超聲檢測(cè)技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

高慧 唐燦

無(wú)損檢測(cè)中的超聲檢測(cè)是建立在現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型檢測(cè)技術(shù)，其中常用的A 型脈沖反射法技術(shù)利用超聲波在材料內(nèi)部異質(zhì)界面上反射回波的物理特征，在不破壞被檢焊縫的前提下判斷是否存在內(nèi)部缺陷[1]。當(dāng)前，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用到建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)工作中，不僅能夠檢測(cè)出缺陷的位置和大小，還能夠分析危害程度和產(chǎn)生原因，可以為工程技術(shù)人員針對(duì)性采取措施處理缺陷提供依據(jù)，在一定程度上降低了建筑工程質(zhì)量隱患和安全隱患。

1.超聲檢測(cè)技術(shù)原理

超聲波是指頻率大于20000Hz 的機(jī)械波，在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生反射、透射、衍射、波形轉(zhuǎn)換等物理現(xiàn)象，遵循幾何聲學(xué)定律，具有能量高、穿透力強(qiáng)、指向性好等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，超聲檢測(cè)儀發(fā)射高頻振蕩電壓施加到探頭晶片的兩極，利用晶片的逆壓電效應(yīng)激勵(lì)晶片產(chǎn)生高頻振動(dòng)發(fā)射超聲波，通過(guò)耦合劑進(jìn)入材料內(nèi)部，在傳播過(guò)程中如果遇到異質(zhì)界面（缺欠或材料端部），會(huì)產(chǎn)生反射回波，該回波又引起探頭晶片振動(dòng)，通過(guò)正壓電效應(yīng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)被儀器檢測(cè)到，以動(dòng)態(tài)二維波形的形式顯示在熒光屏上。通過(guò)回波強(qiáng)度可以計(jì)算缺欠當(dāng)量大小，通過(guò)回波時(shí)間可以計(jì)算缺欠位置。因此超聲檢測(cè)具有靈敏度高、定位準(zhǔn)確、對(duì)焊縫中危害性嚴(yán)重的面積型缺陷檢出率較高等優(yōu)點(diǎn)，又因其檢測(cè)成本低、速度快、設(shè)備輕便、對(duì)人體及環(huán)境無(wú)害，所以廣泛應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中。

2.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及焊縫超聲檢測(cè)依據(jù)

當(dāng)前，建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的國(guó)家現(xiàn)行驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB50205-2020），根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)第5.2.5 條的規(guī)定，不同的焊接結(jié)構(gòu)形式所采用的超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)定依據(jù)也不同，本文以建筑鋼結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的承受靜荷載結(jié)構(gòu)形式的8mm 及以上板厚的平板對(duì)接焊縫、T 型焊縫和L 型焊縫為例，其內(nèi)部缺陷的超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)定依據(jù)為《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661-2011），超聲檢測(cè)設(shè)備及工藝要求為《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345-2013）[2]。

3.檢測(cè)人員及儀器設(shè)備要求

3.1 聘用專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)人員

檢測(cè)人員必須持有無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)資格證書(shū)，掌握超聲檢測(cè)通用知識(shí)，了解基礎(chǔ)的金屬材料和焊接知識(shí)，能熟練使用超聲檢測(cè)設(shè)備，識(shí)別和分析超聲波形，熟悉超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，具有豐富的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。

3.2 使用合格的儀器設(shè)備

超聲檢測(cè)儀和試塊應(yīng)分別符合《A型脈沖反射式超聲波探傷儀 通用技術(shù)條件》（JB/T 10061-1999）和《無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)用試塊》（GB/T 23905-2009）中相應(yīng)的規(guī)定和技術(shù)要求；應(yīng)按《無(wú)損檢測(cè) A 型脈沖反射式超聲檢測(cè)系統(tǒng)工作性能測(cè)試方法》（JB/T 9214-2010）中的方法和要求進(jìn)行儀器性能和系統(tǒng)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果應(yīng)符合《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345-2013）第6.2.2 和6.2.3 條的規(guī)定。

3.3 選擇合理的探頭型號(hào)

