无损检测方法在钢结构工程焊缝中的应用论文

　　摘要：文章对钢结构焊缝的种类与结构特性进行了简单的描述，介绍了无损检测技术的特点，以及磁粉、渗透、超声、射线、磁记忆检测几种常用的无损检测方法。以超声检测、射线检测为例，分析了无损检测在钢结构焊缝检测中的应用。结合钢结构平板对接焊缝、小径管对接焊缝、T型焊缝的实例，探讨了不同类型钢结构焊缝的检测，并对应用效果及缺陷进行了对比分析。

 

　　关键词：钢结构；焊缝缺陷；无损检测；应用效果

 

　　建筑行业在国民经济中，占据了十分重要的地位和作用，为社会的基础建设和经济发展，作出了巨大的贡献。而钢结构属于承重结构，有着强度高、自重轻、材质均匀等优点，同时还有着良好的塑形和韧性、造型美观且抗震性强，十分适用于现代化的工业装配。在大跨建筑、高层建筑领域中，有着极为广泛的应用。钢结构的杆件或构件，是通过焊缝来传力的。在钢构连接施工作业中，焊接是最为基本的一种加工工艺，而焊接质量控制的关键在于焊缝的质量检验。

 

 

　　在钢结构焊缝中，常见的接头形式有搭接、对接、交接、T型接头等。由于焊接结构的诸多优点，得到了建筑行业的青睐，极大的促进了钢结构建筑的井喷式发展，主要包括以下几个方面。

 

　　第一，相比于其他材料，钢结构具有质量轻、强度高等优点，同比约占钢筋混凝土构架的三分之二。不仅便于运输和安装，也使得施工周期大幅缩短。第二，钢结构还有着良好的塑性和韧性，超载时轻易不会发生断裂，且能够适应动载荷的工况。由于低碳钢、高强度低合金钢有着较为理想的吸收能量作用，十分适用于多地震区域的建筑。第三，由于材质均匀，较其他材料有着更高的各向同性，且与设计计算的工作性能高度吻合。通常在金属结构工厂进行机械化的构件制作，其精密度、准确度都有着可靠的保证。第四，钢结构安装方便，易于连接、拆装、改建、加固，因而大大缩短了施工周期，有着极佳的投资效益。第五，相比于混凝土结构而言，绿色环保是钢结构的又一特征，有着良好的发展前景。

 

　　由于在焊接过程中，受到材料成分、高温、冷却不均、焊接工艺、操作技能等因素的影响，会造成焊接质量出现不同程度的缺陷，常见的有气孔、凹坑、裂纹、夹渣、未焊透、未熔合、咬边、焊瘤。其缺陷的位置不仅位于焊缝表面或近表面，更多的位于材料内部，属于钢结构较为突出的问题与不足之处。

 

 

　　2.1无损检测技术特点

 

　　无损检测技术检测，是基于声、光、电、磁等物质特性，能够在不破坏材料、不影响使用性能的情况下，检测试件的表面和内部缺陷，并能够对缺陷的位置、大小进行较为精确的定性和定量评价，以实现对被检对象状态的判定。无损检测不仅具有非破坏性的优点，还能够100%的实现对被检对象的全面检测，检测的对象涵盖了原材料、成品和半成品、以及在役投用的建筑、机械设备、工业管道、交通工具等。同时，需要根据检测对象的不同，有针对性的选择不同的检测方法以获取最真实、最可靠、最准确的材料和缺陷情况。

 

　　2.2磁粉检测

 

　　磁场与磁粉在缺陷处，会产生相互作用，这是磁粉检测的机理。换而言之，当磁化铁磁性材料或工件后，如果在表面或近表面处存在着不连续性，则其磁力线便会与工件出现距离而进入其表面，此后会由于局部畸变而产生磁极，进而得到可检测的漏磁场。此时，原先存在于工件表面的磁粉会被漏磁场所吸附，在合适的光照条件下可以看到明显的磁痕。不仅能够显示出不连续性的位置，缺陷的形状、大小也清晰可见，由此可以达到对缺陷较为直观的判定。

 

　　2.3渗透检测

 

　　渗透检测的原理较磁粉检测不同，是基于液体的毛细管作用产生的。先是用清洗剂将打磨光滑的焊缝表面清洗干净，随后在固体材料表面喷涂红色的渗透剂。当试件表面或近表面处存在开口性缺陷时，渗透液会沿着缺陷的形状渗透到材料内部。最后使用的白色显像剂，在毛细管作用下，能够吸出之前深入的渗透液，从而显示出十分清晰的缺陷形状，该方法操作便捷、简单高效。

