建筑工程钢结构焊缝无损检测技术应用

建筑工程钢结构焊缝无损检测技术应用

薛成

海安市建筑工程质量检测中心有限公司  江苏省海安市 226600

摘要：建筑钢结构施工过程中，焊缝连接常存在质量缺陷，如气孔、裂纹等，影响结构稳定性。因此，需对焊接好的钢结构连接部分进行无损检测，确保焊缝封闭良好。建筑钢结构传统无损检测常采用渗透检测，渗透液渗透后，通过显像剂的显像情况来判断焊缝缺陷。该方法简单、成本低，一般只能检测焊缝表面开口性缺陷，局限大、灵敏度低。因此，需优化检测方法。

超声检测通过超声探头发射反射波，对焊缝进行内部无损检测，根据反射信号波长判断开裂程度。此方法摆脱了检测环境限制，精度高。超声波在介质中传播速度快，检测效率与速度优势大，从而满足建筑钢结构无损检测的相关需求。

关键词：建筑工程；钢结构；焊缝；无损检测技术；应用

1 检测探头参数设定及耦合剂选取

本次建筑钢结构焊缝无损检测应用主要讨论超声横波斜探头，需要选择适合的探头和耦合剂。

在焊缝中，由于危险性缺陷多为垂直与焊缝表面，且与竖波直探头相比，横波斜探头检测方向灵活，能通过不同方向检测焊缝，因此建筑钢结构超声波无损检测中横波斜探头更为适用。

探头参数需根据焊缝特点调整，以满足探测需求。由于建筑钢结构的焊缝缺陷波形稳定且变化小，检测探头频率宜设在2~5MHz。对于大厚工件或粗晶材料，应选择较低频率的探头。对于薄工件、细晶粒材料或者检出要求高的焊缝缺陷，应选择较高频率的探头。

检测时，探头与焊缝平面角度应在45°~75°，每次检测后需重新调整角度。需使用两个探头检测同一焊缝时，需注意两探头角度差应在15°以上。

超声探头晶片尺寸与探头频率和声程有关，频率一定时，小尺寸晶片近距离范围内声束窄，近场长度和宽度小，有助于缺陷的精确定位，所以适用于薄板和中厚板的探伤检测，小尺寸晶片的尺寸范围一般在25mm2~112mm2。大尺寸晶片发射能量高，扩散角小，适合远距离探测，所以适用于厚板的探伤检测，大尺寸晶片的尺寸范围一般在112mm2~440mm2。

探头的选择可参考《钢结构现场检测技术标准》GB/T 50621-2010中7.2.3。

耦合剂能提高透射率、减少摩擦，常用耦合剂有化学浆糊、洗洁精、机油等。为提高探测效率、降低成本，一般选用化学浆糊作为主要耦合剂。

2超声检测探头发射电路设计原理

在检测声波穿透建筑钢结构焊缝时，通常需要较高的传输功率和声功率。声功率的大小与电功率的具体值紧密相关，因此，在电容量与放电时间不变的情况下，为了提升电功率，只能选择提高放电电压值。然而，放电电压的范围是有限制的，一旦超过额定限度，可能会对压电晶片造成影响，缩短其使用寿命，进而影响检测工作的顺利进行。通常我们选择A型脉冲反射式超声波探伤仪作为主要检测仪器。

超声探头的内部电路则通过光耦隔离驱动实现信号发射功能。电容器通过电阻Rd放电，这会在Rd两侧产生高压，进而促进脉冲信号的发射。这样，脉冲信号就能穿透建筑钢结构焊缝的内部，捕捉到内部的缺陷信号。这些信号通过检测仪内部的电路转换后，可以清晰地展示出缺陷信号和底波信号。

根据超声波的反射次序，我们可以将缺陷信号和底波信号进行区分。通过使用标准试块进行定标，我们可以实现缺陷的定位和定量检测。需要强调的是，缺陷内含物的电阻抗会对缺陷回波高度产生影响。例如，白点、气孔等内含气体的情况，由于声阻抗较小，会呈现出较高的反射回波。而非金属或金属夹渣的声阻抗较大，导致反射回波较低。除此之外，不同类型的缺陷反射波形状也存在一定的差异。这些因素都需要在检测过程中进行细致的观察和考量，以确保准确识别和评估焊缝的质量。

3建筑钢结构常见缺陷的波形识别

建筑钢结构的焊缝缺陷检测包括缺陷的类型、定位和定量等。焊缝缺陷的定位和定量在多个规范和标准中已经讲的很明确了，不在赘述。这里着重讨论一下通过缺陷的波形如何来判断缺陷的类型。

由于建筑钢结构焊缝在形态上存在差异，这导致超声波探伤仪在不同方向对焊缝进行探测时，产生的波形也会有所不同。因此，若要对建筑钢结构的焊缝进行无损检测，首先需要识别出各种焊缝的波形特征，并以此作为主要依据。焊缝的类型多样，包括气孔、夹渣、未熔合、未焊透、内凹、焊瘤以及裂纹等。接下来，我们将详细介绍如何识别这些缺陷的波形。