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲檢測(cè)主要使用橫波斜探頭，其重要的參數(shù)有檢測(cè)頻率、折射角度和晶片尺寸。檢測(cè)頻率應(yīng)在2MHz～5MHz 范圍內(nèi)選擇較低的檢測(cè)頻率，有特殊需要時(shí)可適當(dāng)提高；探頭的折射角度在35°至70°之間，且盡可能使聲束垂直于焊縫熔合面，使用2 個(gè)斜探頭時(shí)角度之差應(yīng)大于15°；晶片尺寸的選擇與頻率和聲程相關(guān)，一般情況下，薄板和中厚板檢測(cè)可使用晶片等效面積為28mm2～113 mm2探頭，厚板檢測(cè)可使用晶片等效面積為113mm2～452 mm2探頭。

3.4 選用合適的耦合劑

耦合劑用來(lái)填充探頭與工件間的空氣間隙以提高聲強(qiáng)透射率，同時(shí)具有潤(rùn)滑作用，便于探頭移動(dòng)及減小磨損。在超聲檢測(cè)中，盡可能選擇流動(dòng)性好、透聲性強(qiáng)、價(jià)格低廉且對(duì)人體和工件無(wú)損傷作用的液體或糊狀物，如機(jī)油、化學(xué)糨糊等。

4.檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作

4.1 檢測(cè)前必需的信息

檢測(cè)人員在開(kāi)展檢測(cè)工作前，需要先獲得一些必需的信息，其中包括建筑鋼結(jié)構(gòu)的荷載特性、焊縫類(lèi)型、焊縫質(zhì)量等級(jí)、檢驗(yàn)等級(jí)、母材類(lèi)型及門(mén)類(lèi)、坡口型式及尺寸等參數(shù)信息，這些信息關(guān)系到超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)的選用，也關(guān)系到檢測(cè)靈敏度的設(shè)定、掃查要求和檢測(cè)比例（數(shù)量），還關(guān)系到缺欠的定位與評(píng)定，因此必須在檢測(cè)前獲得。

4.2 儀器設(shè)備的調(diào)節(jié)與設(shè)定

在焊縫檢測(cè)開(kāi)始前，需要對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)與設(shè)定。首先在CSK-IA 試塊上獲取R50mm 和R100mm 弧面的最高反射回波進(jìn)行時(shí)基線調(diào)節(jié)，測(cè)定聲速、零偏和探頭前沿；其次在CSK-IA 試塊上獲取φ50mm 圓孔的最高反射回波，測(cè)定探頭折射角度；最后在RB 試塊上獲取至少3 個(gè)深度的φ3mm×40mm 橫孔反射體的最高反射回波制作距離-波幅曲線（DAC曲線），且最深反射體的深度不小于兩倍母材厚度。曲線制作完成后，還需要根據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的檢測(cè)靈敏度要求在儀器中分別設(shè)定評(píng)定線（-14dB）、定量線（-6dB）和判廢線（0dB）。

4.3 焊縫檢測(cè)前的準(zhǔn)備

焊縫在檢測(cè)前需要清理干凈，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行打磨，確保焊縫兩側(cè)探頭移動(dòng)區(qū)寬度1.25P（P=2·tanθ·T，θ 為斜探頭折射角，T 為母材厚度）范圍內(nèi)的表面粗糙度不大于0.5mm，同時(shí)還應(yīng)考慮被檢焊縫與試塊的聲能性能差異，通常采取提高4dB 的方式進(jìn)行表面補(bǔ)償，或按《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345-2013）附錄F測(cè)定聲能傳輸損失差值。需要注意的是，焊縫檢測(cè)時(shí)的溫度與在試塊上的調(diào)節(jié)儀器時(shí)的溫度差值應(yīng)不大于15℃，且應(yīng)使用相同的耦合劑。

5.焊縫內(nèi)部缺陷的掃查

在焊縫外觀檢測(cè)合格且完成焊接達(dá)到規(guī)定的時(shí)間后，方可開(kāi)始對(duì)被檢焊縫的掃查工作。掃查應(yīng)按B 級(jí)檢驗(yàn)等級(jí)的要求進(jìn)行，采用一個(gè)斜探頭在焊縫單面雙側(cè)進(jìn)行掃查，條件受限時(shí)采用兩個(gè)斜探頭在焊縫的單面、單側(cè)掃查。掃查又可分為初步掃查、精細(xì)掃查和復(fù)核掃查。

