無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)檢中的應(yīng)用

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)檢中的應(yīng)用李海娥張寶川

（1.濟(jì)寧市質(zhì)量計(jì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，山東濟(jì)寧272000；2.遼寧恒鑫源工程項(xiàng)目管理有限公司，遼寧盤(pán)錦124000）

0引言

當(dāng)前，我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)類型較以往發(fā)生了很大改變。鋼結(jié)構(gòu)以其獨(dú)具的跨度大、強(qiáng)度高、自重輕、韌性好、施工周期短、材料可回收、工業(yè)化程度高等諸多優(yōu)勢(shì)，在建設(shè)工程領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。鋼結(jié)構(gòu)是指由鋼板、型鋼、鋼管等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架、鋼網(wǎng)架等構(gòu)件組合而成的空間建筑結(jié)構(gòu)。在鋼結(jié)構(gòu)制作過(guò)程中，焊接是最主要的連接制作工藝，焊接質(zhì)量直接決定鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及工程綜合性能。因此，焊接接頭質(zhì)量檢測(cè)尤為重要，已成為保障鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是指在對(duì)檢測(cè)對(duì)象的用途、功能、內(nèi)部組織等不造成損傷或破壞的前提下，以物理或化學(xué)方法為手段，借助專業(yè)設(shè)備器材，對(duì)檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、完整性等進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中，不但能夠確定被測(cè)物相關(guān)缺陷的位置、數(shù)量、大小甚至性質(zhì)等，還能據(jù)此分析被測(cè)物的使用、安全性能等指標(biāo)，判定被測(cè)物的技術(shù)狀態(tài)如合格與否、剩余壽命等。

鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭檢測(cè)采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，總體而言就是在不損壞被檢查焊接接頭性能和完整性的情況下，檢測(cè)焊接接頭表面及內(nèi)部的缺陷如裂紋、夾渣、氣孔、未熔合、未焊透等，并對(duì)焊接接頭質(zhì)量是否符合規(guī)定要求和設(shè)計(jì)意圖等作出評(píng)價(jià)。當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)類型十分豐富，效果較好且被行業(yè)普遍采用的有：超聲檢測(cè)（UT）、射線檢測(cè)(RT)、磁粉檢測(cè)(MT)、滲透檢測(cè)(PT)，統(tǒng)稱四大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)。此外還有TOFD檢測(cè)、相控陣檢測(cè)、渦流檢測(cè)等。

鋼結(jié)構(gòu)制作安裝時(shí)，連接鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)零部件是一項(xiàng)必要工作。主要連接方法有緊固件連接和焊接等，其中焊接是鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要連接手段。焊接會(huì)由于焊接參數(shù)、材料、手法等多方面因素不當(dāng)而引起焊接缺陷。而焊接缺陷將會(huì)使鋼構(gòu)件承載性能受到很大威脅，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)工程得不到安全保障。例如焊接裂紋會(huì)導(dǎo)致所屬構(gòu)件焊縫承載力失效，進(jìn)而造成整體鋼結(jié)構(gòu)安全隱患；因此，必須嚴(yán)格進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)量檢測(cè)，控制好焊接質(zhì)量。

鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)量，若是單純依賴人工目測(cè)，則只能夠?qū)Ρ砻尜|(zhì)量和外觀缺陷進(jìn)行觀察，無(wú)法了解焊縫內(nèi)部質(zhì)量，無(wú)法把控焊接成效；若是采用化學(xué)分析或力學(xué)性能檢驗(yàn)，往往需從構(gòu)件上切取試樣，則勢(shì)必會(huì)破壞鋼結(jié)構(gòu)完整性和安全性，因此一般不被允許；而借助無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭進(jìn)行探傷檢測(cè)，則可以在對(duì)構(gòu)件不造成損傷的前提下實(shí)施內(nèi)、外部全面質(zhì)量檢測(cè)；如果檢測(cè)出問(wèn)題可以及時(shí)采取修補(bǔ)措施如加固補(bǔ)焊或返修等，徹底解決問(wèn)題把控好焊接質(zhì)量。

2無(wú)損檢測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1優(yōu)勢(shì)

（1）無(wú)損性。正因無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具備不損害被檢對(duì)象結(jié)構(gòu)和使用性能的特征，所以才被稱為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

（2）全面性。由于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具備無(wú)損性，因此必要時(shí)可對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行100%檢測(cè)，了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況，對(duì)焊接接頭質(zhì)量進(jìn)行全面分析。

