不同而決定的。當(dāng)灘頭進(jìn)行定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)這些波高此起彼伏的現(xiàn)象。

3.4.2 夾渣缺陷

點(diǎn)狀?yuàn)A渣的回波信號(hào)和另一個(gè)缺陷——點(diǎn)狀氣孔十分相似，但是條狀?yuàn)A渣的回波信號(hào)一般來(lái)說(shuō)都會(huì)呈現(xiàn)出鋸齒狀。這種缺陷的特點(diǎn)是反射率很低，波幅一般也不會(huì)太高，波形和樹(shù)枝的形狀很類(lèi)似，超聲波一個(gè)主峰上面會(huì)出現(xiàn)若干個(gè)小峰。當(dāng)探頭進(jìn)行平移的時(shí)候波幅會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。如果探測(cè)的方向出現(xiàn)不同點(diǎn)的話(huà)，反射的波幅也會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果，如圖3。

3.4.3 未熔合缺陷

探頭進(jìn)行平移的時(shí)候，波形相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定。當(dāng)在兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)的時(shí)候，反射的波幅就會(huì)出現(xiàn)一種差異化的構(gòu)建，有的時(shí)候只能在一個(gè)側(cè)面進(jìn)行具體的探測(cè)，如圖4。

3.5 焊縫質(zhì)量評(píng)定

在進(jìn)行測(cè)量的任意2mm的深度范圍之內(nèi)，如果兩個(gè)缺陷互相之間的距離小于5mm，那么兩個(gè)缺陷的只是長(zhǎng)度的綜合就被判斷為一個(gè)單個(gè)的缺陷只是長(zhǎng)度。如果兩個(gè)缺陷之間的距離大于等于5mm，那么我們就需要進(jìn)行分別的計(jì)算。質(zhì)量等級(jí)評(píng)定見(jiàn)表1。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)較為常見(jiàn)的各種焊縫進(jìn)行了超聲波等方面的檢測(cè)描述，通過(guò)各種圖片對(duì)于缺陷的定性有了更為明確的認(rèn)識(shí)，避免出現(xiàn)各種嚴(yán)重的漏檢或者誤判。超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)雖然是目前普遍應(yīng)用的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要人為操作的步驟較多，因此對(duì)缺陷的定性以及定量的評(píng)定結(jié)構(gòu)受工作人員主觀(guān)因素影響較大，包括其探測(cè)技術(shù)的熟練程度和專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平的高低。目前，超聲波探傷檢測(cè)技術(shù)的精度相對(duì)較低，是探測(cè)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)攻克的難題。

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