无损检测技术在钢结构焊接接头质检中的应用

李海娥 张宝川

（1.济宁市质量计量检验检测研究院，山东 济宁 272000；2.辽宁恒鑫源工程项目管理有限公司，辽宁 盘锦 124000）

0 引言

当前，我国的建筑结构类型较以往发生了很大改变。钢结构以其独具的跨度大、强度高、自重轻、韧性好、施工周期短、材料可回收、工业化程度高等诸多优势，在建设工程领域独领风骚。钢结构是指由钢板、型钢、钢管等制成的钢梁、钢柱、钢桁架、钢网架等构件组合而成的空间建筑结构。在钢结构制作过程中，焊接是最主要的连接制作工艺，焊接质量直接决定钢结构的质量及工程综合性能。因此，焊接接头质量检测尤为重要，已成为保障钢结构工程质量安全的关键环节。

1 无损检测技术概述

无损检测技术是指在对检测对象的用途、功能、内部组织等不造成损伤或破坏的前提下，以物理或化学方法为手段，借助专业设备器材，对检测对象的内部及表面的结构、完整性等进行检测的技术。无损检测过程中，不但能够确定被测物相关缺陷的位置、数量、大小甚至性质等，还能据此分析被测物的使用、安全性能等指标，判定被测物的技术状态如合格与否、剩余寿命等。

钢结构焊接接头检测采用无损检测技术，总体而言就是在不损坏被检查焊接接头性能和完整性的情况下，检测焊接接头表面及内部的缺陷如裂纹、夹渣、气孔、未熔合、未焊透等，并对焊接接头质量是否符合规定要求和设计意图等作出评价。当前钢结构行业无损检测技术类型十分丰富，效果较好且被行业普遍采用的有：超声检测（UT）、射线检测(RT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)，统称四大常规无损检测。此外还有TOFD检测、相控阵检测、涡流检测等。

钢结构制作安装时，连接钢结构各个零部件是一项必要工作。主要连接方法有紧固件连接和焊接等，其中焊接是钢结构制作中的主要连接手段。焊接会由于焊接参数、材料、手法等多方面因素不当而引起焊接缺陷。而焊接缺陷将会使钢构件承载性能受到很大威胁，进而导致钢结构工程得不到安全保障。例如焊接裂纹会导致所属构件焊缝承载力失效，进而造成整体钢结构安全隐患；因此，必须严格进行钢结构焊接接头质量检测，控制好焊接质量。

钢结构焊接接头质量，若是单纯依赖人工目测，则只能够对表面质量和外观缺陷进行观察，无法了解焊缝内部质量，无法把控焊接成效；若是采用化学分析或力学性能检验，往往需从构件上切取试样，则势必会破坏钢结构完整性和安全性，因此一般不被允许；而借助无损检测技术对钢结构焊接接头进行探伤检测，则可以在对构件不造成损伤的前提下实施内、外部全面质量检测；如果检测出问题可以及时采取修补措施如加固补焊或返修等，彻底解决问题把控好焊接质量。

2 无损检测技术优缺点分析

2.1 优势

（1）无损性。正因无损检测技术具备不损害被检对象结构和使用性能的特征，所以才被称为无损检测技术。

（2）全面性。由于无损检测技术具备无损性，因此必要时可对被检对象进行100%检测，了解结构内部情况，对焊接接头质量进行全面分析。

（3）全程性。破坏性检测一般只适用于对原材料或特制试件进行检测，如对钢板、焊接试样等采取拉伸、弯曲、冲击、化学成分等检测；对制成品和在用品，除非不准备让其继续服役，否则不能进行破坏性检测。而无损检测技术不会对构件结构等造成损害，在保障整体性前提下，可以根据需要对原材料、半成品、成品、现场施工焊缝、服役中的钢结构等，进行全过程各环节检测。

（4）客观性。无损检测一般采取随机抽查方式对被检物进行检测，故其检测结果通常具有代表性、客观性。

（5）科学性。无损检测技术快速发展，在检测精准化、智能化、信息化等方面更具优势，能切实保证检测数据的科学性、准确性。

2.2 不足

无损检测技术并非万能，并不能测试出焊接接头所有项目和指标。如焊接接头强度、塑性、韧性等指标只能采用破坏性检测；再如有些焊接接头还需切取试样做金相组织检测等，无损检测都无法替代。即无损检测技术要与破坏性检测技术相结合，才能对焊接接头综合性能作出准确评定，由此保障钢结构质量安全。

此外，应用无损检测技术还须把握好时机，否则会导致检测失效。需根据无损检测目的，正确选择无损检测的实施时机：例如要检查高强钢焊接接头有无延迟裂纹，无损检测实施时机就应安排在焊接完成24h以后进行。

