浅谈超声波检测在钢结构焊接质量检验中的应用

浅谈超声波检测在钢结构焊接质量检验中的应用（中国二冶钢结构公司无损检测室张军）在厂房建设及设备安装中大量使用钢结构，钢结构的焊接质量十分重要，无损检测是保证钢结构焊接质量的重要方法。一、钢结构焊缝无损检测技术简介无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构，性质，状态进行检查和测试的方法。钢结构焊缝无损检测技术主要有超声波检测、射线检测以及磁粉检测。超声波检测是目前应用最广泛的无损探伤方法之一，该法采用高频超声波穿过被检焊缝，当遇到缺陷时超声波反射，通过反射波的幅度和位置判断缺陷性质、位置及大小。射线检测技术是采用X射线透照被检焊缝，焊缝内部的缺陷对X射线的反射、吸收使之在底片上留下影像，通过底片上的影像即可判断焊缝内部缺陷。磁粉检测技术是一种表面探伤技术，其原理是材料或焊缝表面缺陷造成表面材质的不连续，当外加磁场在该处时，其表面磁场分布与无缺陷处不同，利用磁粉指示出磁场分布，即可判断材料或焊缝的表面缺陷。二、超声波无损检测技术的物理基础及适用范围（一）超声波检测的物理特点超声波是超声振动在介质中的传播,它的实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动,其频率在20KHz以上。超声波检测可探测厚度较大的材料,且具有检测速度快,费用低并能对缺陷进行定位和定量,对人体无害以及对危害性较大的面积型缺陷的检测灵敏度较高等优点。因此,超声波检测已经发展成一种很重要的无损检测方法,在生产实践中得到了广泛的应用。超声波被用于无损检测,主要有以下几个特性：（1）波在介质中传播时,遇到界面会发生反射；（2）波指向性好。频率愈高,指向性愈好；（3）传播能量大,对各种材料的穿透力都较强；（4）超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性,为超声波的应用提供了丰富的信息,并且成为超声波广泛应用的条件。（二）超声波检测的基本原理超声波探伤仪每秒输出数十至数千个高频脉冲电压信号,通过特殊电缆施加于压电换能器(俗成探头),并完成电—机转换,产生高频机械振动；高频机械波在探伤人员或机械装置的规范影响下,通过中间介质导入被检测对象——焊缝；焊缝本身的形状、结构或内部缺陷的声学特性对超声波传播的影响时效反馈至换能器进行机—电转换,转换后的电脉冲信号经检波过程显示在探伤仪荧光屏上；探伤人员(或模拟的自动化机械识别装置)根据荧光屏上有无信号、信号的位置、信号的幅度、信号的形态判断焊缝中有无缺陷、缺陷的位置、缺陷的大小和性质，并以此综合信息对焊缝质量进行评价。焊缝的超声波检测主要采用斜探头横波检测。斜探头使声束倾斜人射，斜探头的入射角有多种，并分别与其K值相对应。当发现焊缝中存在缺陷之后，根据检测前在仪器荧光屏上按一定灵敏度基准所作的距离——波幅（DAC）曲线，缺陷在示波屏上的位置和波幅以及最高缺陷回波所对应的探头在被检工件上的位置，即可确定出焊缝中缺陷的位置和大小。（三）超声波检测的适用范围超声波检测是工业无损检测中应用最为广泛的一种方法。就无损检测而言,超声波适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件,无论是钢铁、有色金属和非金属,都可以用超声波法进行检验。各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器等,都可以采用超声波进行有效的检测。有的采用手动方式,有的可采用自动化方式。就物理性能检测而言,用超声波可以无损检测材料厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力以及胶结强度等。三、钢结构焊缝超声波检测的具体应用（一）钢结构焊缝超声波检测的规范要求目前，钢结构的验收标准是依据GB50205—95《钢结构工程施工及验收规范》来执行的。标准规定：对于图纸要求焊缝焊接质量等级为Ⅰ级评定等级为Ⅱ级时，规范规定要求做100%超声波检测；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为Ⅱ级评定等级为Ⅲ级时，规范规定要求做20%超声波检测；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为Ⅲ级时，不做超声波内部缺陷检查。在此值得注意的是，超声波探伤用于全熔透焊缝，其检测比例按每条焊缝长度的百分数计算，并且≥200mm。