钢结构工程焊缝无损检测技术应用研究

李仁龙　吴磊

摘要：在建筑施工领域，钢结构有着其自身的显著特点，自身重量较轻，强度相对于一般建筑材料来说更高，材质均匀，并且可塑性极佳，不仅防震性能极高，并且工业装配的程度更高。但是焊缝结构的特殊性决定了焊缝无损检测方法上的局限性，譬如在检测的同时会损坏钢结构自身特性，甚至会损坏钢结构本身的功能。本文结合钢结构施工特点，介绍了一种钢结构无损检测技术，旨在保证钢结构自身完整性的基础上对钢结构的功能特性进行全面的检测，为后续施工提供准确可靠的参考依据。

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.

关键词：钢结构；焊缝无损检测技术；应用

Key words： steel structure；nondestructive testing technology；application

中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0091-03

0 引言

当前在建筑钢结构处理当中，焊接已经成为了对钢结构进行连接的一种基本工艺，并且被广泛地应用在当前各种类型的钢结构元件当中。因此，针对当前的焊接缝隙进行质量检验是对焊接质量进行控制的最为重要的内容之一。在焊接质量检验当中，针对焊缝的缺陷进行检测占据了最为主体的地位。由于在进行焊机的施工过程当中会有各种各样的缺陷，同时还会在进行复议或者超期服役当中经历多种条件的恶劣冲击，比如应力拉扯，荷载过大、金属疲劳或者辐射，因此焊接质量将会直接决定钢结构的施工和安全性。

在钢结构缺陷检测中，由于焊缝结构的特殊性决定了焊缝无损检测方法上的局限性，譬如在检测的同时会损坏钢结构自身特性，甚至会损坏钢结构本身造成二次伤害。本文结合钢结构施工特点，介绍了一种钢结构无损检测技术，旨在保证钢结构自身完整性的基础上对钢结构的功能特性及结构缺陷进行全面的检测，为后续施工提供准确可靠的参考依据。

1 钢结构焊缝缺陷类型就缺陷检测要求

1.1 焊缝缺陷

焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的钢构焊缝缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透（图1）等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当；焊接工艺条件（如电流、电压、焊速、施焊次序等）选择不合适；焊件表面油污未清除干净等。

1.2 焊缝质量检验要求

焊缝缺陷的存在将削弱焊缝的受力面积，在缺陷处引起应力集中，故对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。因此，焊缝质量检验极为重要。

焊缝质量检验一般可用外观检查及内部无损检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。内部无损检验目前广泛采用超声波检验。该方法使用灵活、经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质；有时还用磁粉检验、荧光检验等较简单的方法作为辅助。此外还可采用X射线或r射线透照或拍片。

《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；设计要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。一级焊缝超声波和射线探伤的比例均为100%，二级焊缝超声波探伤和射线探伤的比例均为20%且均不小于200mm。当焊缝长度小于200mm时，应对整条焊缝探伤。

2 钢结构焊缝超声波无损检测技术原理

无损检测是在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，采用射线、超声、红外、电磁等原理技术仪器对材料、零件、设备进行缺陷、化学、物理参数的检测技术，无损检测是工业发展必不可少的有效工具。进行钢结构焊缝无损探伤检测，及时发现并弥补钢结构的缺陷，是确保建筑钢结构的安全性与稳定性的重要手段之一。

超声波探伤是目前钢结构施工领域常用的一种无损检测技术。它是指利用超声波探测材料内部的缺陷。物理实验表明，超声波在同一均匀介质中，会沿直线以同一速度传播，而当超声波从一种介质向另一种介质中传播时，就会发生反射或折射。超声波探伤就是利用这一原理，将超声波仪探头产生并发射高频率的超声波到被检材料中，再由超声仪接受这些反射、折射来的超声波，并在显示屏上显示，由专业工作人员对该波进行分析，判断缺陷的种类和大小。超声波探伤检测具有和渗透探伤检测一样的优点，被广泛应用到钢结构焊缝无损探伤检测中。在实际应用时，这种技术需要人为操作的步骤较多，因此对缺陷的定性以及定量的评定结构受工作人员主观因素影响较大，为了确保检测精度，下文将针对超声波焊缝无损检测进行重点解析。

3 钢结构焊缝超声波无损检测技术研究

3.1 钢结构验收规范对超声波检测的要求

根据GB50205-2001《钢结构工程施工及验收规范》的规定，对一级、二级焊缝内部质量应进行超声波探伤检测，检测比例分别是焊缝长度的100%和20%。对于手工电弧焊，同一制造单位的焊工的焊接水平可能存在较大差异，抽取部分构件的20%进行焊缝检测往往不能有效的反应整批焊缝质量。标准强调了探伤比例按每条焊缝长度的百分数计，且不小于200mm，而绝对不是构件焊缝总长度的百分数；这是保证每条焊缝质量的硬性规定。这一点在执行过程中往往得不到足够的重视。

焊缝超声波抽检分为两种情况，一是对制造厂质保体系具备探伤条件的，根据其企业内部检验报告进行抽样核实，其探伤比例为焊缝数量是20%。二是对制造厂质保体系不具备探伤条件的情况，或现场组装的钢结构焊缝，则应严格按照GB50205-2001规定探伤比例按每条焊缝长度的20%且不小于200mm进行检测抽查。