5.1 初步掃查

在保證掃查靈敏度的前提下（兩倍母材厚度位置處評(píng)定線不低于熒光屏20%高度），將斜探頭置于焊縫一側(cè)，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向做鋸齒形來(lái)回掃查，對(duì)焊縫進(jìn)行單面雙側(cè)初掃，掃查寬度不小于1.25P 以確保聲束能覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域，掃查速度不宜過(guò)快，且每次來(lái)回掃查應(yīng)重疊10%的探頭寬度。掃查的同時(shí)觀察熒光屏顯示，如果發(fā)現(xiàn)有高于評(píng)定線的回波信號(hào)，則對(duì)該處位置做出標(biāo)記，為下一步精細(xì)掃查測(cè)量缺欠奠定基礎(chǔ)。鋸齒型掃查能有效檢測(cè)出縱向缺陷，如需檢測(cè)橫向缺陷，則應(yīng)進(jìn)行平行和斜平行掃查。

5.2 精細(xì)掃查

在焊縫精細(xì)掃查時(shí)，對(duì)在初步掃查過(guò)程中標(biāo)記的位置分別進(jìn)行仔細(xì)探測(cè)，結(jié)合前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等方式掃查，根據(jù)顯示的位置與焊縫結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系分析是否為偽顯示。排除所有的偽顯示后，找出缺欠最高反射回波，記錄該回波的幅度與詳細(xì)位置，采用6dB 法或端點(diǎn)峰值法測(cè)量缺欠指示長(zhǎng)度并記錄。完成上述工作后，對(duì)下一處標(biāo)記位置進(jìn)行精細(xì)掃查[3]。

5.3 復(fù)核掃查

一般情況下，通過(guò)實(shí)施初步掃查和精細(xì)掃查兩個(gè)步驟，可以獲得較為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，但對(duì)于一些異常或疑難反射回波，則應(yīng)再進(jìn)行復(fù)核掃查。復(fù)核掃查可以通過(guò)更換檢測(cè)人員、增加探頭角度、改變掃查面、增加直探頭掃查等方式進(jìn)行，對(duì)缺陷做進(jìn)一步驗(yàn)證和確定，如果還是無(wú)法確定或?qū)Y(jié)果有疑義，則應(yīng)采用射線檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

6.超聲檢測(cè)結(jié)果評(píng)級(jí)與判定

依據(jù)缺欠最高反射回波幅度的高低和指示長(zhǎng)度的長(zhǎng)短，按照《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661-2011）中的相應(yīng)的評(píng)級(jí)要求，可以將焊縫超聲檢測(cè)結(jié)果評(píng)定為I 級(jí)、II 級(jí)、III 級(jí)或IV 級(jí)當(dāng)中的一種，代表了焊縫內(nèi)部質(zhì)量的好壞程度，I 級(jí)為最好，IV 級(jí)為最差[4]。

依據(jù)焊縫超聲檢測(cè)的評(píng)級(jí)結(jié)果，可以對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行合格與否的判定。按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50205-2020）表5.2.4中的要求：一級(jí)焊縫超聲檢測(cè)結(jié)果評(píng)級(jí)為I 級(jí)或II 級(jí)時(shí)判定合格，評(píng)級(jí)為III 級(jí)或IV 時(shí)判定不合格；二級(jí)焊縫超聲檢測(cè)結(jié)果評(píng)級(jí)為I級(jí)、II級(jí)或III級(jí)時(shí)判定合格，評(píng)級(jí)為IV 級(jí)時(shí)判定不合格[5]。

不合格焊縫應(yīng)進(jìn)行更換或返修，并按原檢測(cè)方法及要求進(jìn)行復(fù)檢。如果是抽樣檢驗(yàn)，還應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661-2011）第8.1.8 條的規(guī)定對(duì)檢驗(yàn)批進(jìn)行結(jié)果判定與處理。

7.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，超聲檢測(cè)是建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛也是最重要的檢測(cè)方法，具有操作便捷、定位精確、能夠及時(shí)有效檢測(cè)出焊縫內(nèi)部各種常見(jiàn)缺陷等優(yōu)勢(shì)，有利于工程技術(shù)人員有針對(duì)性地采取措施處理隱患，從而提高建筑鋼結(jié)構(gòu)整體安全性和穩(wěn)定性。