浅谈超声波探伤在建筑钢结构检测中的应用

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　　摘 要：随着当代建筑技术日新月异的发展，钢结构在当代建筑中使用率越来越高。采用无损探伤的手段对焊缝进行质量检验是确保钢结构工程质量的重要环节。建筑钢结构构件需焊接加工制作完成，其焊缝内部质量情况直接影响着构件质量。超声波探伤（Ultrasonic Testing，简称UT）是无损检测中应用比较广泛的探测内部缺陷的方法。本文着重阐述超声波探伤在建筑钢结构中检测焊缝内部缺陷的应用。
　　关键词：建筑钢结构；无损检测；焊缝内部缺陷；超声波探伤
　　
　　随着当代建筑技术日新月异的发展，建筑结构体系的种类不断的朝轻质、高强的方向发展，钢管混凝土结构、钢结构在当代建筑中使用率越来越高。尤其是在厂房建设及设备安装中更是大量使用钢结构。而焊接作为钢结构的主要连接方式之一，直接影响钢结构的施工质量，采用无损探伤的手段对焊缝进行质量检验是确保钢结构工程质量的重要环节。
　　1建筑钢结构焊缝类型及焊缝内部缺陷
　　1.1焊缝类型及剖口型式
　　建筑钢结构体系主要有两种：门式钢架体系和网架空间结构体系，其中以门式钢架体系居多。其焊缝类型主要有对接焊缝和T型焊缝两种。对接焊缝是指将两母材置于同一平面内（或曲面内）使其边缘对齐，沿边缘直线（或曲线）进行焊接的焊缝；T型焊缝是指两母材成T字形焊接在一起的焊缝。为保证焊缝部位两母材在施焊后能完全熔合，焊接前应根据焊接工艺要求在接头处开出适当的坡口，钢结构焊缝常见的坡口形式主要有I型（薄板对接）、V型（中厚板对接）、X型（厚板对接）、单V型（T型连接）和K型（T型连接）等。
　　1.2焊缝中常见缺陷的类型及其在超声探伤中的识别 焊缝中常见的缺陷主要有气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等几种，他们各自的回波均有其特性。 1. 气孔 气孔是在焊接过程中焊接熔池高温时吸收了过量的气体或冶金反应产生的气体，在冷却凝固之前来不及逸出而残留在焊缝金属内所形成的空穴，多呈球形或椭球形。气孔可分为单个气孔和密集气孔。单个气孔回波高度低，波形较稳定。从各个方向探测，反射波高大致相同，但稍一移动探头就消失。密集气孔为一簇反射波，其波高随气孔的大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。 2. 夹渣 夹渣是指焊后残留在焊缝金属内的熔渣或非金属夹杂物，夹渣表面不规则。夹渣分点状夹渣和条状夹渣。点状夹渣的回波信号与点状气孔相似。条状夹渣回波信号多呈锯齿状。它的反射率低，一般波幅不高，波形常呈树枝状，主峰边上有小峰。探头平移时，波幅有变动，从各个方向探测，反射波幅不相同。 3. 未焊透 未焊透是指焊接接头部分金属未完全熔透的现象。一般位于焊缝中心线上，有一定的长度。探伤中探头平移时，未焊透波形较稳定，焊缝两侧探伤时，均能得到大致相同的反射波幅。 4. 未熔合 未熔合主要是指填充金属与母材之间没有熔合在一起或填充金属层之间没有熔合在一起。未熔合反射波的特征是：探头平移时，波形较稳定。两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。
　　
　　
　　2超声波探伤方法原理及分类
　　超声波探伤是利用超声波经过不同的介质产生反射的特性。超声波通过构件检测表面的耦合剂进入构件，在构件中传播，碰到缺陷或构件底面就会反射回至探头，根据反射波在超声波探伤仪荧光屏中的位置及波幅高度就可计算出其位置及大小。根据波形显示的不同，超声波探伤仪分为A型、B型、C型，常见的是A型脉冲反射式探伤仪。
　　3超声波探伤在建筑钢结构中的应用
　　由于超声波探伤具有灵敏度高，设备轻便，操作方便，探测速度快，适宜高空作业等优点，因此广泛应用于建筑钢结构焊缝内部质量的检测。本人从事钢结构现场检测实践，现就超声波探伤在建筑钢结构焊缝内部质量检测中的应用总结如下：
　　3.1超声波探伤的主要要求