对于局部检测的焊缝如果发现有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加检测长度，增加长度不应小于该焊缝长度的10%且不应小于200mm，当仍有不允许的缺陷存在时，应对该焊缝进行100%的超声波检测。其次是对检测时机的要求：碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度后、低合金结构钢在焊接完成24h以后方可进行超声波检测。(二)超声波检测焊缝的操作过程接到超声波检测任务后，首先要了解图纸对焊接质量的技术要求，确定检测级别；另外还应该知道待测工件的母材厚度、接头形式及坡口形式。在每次现场检测前都必须利用标准试块校准仪器的综合性能，校准面板曲线，以保证检测结果的准确性。（1）检测面的修整。应清除焊接工作表面飞溅物、氧化皮、凹坑及锈蚀等，粗糙度Ra值应≤6.3μm。焊缝两侧检测面的修整宽度一般应≥2KT+50mm（T：工件厚度）。（2）耦合剂的选择。耦合剂的选择应考虑到其粘度、流动性、附着力、对工件表面无腐蚀、易清洗且经济实用等因素。一般选用工业浆糊作偶合剂。（3）粗检与精检相结合。在检测过程中为了大概了解缺陷的有无和分布状态为粗检；粗检后对缺陷进行进一步的定位和定量就是精检。将左右扫查、前后扫查、转角扫查以及环绕扫查等几种扫查方式相结合，以便于发现各种不同类型的缺陷并且判断缺陷性质。（4）记录检测结果。如发现内部缺陷应对其进行评定分析。焊接接头内部缺陷分级应根据现行国家标准GB11345—89《钢焊缝手工超声波检测方法和检测结果分级》的规定来评判该焊焊缝是否合格。如发现有超标缺陷应立即向车间下达返修通知单，令其整改后进行复检直至合格。（三）焊缝中典型缺陷波形分析一般焊缝中常见的缺陷有气孔、夹渣、未焊透、未熔合及裂纹。到目前为止，还没有一个成熟的方法可对缺陷的性质进行准确的评判，只能根据荧光屏上得到的缺陷波形和反射高度的变化结合缺陷位置和焊接工艺对缺陷性质进行综合估判。就缺陷性质的估判作如下简述。（1）气孔。单个气孔回波高度低，波形为单缝，较稳定。从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头反射波就会消失；密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同。当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。（2）夹渣。点状夹渣回波信号与点状气孔相似；条状夹渣回波信号多呈锯齿状，波幅不高，波形多呈树枝状，主峰边上有小峰，探头平移波幅有变动，从各个方向探测时反射波幅不同。（3）未焊透。此类缺陷的反射率高，波幅也较高，探头平移时波形较稳定，在焊缝两侧探测时均能得到大致相同的反射波幅。（4）未熔合。探头平移时波形较稳定，两侧探测时反射波幅不同，有时只能从一侧探测到。（5）裂纹。此类缺陷的回波高度较大，波幅较宽，会出现多峰。平移探头时反射波连续出现且波幅有变动，转动探头时波峰有上下错动的现象。（四）非缺陷反射波的识别在超声波检测过程中，常常会发现一些非焊缝内缺陷所形成的较为明显的反射回波，通常称其为非缺陷反射波。常见非缺陷反射波的产生原因及识别方法分析如下：（1）由焊缝加强层引起的反射回波。若用一次波射达焊缝下部表面加强层及用二次波射达焊缝上部表面加强层时会产生反射回波及变形反射回波，如图1。图1由焊缝加强层引起的非缺陷反射回波识别方法是用蘸有油或化学糨糊的手指及毛刷反复拍打产生反射回波的位置,仪器示波屏上相应脉冲信号将会产生上下跳动而予以判别。但对于垂直入射加强圆弧面的横波是不会发生跳跃现象,这时需按波程分析及理论计算加以判别。（2）由错边引起的反射回波。由于焊缝两侧工件材料厚度差异较大或在装配过程中产生错位,当超声波达这一部位时将会出现边角反射回波,如图2。识别方法是从焊缝单面双侧探测时,在一侧可获得较强的反射回波信号,而另一侧反射回波信号明显降低,甚至消失,以示区分。（3）由焊瘤引起的反射回波。焊瘤是正常焊缝金属外的多余部分,当探头从焊缝两侧检测时,焊瘤都有可能引起反射回波,如图3。识别方法如下：焊瘤一般出现在单面焊接双面成型的焊缝根部位置,其反射回波在仪器示波屏上是在底面反射回波之后出现,水平位置在焊缝中心线附近,按探头位置及反射回波的对应关系一般不难判别。图2由错边引起的反射回波图3由焊瘤引起的反射回波四、总结以上对钢结构焊缝超声波检测的论述是我对在实习期间培训学习和工作实践所得知识和经验的提炼和总结。由于工作时间较短，以上论述还不够全面，存在很多的不足之处，有待于在今后的工作中不断地总结和完善。为钢结构的生产制作把好质量关。