超声检测技术在建筑钢结构焊缝无损检测中的应用

高慧 唐灿

无损检测中的超声检测是建立在现代化科学技术基础上发展而来的一种新型检测技术，其中常用的A 型脉冲反射法技术利用超声波在材料内部异质界面上反射回波的物理特征，在不破坏被检焊缝的前提下判断是否存在内部缺陷[1]。当前，该技术被广泛应用到建筑钢结构焊缝检测工作中，不仅能够检测出缺陷的位置和大小，还能够分析危害程度和产生原因，可以为工程技术人员针对性采取措施处理缺陷提供依据，在一定程度上降低了建筑工程质量隐患和安全隐患。

1.超声检测技术原理

超声波是指频率大于20000Hz 的机械波，在弹性介质中传播时会发生反射、透射、衍射、波形转换等物理现象，遵循几何声学定律，具有能量高、穿透力强、指向性好等优点。在实际应用中，超声检测仪发射高频振荡电压施加到探头晶片的两极，利用晶片的逆压电效应激励晶片产生高频振动发射超声波，通过耦合剂进入材料内部，在传播过程中如果遇到异质界面（缺欠或材料端部），会产生反射回波，该回波又引起探头晶片振动，通过正压电效应产生交变电场被仪器检测到，以动态二维波形的形式显示在荧光屏上。通过回波强度可以计算缺欠当量大小，通过回波时间可以计算缺欠位置。因此超声检测具有灵敏度高、定位准确、对焊缝中危害性严重的面积型缺陷检出率较高等优点，又因其检测成本低、速度快、设备轻便、对人体及环境无害，所以广泛应用于建筑钢结构焊缝检测中。

2.建筑钢结构工程验收标准及焊缝超声检测依据

当前，建筑钢结构工程的国家现行验收标准为《钢结构工程施工质量验收标准》（GB50205-2020），根据该标准第5.2.5 条的规定，不同的焊接结构形式所采用的超声检测标准及评定依据也不同，本文以建筑钢结构中最常见的承受静荷载结构形式的8mm 及以上板厚的平板对接焊缝、T 型焊缝和L 型焊缝为例，其内部缺陷的超声检测标准及评定依据为《钢结构焊接规范》（GB50661-2011），超声检测设备及工艺要求为《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》（GB/T 11345-2013）[2]。

3.检测人员及仪器设备要求

3.1 聘用专业的检测人员

检测人员必须持有无损检测超声检测资格证书，掌握超声检测通用知识，了解基础的金属材料和焊接知识，能熟练使用超声检测设备，识别和分析超声波形，熟悉超声检测标准规范，具有丰富的检测经验。

3.2 使用合格的仪器设备

超声检测仪和试块应分别符合《A型脉冲反射式超声波探伤仪 通用技术条件》（JB/T 10061-1999）和《无损检测超声检测用试块》（GB/T 23905-2009）中相应的规定和技术要求；应按《无损检测 A 型脉冲反射式超声检测系统工作性能测试方法》（JB/T 9214-2010）中的方法和要求进行仪器性能和系统性能测试，测试结果应符合《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》（GB/T 11345-2013）第6.2.2 和6.2.3 条的规定。

3.3 选择合理的探头型号

建筑钢结构焊缝超声检测主要使用横波斜探头，其重要的参数有检测频率、折射角度和晶片尺寸。检测频率应在2MHz～5MHz 范围内选择较低的检测频率，有特殊需要时可适当提高；探头的折射角度在35°至70°之间，且尽可能使声束垂直于焊缝熔合面，使用2 个斜探头时角度之差应大于15°；晶片尺寸的选择与频率和声程相关，一般情况下，薄板和中厚板检测可使用晶片等效面积为28mm2～113 mm2探头，厚板检测可使用晶片等效面积为113mm2～452 mm2探头。

3.4 选用合适的耦合剂

耦合剂用来填充探头与工件间的空气间隙以提高声强透射率，同时具有润滑作用，便于探头移动及减小磨损。在超声检测中，尽可能选择流动性好、透声性强、价格低廉且对人体和工件无损伤作用的液体或糊状物，如机油、化学糨糊等。

4.检测前的准备工作

4.1 检测前必需的信息

检测人员在开展检测工作前，需要先获得一些必需的信息，其中包括建筑钢结构的荷载特性、焊缝类型、焊缝质量等级、检验等级、母材类型及门类、坡口型式及尺寸等参数信息，这些信息关系到超声检测标准依据的选用，也关系到检测灵敏度的设定、扫查要求和检测比例（数量），还关系到缺欠的定位与评定，因此必须在检测前获得。