3.2 检测扫描的影响因素

3.2.1 仪器的影响

首先是以其自身的水平线性影响和干扰。当前仪器的水平线性影响好坏对于当前的缺陷定位会造成很大程度上的干扰和影响。如果以其自身的水平线性无法达到测量的标准，那么缺陷和定位的误差就会产生巨大的干扰，直接造成定位失误甚至是测量失败。其次是以其自身的水平刻度精度的影响和干扰。在进行测量施工的时候，以其自身的基线比例是根据对应的仪器示波屏上面的水平刻度值进行对应调节的。也就是说，如果仪器本身的水平刻度出现了较大的偏差的时候，那么缺陷的定位误差就会呈现出增大的趋势，这就会对测量结果造成最为直接的干扰。

3.2.2 探头的影响

首先是声速偏离的情况。我们无论是在进行垂直入射还是在倾斜入射的检测构建，我们都需要假设当前的波束轴线和探头自身的晶片构建下的几何中心都呈现出一种重合的态势，但是实际上这两者重合的难度很高。如果实际的声束轴线跟探头的几何中心轴线偏离角度较大的时候，那么针对缺陷定位的缺陷精度就呈现出一种下降的趋势。

其次是探头双峰的情况。一般说来，一个探头发射的超声波声场只会有一个主要的声束，在远场区的轴线上所产生的声压等级最高、但是如果探头自身质量不过关或者是因为外力因素造成了损坏，那么在进行声波探测的时候就会出现两个主声束。在发现缺陷的时候，我们就没有办法判断是哪一个声束发现的缺陷，所以也就没有办法对所出现的缺陷实际位置进行精准定位。

第三就是斜楔磨损。当波探头进行检测的过程当中，斜楔将会出现磨损的情况。如果操作者在进行检测的时候用力出现了失衡的情况。那么探头的斜楔前后两部分所造成的磨损情况将会出现较大的差异。如果是斜楔前面的磨损出现较大程度的增加的话，那么折射角就会出现增大的情况，探头的K值也会不断增大，但是如果是斜楔后面的磨损出现较大程度的增加的话，那么折射角就会出现减小的情况，探头的K值也会不断减小。另外，探头自身的磨损还会使得探头整体的入射点出现较大的变化，对缺陷自身的定位造成较大的干扰，使得检测者无法准确判断缺陷的具体位置和缺陷情况。

3.3 缺陷的定位

我们在进行钢结构的焊缝超声检测的时候，首先要进行缺陷的准确定位。我们一般通过水平调整的方法针对被检测地点进行扫描速度的调整，在检测的时候在荧光屏上把缺陷的位置和第一次、第二次以及第三次的博所进行的对应位置进行比较和分析，通过这种对比我们可以知道缺陷的所处大致范围，是在焊缝的整体上部分、中部分还是在焊缝的根部。如果缺陷波出现在当前二次波附近的时候那么这种缺陷就属于表面的缺陷；如果缺陷信号被夹在了一次波以及二次波之间，或者是被夹在了二次和三次波之间，那么这个缺陷就处于整个焊缝的中间部分；如果整个缺陷的信号处于靠近一次波或者是靠近三次波的位置，那么这个缺陷就处于近根部。如果说当前经过超声检测发现缺陷信号正好是在一次波或者是三次波的位置上，我们就可以推断出这种缺陷为根部缺陷。但是我们还需要留意当前的焊波的反射干扰，如图2。

3.4 缺陷波形的识别

当前超横波在界面上的回波幅度和对应的界面特性声阻抗差以及对应的界面自身形状有着很大的关系。当界面特性声阻抗差的数值越大，那么所对应的回波声压就越大；如果界面和声束交角产生了不同的地方，那么对应的声束反射路径也会出现不同的地方。我们可以利用这几个特点进行对应的声波特征判断。

3.4.1 气孔缺陷

单独的一个气孔回波高度很低，整体的波形呈现出一种稳定的趋势，无论是从哪一个方向上进行探测，整个反射波的高度大体上是相同的。但是只要检测员稍微移动一下探头，那么反射波就会消失。如果是密集气孔构建下那么就是一簇反射波，分别显示不同的波高，这些波高是由每一个气孔的大小不同而决定的。当滩头进行定点转动的时候，会出现这些波高此起彼伏的现象。

3.4.2 夹渣缺陷

点状夹渣的回波信号和另一个缺陷——点状气孔十分相似，但是条状夹渣的回波信号一般来说都会呈现出锯齿状。这种缺陷的特点是反射率很低，波幅一般也不会太高，波形和树枝的形状很类似，超声波一个主峰上面会出现若干个小峰。当探头进行平移的时候波幅会出现波动。如果探测的方向出现不同点的话，反射的波幅也会出现不同的结果，如图3。

3.4.3 未熔合缺陷

探头进行平移的时候，波形相对来说比较稳定。当在两侧进行探测的时候，反射的波幅就会出现一种差异化的构建，有的时候只能在一个侧面进行具体的探测，如图4。

3.5 焊缝质量评定

在进行测量的任意2mm的深度范围之内，如果两个缺陷互相之间的距离小于5mm，那么两个缺陷的只是长度的综合就被判断为一个单个的缺陷只是长度。如果两个缺陷之间的距离大于等于5mm，那么我们就需要进行分别的计算。质量等级评定见表1。

4 结论

本文主要对较为常见的各种焊缝进行了超声波等方面的检测描述，通过各种图片对于缺陷的定性有了更为明确的认识，避免出现各种严重的漏检或者误判。超声波无损检测技术虽然是目前普遍应用的一种无损检测技术，但是在实际应用时，需要人为操作的步骤较多，因此对缺陷的定性以及定量的评定结构受工作人员主观因素影响较大，包括其探测技术的熟练程度和专业知识水平的高低。目前，超声波探伤检测技术的精度相对较低，是探测技术人员应当攻克的难题。

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