对于气孔缺陷，其波形相对稳定，回波幅度较低。当检测探头在缺陷处定点移动时，若波形呈现起伏循环的状态，这通常意味着存在气孔缺陷。

夹渣缺陷的波形与气孔类似，波幅也较低且稳定。不过，夹渣缺陷的波形通常呈现有规律的锯齿状，这与气孔缺陷的有弧度波浪状波形有所区别。若将探头对准焊缝缺陷从左至右进行移动检测，如果波形出现变化，且每个波峰的两侧伴随着2~3个小波峰，这便可以判定为夹渣缺陷。

未熔合缺陷的波形变化多端，当探头放置在缺陷两端进行检测时，如果两端波形存在差异或某侧无法检测到波形，这通常说明存在未熔合缺陷。

未焊透缺陷的波形特点与其他缺陷不同。它的走势较为抖动，回波幅度较高，且两侧波形呈现出对称性。当探头探测未焊透缺陷时，两侧的反射波幅基本一致，波峰与波谷的对应频率始终保持一致。

内凹缺陷的波形特点是波谷呈现规律性变化，而波峰则无规律。当探头从A侧向B侧移动时，示波屏上首先出现A侧根部焊趾波，其深度接近管壁。随后同时出现A侧焊趾波和焊瘤波。随着探头的推进，A侧的焊趾波回波开始下降，而焊瘤波则呈现出一定的声压回波包络宽度。最后，B侧的焊趾波出现，回波逐渐升高。

焊瘤缺陷的波形特点为焊趾波和焊瘤波共同出现。将探头沿着焊缝开裂方向从左到右进行探测，如果先出现焊趾波且回波呈不断上升趋势，后出现焊瘤波且回波呈不断下降趋势，说明此刻的检测缺陷为焊瘤缺陷。

裂纹缺陷的波形特点为波形较大，波形幅度较宽，波峰数目较多。将检测探头从左到右进行平移，如果检测的波形呈现多个波峰，且在平移的过程中波峰变化较为稳定；这时示波屏上先出现A侧根部，焊趾波显示的深度与工件厚度相近，接着同时出现A侧焊趾波和焊瘤波，再接着A侧的焊趾波回波下降，焊瘤波呈现一定的声压回波包络宽度，B侧的焊趾波出现且回波渐渐升高。此刻若将探头翻转角度，波峰会出现明显变化，说明此刻检测的缺陷为裂纹缺陷。

超声波射入到不同性质的缺陷上，其动态波形是不同的。为了便于分析缺陷的性质，常绘出动态波形进行估计。动态波形图横坐标为探头移动距离，纵坐标为波高。不同性质的密集缺陷的动态波形对探头移动的敏感程度不同。白点对探头的移动很敏感，只要探头移动，缺陷波立刻此起彼伏，十分活跃。但夹渣对探头移动不太敏感，探头移动时，缺陷波变化迟缓。将不同的建筑钢结构缺陷类型以及其对应的波形特征进行总结，作为建筑钢结构焊缝无损检测技术的判定依据，为后续的检测技术提供数据基础。

4 超声检测缺陷机制

对焊缝进行检测时，需严格遵守检测流程，对此需建立起超声检测机制，具体检测步骤如下。

超声检测前，应通过对比试块和标准试块对超声仪的主要技术指标进行检查确认，根据所测工件的尺寸调整仪器的时基线，并绘制DAC曲线。

超声检测前应对需检测的焊缝进行外观质量和外观尺寸检测。

超声检测前应对检测面进行修整、打磨从而达到标准规定的检测要求，同时考虑材料补偿或表面补偿。

然后对检测面进行划分检测。先根据划分的探伤面对焊缝进行初步扫查。将检测探头放置在焊缝的一端，垂直于焊缝裂开方向进行循环扫查，扫查宽度要在1.75p（p为全跨距）以内，探头的移动区域≥1.25P（P=2KT，K为探头K值，T为母材厚度），检测区宽度应是焊缝本身宽度再加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的这段区域（≥5mm，≤10mm），以保证声束可以穿透所有检测区域。

在扫查时应保持较慢的速度，同时探头宽度的重叠率应保持在10%。如果出现高于额定值的回波信号，需进行记录，为后续的精细扫查提供基础。焊缝的方向不同其扫查的方向也有所不同，对于横向焊缝，最好平行于焊缝平面进行扫查；对于纵向焊缝，可按照锯齿形的方向进行扫查。初步扫查后，针对初步扫查筛选出的异常回波信号位置进行精细扫查。采用转角的方式（10°左右）对标记位置进行二次扫查。此时可以记录下缺陷的当量，深度等位置信息，还可以通过固定回波幅度等级技术来测定缺陷的水平长度。

根据异常回波信号的位置与波形，结合建筑钢结构的缺陷波形识别特征来判断焊缝缺陷的类型，并记录波形的幅度。对于波形异常且没有对应波形特征的缺陷可以进行复核扫查，通过更改扫查面或更换检测探头的方式确定缺陷。

参考文献

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[3]吴磊.钢结构工程焊缝无损检测技术的应用分析[J].高铁速递, 2022(3):126-128.

[4]《钢结构现场检测技术标准》GB/T 50621-2010