（3）全程性。破壞性檢測(cè)一般只適用于對(duì)原材料或特制試件進(jìn)行檢測(cè)，如對(duì)鋼板、焊接試樣等采取拉伸、彎曲、沖擊、化學(xué)成分等檢測(cè)；對(duì)制成品和在用品，除非不準(zhǔn)備讓其繼續(xù)服役，否則不能進(jìn)行破壞性檢測(cè)。而無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不會(huì)對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)等造成損害，在保障整體性前提下，可以根據(jù)需要對(duì)原材料、半成品、成品、現(xiàn)場(chǎng)施工焊縫、服役中的鋼結(jié)構(gòu)等，進(jìn)行全過(guò)程各環(huán)節(jié)檢測(cè)。

（4）客觀性。無(wú)損檢測(cè)一般采取隨機(jī)抽查方式對(duì)被檢物進(jìn)行檢測(cè)，故其檢測(cè)結(jié)果通常具有代表性、客觀性。

（5）科學(xué)性。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，在檢測(cè)精準(zhǔn)化、智能化、信息化等方面更具優(yōu)勢(shì)，能切實(shí)保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。

2.2不足

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)并非萬(wàn)能，并不能測(cè)試出焊接接頭所有項(xiàng)目和指標(biāo)。如焊接接頭強(qiáng)度、塑性、韌性等指標(biāo)只能采用破壞性檢測(cè)；再如有些焊接接頭還需切取試樣做金相組織檢測(cè)等，無(wú)損檢測(cè)都無(wú)法替代。即無(wú)損檢測(cè)技術(shù)要與破壞性檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，才能對(duì)焊接接頭綜合性能作出準(zhǔn)確評(píng)定，由此保障鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全。

此外，應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)還須把握好時(shí)機(jī)，否則會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)失效。需根據(jù)無(wú)損檢測(cè)目的，正確選擇無(wú)損檢測(cè)的實(shí)施時(shí)機(jī)：例如要檢查高強(qiáng)鋼焊接接頭有無(wú)延遲裂紋，無(wú)損檢測(cè)實(shí)施時(shí)機(jī)就應(yīng)安排在焊接完成24h以后進(jìn)行。

另外，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)類型雖然豐富，但每種無(wú)損檢測(cè)方法都有其自身局限性，不能適用于各種結(jié)構(gòu)形式，也不能檢測(cè)出所有缺陷。例如超聲檢測(cè)需要具備較強(qiáng)的聲耦合，無(wú)法針對(duì)表面細(xì)微裂紋與微小氣孔進(jìn)行探測(cè)，不適合檢測(cè)表面粗糙的構(gòu)件等；射線檢測(cè)存在人身輻射傷害，檢測(cè)成本高、設(shè)備較重不便攜帶，無(wú)法檢測(cè)疏松與分層缺陷等；磁粉檢測(cè)僅限于鐵磁材料的表面和近表面缺陷；滲透檢測(cè)只適用于表面開(kāi)口缺陷等。

3焊接接頭常見(jiàn)內(nèi)部缺陷種類

3.1裂紋

裂紋是指金屬原子的結(jié)合遭到破壞而產(chǎn)生的縫隙。裂紋是焊接接頭中最危險(xiǎn)的一種缺陷，會(huì)使整條焊縫失效而引發(fā)嚴(yán)重事故，因此在焊接接頭中絕不允許存在。裂紋按其產(chǎn)生部位可分為根部裂紋、弧坑裂紋、熱影響區(qū)裂紋、熔合線裂紋等；按延伸方向可分為橫向裂紋、縱向裂紋及枝狀裂紋等；按裂紋產(chǎn)生溫度可分為熱裂紋、冷裂紋及再熱裂紋等；按裂紋在服役期間工作環(huán)境可分為蠕變裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋及疲勞裂紋等。一般來(lái)講，熱裂紋多發(fā)生在奧氏體不銹鋼、鎳合金鋼焊接過(guò)程中，低碳鋼焊接時(shí)一般不易產(chǎn)生熱裂紋，但隨著鋼的含碳量增高，熱裂紋傾向增大。冷裂紋又稱延遲裂紋，可在焊后立即出現(xiàn)，也可能經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才出現(xiàn)，更具危險(xiǎn)性。再熱裂紋一般發(fā)生在含釩、鉻、鉬等合金元素的低合金高強(qiáng)鋼、耐熱鋼及不銹鋼中，大多位于焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、多層焊層間熔合區(qū)等。對(duì)內(nèi)部裂紋比較敏感的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是超聲波檢測(cè)，表面裂紋可采用磁粉或滲透檢測(cè)。

3.2未熔合

未熔合是指焊縫金屬與母材之間或焊縫金屬層與層之間未完全熔化結(jié)合的現(xiàn)象。未熔合直接降低接頭的力學(xué)性能，嚴(yán)重者會(huì)使焊接結(jié)構(gòu)失去承載力。未熔合主要分為側(cè)壁未熔合、層間未熔合、根部未熔合等。未熔合通常被認(rèn)為是和裂紋同樣危險(xiǎn)的焊接缺陷，是不允許存在的。焊接電流太小或不穩(wěn)定，焊條角度不對(duì)或電弧偏吹，層間清渣不徹底或冬季焊接焊件散熱過(guò)快等都可引起未熔合。超聲波檢測(cè)對(duì)于未熔合的敏感性高于射線檢測(cè)。

