超声波探伤技术在钢结构无损检测中的应用

李克冰 南昌市建筑科学研究所（南昌市建筑工程质量检测中心）

1 前言

当前我国建筑施工领域应用钢结构较为频繁，在钢结构施工时也要相应的焊接技术，以更好地实现对钢结构的有效连接，但是在应用焊接技术时要避免钢结构工程因连接处不当操作而出现缝隙等，因此应用焊缝无损检测技术至关重要，可以针对不同类型的钢结构工程及结构元件进行全面的检测，提高焊缝的整体质量。但是如果只是简单开展焊缝质量检查和缺陷排查，则往往会受到相关因素的影响和干扰，如金属疲劳或出现质量缺陷等，所以在钢结构工程中广泛应用焊缝无损检测技术更加具有现代化的应用意义和价值，能够有效促进钢结构工程焊缝连接技术水平的全面提升。

2 高层钢结构焊缝存在的缺陷

2.1 高层钢结构焊缝存在的常见缺陷

高层钢结构焊缝存在几种常见的缺陷，这些缺陷，是施工单位在开展钢结构施工时，需要进行检测的缺陷。

a)裂纹

裂纹，是指钢结构在焊接后或者焊接过程中，由于种种原因，焊接材料与被焊接材料的熔合之处产生了裂缝。比如焊缝中存在低熔点共晶体，导致纲结构的焊接存在了质量问题。裂纹又分为热裂纹和冷裂纹两种，这两种裂纹对钢结构的危害都比较大。

b)气孔

气孔，是指钢结构在加工过程中金属吸收了太多的气体，或者在焊接的过程中产生了过多的气体而形成的空穴。在对钢结构进行高温锻造时，形成气孔的因素比较多，它包含环境因素、施工技术因素、施工材料存在缺陷的因素等。通常气孔会以椭圆形或球形的方式出现，它外实中空。气孔还有密集气空或单个气体的区别。当前人们可以应用点状缺陷回波特征来检测钢结构是否存在气孔。

c)夹渣

夹渣是指焊缝中存在着溶渣或其它非金属夹杂物，通常它以条状或点状的方式出现。出现夹渣的原因是由于坡口不干净、层间清渣不净、焊接电流过小导致钢材料未彻底焊成、焊接速度过快产生的化学反映不良导致生成杂质、溶池冷却过快形成杂质且来不及浮起的缘故。杂渣的出现会影响钢结构的物理性能。

d)未熔合

未熔合是指在焊接两层金属时，两层金属没有熔合在一起。未熔合的因素包含在焊接以前没有处理好焊接材料的表面，导致出现了杂质；焊接电流过小，温度没有达到要求；焊接速度太快，焊接材料和被焊接材料没有焊接在一起；焊接的技术出现问题等。未熔合会导致钢材料的参数达不到设计的要求。

e)未焊透

未焊透与未熔合的因素相同，只是在焊接时，焊接材料和被焊接材料没有彻底焊接在一起，呈现存在连接，然而施工质量却未达到设计的要求。

2.2 高层钢结构焊缝常见缺陷的超声波探伤识别技术

应用这种监测技术来检测钢材料的缺陷时，它针对的对象为气孔、夹渣缺陷。它的应用原理是应用超声波监测钢材料焊接处，将监测的超声波波形与焊接质量合格的波形进行对比，分析波形是否存在峰值两侧呈峰状或球状的异常变化，以此判断钢材料的焊接空间结构异常。在监测气孔时，人们可以让超声波的探头对钢结构前后、左右进行转动，然后分析反射体的回波动态特征。通过分析回波动态特征，人们可以初步判断出钢结构是否存在缺陷及判断缺陷的类型。

a)点状缺陷回波特征

存在气孔或夹渣点状反射体回波行征为尖峰的形态，即波幅平滑，由零上升到最大值，又陡然下降到最小值。然而如果波幅峰值尖细成球形，则意味着钢结构的体积发生了异常变化，而出现气孔就是让钢结构体积发生变化的因素之一。

b)线性缺陷回波特征

它针对的对象为夹渣、未焊透、未熔合缺陷。它的应用原理是应用超声波监测钢材料焊接处，将监测的超声波波形与焊接质量合格的波形进行对比，分析波形是否存在峰状或者类球状，根据球状两侧呈不规则分布的异常变化，以此判断钢材料的焊接空间结构异常。以夹渣为例，当钢材料存在夹渣时，夹渣的体积与气孔存在区别，它有可能为规则的球状，也可能是不规则别的形状，以此为基础，可以得到钢材料焊接处的空间存在异常，但是它不是由于气孔的缘故存在的异常，而有可能是夹渣存在的异常。