　　（1）探伤人员素质要求。探伤人员必须取得相应检测方法的等级资格证书，只能从事与该等级相应的无损检测工作，并负相应的技术责任，3级为最高，2级次之，1级为最低。
　　（2）探测面选择。根据构件形状，焊接工艺，可能产生的缺陷部位及缺陷的延展方向及焊缝要求的验收等级等来选取探测面。
　　（3）探头频率及角度（K值或折射角β）选择。探头频率高，衰减大，穿透力差，不宜用于厚板构件焊缝的检测。但频率高，分辨率高，因此在穿透能力允许下，频率选的愈高愈
　　好。一般选用2~5MHz探头，推荐使用2~2.5MHz探头。探头频率高，近场区场度大，衰减大，对探伤不利，实际探伤中要全面分析考虑各方面的因素，合理选择频率。一般在保证探
　　伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率，钢结构焊缝检测一般选用2.5MHz及5MHz探头，网架杆件及薄壁构件焊缝常选用5MHz。探头角度一般根据材料厚度，焊缝坡口型式及预计主要缺陷种类来选择，由于建筑钢结构的板材厚度一般不大，一般推荐使用K2.0（β60°）或K2.5（β68°），但钢网架杆件大部分板材壁薄应使用K3（β72°）。
　　（4）耦合剂选择。必须具有良好的透声性和适宜的流动性，对材料和人体无害，且价廉易取，建议使用洗洁精。
　　3.2超声波在焊缝内部缺陷检测中应用
　　3.2.1对接焊缝的探伤方法
　　（1）初探。将已调好的DAC曲线探伤灵敏度提高4～6dB（扫查灵敏度一般是提高6dB），使评定线位于示波屏20％高度以上，调好补偿增益（一般为4dB），用锯齿型、平行、斜平行扫查法，斜探头快速扫查整条焊缝，密切注视示波屏上的所有回波信号，一旦发现有波幅超过评定线的可疑回波立即在焊缝相应部位做出标记，为下一步缺陷定量测长做准备。
　　首先进行锯齿型扫查，锯齿型扫查是有效发现焊缝常见缺陷尤其是纵向和斜纵向缺陷的主要方法，也是斜探头检测焊缝的基本方式。为检测焊缝+熔合区+热影响区中可能出现的横向或斜横向缺陷，还应该使用斜平行和平行扫查两种方式，前者适用于带有余高的焊缝，后者适用于余高被磨平的焊缝。斜平行扫查是探头在焊缝余高两侧，前端面倾斜朝向焊缝放置，
　　其中心轴线同焊缝方向呈10°～15°夹角，沿焊缝边缘作两个方向的斜平行扫查（前进同时探头自身做10°～15°的转动）图l。平行扫查是探头在焊缝上沿焊缝方向作两个方向的平行扫查（前进同时作10°～15°的转动）。
　　
　　 图l斜平行扫查
　　以上3种扫查方法是斜探头探测对接焊缝的基本扫查方法。它们必须相互结合，互为补充。无论采用那种扫查方式，扫查速度都应≤l50mm／s，相邻两次探头移动间隔保证至少有探头宽度10％的重叠。以便最大限度地发现缺陷，避免漏检。
　　（2）精探。扫查方法同初探，但速度较慢。对第一遍探测作出标记的部分进行仔细探测，找出真正缺陷的最高回波，并对其定位、定长，做好记录。精探时，要综合采用前后、左右、转角、环绕等4种基本探测方式。针对已发现的目标缺陷，精探通常又分以下3个步骤进行：
　　①找到目标缺陷最大回波并确定回波所在区域。粗查时为了发现缺陷采用较高的灵敏度，此时应对回波进行定区，即判定它所属的是DAC曲线上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ哪个区，原则上Ⅰ区以下的缺陷不作记录和评定（如果是凭经验怀疑为裂纹等危害性缺陷特征回波，则应采取改变探头K值、增加探测面、观察动态波形等措施做进一步分析探测），当回波在Ⅱ、Ⅲ区时须继续进行步骤②和③。
　　②对目标缺陷定位和排除伪缺陷。根据最高回波在示波屏上对应的水平和垂直距离确定目标缺陷所在的实际位置，判断其水平位置在检测区（焊缝+熔合区+热影响区）之外或之内；若之外，则排除焊缝内缺陷；若之内则初步判定为缺陷，应根据其垂直距离并利用K值判定回波对应的实际深度和水平距离。

