超声波探伤在钢结构焊缝检测中的应用研究

引言

如何提高建筑钢结构施工质量、提高检测手段发现钢结构缺陷，及时对缺陷进行弥补，减少事故发生，是现阶段研究的重点。在工程中，及时、适度地采用无损检测技术，是优质高产的重要保证。本文通过采用超声波探伤技术在钢结构工程焊缝检测中的应用，能准确定位焊缝质量缺陷，定量给出缺陷的大小，为缺陷处理提供数据支撑，保障了钢结构工程施工的安全。

1 检测概况

新建成都至兰州铁路成都至川主寺段位于四川省境内，起于成都，经什邡、绵竹、安县、茂县、松潘至川主寺。正线建筑长度 275.8km ，新建桥梁 53座 44.008km ，新建隧道 18 座 175.914km ，全线长度大于 10km 隧道共 7 座，最长隧道为平安隧道长 28.426km ，全线桥隧比为 86.05% ，正线路基长 54.438km ，新建车站 12 座。为了保证钢结构工程能够在实践中的应用效果，采用超声波探伤对钢结构焊缝进行检测，及时发现并弥补钢结构的缺陷，以保证钢结构建筑的质量和安全。

2 超声波探伤技术

2.1 钢结构焊缝常见缺陷类型

目前的钢结构工程中，焊接方式以手工焊为主，该方法受焊工的技术水平、焊接设备、现场焊接条件等影响，焊接质量不确定性较大，钢结构常见的焊缝缺陷有：a 裂纹；b 焊瘤；c 烧穿；d 弧坑；e 气孔；f 夹杂；g 咬边；h 未熔合；i 未焊透，各缺陷危害程度可大致排为：裂纹 > 未熔合、未焊透 > 烧穿 > 咬边 > 夹杂（条状） > 夹杂 ( 圆形 ) > 气孔 > 弧坑、焊瘤。任何一种缺陷达到相当严重的程度都会造成危害，不仅会造成结构的破坏，甚至会酿成灾难性事故。尤其对于裂纹类缺陷工艺上是不能容忍的， 必须彻底铲除。

2.2 钢结构超声波探伤（UT）无损检测方法

（1）原理

超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现物体内部缺陷的一种方法。目前我国应用最多的超声波探伤法是脉冲反射法。这种方法的探伤原理是，当脉冲超声波入射到被测试件，在材料内部传播，遇到缺陷和材料基体界面时，由于声阻抗的差异发生声波反射。脉冲反射法探伤便是根据显示在探伤仪荧光屏上的反射波来判断试件内部缺陷位置、性质和大小。这种方法根据探伤所用的波的类型不同，又可分为纵波法、横波法、表面波法和极波法等。本实验进行纵波法探伤和横波法探伤。

① 纵波法探伤

纵波法探伤时，把直探头放在试件的探测面上，使探头发射的超声波垂直于探测面入射到试件内。入射的部分声波遇到缺陷界面被反射回来，其余部分的入射声波继续传播到试件底面才被反射回来。这时，探伤仪荧光屏上会显示出起始波 T、缺陷波 F 和底波 B 如果探伤仪有良好的时基线性，便可利用 T、F 和B 三个波之间的距离来确定缺陷在试件内部的位置。

② 横波法探伤

当超声波倾斜射入到试件探测面上时，波形将发生转变而产生横波。若试件内部无缺陷，声波将会在试件的上、下表面反射，形成“W”形路径，荧光屏上只显示起始波。如果试件内部有缺陷，声波还将在缺陷表面反射，产生缺陷波。声束若达到试件的端角，则荧光屏上将呈现出端角波。缺陷的位置可根据探头的折射角、入射角位置和声程来确定。

（2）仪器准备

① 调节仪器，使时基扫描线清晰明亮，并与水平刻度线重合。

② 测定探头的入射点和K 值：

③ 按深度1 ：1 调节扫描速度

④ 调起始灵敏度：探头对准 d=60mm(d 略大于 2T) Φl×6 ，衰减 20dB( 大于评定线和耦合补偿所需增益的 dB 值 )，调 [ 增益 ] 使 d=60mmϕ1×6 的最高回波达基准 60% 高。