c)体积状缺陷回波特征

它针对的对象为大夹渣缺陷。它的应用原理是应用超声波监测钢材料焊接处，将监测的超声波波形与焊接质量合格的波形进行对比，分析波形是否存在峰值两侧呈不规则的峰状，或者呈多种不规则类球状的异常变化，以此判断钢材料的焊接空间结构异常。夹渣的体积存在不规律性，并且夹杂的内在结构也存在差异，于是当钢结构出现大夹渣时，超声波检测出来的波形峰值可能出现各种不规则的连续异常。

d)平面状缺陷回波特征

它针对的对象为裂纹、面状未熔合、面状未焊透缺陷。它的应用原理是应用超声波监测钢材料焊接处，将监测的超声波波形与焊接质量合格的波形进行对比，分析波形是否存在多重如同不规则锯齿形峰状，或者不规则锯齿形峰状的峰尖异为圆滑的异常变化，以此判断钢材料的焊接空间结构异常。裂纹、面状未熔合、面状未焊透存在有些位置焊接质量可能合格而有些位置焊接不合格的问题，于是它的监测结果波形或者异常或者不异常，异常与不异常的波形紧密结合导致波形的峰值存在不规律性，呈现锯齿状波形成监测裂纹、面状未熔合、面状未焊透缺陷时需要观察的波形特征。

e)多重缺陷回波特征

它针对的对象为密集气孔缺陷。它的应用原理是应用超声波监测钢材料焊接处，将监测的超声波波形与焊接质量合格的波形进行对比，分析波形是否存在各种不规律的，大量的异常波形状态特征。当出现波形特征状态连续异常，并且每个单独的波形特征又呈点状缺陷特征时，便判断为密集气孔存在的缺陷。

3 钢结构工程焊缝无损检测技术分析

钢结构工程中所应用的焊缝无损检测能够有效避免钢结构检测材料受到检测的损伤，也能全面检测与排查钢结构材料表面和内部所出现的缺陷，并对材料的性能状态等进行全面的检测。

3.1 超声检测技术

钢结构工程焊缝无缝检测技术中应用超声检测技术，主要通过材料自身缺陷所呈现出的声学特点，在进行超声检测时会对超声波的传播造成影响，应用超声检测技术能够有效实现对材料物体的检测与排查，超声检测技术时所主要采用的频率为0.4MHz～4MHz，此种技术也被广泛应用于钢结构工程焊缝无损检测之中。以A型脉冲反射法为例，在应用此项技术时能够针对呈现平面状态的缺陷进行更加精准的检测，检测效率更高。例如，钢结构工程中材料之间出现了未融合或未焊透的问题，能够应用脉冲反射法进行检测，并且应用此类检测技术的经济成本投入较低，但是其主要缺陷在于超声检测技术应用过程中对钢结构工程检测材料的表面粗糙度标准较高，如果进行检测人员专业能力不熟练也会导致超声检测技术效果受限。

3.2 射线探伤技术

射线探伤技术主要应用C射线或X射线，让射线穿透焊接处位置，让成像能够直接投射至荧光屏上，操作人员可以通过荧光屏了解检测材料中所存在的缺陷问题、大小问题等，并对钢结构工程焊缝质量水平进行全面的判定与等级划分。应用射线探伤技术也能有效推动钢结构工程焊缝无损技术的广泛应用与质量提升。例如，所检测的钢结构工程处于密闭性较强的区域，在此时进行焊缝检测就需要应用射线探伤技术，主要采用照相观察的方式方法，提高检测效果与质量。此外，在应用射线探伤技术时也可以同步应用电离与监督方法，针对钢结构工程中所出现的不同焊缝缺陷问题进行严格的划分与精准识别，特别是此类照相观察的方式，其底片能够进行长时间留档。但是值得注意的是应用射线探伤技术时，射线难免会对施工技术人员造成健康等方面的影响，且应用此项技术成本较高，在无损检测判断周期方面耗时较长。

3.3 全息探伤技术

全息探伤技术发展时间较短，且在当前钢结构工程焊缝无损检测中，应用范围较窄。该项技术能够有效针对结构工程元件表面和内部进行全面的探测，及时识别相关缺陷的大小和位置，并实现更加精准的定位，能够帮助检测工作人员更加明确地对钢结构工程焊缝质量进行判断。但是全息探伤技术在应用过程中需要投入大量的资金成本，这也是导致此项技术难以广泛推广应用的主要弊端。

