無損檢測技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)檢中的應(yīng)用

李海娥 張寶川

（1.濟寧市質(zhì)量計量檢驗檢測研究院，山東 濟寧 272000；2.遼寧恒鑫源工程項目管理有限公司，遼寧 盤錦 124000）

0 引言

當(dāng)前，我國的建筑結(jié)構(gòu)類型較以往發(fā)生了很大改變。鋼結(jié)構(gòu)以其獨具的跨度大、強度高、自重輕、韌性好、施工周期短、材料可回收、工業(yè)化程度高等諸多優(yōu)勢，在建設(shè)工程領(lǐng)域獨領(lǐng)風(fēng)騷。鋼結(jié)構(gòu)是指由鋼板、型鋼、鋼管等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架、鋼網(wǎng)架等構(gòu)件組合而成的空間建筑結(jié)構(gòu)。在鋼結(jié)構(gòu)制作過程中，焊接是最主要的連接制作工藝，焊接質(zhì)量直接決定鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及工程綜合性能。因此，焊接接頭質(zhì)量檢測尤為重要，已成為保障鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 無損檢測技術(shù)概述

無損檢測技術(shù)是指在對檢測對象的用途、功能、內(nèi)部組織等不造成損傷或破壞的前提下，以物理或化學(xué)方法為手段，借助專業(yè)設(shè)備器材，對檢測對象的內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、完整性等進(jìn)行檢測的技術(shù)。無損檢測過程中，不但能夠確定被測物相關(guān)缺陷的位置、數(shù)量、大小甚至性質(zhì)等，還能據(jù)此分析被測物的使用、安全性能等指標(biāo)，判定被測物的技術(shù)狀態(tài)如合格與否、剩余壽命等。

鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭檢測采用無損檢測技術(shù)，總體而言就是在不損壞被檢查焊接接頭性能和完整性的情況下，檢測焊接接頭表面及內(nèi)部的缺陷如裂紋、夾渣、氣孔、未熔合、未焊透等，并對焊接接頭質(zhì)量是否符合規(guī)定要求和設(shè)計意圖等作出評價。當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)無損檢測技術(shù)類型十分豐富，效果較好且被行業(yè)普遍采用的有：超聲檢測（UT）、射線檢測(RT)、磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)，統(tǒng)稱四大常規(guī)無損檢測。此外還有TOFD檢測、相控陣檢測、渦流檢測等。

鋼結(jié)構(gòu)制作安裝時，連接鋼結(jié)構(gòu)各個零部件是一項必要工作。主要連接方法有緊固件連接和焊接等，其中焊接是鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要連接手段。焊接會由于焊接參數(shù)、材料、手法等多方面因素不當(dāng)而引起焊接缺陷。而焊接缺陷將會使鋼構(gòu)件承載性能受到很大威脅，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)工程得不到安全保障。例如焊接裂紋會導(dǎo)致所屬構(gòu)件焊縫承載力失效，進(jìn)而造成整體鋼結(jié)構(gòu)安全隱患；因此，必須嚴(yán)格進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)量檢測，控制好焊接質(zhì)量。

鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)量，若是單純依賴人工目測，則只能夠?qū)Ρ砻尜|(zhì)量和外觀缺陷進(jìn)行觀察，無法了解焊縫內(nèi)部質(zhì)量，無法把控焊接成效；若是采用化學(xué)分析或力學(xué)性能檢驗，往往需從構(gòu)件上切取試樣，則勢必會破壞鋼結(jié)構(gòu)完整性和安全性，因此一般不被允許；而借助無損檢測技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭進(jìn)行探傷檢測，則可以在對構(gòu)件不造成損傷的前提下實施內(nèi)、外部全面質(zhì)量檢測；如果檢測出問題可以及時采取修補措施如加固補焊或返修等，徹底解決問題把控好焊接質(zhì)量。

2 無損檢測技術(shù)優(yōu)缺點分析

2.1 優(yōu)勢

（1）無損性。正因無損檢測技術(shù)具備不損害被檢對象結(jié)構(gòu)和使用性能的特征，所以才被稱為無損檢測技術(shù)。

（2）全面性。由于無損檢測技術(shù)具備無損性，因此必要時可對被檢對象進(jìn)行100%檢測，了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況，對焊接接頭質(zhì)量進(jìn)行全面分析。