⑤ 绘距离 - 波幅曲线：根据板厚和表内所列的数据：以深度 d 为横坐标，以dB 值为纵坐标，在坐标纸上描点绘制距离- 波幅曲线。

注明所用探头 . 试块。若考虑表面光洁度和材质补偿 Δ dB，可将所有曲线都往下平移ΔdB，将会使调节灵敏度和定量更方便。

⑥ 校验距离 - 波幅曲线：探头置于 CSK- Ⅲ A 试块上，分别对准 d=20t 和

50mm ，找到最高回波，先看回波是否对准水平刻度20 和 50 处，然后再看最高回波达基准高时，[ 衰减器 ] 读数是否和前面测试的结果相同。若二者有一条不符，且误差较大，则应重新测试曲线。

（3）探头选择

超声波探伤开始检测前，需要根据实际情况选择合适的探头，首先是选择探头频率，探头频率越高，其不易出现绕射现象，导致精度也越高，但衰减也越快，需要根据构件材料、厚度来选择合适的探头频率；其次是探头角度（K值），当规范仅要求一个斜探头时，可选择 K 值为 2-3 的斜探头，当要求两个斜探头时，需选择K 值一个较小，一个较大的斜探头，且二者角度值（arctanK）差大于 15^∘ 。

（4）焊缝探伤

① 按规定清理打磨探测面，达到要求。

② 测探头的入射点和K 值( 测曲线后立即探伤此项可省)。

③ 按深度1 ：1 调节扫描速度( 测曲线后立即探伤此项可省)。

④ 校正距离- 波幅曲线，不少于两点。

⑤ 考虑耦合与材质损失的补偿dB 值。

⑥ 调节探伤灵敏度 ( 二次波探伤 ) ：由 d=2T=2×24=48mm ，查距离 - 波幅曲线的评定线对应的 dB 值 N，设 N=14dB 又设耦合与材质损失为 ΔN=4dB ，则探伤灵敏度为 N-ΔN=14-4=10dB ，这时探伤灵敏度就调好了。

⑦ 扫查探测：探头分别置于焊缝的两侧作锯齿形扫查，齿距不大于晶片尺寸，保持探头与焊缝中心线垂直的同时作 10^∘～15^∘ 的摆动。为了发现横向缺陷，可使探头与焊缝成 10^∘～45^∘ 作斜平行扫查。为了确定缺陷的位置、方向、形状，还可采用前后、左右、转角和环绕等方式进行扫查。

⑧ 缺陷定位：在扫查过程中发现缺陷后，要根据扫描速度和缺陷波所对的水平刻度值来确定缺陷在焊缝中的位置。

⑨ 缺陷定量：在测定缺陷位置的同时，还要测定缺陷的波幅和指示长度，并根据验收标准评定焊缝的级别。

（5）缺陷判断

超声波探伤中，对缺陷大小的判定采用的是当量法，即在一定的探伤灵敏度条件下，将已知形状、尺寸的人工反射体的回波与实际检测到的缺陷回波相对比，若二者的声程、回波高度相等，则这个已知人工反射体的相关尺寸可视为该实际缺陷的“缺陷当量”。应该选择恰当的对比试块，得到“探测距离与波幅曲线”，并依据该曲线判断缺陷大小 。需要注意的是，直探头曲线范围需要大于焊缝厚度，斜探头曲线范围需要大于二倍焊缝厚度。

3 结语

在实施钢结构焊缝质量检测的工作中，通过采用超声波探伤的方法，能准确定位焊缝质量缺陷，定量给出缺陷的大小，具有高灵敏度、操作简便、探测速度快、成本低且对人体无损伤的优点，但也发现其对平行于声波方向的缺陷、小于 1/2 波长的缺陷、表面及近表面缺陷不敏感，因此需要其他检测方法辅助检测，才能准确的进行定性分析。研究和学习其他钢结构无损检测技术，总结经验、开发技术，才能满足钢结构无损检测技术要求。

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