4 钢结构焊接加工的主要知识

4.1 钢结构焊接加工的方法及主要形式

在开展钢结构焊接加工时，人们需要了解焊接方法及主要形式，在焊接的时候，钢结构施工可能会出现缺陷。

a)焊接方法

在开展钢结构的施工时，将钢材连接起来的重要方式之一就是焊接。当前人们在手工焊接的基础上创造出了自动焊接的方式，并且为了避免环境因素的影响，人们研发出了应用气体保护的焊接技术，及各种控制焊接温度和速度的技术。建筑施工的焊接技术原理就是利用电能或其它的能量产生高温让金属熔化形成熔池，然后让熔融的金属在熔池中经冶金反应后进行冷却，之后焊接材料和被焊接材料将融合在一起。人们在应用焊接技术时，要应用各种方法既让材料焊接在一起，又尽可能的不破坏材料本身的性能。如果在焊接的过程中，材料的性能发生了变化，并影响钢结构的使用，那么焊接便存在质量问题。

b)主要形式

目前焊接技术最常见的焊接形式为坡口形式及接头形式。坡口形式是指为了让焊接材料和被焊接材料能完全融合于一体，人们会在焊接材料和被焊接材料接缝处预留I型、V开支、U型、X型、K型的接口，而预留坡口的目的是为了让材料能完全熔透，减少填充量；而坡口面的钝边设计目的是为了在熔透的过程中防止咬边；保留材料间隙的目的，是为了控制内凹，防止材料没有焊透。接头形式包含对接接头、角接接头、T型接头，人们可以根据需要选择不同的接头形式来建构钢材料焊接以后形成的几何形状。

4.2 钢结构焊缝探伤中伪缺陷波的分析与判断

虽然在钢结构的焊缝探伤中，超声波检测具有较大的应用优势，然而它还是存在伪缺陷波的判别问题，即由于种种因素，导致超声波检测存在误判。人们必须要了解几种常见的误判特征，在判断钢结构焊缝探伤时排除误判。

a)仪器杂波

这是指仪器本身性能不良，在作业的时候出现了误判。人们可以通过安装和卸下探头的情况下，观察仪器灵敏度变化的方法分析仪器是否存在杂波。为了避免作业出现这一缺陷，要制订合理的维修计划。

b)探头杂波

它是由于探头本身存在缺陷而导致作业出现误差，通常人们可以观察探头出现特殊波形以后，波形位置不随探头移动而移动，发现这一情况即能了解作业时是否存在这种误判。人们可以应用修理或更换探头的方式解决这种判断缺陷。

c)耦合剂反射

这种误判通常出现在薄板焊缝探伤中，当探头的折射角大、灵敏度调节较高时，可能会发现一部分能量被转换成表面波的误判。在人们判断可能存在这种误判时，可以应用擦掉探头前的耕合剂的方式解决这一误判问题。

d)咬别反射

通常这种误判会出现一次、二次波前面，当可能存在这种误判时，可以用手指沾点耦合剂轻敲焊缝边缘咬边处，观察反射信号是否出现异常跳跃。应用这样的方式，需要重新采样咬边反射信号样本，以便作正确的对比。

e)错边反射

它在钢结构制作和安装中经常出现。如果焊缝的焊接材料和被焊接材料一边高一边低时，超声波可能会出现误判，此时同样需要采集正确样本进行对比。

4 超声波探伤技术在钢结构无损检测中的具体应用

4.1 在焊接方面的应用

超声波探伤技术应用于焊接施工中，是为了检测焊接施工的质量，并将钢结构的焊缝等级进行分类。国家已经制订了焊缝等级的分类标准及检测的方法，施工单位需依国家制订的标准完成检测，对焊接质量进行评估，然后以此为依据做好焊接的质控管理工作。

4.2 在压力管道强度检测中的应用

超声波对钢材料的无损检测技术是通过检测缺陷了解压力管道工件的材质、结构、焊接方法、受力状态是否达到预先设计的要求。于是人们可以应用这一技术对压力管道强度进行检测，以此控制压力管道强度施工。

4.3 在压力容器厚度检测中的应用

人们可以通过采集超声波对钢材料的无损检测结果来还原材质的结构、空间的信息等，它能检测压力容器厚度，因此人们可以应用这一技术来控制压力容器厚度的质量风险。

5 结语

人们在开展高层建筑施工时，必须监测钢结构的缺陷。超声波检测技术是钢结构无损检测技术的一种，这种检测技术应用操作程序简单、检测周期短、应用成本不高、环境适应性强、检测效率高、对人体无害、对各种接头的适应性好、可以检测出数种钢结构的缺陷。在施工时，人们要优化钢结构无损检测中超声波探伤技术的应用，以此作为钢结构施工质量控制的依据。