3.3未焊透

焊接時(shí)接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象稱為未焊透。焊縫坡口鈍邊過(guò)大、坡口角度太小、焊根清理不凈、間隙太小、焊條或焊絲角度不正確、電流過(guò)小或過(guò)大、速度過(guò)快、磁偏吹等均可引起。需注意的是，未焊透是否視為缺陷應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)規(guī)范或設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，例如鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)圖紙中的三級(jí)焊縫就是非全熔透焊縫，此類焊縫中未焊透不視為缺陷。標(biāo)準(zhǔn)JG/T203-2022《鋼結(jié)構(gòu)超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)法》中9.4條“球節(jié)點(diǎn)根部未焊透的評(píng)定”及9.8條表15“T型接頭未焊透指示深度評(píng)定”等內(nèi)容，規(guī)定未焊透在鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量驗(yàn)收中允許一定范圍內(nèi)存在。射線、超聲、磁粉檢測(cè)技術(shù)都可以檢出未焊透。

3.4夾渣

夾渣是指殘留在焊縫中的熔渣。夾渣以形態(tài)分為條狀?yuàn)A渣、點(diǎn)狀?yuàn)A渣、密集狀?yuàn)A渣等；以熔渣成分可分為非金屬夾雜物和金屬夾雜物。夾渣會(huì)降低焊縫的力學(xué)性能，其成因主要有清渣不徹底、坡口設(shè)計(jì)不當(dāng)、焊接電流過(guò)小、速度過(guò)快、焊條角度及運(yùn)條方法不當(dāng)、焊材和母材化學(xué)成分不匹配等。射線檢測(cè)和TOFD檢測(cè)對(duì)夾渣缺陷檢出率很高。

3.5氣孔

氣孔指焊接時(shí)熔池金屬中的氣體在金屬冷卻凝固前未能逸出而在焊縫金屬中形成的空穴。根據(jù)形態(tài)可分為球形單個(gè)氣孔、密集氣孔等；根據(jù)部位可分為內(nèi)部氣孔和表面氣孔；根據(jù)氣體成分可分為氫氣孔、氮?dú)饪准耙谎趸細(xì)饪椎?；根?jù)焊接成因可分為結(jié)晶縮孔和弧坑縮孔等。氣孔會(huì)削弱焊縫有效工作截面，降低焊縫力學(xué)性能。產(chǎn)生氣孔的主要原因有焊件表面或坡口處有油、水分等污物、焊條藥皮受潮未烘干、基體金屬和焊條鋼芯含碳量高、藥皮脫氧能力差、熔池保護(hù)不好有空氣進(jìn)入等。射線檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)非常微小的氣孔缺陷。

4無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)焊接接頭缺陷的要點(diǎn)

4.1選取適當(dāng)技術(shù)

在使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)時(shí)，為確保焊接接頭檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確有效，就要結(jié)合不同鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、施工狀況與檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)選擇適當(dāng)技術(shù)。如在檢測(cè)焊接接頭內(nèi)部缺陷時(shí)，可選擇超聲、射線、TOFD技術(shù)；而檢測(cè)表面缺陷時(shí)，可采取磁粉、滲透技術(shù)。與此同時(shí)，還需結(jié)合不同檢測(cè)區(qū)域、位置、缺陷存在的差異，運(yùn)用相應(yīng)技術(shù)手段進(jìn)行有效檢測(cè)。如檢測(cè)平面對(duì)接接頭時(shí)，可采用各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)；而在檢測(cè)角接、T型、Y型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接接頭時(shí)，宜采用超聲檢測(cè)技術(shù)；檢測(cè)近表面或表面缺陷，宜采用磁粉或滲透技術(shù)；檢測(cè)光滑表面的開(kāi)口缺陷時(shí)，宜采用滲透檢測(cè)技術(shù)；檢測(cè)裂紋、未熔合等內(nèi)部面積型缺陷時(shí)，首選超聲檢測(cè)技術(shù)等。

4.2定位缺陷區(qū)域

使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)時(shí)，必須要保證對(duì)缺陷區(qū)域準(zhǔn)確定位。如在使用A型超聲波探傷儀進(jìn)行橫波探傷時(shí)，其主要定位缺陷方式是水平缺陷定位和深度（垂直）缺陷定位，準(zhǔn)確定位的前提是首先用標(biāo)準(zhǔn)試塊測(cè)定好波速、探頭前沿和K值，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)好儀器的掃描速度。掃描速度調(diào)節(jié)有聲程法、水平法和深度法（目前數(shù)字式超聲檢測(cè)儀三者均可同時(shí)調(diào)節(jié)）。然后再根據(jù)一次波或二次波對(duì)缺陷的定位公式進(jìn)行計(jì)算，可準(zhǔn)確測(cè)定缺陷所在水平、深度位置。

