超声波探伤技术在建筑钢结构检测中的应用

王建源

（婺源县秋溪工程质量检测有限公司，江西上饶 333200）

0 引言

在铁路货车运行中注重轮轴质量控制工作，分析轮轴质量影响因素，从轮轴结构设计、材料选择、承受重量、使用环境和使用条件等方面，采取措施提高轮轴质量。其中，超声波探伤工艺属于一种无损检测技术，在轮轴损伤检测中有重要的应用价值，借助计算机技术信息技术完善超声波自动化探伤系统，为铁路货运车辆运行安全性提升奠定良好基础。

1 超声波探伤的优势

超声波在工作的过程中一般是通过各种探头的工作判断焊缝出现裂缝的位置，从而采取积极有效的补救措施。而对于建筑行业来讲，由于建筑材料的特殊性能，要求超声波根据建筑钢材料的不同，使用不同种类的探头。技术人员在检测过程中也应该采用不同的方法和角度进行探测，这样才能更准确有效地判断裂缝的位置[1]。由于超声波通过不同介质时会产生不同的反应，人们根据这样的原理对超声波返回的不同的信息进行分析，以此来判断钢结构体系可能出现的问题。超声波探伤技术和其他技术不同点还在于其有着不受时间、光线等因素影响的特点，所以建筑行业利用它来检测钢结构焊接缝在焊接过程中出现的问题，排除其他因素造成的可能性，准确地判断存在缺陷的位置。

2 钢结构所涉及标准

之前钢结构验收规范《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205—2001）中规定：焊缝超声波检测标准按照《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法》（GB/T 11345—1989）执行，对于焊接球节点网架焊缝、螺栓球节点网架焊缝及圆管T、K、Y形节点相关线焊缝，其内部缺陷分级及探伤方法应分别符合国家现行标准《钢结构超声波探伤及质量分级法》（JG/T 203—2007）。两本检测标准对比，标准（GB/T 11345—1989）中规定适用于母材厚度不小于8mm全熔透对接焊缝。而标准《钢结构超声波探伤及质量分级法》（JG/T 203—2007）中规定适用于母材厚度不小于4mm全熔透对接焊缝。其他关于检测灵敏度的调节及缺陷波幅和缺陷长度判定基本一致。现执行标准《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205—2020）中规定：焊缝内部缺陷的无损检测应符合下列规定：①采用超声波检测时，超声波检测设备、工艺要求及缺陷评定等级应符合现行国家标准《钢结构焊接规范》（GB 50661—2011）的规定；②焊接球节点网架、螺栓球节点网架及圆管T、K、Y节点焊缝的超声波探伤方法及缺陷分级应符合国家和行业现行标准《钢结构超声波探伤及质量分级法》（JG/T 203—2007）的有关规定。为了更准确地对缺陷进行判定，本文将上述三个常用标准进行对比。

3 钢结构常见的焊缝缺陷

在建筑钢结构中按被连接钢材的方式上可分为对接、搭接、T型连接和角部连接四种。连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。其中影响金属材料焊接质量的因素有很多，主要有金属材料、结构设计、工艺措施、施焊的自然环境等四个方面。焊接质量取决于母材材质、焊接材料的金属化学成分、构件结构形式、焊接方法、焊接工艺等的综合性能。这些因素均有可能在焊接的施工过程中在焊缝内部产生不同类型的缺陷，常见的类型缺陷如夹渣、气孔、裂纹、未焊透等，这些缺陷焊缝对强度有着不同程度的影响，使其在未来使用中存在重大的安全隐患。因此设计上要求的主要构件位置在制作时需采用先进、快速、有效的无损检测技术对焊缝进行检测，精准快速地定位缺陷位置、判断缺陷类型，从而督促焊接人员采取有效措施并确保重要节点的焊缝质量及性能，保障建筑物质量与安全[2]。

4 影响超声波探测的因素

虽然超声波探伤技术相对于其他技术而言有一定的抗干扰性，但是其工作仍然会受到一些因素影响。主要有如下4方面。

（1）材料因素。需要探测的材料表面的光滑、干净程度都能影响探测工作的开展，因为干净光滑的材料表面更有利于探测头在上面工作。除此之外，超声波在传播的过程中还会受到空气等的影响，空气中的温度、湿度、杂质等会干扰到探头信号及其方向的传播。所以，在正式工作之前应该模拟工作温度和环境，并排除可能的影响因素。

