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(duì)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(píng)估和缺陷檢測(cè)是提高焊接質(zhì)量必不可少的措施。超聲檢測(cè)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，具有高效、準(zhǔn)確和無損傷的優(yōu)點(diǎn)，為焊接質(zhì)量控制和缺陷檢測(cè)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(píng)估和缺陷檢測(cè)。周建國[1]分析了無損檢測(cè)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用，通過實(shí)際案例證明了超聲檢測(cè)技術(shù)在工程實(shí)踐中的價(jià)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(qiáng)調(diào)了缺陷檢測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭質(zhì)檢中的應(yīng)用，為實(shí)際生產(chǎn)中的質(zhì)量控制提供了思路。此外，項(xiàng)柳福[5]基于超聲理論檢測(cè)橋梁焊接殘余應(yīng)力，進(jìn)一步拓展了超聲檢測(cè)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 超聲檢測(cè)內(nèi)容

2.1 焊縫完整性和質(zhì)量評(píng)估

超聲檢測(cè)是一種無損檢測(cè)技術(shù)，通過將超聲波引入被測(cè)焊縫，探測(cè)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(shí)，部分能量被反射，并被傳感器捕獲和分析。檢測(cè)人員能夠根據(jù)反射信號(hào)的時(shí)間、幅度和形狀，確定缺陷位置、大小和形狀，以此為依據(jù)評(píng)估焊縫質(zhì)量[6]。

2.2 焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)評(píng)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(cè)中，焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)評(píng)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(cè)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(shí)，因材料密度、聲速和結(jié)構(gòu)變化等因素，會(huì)產(chǎn)生不同的聲波反射信號(hào)。通過分析反射信號(hào)，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(píng)估在多種應(yīng)用場(chǎng)景中均發(fā)揮著重要作用。首先，對(duì)于強(qiáng)度和耐腐蝕性能要求較高的焊接部位，通過該評(píng)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(duì)于承受復(fù)雜荷載的結(jié)構(gòu)，如橋梁和壓力容器，評(píng)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(cè)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(píng)估

焊接過程中，焊縫周圍會(huì)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(cè)技術(shù)可以評(píng)估熱影響區(qū)的材料性能，如硬度和韌性等，檢驗(yàn)焊縫周圍區(qū)域是否符合設(shè)計(jì)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(cè)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)焊接過程，幫助操作人員及時(shí)識(shí)別和解決潛在問題，進(jìn)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(zhǔn)確控制焊接參數(shù)至關(guān)重要。超聲檢測(cè)系統(tǒng)可以將焊縫聲波反射的檢測(cè)時(shí)間控制在毫秒級(jí)別，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。如果焊縫存在異常，其聲波反射特征會(huì)發(fā)生改變。超聲檢測(cè)系統(tǒng)捕捉到異常聲波將會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，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(cè)的實(shí)時(shí)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(duì)精度要求較高的領(lǐng)域。綜上所述，超聲檢測(cè)作為一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，為優(yōu)化焊接工藝提供關(guān)鍵支持。未來，超聲檢測(cè)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(cè)在鋼結(jié)構(gòu)焊接中的作用

超聲檢測(cè)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(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。超聲檢測(cè)技術(shù)在避免焊接缺陷方面具有重要價(jià)值，它通過非破壞性的檢測(cè)方法，檢測(cè)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(cè)焊縫內(nèi)部缺陷，如裂紋、氣孔和夾雜物等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，防止缺陷擴(kuò)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(huì)造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞，威脅人員和交通安全。此外，超聲檢測(cè)具有很高的準(zhǔn)確性和精細(xì)度，能夠探測(cè)出人眼難以察覺的微小缺陷，其高靈敏度等特點(diǎn)使超聲檢測(cè)成為預(yù)防潛在安全風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。通過超聲檢測(cè)技術(shù)，能夠全面檢測(cè)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(cè)不僅可以進(jìn)行質(zhì)量控制，而且能夠?yàn)楣こ痰拈L期穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支持。超聲檢測(cè)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(cè)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(xiàng)目中，超聲檢測(cè)結(jié)果可以用于工程驗(yàn)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(cè)和評(píng)估。

3）節(jié)省成本。在焊接過程中進(jìn)行超聲檢測(cè)，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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的要求。超聲檢測(cè)作為一種無損檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于焊縫質(zhì)量檢測(cè)，確保焊縫的合規(guī)性。因此，通過對(duì)焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，可以驗(yàn)證焊縫是否符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，從而保證鋼結(jié)構(gòu)滿足法規(guī)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[8]。

4 超聲檢測(cè)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(cè)過程中，探頭的選擇與定位是確保焊接質(zhì)量和評(píng)估準(zhǔn)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(cè)材料厚度和檢測(cè)深度確定，高頻探頭通常適用于薄材料的表面檢測(cè)，而低頻探頭則適用于較厚材料的深層缺陷探測(cè)；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(cè)，而70 ℃以上則適用于深層缺陷探測(cè)；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(gè)焊接區(qū)域，以便可以全面獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)[9]。

探頭定位同樣至關(guān)重要。一方面為確保信號(hào)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(hào)在界面?zhèn)鬟f過程中的衰減和干擾。在檢測(cè)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(cè)參數(shù)，如超聲波的頻率、增益和脈沖寬度等。信號(hào)被采集后開始進(jìn)行信號(hào)分析，通過分析反射信號(hào)的幅度、時(shí)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(cè)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(hào)分析。合理選擇和定位探頭有利于獲得清晰、準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，為焊接質(zhì)量評(píng)估奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.2 超聲傳播路徑設(shè)計(jì)