 

　　2.4超声检测

 

　　基于反射和投射的特性，超声波检测仪在向被检试件发出超声波之后，在接收装置收回波信号，根据信号的变化来对缺陷进行判定。当超声波遇到缺陷时，或在遇到两种不同介质的界面条件下，会产生反射现象。此时，由探头接收到反射信号，经过检测仪后进行电路转换，可以显示出底波信号和缺陷信号。由于超声波具有不同的反射次序，容易区分底波信号和缺陷信号，定标时采用标准试块，进而能够对缺陷进行定位和定量，检测效果更为直观、准确。

 

　　2.5射线检测

 

　　X射线，γ射线是较为常用的射线照相技术，其中X射线来源于X射线发生器，γ射线则来源于钴、铱等放射性同位素。当试件被射线辐照时，在试件内部密度变化的区域，所透过的射线能量会被不同程度的吸收。预先将照相胶片放置在试件背面，则可以实时将投射的射线能量记录下来。由于所接收到的射线能量存在差异，所构成的潜像经转化处理后，得到的图像具有可见黑度差。此时，试件中的缺陷通过借助于平面投影图像的方式，作为缺陷评定的依据。

 

　　2.6磁记忆检测

 

　　工作状态下的铁制工件，由于受到工作载荷的影响，相应的会在应力和变形集中区域内，导致磁畴组织发生重新取向，这种取向是定向的、且不可逆，并且具有磁致伸缩性质。在该种磁状态下，即便工作载荷消除后，不可逆变化也不会消失，并且与最大作用力有关系。漏磁场的切向分量，在应力集中处具有最大值，而法向分量不仅符号会改变，还具有零值点的特征。通过测定磁场的法向分量，可以对工件的应力集中区实现准确判断，能够早期诊断铁磁性工件。

 

　　3钢结构焊缝检测中常用的无损检测方法

       3.1超声波检测方法的应用

 

　　3.1.1探头及仪器的选择

 

　　在缺陷定量分析过程中，受到探头的频率影响较大，关系到最小分辨率的值，通常以选用2.5MHz~10MHz的探头为宜。同时，探头的晶片尺寸也会影响检测的结果，需要综合考虑半扩散角、近场长度等参数。仪器通常选用全数字超声波检测仪，不仅发射功率大、抗干扰力强，且垂直线性好、水平误差小、增益精度高，能够满足检测数据长期保存的需求。耦合剂选择时，应考虑与工件的声阻抗相近，以满足透声性的提高。并考虑适当的粘度，以便于后期清理。

 

　　3.1.2缺陷定位影响分析

 

　　通过水平扫描可在荧光屏上得到缺陷波，比较三种次波的位置，不仅能够判定缺陷在焊缝的位置，还可以通过计算深度与K值得到缺陷的深度位置。影响缺陷定位的因素较多，如仪器的水平线性的好坏，探头的声速偏离、双峰值、斜楔磨损，工件的材质、温度、粗糙度、表面形状等。同时，操作人员的水平，会使K值、入射点、仪器时基线比例等产生误差，进而影响缺陷定位。

 

　　3.1.3缺陷定量影响分析

 

　　对缺陷进行定量和定位，是应用超声波进行焊缝检测的目的，定量内容包括了缺陷的指示长度和波幅。一般来说，测量缺陷指示长度的方法较多，以断电测值法较为常用。而缺陷的波幅，则可以表示为缺陷最大反射波幅。同样，缺陷定量也受到诸多因素的影响。如仪器和探头的性能，会影响到缺陷定量的精度；耦合层的厚度、声阻抗的大小，会影响到缺陷的回波高度；衰减系数的大小，会影响到定量精度；试件的尺寸、几何形状，也会对缺陷定量产生影响。

 

　　3.1.4缺陷性质分析

 

　　加工工艺直接影响到工件内各种缺陷的形成，如铸造过程、锻造过程、焊接过程等。而不同形状特征的缺陷，如平面缺陷、点状缺陷、密集形缺陷，探测时缺陷回波呈现出不同的变化情况。动态、静态的缺陷波形，对探头的移动会有不同程度的敏感度，可以由此来分析缺陷的性质。根据缺陷性质和反射面的不同，会得到不同的底波高度，适当情况下可作为分析缺陷性质的依据。此外，回波振幅的大小、超声波传播的声程与波形，都是缺陷性质分析的重要指标。

 

　　3.2射线检测方法的应用

 