（3）全程性。破壞性檢測一般只適用于對原材料或特制試件進(jìn)行檢測，如對鋼板、焊接試樣等采取拉伸、彎曲、沖擊、化學(xué)成分等檢測；對制成品和在用品，除非不準(zhǔn)備讓其繼續(xù)服役，否則不能進(jìn)行破壞性檢測。而無損檢測技術(shù)不會對構(gòu)件結(jié)構(gòu)等造成損害，在保障整體性前提下，可以根據(jù)需要對原材料、半成品、成品、現(xiàn)場施工焊縫、服役中的鋼結(jié)構(gòu)等，進(jìn)行全過程各環(huán)節(jié)檢測。

（4）客觀性。無損檢測一般采取隨機抽查方式對被檢物進(jìn)行檢測，故其檢測結(jié)果通常具有代表性、客觀性。

（5）科學(xué)性。無損檢測技術(shù)快速發(fā)展，在檢測精準(zhǔn)化、智能化、信息化等方面更具優(yōu)勢，能切實保證檢測數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。

2.2 不足

無損檢測技術(shù)并非萬能，并不能測試出焊接接頭所有項目和指標(biāo)。如焊接接頭強度、塑性、韌性等指標(biāo)只能采用破壞性檢測；再如有些焊接接頭還需切取試樣做金相組織檢測等，無損檢測都無法替代。即無損檢測技術(shù)要與破壞性檢測技術(shù)相結(jié)合，才能對焊接接頭綜合性能作出準(zhǔn)確評定，由此保障鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全。

此外，應(yīng)用無損檢測技術(shù)還須把握好時機，否則會導(dǎo)致檢測失效。需根據(jù)無損檢測目的，正確選擇無損檢測的實施時機：例如要檢查高強鋼焊接接頭有無延遲裂紋，無損檢測實施時機就應(yīng)安排在焊接完成24h以后進(jìn)行。

另外，無損檢測技術(shù)類型雖然豐富，但每種無損檢測方法都有其自身局限性，不能適用于各種結(jié)構(gòu)形式，也不能檢測出所有缺陷。例如超聲檢測需要具備較強的聲耦合，無法針對表面細(xì)微裂紋與微小氣孔進(jìn)行探測，不適合檢測表面粗糙的構(gòu)件等；射線檢測存在人身輻射傷害，檢測成本高、設(shè)備較重不便攜帶，無法檢測疏松與分層缺陷等；磁粉檢測僅限于鐵磁材料的表面和近表面缺陷；滲透檢測只適用于表面開口缺陷等。

3 焊接接頭常見內(nèi)部缺陷種類

3.1 裂紋

裂紋是指金屬原子的結(jié)合遭到破壞而產(chǎn)生的縫隙。裂紋是焊接接頭中最危險的一種缺陷，會使整條焊縫失效而引發(fā)嚴(yán)重事故，因此在焊接接頭中絕不允許存在。裂紋按其產(chǎn)生部位可分為根部裂紋、弧坑裂紋、熱影響區(qū)裂紋、熔合線裂紋等；按延伸方向可分為橫向裂紋、縱向裂紋及枝狀裂紋等；按裂紋產(chǎn)生溫度可分為熱裂紋、冷裂紋及再熱裂紋等；按裂紋在服役期間工作環(huán)境可分為蠕變裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋及疲勞裂紋等。一般來講，熱裂紋多發(fā)生在奧氏體不銹鋼、鎳合金鋼焊接過程中，低碳鋼焊接時一般不易產(chǎn)生熱裂紋，但隨著鋼的含碳量增高，熱裂紋傾向增大。冷裂紋又稱延遲裂紋，可在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過一段時間才出現(xiàn)，更具危險性。再熱裂紋一般發(fā)生在含釩、鉻、鉬等合金元素的低合金高強鋼、耐熱鋼及不銹鋼中，大多位于焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、多層焊層間熔合區(qū)等。對內(nèi)部裂紋比較敏感的無損檢測技術(shù)是超聲波檢測，表面裂紋可采用磁粉或滲透檢測。

3.2 未熔合

未熔合是指焊縫金屬與母材之間或焊縫金屬層與層之間未完全熔化結(jié)合的現(xiàn)象。未熔合直接降低接頭的力學(xué)性能，嚴(yán)重者會使焊接結(jié)構(gòu)失去承載力。未熔合主要分為側(cè)壁未熔合、層間未熔合、根部未熔合等。未熔合通常被認(rèn)為是和裂紋同樣危險的焊接缺陷，是不允許存在的。焊接電流太小或不穩(wěn)定，焊條角度不對或電弧偏吹，層間清渣不徹底或冬季焊接焊件散熱過快等都可引起未熔合。超聲波檢測對于未熔合的敏感性高于射線檢測。