（2）仪器因素。超声波在工作过程中也对自身的水平程度、探头角度等有严格的要求，如果探头角度或者水平角度出现偏差，那么探测的结果会受到一定影响。

（3）方法因素。在选择好材料、做好各项准备工作之后，探测使用的方法也至关重要。在整个探测过程中，由于不同材料、不同质量、不同厚度的差异，技术人员应该选择不同的探测方法，这样才能够具体问题具体分析，更好地探测出材料内部可能出现裂痕和裂痕的长度。并且技术人员在使用探头时也会采取不同的方式，都是影响超声波探伤的重要原因。

（4）焊缝内部缺陷的判定。超声波检测对焊缝内部缺陷性质还没有较好的方式进行准确评判定性，检测过程中，检测人员应需合焊接工艺、接头坡口形式、缺陷所在的位置等实际情况，结合仪器上的缺陷波形的不同，对所检测的焊缝进行综合估判。现就不同缺陷的类型估判作以下简单的描述。①气孔多数呈圆形或椭圆形。单个气孔，从焊缝各个方向进行扫查探测，波形稳定，反射回波高度低，探头稍微移动回波便消失。密集气孔通常显示为一簇反射回波，移动探头时其波幅高度随气孔大小变化而变化。②夹渣缺陷。分点状和条状，通常形状不规则。两者的回波相似。多呈锯齿状回波，波幅不高，回波主峰边上有小峰，从各个方向进行扫查探测，反射波幅各不相同。③未焊透缺陷。通常位于焊缝中间的根部上，对焊缝两侧探伤，其波形较为稳定且大致相同。④未熔合缺陷。在焊缝两侧探测时，有时只有一侧才可以探测到，反射波幅有所不同波形较为稳定。⑤裂纹缺陷，检测时仪器显示回波波幅宽，波幅高度较高，通常出现多个波峰，移动探头时反射波连续出现且波幅会有变动，回波的波峰会有上、下错动。

5 超声波探伤的具体使用

5.1 探伤检测人员应具有较高的专业技术能力

由于超声波探伤主要是利用声波反射原理实现对钢结构进行检测，检测结果波形等信息反映在荧光屏（示波屏）上，要求探伤检测人员据此判断出钢结构内部缺陷情况，检测结果准确性高低与探伤检测人员专业能力有着极为密切的联系。因而要求探伤检测人员应具有较高专业能力，包括持有相应等级资格证书以及具备丰富从业经验等。此外需要注意的是，由于超声波探伤等级资格证书一般分为3级，探伤检测人员必须严格按照自己所取得等级资格证书开展相应钢结构检测工作，严禁越级作业[3]。

5.2 超声波探测的过程

超声波探伤一般分为初探、精探两个过程。初探的过程较快，是对探测角度、方位的确定，在初探过程中首先应该确定钢结构焊缝中有无质量缺陷，并提前判断应该使用哪几种方法才能更好地进行探测。精探则相比初探来讲速度较慢，在初探的基础上改变之前不合适的探测方式和探测角度，记录下收回的声波信息进行细致分析，与之前的信息进行比较，最后做出准确的判断。

5.3 无损检测技术的分类及在建筑钢结构上的应用

对于焊缝内部质量的缺陷，无损检测通常有两种检测方法，分别为超声波探伤检测和射线探伤检测。射线探伤检测其主要优点是被测结果可以在胶片上直观显示，检测所使用的射线胶片可以长期保存，适用于各种材料的检测，金属材料、非金属材料、复合材料的检测，最适合检验体积型缺陷，即具有一定空间分布、一定厚度的缺陷，但其缺点是操作程序较为复杂，成本投入较大，对裂纹类型缺陷有方向性的限制。尤其在建筑钢结构中构件接头形式多为T型接头的情况下，射线探伤对这种形式的焊接接头检测效果差，且对此类焊缝的裂纹、未熔合的缺陷检出率比较低。在建筑钢结构中射线探伤只在特殊情况下作为内部缺陷检验的一种补充手段。然而超声波探伤与其则恰恰相反，超声波检测在操作程序上探伤速度快，效率高，穿透能力强，检测灵敏度高，可发现与直径十分之几毫米的空隙反射能力相当的反射体，能准确判定反射体的位置、深度、大小。仪器操作简单，设备轻巧，机动性强，现场高空检测更为实用。对于建筑钢结构中的各种形式焊缝接头都非常适用，世界上许多国家都是采用超声波探伤检测这一无损检测方法。焊缝表面检测在实际中也是作为外观检查的一种补充手段，其检验方法也有两种：①磁粉探伤；②渗透检测。对比两种检验方法，就灵敏度而言，磁粉探伤要高于渗透探伤。特别在建筑钢结构中，因为需外观检测的焊缝大部分为角焊缝，此类焊缝的位置清渣困难，所以使用渗透探伤的效果要比磁粉探伤的效果差。磁粉探伤可以检测近表面的缺陷。因此，在建筑钢结构中为了提高表面缺陷的检出率，人们都会采用磁粉检测方法。当受到构件形状等原因影响时，如检测空间太小的情况下，不能采用磁粉探伤时，才会使用渗透探伤检测。