4.2 仪器设备的调节与设定

在焊缝检测开始前，需要对仪器设备进行调节与设定。首先在CSK-IA 试块上获取R50mm 和R100mm 弧面的最高反射回波进行时基线调节，测定声速、零偏和探头前沿；其次在CSK-IA 试块上获取φ50mm 圆孔的最高反射回波，测定探头折射角度；最后在RB 试块上获取至少3 个深度的φ3mm×40mm 横孔反射体的最高反射回波制作距离-波幅曲线（DAC曲线），且最深反射体的深度不小于两倍母材厚度。曲线制作完成后，还需要根据检测标准中规定的检测灵敏度要求在仪器中分别设定评定线（-14dB）、定量线（-6dB）和判废线（0dB）。

4.3 焊缝检测前的准备

焊缝在检测前需要清理干净，必要时应进行打磨，确保焊缝两侧探头移动区宽度1.25P（P=2·tanθ·T，θ 为斜探头折射角，T 为母材厚度）范围内的表面粗糙度不大于0.5mm，同时还应考虑被检焊缝与试块的声能性能差异，通常采取提高4dB 的方式进行表面补偿，或按《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》（GB/T 11345-2013）附录F测定声能传输损失差值。需要注意的是，焊缝检测时的温度与在试块上的调节仪器时的温度差值应不大于15℃，且应使用相同的耦合剂。

5.焊缝内部缺陷的扫查

在焊缝外观检测合格且完成焊接达到规定的时间后，方可开始对被检焊缝的扫查工作。扫查应按B 级检验等级的要求进行，采用一个斜探头在焊缝单面双侧进行扫查，条件受限时采用两个斜探头在焊缝的单面、单侧扫查。扫查又可分为初步扫查、精细扫查和复核扫查。

5.1 初步扫查

在保证扫查灵敏度的前提下（两倍母材厚度位置处评定线不低于荧光屏20%高度），将斜探头置于焊缝一侧，垂直于焊缝长度方向做锯齿形来回扫查，对焊缝进行单面双侧初扫，扫查宽度不小于1.25P 以确保声束能覆盖整个检测区域，扫查速度不宜过快，且每次来回扫查应重叠10%的探头宽度。扫查的同时观察荧光屏显示，如果发现有高于评定线的回波信号，则对该处位置做出标记，为下一步精细扫查测量缺欠奠定基础。锯齿型扫查能有效检测出纵向缺陷，如需检测横向缺陷，则应进行平行和斜平行扫查。

5.2 精细扫查

在焊缝精细扫查时，对在初步扫查过程中标记的位置分别进行仔细探测，结合前后、左右、转角、环绕等方式扫查，根据显示的位置与焊缝结构尺寸的关系分析是否为伪显示。排除所有的伪显示后，找出缺欠最高反射回波，记录该回波的幅度与详细位置，采用6dB 法或端点峰值法测量缺欠指示长度并记录。完成上述工作后，对下一处标记位置进行精细扫查[3]。

5.3 复核扫查

一般情况下，通过实施初步扫查和精细扫查两个步骤，可以获得较为准确的检测结果，但对于一些异常或疑难反射回波，则应再进行复核扫查。复核扫查可以通过更换检测人员、增加探头角度、改变扫查面、增加直探头扫查等方式进行，对缺陷做进一步验证和确定，如果还是无法确定或对结果有疑义，则应采用射线检测进行验证。

6.超声检测结果评级与判定

依据缺欠最高反射回波幅度的高低和指示长度的长短，按照《钢结构焊接规范》（GB 50661-2011）中的相应的评级要求，可以将焊缝超声检测结果评定为I 级、II 级、III 级或IV 级当中的一种，代表了焊缝内部质量的好坏程度，I 级为最好，IV 级为最差[4]。

依据焊缝超声检测的评级结果，可以对建筑钢结构焊缝内部缺陷进行合格与否的判定。按照《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205-2020）表5.2.4中的要求：一级焊缝超声检测结果评级为I 级或II 级时判定合格，评级为III 级或IV 时判定不合格；二级焊缝超声检测结果评级为I级、II级或III级时判定合格，评级为IV 级时判定不合格[5]。

不合格焊缝应进行更换或返修，并按原检测方法及要求进行复检。如果是抽样检验，还应按《钢结构焊接规范》（GB 50661-2011）第8.1.8 条的规定对检验批进行结果判定与处理。

7.结束语

综上所述，超声检测是建筑钢结构焊缝检测中应用最广泛也是最重要的检测方法，具有操作便捷、定位精确、能够及时有效检测出焊缝内部各种常见缺陷等优势，有利于工程技术人员有针对性地采取措施处理隐患，从而提高建筑钢结构整体安全性和稳定性。