　　3.2.1探伤仪器的选择

 

　　X射线、γ射线、中子射线几种常用的无损检测射线中，应用最多的是X射线机，其核心部件是X射线管，十分适用于钢结构工程。在选用胶片系统时，需要考虑梯度、颗粒度、梯度—噪声比等指标。射线底片的影像质量，采用像质计来检查和定量评价，常用的有金属丝型、槽型、孔型3种。焊缝的透照方式，根据焊缝类型的不同，可选择直接透照法、双壁单影透照法、双壁双影透照法。

 

　　3.2.2检测灵敏度的质量控制因素

 

　　射线检测灵敏度是衡量射线检测的关键性指标，又可分为三个控制因素，包括清晰度、对比度和颗粒度。清晰度也可表述为模糊程度，会对缺陷影像的可识别度产生影响，主要产生于胶片固有不清晰度、移动不清晰度、几何不清晰度、屏不清晰度等。对比度可表述为黑度差，源自于背景影像和细节影像之间的比较，会对缺陷影像的可识别度产生影响。为了提高灵敏度和缺陷的检出率，需采取有效的措施，提高底片的对比度。颗粒度与信噪比直接对应，在视觉上呈现出黑度分布不均匀。一般来说，越细的颗粒度，可获得越高的检测灵敏度。同时还受到射线的能量和曝光量的影响，射线能量的升高，则会增大底片上的颗粒度。

 

       3.2.3影像质量的影响因素

 

　　对影像质量产生影响的因素较多，主要包括了胶片类别、焦距和焦点尺寸、管电压、曝光量、暗室处理等。第一，影像黑度的分布是不完全均匀的，即便是在均匀的曝光下，可用颗粒度来描述。胶片类别的不同，颗粒度也不同，颗粒度越小，能够记录和显示的细节尺寸也越小，检测灵敏度越高。第二，作为射线照相的基本参数，在选择焦距时应考虑清晰度、透照区的大小。焦点尺寸的大小，与工件厚度成正比，与焦距成反比，在选择焦距时应当一并考虑。

 

　　第三，入射到胶片的射线，造成了胶片的固有不清晰度，源自于次级电子的散射作用，导致曝光区及其周围，都存在着一定的黑度分布区。胶片固有不清晰可用分布区宽度来表示，其大小会随着电压的升高而增大。第四，曝光量会对颗粒度、黑度等指标产生影响，还关系到可记录细节尺寸的大小。曝光量的大小，会对胶片背景黑度产生较大的影响，需要根据检测灵敏度的要求进行设置。第五，暗室处理的效果，也会对影像质量产生较大的影响，如显影过程的温度和时间、中间水洗一停显的操作、定影过程的控制、水洗的质量和干燥方法等。

 

 

　　4.1钢结构平板对接焊缝

 

　　4.1.1人工缺陷制备

 

　　首先要制备人工缺陷试样，试件材料选择Q345B材质，如果手工电弧焊。选用焊缝未熔合试块，一侧的坡口面环焊、一侧对接焊，小铁片的厚度在1mm左右。通过加大钝边尺寸，用低电流施焊得到内部未焊透；采用断裂法、撑裂法、异种钢焊条焊裂等方法，可制得裂纹；用潮湿的焊条或者使焊口油污、有锈，可在焊缝中产生气孔；将小瓷片放入到焊缝的层与层之间，在每层焊完后不敲渣，便可以得到夹渣。采用上述方法，可以预先制得相应的缺陷。

 

　　4.1.2超声波检测分析

 

　　检测前要选择探头、移动区宽度、耦合剂；探头K值的大小会影响到一次波检测的范围，薄工件通常选择较大的K值；移动区宽度是根据焊缝的厚度选择的；耦合剂一般选用机油。根据检测中得到的距离——波幅曲线，可以比较缺陷的大小、确定缺陷所在区域、测定缺陷的指示长度。在中厚板焊缝检测中，常采用锯齿型扫查、斜平行和平行扫查、转角扫查、环绕扫查等不同的扫查方式。然后选定超声波检测的参数，并对数据进行处理分析，得到最终的探伤报告。

 

　　4.1.3射线检测分析

 

　　通过查询标准，计算工艺的各个条件，作为设计工艺卡的依据，包括材料、胶片类型、焦距及透照方式、透照电压、透照次数、透照厚度、像质计的选择、曝光时间等。以Q345B材质的对接焊缝试板为例，选用2505型的X摄像机，检测时执行GB3323-2005标准，技术级别要求为AB。底片厚度为2.0，选用铅箔作为增感屏、厚度为0.03mm；采用单壁单影透照方式，透照次数1次、厚度20mm焦距1000mm；最终可以在底片中呈现出质量良好和不同类型缺陷的焊缝。