3.3 未焊透

焊接時接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象稱為未焊透。焊縫坡口鈍邊過大、坡口角度太小、焊根清理不凈、間隙太小、焊條或焊絲角度不正確、電流過小或過大、速度過快、磁偏吹等均可引起。需注意的是，未焊透是否視為缺陷應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)規(guī)范或設(shè)計要求進(jìn)行評價，例如鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計圖紙中的三級焊縫就是非全熔透焊縫，此類焊縫中未焊透不視為缺陷。標(biāo)準(zhǔn)JG/T 203-2007《鋼結(jié)構(gòu)超聲波探傷及質(zhì)量分級法》中9.4條“球節(jié)點根部未焊透的評定”及9.8條表15“T型接頭未焊透指示深度評定”等內(nèi)容，規(guī)定未焊透在鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量驗收中允許一定范圍內(nèi)存在。射線、超聲、磁粉檢測技術(shù)都可以檢出未焊透。

3.4 夾渣

夾渣是指殘留在焊縫中的熔渣。夾渣以形態(tài)分為條狀夾渣、點狀夾渣、密集狀夾渣等；以熔渣成分可分為非金屬夾雜物和金屬夾雜物。夾渣會降低焊縫的力學(xué)性能，其成因主要有清渣不徹底、坡口設(shè)計不當(dāng)、焊接電流過小、速度過快、焊條角度及運條方法不當(dāng)、焊材和母材化學(xué)成分不匹配等。射線檢測和TOFD檢測對夾渣缺陷檢出率很高。

3.5 氣孔

氣孔指焊接時熔池金屬中的氣體在金屬冷卻凝固前未能逸出而在焊縫金屬中形成的空穴。根據(jù)形態(tài)可分為球形單個氣孔、密集氣孔等；根據(jù)部位可分為內(nèi)部氣孔和表面氣孔；根據(jù)氣體成分可分為氫氣孔、氮氣孔及一氧化碳?xì)饪椎?；根?jù)焊接成因可分為結(jié)晶縮孔和弧坑縮孔等。氣孔會削弱焊縫有效工作截面，降低焊縫力學(xué)性能。產(chǎn)生氣孔的主要原因有焊件表面或坡口處有油、水分等污物、焊條藥皮受潮未烘干、基體金屬和焊條鋼芯含碳量高、藥皮脫氧能力差、熔池保護(hù)不好有空氣進(jìn)入等。射線檢測可以發(fā)現(xiàn)非常微小的氣孔缺陷。

4 無損檢測技術(shù)檢測焊接接頭缺陷的要點

4.1 選取適當(dāng)技術(shù)

在使用無損檢測技術(shù)時，為確保焊接接頭檢測結(jié)果準(zhǔn)確有效，就要結(jié)合不同鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、施工狀況與檢測驗收標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)選擇適當(dāng)技術(shù)。如在檢測焊接接頭內(nèi)部缺陷時，可選擇超聲、射線、TOFD技術(shù)；而檢測表面缺陷時，可采取磁粉、滲透技術(shù)。與此同時，還需結(jié)合不同檢測區(qū)域、位置、缺陷存在的差異，運用相應(yīng)技術(shù)手段進(jìn)行有效檢測。如檢測平面對接接頭時，可采用各種無損檢測技術(shù)；而在檢測角接、T型、Y型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接接頭時，宜采用超聲檢測技術(shù)；檢測近表面或表面缺陷，宜采用磁粉或滲透技術(shù)；檢測光滑表面的開口缺陷時，宜采用滲透檢測技術(shù)；檢測裂紋、未熔合等內(nèi)部面積型缺陷時，首選超聲檢測技術(shù)等。

4.2 定位缺陷區(qū)域

使用無損檢測技術(shù)時，必須要保證對缺陷區(qū)域準(zhǔn)確定位。如在使用A型超聲波探傷儀進(jìn)行橫波探傷時，其主要定位缺陷方式是水平缺陷定位和深度（垂直）缺陷定位，準(zhǔn)確定位的前提是首先用標(biāo)準(zhǔn)試塊測定好波速、探頭前沿和K值，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)好儀器的掃描速度。掃描速度調(diào)節(jié)有聲程法、水平法和深度法（目前數(shù)字式超聲檢測儀三者均可同時調(diào)節(jié)）。然后再根據(jù)一次波或二次波對缺陷的定位公式進(jìn)行計算，可準(zhǔn)確測定缺陷所在水平、深度位置。

5 無損檢測技術(shù)在焊接接頭檢測中的運用

5.1 運用射線檢測

射線檢測技術(shù)原理是通過特殊射線放射至焊接接頭對其進(jìn)行透照，進(jìn)而利用底片將內(nèi)部檢測結(jié)果進(jìn)行顯示，通過對底片影像信息進(jìn)行觀察研究來判斷焊縫處有無缺陷。當(dāng)前射線技術(shù)已發(fā)展成熟，可在詳細(xì)觀察焊縫形態(tài)的同時準(zhǔn)確判斷缺陷形狀、性質(zhì)；此外因其檢測結(jié)果可通過底片長期保存，所以射線檢測具備良好的可追溯性。