5.4 焊缝质量缺陷分析

一般情况下超声波是无法对焊缝质量缺陷做出准确无误的判断的，只有专业技术人员通过超声波传来的声波信息才能分析出焊缝是否出现质量缺陷，再结合实际的焊接技术、钢结构材料的厚度等因素，判断焊缝缺陷的具体位置。钢结构探伤在检测中使用较多的探伤技术就是超声波探伤技术，这种技术不仅能够保证及时全面地探测出材料焊缝中出现的质量问题，而且能够为技术人员采取措施提供一定的信息。

6 超声波探伤自动化发展

结合铁路货车轮轴超声波探伤工艺探究能够了解到，此项技术还需进一步地完善与创新。应用新技术、新设备，构建轮轴超声波自动探伤系统，在该系统中开展各项探伤工作，详细记录各项工作环节产生的信息数据，为制定探伤方案提供重要参数，提高货车轮轴检测效率与技术水平。采用稳定的通过门式结构横跨在钢轨上，控制系统控制超声波探头移动执行机构，整个设备的外观比较简洁，内部结构不混乱，依据检测工作要求可对其合理化操作，均可实现预期检测目的。探伤机内部结构包括探测头、控制卡和由伺服器带动的曲柄连杆机构。借助小角度探头对轮座底部探测，调整适合的运动速度，能实现对轮轴缺陷从粗查到精细排查。在整个排查过程中产生大量的信息数据，系统会在各项工作开展时把所产生的信息数据存入数据库，利用超声卡采集到的超声波信息数据，准确掌握轮轴探伤情况与具体位置，明确轮轴缺陷位置，并有报警、打印报表等功能。在铁路货车轮轴超声波探伤自动化发展过程中要求探伤机具有较强的自检功能，才可确保轮轴超声波探伤效率与质量。我国铁路企业快速发展对超声波探伤新工艺提出更高要求，使探伤向自动化、系统化、数字化等方向发展。①应用现代化科技手段，解决旧工艺的技术问题，如车轮缺陷大小、形状等，依据检测中所获取的信息数据，利用成像技术突出展示其缺陷，为新工艺创新发展提供有利条件；②对比超声波新工艺与旧工艺，应用自动化技术能解决人力、物力、财力等分配不均问题，注重各项资源的合理应用，使超声波探测仪器向智能化发展；③在超声波旧工艺与新工艺转化过程中，考虑到超声波新工艺质量与效率，能在实际应用过程中借助现代化科学技术，提高整体自动化技术水平，明确超声波新工艺检测内容及标准，以《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》政策内容为主要依据，使铁路货车轮轴损伤检测工作顺利开展，依据检测结果制定相应的解决措施与方案，为铁路企业稳定发展带来积极影响；④注重超声波与断裂力学结合应用，分析铁路货车轮轴部件重要作用，通过开展铁路货车轮轴损伤检测工作，准确掌握铁路货车轮轴使用情况，注重新工艺的质量控制，可对铁路货车轮轴使用寿命延长带来积极影响，为铁路货车轮轴运行安全提供良好的基础保障，提高货车运行安全性，为铁路企业创造良好的经济效益。

7 结语

综上所述，对建筑行业而言，钢结构的广泛应用对建筑行业质量的提升产生了重要的影响。因此，钢结构质量的高低严重影响整个建筑物的质量，其中最重要的问题就是钢结构中的焊接问题，焊接是钢结构材料拼接在一起的关键技术。但是由于焊接技术容易受到环境、温度、技术等因素的影响，导致焊接缝的质量成为建筑行业关注的重要问题之一。而超声波探伤技术正好可以利用抗干扰能力强，定位准确等优势来探测钢结构中的焊缝质量缺陷，更好地保证建筑工程质量。