超聲檢測技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用研究

文建偉

1 研究現(xiàn)狀

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑工程對鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量提出了更高的要求。焊接質(zhì)量評估和缺陷檢測是提高焊接質(zhì)量必不可少的措施。超聲檢測作為一項新興技術(shù)，具有高效、準確和無損傷的優(yōu)點，為焊接質(zhì)量控制和缺陷檢測提供有力支持，在鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制中發(fā)揮著重要作用。

許多研究者深入研究了鋼結(jié)構(gòu)焊接中的質(zhì)量評估和缺陷檢測。周建國[1]分析了無損檢測技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫檢測中的應(yīng)用，通過實際案例證明了超聲檢測技術(shù)在工程實踐中的價值。翁真真等[2]探討了鋼結(jié)構(gòu)橋梁中常見的焊接缺陷，強調(diào)了缺陷檢測的重要性。在具體技術(shù)應(yīng)用方面，徐萬寶等[3]研究了相控陣超聲檢測技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)建筑工程中的應(yīng)用，為該技術(shù)在工程領(lǐng)域的推廣提供了理論支持。李海娥等[4]分析了無損檢測技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)檢中的應(yīng)用，為實際生產(chǎn)中的質(zhì)量控制提供了思路。此外，項柳福[5]基于超聲理論檢測橋梁焊接殘余應(yīng)力，進一步拓展了超聲檢測技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 超聲檢測內(nèi)容

2.1 焊縫完整性和質(zhì)量評估

超聲檢測是一種無損檢測技術(shù)，通過將超聲波引入被測焊縫，探測焊縫內(nèi)部的缺陷，如氣孔、夾雜物和裂紋等。其原理是當(dāng)超聲波遇到不同材料界面或缺陷時，部分能量被反射，并被傳感器捕獲和分析。檢測人員能夠根據(jù)反射信號的時間、幅度和形狀，確定缺陷位置、大小和形狀，以此為依據(jù)評估焊縫質(zhì)量[6]。

2.2 焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)評估

焊接材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響焊縫性能，因此在鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量檢測中，焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)評估是確保焊接質(zhì)量和材料性能的重要環(huán)節(jié)。超聲檢測技術(shù)通過分析焊縫內(nèi)部的聲波傳播特性，能夠獲取焊縫組織和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息。超聲波在材料中傳播時，因材料密度、聲速和結(jié)構(gòu)變化等因素，會產(chǎn)生不同的聲波反射信號。通過分析反射信號，該技術(shù)能夠重建焊縫內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，包括晶粒大小、相變和組織均勻性等。

焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)評估在多種應(yīng)用場景中均發(fā)揮著重要作用。首先，對于強度和耐腐蝕性能要求較高的焊接部位，通過該評估能夠了解焊縫內(nèi)部組織的均勻性和異常變化，有助于確保焊接材料在各種環(huán)境下都具有可靠性。其次，對于承受復(fù)雜荷載的結(jié)構(gòu)，如橋梁和壓力容器，評估焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)潛在問題，從而有效預(yù)防結(jié)構(gòu)失效和安全事故。最后，超聲檢測可以輔助優(yōu)化焊接工藝。通過觀察焊縫內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，可以了解焊接過程中材料熔化和凝固情況，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化焊接參數(shù)和工藝流程。

2.3 熱影響區(qū)評估

焊接過程中，焊縫周圍會產(chǎn)生熱循環(huán)效益，導(dǎo)致熱影響區(qū)域的材料性能發(fā)生改變。超聲檢測技術(shù)可以評估熱影響區(qū)的材料性能，如硬度和韌性等，檢驗焊縫周圍區(qū)域是否符合設(shè)計要求，避免該部位在焊接后因熱影響而改變性能。