 

　　4.2小径管对接焊缝

 

　　小径管对接焊缝的材质多为钢管，其外径小于100mm。无论是在压力容器系统中，还是在钢结构建筑中，小径管对接焊缝的质量都至关重要。因而对检验检测工作提出了更高的要求，常用的方法有超声波检测、射线检测。

 

　　4.2.1超声波检测方法

 

　　小径管焊缝检测，通常选用数字金属超声波探伤仪，晶片频率在5MHz~10MHz、K值2.0~5.0、采用一次波，试块的曲率半经为R1、耦合剂为洗涤剂。根据JB4730-94确定曲线中评定线的增益读数，综合考虑表面补偿值的大小，扫查前调至起始灵敏度。当出现缺陷回波信号时，采用不同的扫查方法对缺陷动态波形进行观察分析，以准确区分伪缺陷信号。分别记录左移动、右移动时，波高降到80%时所对应的位置，即可得到缺陷的长度，必要时进行定性分析。

 

　　4.2.2射线检测方法

 

　　材质为16MnR的小径管对接焊缝，将曝光量设定为35mAmin，管电压范围未110kV~170kV进行拍照。不同大小的管电压，可以得到不同数值的曝光量，通过软件分析得出曝光量与缺陷的各类曲线关系。当曝光量和管电压取值较小时，会呈现出较大的灰雾度，导致胶片不清晰；当取值较大时，则会增大胶片的黑度，降低胶片的对比度。由于上述两种情况都不利于检测，考虑小管径检测时采用的透照方式特殊，需选择合理的数值区间，以保证检测结果的准确性。

 

　　4.3 T型焊缝

 

　　超声波检测方法十分适用于T型焊缝工况，可根据钢结构件腹板的不同，制作相应的对比试块，两者的材料应保持一致。检测角焊缝时选用直探头，利用钢板大平底对探伤的灵敏度进行调整，容易探出下层状撕裂。由于直探头探伤受到反射波的影响，其探测区域仅限于角焊缝的中部缺陷，存在一定的漏检情况。检测翼板的外侧时，则选用斜探头，同样也会受到反射波的影响而造成误判，难以对焊缝中的缺陷准确定位。而同时用斜探头在腹板的上下两侧进行探伤，能够查到整个焊缝截面，且缺陷定位影响小，能够准确判定缺陷的大小和性质。选用两种角度探头进行探伤作业时，应选用大K值的探头、多为2和2.5两种，以保证超声波束与缺陷垂直，焊缝中的大多数缺陷能够被检出。

 

 

　　对于焊缝中的体积性缺陷，以气孔、夹渣最为典型。气孔多为圆形或条形，在焊缝的内部和表面都存在，有单个气孔和密集性气孔两种形式。其中，密集性气孔对焊缝质量的危害较大。超声波探伤的波形，与射线探伤片位相吻合，且检测结果符合气孔波形理论形状，波峰呈现出单尖峰状、更迭起伏。夹渣可分为金属夹渣、非金属夹渣，超声波探伤呈现出草状波形、且峰值较乱。当超声波主声束与缺陷表面垂直时，可以得到较高的峰值，与夹渣波形理论相符。

 

　　面积性缺陷，则以裂纹、未焊透、未熔合为代表，会对钢结构焊缝的整体质量产生影响，是不允许出现的缺陷。裂纹一般容易出现在接头部位，在射线底片上呈现出针尖状且可发展延长；超声波检测的效果较好，波形峰值不高。未焊透常见于焊缝根部的中心部位，超声波检测时的波形峰值交替变化。未熔合则可出现在根部、层间、破口处，并伴随气孔、夹渣的存在，超声波探伤时的波形呈草状，气孔、夹渣等会对其波形产生影响。

 

 

　　由于在焊接过程中，存在诸多因素会影响到各种参数的稳定性，导致焊缝会出现各类缺陷，焊接结构往往服役时间较长，需要频繁的承受载荷、应力、疲劳、冲击、辐照等恶劣工况，会大幅降低其使用性能，进而降低其整体的安全性。因此，焊接质量不仅对于钢结构的施工有着很大的影响，更会长期影响其使用性能，甚至造成人身安全的危害。而无损检测方法的应用，对于快速、准确的查找钢结构的内部缺陷，取得了十分显著的效果和经济效益。