射線檢測過程會產(chǎn)生對人體危害極大的電離輻射，因此在使用射線技術(shù)時，需嚴(yán)格遵照相關(guān)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；射線檢測還需消耗較高成本費用；此外，射線檢測對鋼結(jié)構(gòu)中普遍存在的T型、角接等接頭型式不便于探傷操作。綜合以上因素，盡管新版國標(biāo)GB 50205-2020中規(guī)定了設(shè)計要求的一、二級焊縫內(nèi)部缺陷的無損檢測質(zhì)量驗收采用超聲檢測或射線檢測，但實際鋼結(jié)構(gòu)工程實踐中采用射線檢測技術(shù)的并不多。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)不能采用超聲波探傷或?qū)Τ暡z測結(jié)果有疑義時，可采用射線檢測驗證。因此，射線檢測在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域多用于備選或檢測結(jié)果有疑義時進(jìn)行驗證。

5.2 運用超聲檢測

超聲檢測是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高的無損檢測技術(shù)。其自身存在波束能量高、穿透力強、方向性好、定位準(zhǔn)確、靈敏度高、檢測成本低、速度快、設(shè)備輕便、對人無害等諸多優(yōu)點，結(jié)合其能夠通過在界面產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形轉(zhuǎn)換等聲波優(yōu)勢，可對焊接接頭利用超聲設(shè)備開展全方位檢測。超聲檢測按原理可分為脈沖反射法、衍射時差法（TOFD）、穿透法、共振法等；按顯示方式可分為A型、B型、C型等顯示；按波型可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等；按探頭數(shù)目可分為單探頭法、雙探頭法、多探頭法等；按探頭與工件的接觸方式可分為接觸法、液浸法、電磁耦合法等；按操作者可分為手工檢測和自動檢測等。目前鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)量檢測中采用最多的檢測方式是接觸式脈沖反射法橫波斜探頭超聲波檢測。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50205-2020中明確了超聲波檢測是鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量驗收中檢測焊縫內(nèi)部缺陷的主要方式。

5.3 運用磁粉檢測

磁粉檢測技術(shù)是圍繞大部分鋼材具有磁性，且在磁化后會在周邊形成磁場的原理開展焊接接頭檢測。磁粉檢測技術(shù)具有操作便捷、檢測結(jié)果直觀、檢測時間短以及成本消耗低等優(yōu)點；但由于其只能對焊接接頭表面或近表面起到優(yōu)異檢測效果，且只適用于鐵磁性材料，在檢測不銹鋼或是磁力屬性不佳的材質(zhì)時往往難以發(fā)揮作用，故其在鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測實際運用中存在局限性。

5.4 運用滲透檢測

滲透檢測技術(shù)在檢測焊接接頭缺陷時，主要手段是在被檢對象表層涂刷適量滲透液，在毛細(xì)管作用下經(jīng)過一定時間，滲透液能滲進(jìn)表面開口的缺陷中，經(jīng)去除表面多余的滲透液后，再施涂顯像劑，同樣在毛細(xì)管作用下，顯像劑將吸引缺陷中保留的滲透液，使?jié)B透液回滲到顯像劑中，在一定光源下，缺陷處的滲透液痕跡被顯示，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態(tài)，實現(xiàn)檢測目的。

滲透檢測根據(jù)滲透液所含染料成分可分為熒光法、著色法；根據(jù)滲透液去除方式可分為水洗型、后乳化型、溶劑去除型；根據(jù)顯像方式可分為濕式顯像、快干式顯像、干式顯像、無顯像劑式顯像等。滲透檢測可適用于除疏松多孔性外的任何種類材料，具有不需大型設(shè)備可不用水電，一次操作可完成多方向、形狀復(fù)雜部件檢測等優(yōu)點；但也存在僅能檢出表面開口缺陷、受操作人員水平影響大、受表面粗糙度影響大、工序多速度慢、靈敏度不及磁粉探傷、材料貴成本高等缺點。

6 結(jié)束語

綜上所述，焊接接頭缺陷會在很大程度上影響到鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量，導(dǎo)致使用時存在安全隱患，容易引發(fā)事故。由此，應(yīng)不斷對無損檢測技術(shù)進(jìn)行完善提升，確保技術(shù)水平能夠隨時代進(jìn)步而提高，根據(jù)需要靈活開展焊接接頭檢測工作，切實保障鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量安全。