5無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在焊接接頭檢測(cè)中的運(yùn)用

5.1運(yùn)用射線檢測(cè)

射線檢測(cè)技術(shù)原理是通過(guò)特殊射線放射至焊接接頭對(duì)其進(jìn)行透照，進(jìn)而利用底片將內(nèi)部檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示，通過(guò)對(duì)底片影像信息進(jìn)行觀察研究來(lái)判斷焊縫處有無(wú)缺陷。當(dāng)前射線技術(shù)已發(fā)展成熟，可在詳細(xì)觀察焊縫形態(tài)的同時(shí)準(zhǔn)確判斷缺陷形狀、性質(zhì)；此外因其檢測(cè)結(jié)果可通過(guò)底片長(zhǎng)期保存，所以射線檢測(cè)具備良好的可追溯性。

射線檢測(cè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體危害極大的電離輻射，因此在使用射線技術(shù)時(shí)，需嚴(yán)格遵照相關(guān)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；射線檢測(cè)還需消耗較高成本費(fèi)用；此外，射線檢測(cè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中普遍存在的T型、角接等接頭型式不便于探傷操作。綜合以上因素，盡管新版國(guó)標(biāo)GB50205-2022中規(guī)定了設(shè)計(jì)要求的一、二級(jí)焊縫內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量驗(yàn)收采用超聲檢測(cè)或射線檢測(cè)，但實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐中采用射線檢測(cè)技術(shù)的并不多。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)不能采用超聲波探傷或?qū)Τ暡z測(cè)結(jié)果有疑義時(shí)，可采用射線檢測(cè)驗(yàn)證。因此，射線檢測(cè)在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域多用于備選或檢測(cè)結(jié)果有疑義時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

5.2運(yùn)用超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。其自身存在波束能量高、穿透力強(qiáng)、方向性好、定位準(zhǔn)確、靈敏度高、檢測(cè)成本低、速度快、設(shè)備輕便、對(duì)人無(wú)害等諸多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合其能夠通過(guò)在界面產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形轉(zhuǎn)換等聲波優(yōu)勢(shì)，可對(duì)焊接接頭利用超聲設(shè)備開(kāi)展全方位檢測(cè)。超聲檢測(cè)按原理可分為脈沖反射法、衍射時(shí)差法（TOFD）、穿透法、共振法等；按顯示方式可分為A型、B型、C型等顯示；按波型可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等；按探頭數(shù)目可分為單探頭法、雙探頭法、多探頭法等；按探頭與工件的接觸方式可分為接觸法、液浸法、電磁耦合法等；按操作者可分為手工檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)等。目前鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)量檢測(cè)中采用最多的檢測(cè)方式是接觸式脈沖反射法橫波斜探頭超聲波檢測(cè)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50205-2022中明確了超聲波檢測(cè)是鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量驗(yàn)收中檢測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷的主要方式。

5.3運(yùn)用磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)技術(shù)是圍繞大部分鋼材具有磁性，且在磁化后會(huì)在周邊形成磁場(chǎng)的原理開(kāi)展焊接接頭檢測(cè)。磁粉檢測(cè)技術(shù)具有操作便捷、檢測(cè)結(jié)果直觀、檢測(cè)時(shí)間短以及成本消耗低等優(yōu)點(diǎn)；但由于其只能對(duì)焊接接頭表面或近表面起到優(yōu)異檢測(cè)效果，且只適用于鐵磁性材料，在檢測(cè)不銹鋼或是磁力屬性不佳的材質(zhì)時(shí)往往難以發(fā)揮作用，故其在鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)實(shí)際運(yùn)用中存在局限性。

5.4運(yùn)用滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)焊接接頭缺陷時(shí)，主要手段是在被檢對(duì)象表層涂刷適量滲透液，在毛細(xì)管作用下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，滲透液能滲進(jìn)表面開(kāi)口的缺陷中，經(jīng)去除表面多余的滲透液后，再施涂顯像劑，同樣在毛細(xì)管作用下，顯像劑將吸引缺陷中保留的滲透液，使?jié)B透液回滲到顯像劑中，在一定光源下，缺陷處的滲透液痕跡被顯示，從而探測(cè)出缺陷的形貌及分布狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。

滲透檢測(cè)根據(jù)滲透液所含染料成分可分為熒光法、著色法；根據(jù)滲透液去除方式可分為水洗型、后乳化型、溶劑去除型；根據(jù)顯像方式可分為濕式顯像、快干