　　③缺陷定量（测长）和记录。当缺陷反射波只有一个高点，且位于Ⅱ区或Ⅱ区以上时，则采用6dB法进行测长。当缺陷反射波峰值起伏变化有多个高点时，应分别找到左右两端的最高回波，按端点6dB法进行测长。当反射波峰位于Ⅰ区认为有必要定量记录时，将探头左右移动使波幅分别降到评定线处为端点，此两端点之间的距离即为缺陷指示长度。应详细记录以上所述的回波信息，需要返修时应在焊缝上做出标记。
　　（3）复探。复探是对前两遍探测结果的复核和校验，其探测方法基本同前，但速度稍快。
　　3.2.2 T型焊缝的探伤方法
　　T型焊接接头的坡口形式主要有单边V塑和双单边V型（K型），如果采用埋弧自动焊工艺，厚度14mm以下焊接接头也可以不开坡口，但须留出配合间隙，一般称这种情况为Ⅰ型坡口。T型焊缝的检验方法除平板对接接头的三遍探伤法外，对T型焊缝还要选择如下探测方式（图2）：
　　
　　
　　图2 T型焊缝探头、探测位置示意图
　　①采用斜探头（位置1和2）在腹板一侧利用一、二次波进行探伤。②采用直探头在翼板外侧沿焊缝探伤（位置3）。③采用斜探头利用一次波在翼板外侧探伤（位置4）。④采用K1
　　斜探头利用二次波在翼板内侧探伤（位置5）。一般优先选用小晶片高频率大K值。在位置1可以扫查到焊缝中部及以上截面。在位置2可以扫查到焊缝中部及以下截面。大部分缺陷如气孔、夹渣、未焊透、未熔合以及纵向或斜纵向裂纹等都可以有效地探出。但偶尔也由于角度等原因，有部分根部未焊透漏检的情况。
　　方式②对于未焊透、气孔、夹渣、平行或斜平行于翼板的裂纹、未熔合缺陷灵敏度很高，探测前调好距离-波幅曲线并确定好灵敏度，还要测定并标出焊缝的位置，并注意辨别缺陷波、底波和焊缝外轮廓回波。在探头的选择上，由于钢结构构件板材较薄，需要用频率5MHz，晶片直径Φ14mm的双晶直探头；探伤前，要使用CSⅡ试块，依次测试一组不同检测距离的Φ4mm平底孔（至少3个），调节衰减器（增益），做出距离波幅曲线，并以此作为基准灵敏度。扫查灵敏度一般不低于最大检测距离处的Φ2mm平底孔当量直径。
　　方式③定位方便，而且探测灵敏度很高，不仅可以探测纵向缺陷，还可以探测横向缺陷，但不足之处是外侧看不到焊缝。此方式探测前同样需要测定并标出焊缝的位置，而且须注意排除焊缝外轮廓端角反射的影响。
　　方式④主要检测坡口未熔合和作为其它方式的辅助，以便于做出正确的综合判定。由于T型接头结构形式和焊接规范上的特殊性，不能象平板对接接头那样采用统一的探伤程序和方法，而应根据不同的板厚匹配、坡口形式、焊接工艺规范、容易出现的缺陷类型、母材材质、验收级别等采用不同的探测方式组合，在选择检测面和探头时应考虑到各种类型缺陷的可能性，并使声束尽可能垂直于该焊接接头的主要缺陷。
　　用直探头探测T型焊缝时，要注意区分底波与焊缝中未焊透和层状撕裂（由于低碳钢和低合金钢良好的可焊性，层状撕裂在钢结构中很少出现，仅在很厚的板T型焊缝中才会有）的回波。底波一般较稳定，不随探头的移动而剧烈变化，而未焊透和层状撕裂则由于有一定的倾斜角度和不规则，往往波形变化剧烈且位置随探头的移动而移动。二是用斜探头在翼板外侧探伤时，在焊缝两侧沿垂直于焊缝方向扫查，焊角反射波强烈。当焊缝中存在缺陷时，缺陷波一般出现在焊角反射波前面，需注意区分。
　　4几种典型缺陷的回波特征暨缺陷评定
　　超声波探伤一般不要求准确给出缺陷的类型和性质，但通过实践，采用一种或多种声束方向作前后、左右、转动、环绕等多种扫查，找出回波包络线和动态波形的规律，结合焊接工艺、缺陷位置、焊接接头结构型式、原材料等特点，可以尽可能地判定缺陷类型和性质，以此来综合评定缺陷的严重程度。
　　5结束语
　　以上对超声波探伤在建筑钢结构焊缝内部质量缺陷检测的技术条件、检验方法、缺陷识别评定等结合其制造工艺和容易产生的缺陷类型进行了论述和分析，对钢结构构件焊缝探伤实践做了系统地归纳和整理。
　　
　　参考文献
　　[1]钢结构安装工程.中国建筑工业出版社
　　[2]徐鹤山.建筑钢结构工程实例分析
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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