另外，无损检测技术类型虽然丰富，但每种无损检测方法都有其自身局限性，不能适用于各种结构形式，也不能检测出所有缺陷。例如超声检测需要具备较强的声耦合，无法针对表面细微裂纹与微小气孔进行探测，不适合检测表面粗糙的构件等；射线检测存在人身辐射伤害，检测成本高、设备较重不便携带，无法检测疏松与分层缺陷等；磁粉检测仅限于铁磁材料的表面和近表面缺陷；渗透检测只适用于表面开口缺陷等。

3 焊接接头常见内部缺陷种类

3.1 裂纹

裂纹是指金属原子的结合遭到破坏而产生的缝隙。裂纹是焊接接头中最危险的一种缺陷，会使整条焊缝失效而引发严重事故，因此在焊接接头中绝不允许存在。裂纹按其产生部位可分为根部裂纹、弧坑裂纹、热影响区裂纹、熔合线裂纹等；按延伸方向可分为横向裂纹、纵向裂纹及枝状裂纹等；按裂纹产生温度可分为热裂纹、冷裂纹及再热裂纹等；按裂纹在服役期间工作环境可分为蠕变裂纹、应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹等。一般来讲，热裂纹多发生在奥氏体不锈钢、镍合金钢焊接过程中，低碳钢焊接时一般不易产生热裂纹，但随着钢的含碳量增高，热裂纹倾向增大。冷裂纹又称延迟裂纹，可在焊后立即出现，也可能经过一段时间才出现，更具危险性。再热裂纹一般发生在含钒、铬、钼等合金元素的低合金高强钢、耐热钢及不锈钢中，大多位于焊接热影响区的粗晶区、应力集中区、多层焊层间熔合区等。对内部裂纹比较敏感的无损检测技术是超声波检测，表面裂纹可采用磁粉或渗透检测。

3.2 未熔合

未熔合是指焊缝金属与母材之间或焊缝金属层与层之间未完全熔化结合的现象。未熔合直接降低接头的力学性能，严重者会使焊接结构失去承载力。未熔合主要分为侧壁未熔合、层间未熔合、根部未熔合等。未熔合通常被认为是和裂纹同样危险的焊接缺陷，是不允许存在的。焊接电流太小或不稳定，焊条角度不对或电弧偏吹，层间清渣不彻底或冬季焊接焊件散热过快等都可引起未熔合。超声波检测对于未熔合的敏感性高于射线检测。

3.3 未焊透

焊接时接头根部未完全熔透的现象称为未焊透。焊缝坡口钝边过大、坡口角度太小、焊根清理不净、间隙太小、焊条或焊丝角度不正确、电流过小或过大、速度过快、磁偏吹等均可引起。需注意的是，未焊透是否视为缺陷应根据钢结构工程技术规范或设计要求进行评价，例如钢结构工程设计图纸中的三级焊缝就是非全熔透焊缝，此类焊缝中未焊透不视为缺陷。标准JG/T 203-2007《钢结构超声波探伤及质量分级法》中9.4条“球节点根部未焊透的评定”及9.8条表15“T型接头未焊透指示深度评定”等内容，规定未焊透在钢结构焊接质量验收中允许一定范围内存在。射线、超声、磁粉检测技术都可以检出未焊透。

3.4 夹渣

夹渣是指残留在焊缝中的熔渣。夹渣以形态分为条状夹渣、点状夹渣、密集状夹渣等；以熔渣成分可分为非金属夹杂物和金属夹杂物。夹渣会降低焊缝的力学性能，其成因主要有清渣不彻底、坡口设计不当、焊接电流过小、速度过快、焊条角度及运条方法不当、焊材和母材化学成分不匹配等。射线检测和TOFD检测对夹渣缺陷检出率很高。

3.5 气孔

气孔指焊接时熔池金属中的气体在金属冷却凝固前未能逸出而在焊缝金属中形成的空穴。根据形态可分为球形单个气孔、密集气孔等；根据部位可分为内部气孔和表面气孔；根据气体成分可分为氢气孔、氮气孔及一氧化碳气孔等；根据焊接成因可分为结晶缩孔和弧坑缩孔等。气孔会削弱焊缝有效工作截面，降低焊缝力学性能。产生气孔的主要原因有焊件表面或坡口处有油、水分等污物、焊条药皮受潮未烘干、基体金属和焊条钢芯含碳量高、药皮脱氧能力差、熔池保护不好有空气进入等。射线检测可以发现非常微小的气孔缺陷。

4 无损检测技术检测焊接接头缺陷的要点

4.1 选取适当技术

在使用无损检测技术时，为确保焊接接头检测结果准确有效，就要结合不同钢结构生产、施工状况与检测验收标准，科学选择适当技术。如在检测焊接接头内部缺陷时，可选择超声、射线、TOFD技术；而检测表面缺陷时，可采取磁粉、渗透技术。与此同时，还需结合不同检测区域、位置、缺陷存在的差异，运用相应技术手段进行有效检测。如检测平面对接接头时，可采用各种无损检测技术；而在检测角接、T型、Y型等复杂结构焊接接头时，宜采用超声检测技术；检测近表面或表面缺陷，宜采用磁粉或渗透技术；检测光滑表面的开口缺陷时，宜采用渗透检测技术；检测裂纹、未熔合等内部面积型缺陷时，首选超声检测技术等。