2.4 焊接工藝監(jiān)控和優(yōu)化

超聲檢測技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測焊接過程，幫助操作人員及時識別和解決潛在問題，進而優(yōu)化焊接工藝，提高焊縫的質(zhì)量和一致性。在焊接過程中，即使微小的變化也可能導(dǎo)致焊縫質(zhì)量下降或產(chǎn)生缺陷，因此準確控制焊接參數(shù)至關(guān)重要。超聲檢測系統(tǒng)可以將焊縫聲波反射的檢測時間控制在毫秒級別，有助于及時發(fā)現(xiàn)異常情況。如果焊縫存在異常，其聲波反射特征會發(fā)生改變。超聲檢測系統(tǒng)捕捉到異常聲波將會立即發(fā)出警報，通知操作人員調(diào)整焊接參數(shù)或采取其他糾正措施，避免焊接缺陷，確保焊縫的完整性。超聲檢測的實時監(jiān)控功能不僅有助于減少焊接缺陷，還能提高焊縫質(zhì)量和一致性，在制造業(yè)發(fā)揮著重要作用，特別是航空航天和汽車制造等對精度要求較高的領(lǐng)域。綜上所述，超聲檢測作為一項先進技術(shù)，為優(yōu)化焊接工藝提供關(guān)鍵支持。未來，超聲檢測有望在提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本方面發(fā)揮重要作用[7]。

3 超聲檢測在鋼結(jié)構(gòu)焊接中的作用

超聲檢測在鋼結(jié)構(gòu)焊接中有4 大作用，具體如下：

1）保證結(jié)構(gòu)安全。鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝在建筑、橋梁和工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是焊接缺陷會嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全性。超聲檢測技術(shù)在避免焊接缺陷方面具有重要價值，它通過非破壞性的檢測方法，檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的焊接缺陷，有助于提升焊接結(jié)構(gòu)的整體安全性。該技術(shù)能夠高精度地探測焊縫內(nèi)部缺陷，如裂紋、氣孔和夾雜物等，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，防止缺陷擴大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和安全事故。例如，如果橋梁焊縫中存在裂紋，則可能會造成嚴重的結(jié)構(gòu)損壞，威脅人員和交通安全。此外，超聲檢測具有很高的準確性和精細度，能夠探測出人眼難以察覺的微小缺陷，其高靈敏度等特點使超聲檢測成為預(yù)防潛在安全風(fēng)險的有效手段。通過超聲檢測技術(shù)，能夠全面檢測焊縫，保證焊接質(zhì)量，保障結(jié)構(gòu)的安全性。在鋼結(jié)構(gòu)工程中，超聲檢測不僅可以進行質(zhì)量控制，而且能夠為工程的長期穩(wěn)定運行提供有力支持。超聲檢測通過減少焊接缺陷，能夠提高結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性，有效避免在工程施工過程中因焊接問題導(dǎo)致的安全隱患。

2）證明焊接質(zhì)量。超聲檢測在焊接過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和圖像可以作為焊接質(zhì)量和焊縫完整性的證明。在工程項目中，超聲檢測結(jié)果可以用于工程驗收和審查，為焊縫質(zhì)量提供數(shù)據(jù)和圖像支持，證明焊縫已通過檢測和評估。

3）節(jié)省成本。在焊接過程中進行超聲檢測，能夠盡早發(fā)現(xiàn)焊接缺陷和潛在問題，有效減少后續(xù)修復(fù)工作，降低維修成本，避免工程進度延誤。

4）保證合規(guī)性。鋼結(jié)構(gòu)焊接必須符合相關(guān)法規(guī)和標準的要求。超聲檢測作為一種無損檢測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于焊縫質(zhì)量檢測，確保焊縫的合規(guī)性。因此，通過對焊縫進行超聲檢測，可以驗證焊縫是否符合規(guī)范和標準要求，從而保證鋼結(jié)構(gòu)滿足法規(guī)和質(zhì)量標準[8]。

4 超聲檢測在鋼結(jié)構(gòu)焊接中的具體應(yīng)用措施

4.1 探頭選擇與定位

在超聲檢測過程中，探頭的選擇與定位是確保焊接質(zhì)量和評估準確性的重要環(huán)節(jié)。選擇探頭要考慮頻率、角度和尺寸等關(guān)鍵參數(shù)。第1，探頭頻率應(yīng)基于被測材料厚度和檢測深度確定，高頻探頭通常適用于薄材料的表面檢測，而低頻探頭則適用于較厚材料的深層缺陷探測；第2，探頭角度取決于焊縫形狀和可能存在的缺陷位置，0 ℃和45 ℃通常用于表面和近表面檢測，而70 ℃以上則適用于深層缺陷探測；第3，探頭尺寸的選擇需要考慮焊縫尺寸，確保探頭能夠覆蓋整個焊接區(qū)域，以便可以全面獲取檢測數(shù)據(jù)[9]。