超聲傳播路徑設(shè)計(jì)是保障檢測(cè)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(jì)，需要采取精密的措施，確保信號(hào)傳播過程中的干擾和損失最小化，以此提高檢測(cè)的精確性。

1）要充分考慮焊縫形狀。焊縫形狀會(huì)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(hào)傳遞和接收，因此要準(zhǔn)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(hào)在整個(gè)焊縫區(qū)域充分傳播，提高檢測(cè)覆蓋范圍和準(zhǔn)確性。

2）要考慮材料聲速的影響。材料聲速會(huì)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(jì)時(shí)要根據(jù)被測(cè)材料聲速調(diào)整傳播路徑的長度和角度，確保信號(hào)傳播時(shí)間準(zhǔn)確，避免信號(hào)時(shí)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(huì)干擾信號(hào)，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(hào)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(jì)是一個(gè)多因素綜合考慮的過程，要通過合理設(shè)計(jì)最大限度地減少信號(hào)干擾，確保信號(hào)在焊接材料中準(zhǔn)確傳播，以便提高超聲檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性。

4.3 檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

在超聲檢測(cè)中，正確設(shè)置檢測(cè)參數(shù)是保證檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵步驟，目的是優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量，確保缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性。檢測(cè)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(cè)材料厚度和預(yù)期缺陷深度相匹配，以保證信號(hào)能夠深入關(guān)注區(qū)域并返回足夠信息。

同時(shí)，適當(dāng)?shù)姆群驮鲆婺軌蛟鰪?qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，避免信號(hào)在數(shù)據(jù)采集過程中受到雜散干擾。根據(jù)被檢測(cè)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(hào)失真。不同類型的缺陷對(duì)超聲信號(hào)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(duì)于氣孔等小型表面缺陷，應(yīng)提高靈敏度和分辨率；對(duì)于較大的深層缺陷，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整參數(shù)確保信號(hào)有效穿透并反射。

目前，現(xiàn)代超聲檢測(cè)設(shè)備通常配備自動(dòng)化參數(shù)優(yōu)化功能，可以根據(jù)被測(cè)材料特性和焊縫形狀實(shí)時(shí)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(hào)采集和分析

在超聲檢測(cè)過程中，信號(hào)的采集和分析是確保檢測(cè)結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。通過深入分析采集到的超聲信號(hào)，檢測(cè)是否存在缺陷，并確認(rèn)缺陷類型、位置和大小。采集到的超聲信號(hào)包含不同表面反射的回波信號(hào)，信號(hào)的幅度、時(shí)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(hào)的特征，確認(rèn)是否存在缺陷以及缺陷性質(zhì)。

現(xiàn)代超聲檢測(cè)設(shè)備通常配備先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析軟件，為信號(hào)分析提供有力支持。數(shù)據(jù)分析軟件能夠自動(dòng)執(zhí)行信號(hào)處理、分析和缺陷識(shí)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(shí)別技術(shù)，軟件能夠從復(fù)雜信號(hào)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(shí)，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(huì)在超聲波回波信號(hào)中呈現(xiàn)不同的波形模式。通過比較和識(shí)別波形模式，能夠確定缺陷類型。此外，信號(hào)的時(shí)間-幅度圖有助于確定缺陷深度和位置。對(duì)于較為復(fù)雜的檢測(cè)情況，需要進(jìn)行人工干預(yù)，即檢測(cè)人員要根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，進(jìn)一步分析、確認(rèn)和解讀信號(hào)，從而提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[10]。

4.5 標(biāo)記與記錄

在超聲檢測(cè)中進(jìn)行標(biāo)記和記錄，有助于保證檢測(cè)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(cè)到焊縫中存在缺陷時(shí)，應(yīng)在焊縫表面進(jìn)行標(biāo)記，確保及時(shí)處理問題。標(biāo)記通常采用可擦除的涂料或標(biāo)記劑，通過明顯的符號(hào)或標(biāo)記在焊縫表面精確地標(biāo)注缺陷位置，便于缺陷修復(fù)定位。標(biāo)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(shí)仍然存在未處理的缺陷，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低等嚴(yán)重問題。

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

匯總所有檢測(cè)結(jié)果生成檢測(cè)報(bào)告，報(bào)告中應(yīng)注明正常部分和質(zhì)量缺陷。報(bào)告應(yīng)包含檢測(cè)方法、探頭參數(shù)、缺陷標(biāo)記位置、缺陷詳細(xì)描述以及處理建議或行動(dòng)計(jì)劃，保證檢測(cè)過程的透明性和可追溯性。

檢測(cè)完成后應(yīng)保存原始數(shù)據(jù)、檢測(cè)報(bào)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(cè)到的超聲信號(hào)、圖像和任何其他采集信息。保留原始數(shù)據(jù)能夠驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，便于后續(xù)審查和分析。

5 結(jié)語

超聲檢測(cè)是一項(xiàng)非破壞性檢測(cè)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(píng)估焊縫完整性和質(zhì)量、評(píng)估焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)、評(píng)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(jìn)焊接工藝提供支持。具體總結(jié)為如下3 點(diǎn)：首先超聲檢測(cè)能夠在焊接過程中盡早發(fā)現(xiàn)和識(shí)別潛在缺陷，及時(shí)進(jìn)行缺陷修復(fù)。其次通過分析缺陷類型和成因，改進(jìn)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(cè)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(jìn)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)。