4.2 定位缺陷区域

使用无损检测技术时，必须要保证对缺陷区域准确定位。如在使用A型超声波探伤仪进行横波探伤时，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，准确定位的前提是首先用标准试块测定好波速、探头前沿和K值，准确调节好仪器的扫描速度。扫描速度调节有声程法、水平法和深度法（目前数字式超声检测仪三者均可同时调节）。然后再根据一次波或二次波对缺陷的定位公式进行计算，可准确测定缺陷所在水平、深度位置。

5 无损检测技术在焊接接头检测中的运用

5.1 运用射线检测

射线检测技术原理是通过特殊射线放射至焊接接头对其进行透照，进而利用底片将内部检测结果进行显示，通过对底片影像信息进行观察研究来判断焊缝处有无缺陷。当前射线技术已发展成熟，可在详细观察焊缝形态的同时准确判断缺陷形状、性质；此外因其检测结果可通过底片长期保存，所以射线检测具备良好的可追溯性。

射线检测过程会产生对人体危害极大的电离辐射，因此在使用射线技术时，需严格遵照相关安全技术标准；射线检测还需消耗较高成本费用；此外，射线检测对钢结构中普遍存在的T型、角接等接头型式不便于探伤操作。综合以上因素，尽管新版国标GB 50205-2020中规定了设计要求的一、二级焊缝内部缺陷的无损检测质量验收采用超声检测或射线检测，但实际钢结构工程实践中采用射线检测技术的并不多。该标准规定，当不能采用超声波探伤或对超声波检测结果有疑义时，可采用射线检测验证。因此，射线检测在钢结构领域多用于备选或检测结果有疑义时进行验证。

5.2 运用超声检测

超声检测是钢结构行业目前国内外应用最广泛、使用频率最高的无损检测技术。其自身存在波束能量高、穿透力强、方向性好、定位准确、灵敏度高、检测成本低、速度快、设备轻便、对人无害等诸多优点，结合其能够通过在界面产生反射、折射、衍射和波形转换等声波优势，可对焊接接头利用超声设备开展全方位检测。超声检测按原理可分为脉冲反射法、衍射时差法（TOFD）、穿透法、共振法等；按显示方式可分为A型、B型、C型等显示；按波型可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等；按探头数目可分为单探头法、双探头法、多探头法等；按探头与工件的接触方式可分为接触法、液浸法、电磁耦合法等；按操作者可分为手工检测和自动检测等。目前钢结构焊接接头质量检测中采用最多的检测方式是接触式脉冲反射法横波斜探头超声波检测。国家标准GB 50205-2020中明确了超声波检测是钢结构工程质量验收中检测焊缝内部缺陷的主要方式。

5.3 运用磁粉检测

磁粉检测技术是围绕大部分钢材具有磁性，且在磁化后会在周边形成磁场的原理开展焊接接头检测。磁粉检测技术具有操作便捷、检测结果直观、检测时间短以及成本消耗低等优点；但由于其只能对焊接接头表面或近表面起到优异检测效果，且只适用于铁磁性材料，在检测不锈钢或是磁力属性不佳的材质时往往难以发挥作用，故其在钢结构质量检测实际运用中存在局限性。

5.4 运用渗透检测

渗透检测技术在检测焊接接头缺陷时，主要手段是在被检对象表层涂刷适量渗透液，在毛细管作用下经过一定时间，渗透液能渗进表面开口的缺陷中，经去除表面多余的渗透液后，再施涂显像剂，同样在毛细管作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，使渗透液回渗到显像剂中，在一定光源下，缺陷处的渗透液痕迹被显示，从而探测出缺陷的形貌及分布状态，实现检测目的。

渗透检测根据渗透液所含染料成分可分为荧光法、着色法；根据渗透液去除方式可分为水洗型、后乳化型、溶剂去除型；根据显像方式可分为湿式显像、快干式显像、干式显像、无显像剂式显像等。渗透检测可适用于除疏松多孔性外的任何种类材料，具有不需大型设备可不用水电，一次操作可完成多方向、形状复杂部件检测等优点；但也存在仅能检出表面开口缺陷、受操作人员水平影响大、受表面粗糙度影响大、工序多速度慢、灵敏度不及磁粉探伤、材料贵成本高等缺点。

6 结束语

综上所述，焊接接头缺陷会在很大程度上影响到钢结构工程质量，导致使用时存在安全隐患，容易引发事故。由此，应不断对无损检测技术进行完善提升，确保技术水平能够随时代进步而提高，根据需要灵活开展焊接接头检测工作，切实保障钢结构工程质量安全。