探頭定位同樣至關(guān)重要。一方面為確保信號的傳遞和接收效果，探頭必須與焊縫表面保持緊密接觸。另一方面耦合劑能夠使探頭與材料之間建立良好的聲耦合，減少信號在界面?zhèn)鬟f過程中的衰減和干擾。在檢測過程中，需要根據(jù)焊縫形狀和位置調(diào)整探頭角度，確保超聲波能夠充分覆蓋焊縫區(qū)域并有效傳播。

在探頭選擇和定位完成后，需要根據(jù)材料聲學(xué)特性、焊縫形狀和預(yù)期缺陷類型設(shè)置檢測參數(shù)，如超聲波的頻率、增益和脈沖寬度等。信號被采集后開始進行信號分析，通過分析反射信號的幅度、時間和形狀等，確定是否存在缺陷以及缺陷的類型、位置和大小。

探頭選擇與定位的精確性將直接影響超聲檢測結(jié)果。此過程需要綜合考慮材料特性、焊縫形狀、探頭參數(shù)和信號分析。合理選擇和定位探頭有利于獲得清晰、準確的檢測數(shù)據(jù)，為焊接質(zhì)量評估奠定堅實基礎(chǔ)。

4.2 超聲傳播路徑設(shè)計

超聲傳播路徑設(shè)計是保障檢測精確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。超聲波在焊接材料中的傳播路徑設(shè)計，需要采取精密的措施，確保信號傳播過程中的干擾和損失最小化，以此提高檢測的精確性。

1）要充分考慮焊縫形狀。焊縫形狀會使超聲波在傳播過程中發(fā)生折射、反射和散射現(xiàn)象，影響信號傳遞和接收，因此要準確理解焊縫的平面、曲率和角度等特征，確定最佳傳播路徑，確保信號在整個焊縫區(qū)域充分傳播，提高檢測覆蓋范圍和準確性。

2）要考慮材料聲速的影響。材料聲速會直接影響超聲波在焊接材料中的傳播速度。因此，在路徑設(shè)計時要根據(jù)被測材料聲速調(diào)整傳播路徑的長度和角度，確保信號傳播時間準確，避免信號時延或失真。

3）要充分考慮可能存在的障礙物和干擾物。夾雜物和氣孔等干擾物會干擾信號，因此傳播路徑需要避開這些干擾物?？梢哉{(diào)整探頭的位置和角度，確保信號在傳播過程中保持純凈和清晰。

綜上所述，超聲傳播路徑設(shè)計是一個多因素綜合考慮的過程，要通過合理設(shè)計最大限度地減少信號干擾，確保信號在焊接材料中準確傳播，以便提高超聲檢測的可靠性和準確性。

4.3 檢測參數(shù)設(shè)置

在超聲檢測中，正確設(shè)置檢測參數(shù)是保證檢測結(jié)果的關(guān)鍵步驟，目的是優(yōu)化信號質(zhì)量，確保缺陷檢測的準確性。檢測參數(shù)主要包括超聲波頻率、幅度和增益等。頻率的選擇應(yīng)與被檢測材料厚度和預(yù)期缺陷深度相匹配，以保證信號能夠深入關(guān)注區(qū)域并返回足夠信息。

同時，適當(dāng)?shù)姆群驮鲆婺軌蛟鰪娦盘枏姸?，避免信號在?shù)據(jù)采集過程中受到雜散干擾。根據(jù)被檢測材料的聲學(xué)特性可以適度增加增益，但要避免增加過度以防止信號失真。不同類型的缺陷對超聲信號的響應(yīng)不同，因此應(yīng)根據(jù)預(yù)期缺陷類型調(diào)整參數(shù)設(shè)置。例如：對于氣孔等小型表面缺陷，應(yīng)提高靈敏度和分辨率；對于較大的深層缺陷，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整參數(shù)確保信號有效穿透并反射。

目前，現(xiàn)代超聲檢測設(shè)備通常配備自動化參數(shù)優(yōu)化功能，可以根據(jù)被測材料特性和焊縫形狀實時調(diào)整參數(shù)，幫助操作人員快速確定最佳參數(shù)，降低人為誤差。

4.4 信號采集和分析

在超聲檢測過程中，信號的采集和分析是確保檢測結(jié)果可靠性和準確性的關(guān)鍵。通過深入分析采集到的超聲信號，檢測是否存在缺陷，并確認缺陷類型、位置和大小。采集到的超聲信號包含不同表面反射的回波信號，信號的幅度、時間及形狀等為分析焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷提供了關(guān)鍵信息。通過比較不同信號的特征，確認是否存在缺陷以及缺陷性質(zhì)。

現(xiàn)代超聲檢測設(shè)備通常配備先進的數(shù)據(jù)分析軟件，為信號分析提供有力支持。數(shù)據(jù)分析軟件能夠自動執(zhí)行信號處理、分析和缺陷識別命令，有效減少人工分析的復(fù)雜性和主觀性。通過算法和模式識別技術(shù)，軟件能夠從復(fù)雜信號中提取有用信息，快速判斷是否存在缺陷并定位缺陷位置。同時，可以通過波形分析確定焊縫內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況。例如，不同類型的缺陷，如氣孔、夾雜物和裂紋等，會在超聲波回波信號中呈現(xiàn)不同的波形模式。通過比較和識別波形模式，能夠確定缺陷類型。此外，信號的時間-幅度圖有助于確定缺陷深度和位置。對于較為復(fù)雜的檢測情況，需要進行人工干預(yù)，即檢測人員要根據(jù)過往經(jīng)驗和專業(yè)知識，進一步分析、確認和解讀信號，從而提高檢測結(jié)果的準確性[10]。

4.5 標記與記錄

在超聲檢測中進行標記和記錄，有助于保證檢測結(jié)果的可追溯性和可靠性，為后續(xù)維修、質(zhì)量控制和分析提供必要信息。當(dāng)檢測到焊縫中存在缺陷時，應(yīng)在焊縫表面進行標記，確保及時處理問題。標記通常采用可擦除的涂料或標記劑，通過明顯的符號或標記在焊縫表面精確地標注缺陷位置，便于缺陷修復(fù)定位。標記的精確性關(guān)系到后續(xù)維修和處理。若在焊接結(jié)構(gòu)投入使用時仍然存在未處理的缺陷，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度降低等嚴重問題。

此外，標記能夠為質(zhì)量追溯提供關(guān)鍵信息。在焊接工程中，要準確記錄缺陷的位置和性質(zhì)，便于后期追蹤每個缺陷的來源和處理情況。在此過程中，要詳細記錄每個缺陷的信息，包括類型、大小、深度和位置。在分析和評估焊接質(zhì)量時，這些信息能夠幫助確定缺陷的嚴重性和影響。記錄形式應(yīng)包括文字描述、數(shù)字測量值和示意圖，以便保證缺陷信息完整。

匯總所有檢測結(jié)果生成檢測報告，報告中應(yīng)注明正常部分和質(zhì)量缺陷。報告應(yīng)包含檢測方法、探頭參數(shù)、缺陷標記位置、缺陷詳細描述以及處理建議或行動計劃，保證檢測過程的透明性和可追溯性。

檢測完成后應(yīng)保存原始數(shù)據(jù)、檢測報告和相關(guān)文件，并妥善存檔管理，便于后續(xù)查閱。原始數(shù)據(jù)應(yīng)包括檢測到的超聲信號、圖像和任何其他采集信息。保留原始數(shù)據(jù)能夠驗證檢測結(jié)果的準確性，便于后續(xù)審查和分析。

5 結(jié)語

超聲檢測是一項非破壞性檢測技術(shù)，在鋼結(jié)構(gòu)焊接領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。該技術(shù)通過評估焊縫完整性和質(zhì)量、評估焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)、評估熱影響區(qū)以及監(jiān)控和優(yōu)化焊接工藝，為控制焊接質(zhì)量和改進焊接工藝提供支持。具體總結(jié)為如下3 點：首先超聲檢測能夠在焊接過程中盡早發(fā)現(xiàn)和識別潛在缺陷，及時進行缺陷修復(fù)。其次通過分析缺陷類型和成因，改進焊接工藝，減少缺陷產(chǎn)生。最后通過數(shù)據(jù)分析和記錄，將超聲檢測結(jié)果作為質(zhì)量管理的依據(jù)，優(yōu)化焊接工藝。另外，為進一步提高質(zhì)量控制水平，應(yīng)該開展定期培訓(xùn)，用以提高操作人員的技能水平，確保他們更好地理解和應(yīng)用該技術(shù)。