CN105181798A - 一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，该工艺使用超声相控阵检测仪(1)和超声相控阵探头(2)对焊接件的焊缝(6)中的焊接缺陷(7)进行检测，包括以下步骤：步骤1、仪器设置；步骤2、仪器校准；步骤3、扫描检测。其中，相控阵检测仪器包括主机、探头、软件、扫查装置和附件。本发明的有益效果是：本检测工艺利用超声相控阵只需对焊缝进行1至2次扫查就检测完成，且对检测的结果及图像储存，可以有效缩短检测周期，能够为保证建筑钢结构的安全评估提供有利的参考依据，减少安全事故的发生，并为设计提供参考，以减小保守设计，丰富了建筑钢结构焊缝无损检测方法，提高工作效率及质量，为建筑钢结构焊接质量保驾护航。

Description

一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺

技术领域

本发明涉及超声波相控阵检测技术领域，尤其涉及一种钢焊缝超声波相控阵检测工艺。

背景技术

钢结构广泛应用在建筑、公路、铁路、桥梁和石油化工等方面，为了保证结构的安全性能，焊接质量相当关键，特别是对于大型的钢结构构件的焊缝检测异常重要。随着钢结构行业的快速发展，设计、业主和制造单位对钢结构焊接质量的重视程度越来越高，对焊接缺陷的检出率、缺陷当量精度和缺陷性质判断的要求也越来越高。常规的超声波检测只能够通过缺陷波形和探伤人员的经验来判断缺陷的性质，且作业时间长，因而通过常规的超声波探伤仪对焊缝进行安全检测已越来越难满足建筑钢结构工程中的实际需求。

超声相控阵(PhasedArray)检测技术是一项新技术，早期主要应用于医疗领域，医学超声成像中。其检测系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性以及成本费用较高等原因，使得该技术在工业无损检测中的应用受到很多限制。近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，使得超声相控阵检测技术得以快速发展，逐渐应用于无损检测。

超声相控阵检测系统是通过电子技术来实现声束的扫查方向和聚焦深度的控制，可以以同一探头来实现不同壁厚、不同材质构件的焊缝检测任务，克服了常规过探头自动超声检测系统调整难度大和探头适应范围窄以及设备沉重的缺陷。以这种方法对焊缝进行检测有很多优点，主要有5个：一是减少了所需的探头数量和扫描次数，从而减少检测时间；二是对于有限可接近的部位增加了覆盖面；三是采用不同的波型和声束的聚焦方法可实现优化检测；四是对被测件图像的解读更加容易；五是缺陷的检出率和检测灵敏度高。目前，相控阵超声检测技术在石油管道、海洋平台等结构中得到了应用，在建筑钢结构工程检测中尚无应用。鉴于超声相控阵检测技术的上述优点，研究出适用于建筑钢结构焊缝检测的超声相控阵检测工艺，对于建筑钢结构的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服钢结构焊缝检测中采用常规的超声波检测工艺的缺点和不足，提供一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，丰富了建筑钢结构焊缝无损检测方法，提高工作效率及质量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，该工艺使用超声相控阵检测仪(1)和超声相控阵探头(2)对焊接件的焊缝(6)中的焊接缺陷(7)进行检测；利用CSK-ID标准试块校准超声相控阵检测仪，利用RB-1A对比试块校准检测灵敏度，利用RB-1B对比试块校准竖向未焊透、未融合缺陷的大小，该工艺包括以下步骤：

步骤1、仪器设置：

根据检测对象的规格选择相应的探头，钢板厚度小于等于50mm选择频率为5～10MHz，16晶片的探头；钢板厚度大于50mm选择频率为2.25～5MHz，32晶片的探头；焦距设置为N＝A²/4λmm，其中：N表示焦距，A表示探头晶片孔径，λ声波波长；超声波声速设置为3230m/s，角度设置为最小角为40°、最大角为70°；

步骤2、仪器校准：

制作TCG曲线，探头前后移动，找到一次波显示φ3横孔的信号，调整闸门A位置与宽度，使闸门内只有φ3的信号，调整闸门A阈值，将其设为偏差为5％；前后移动探头，找到P％A显示值最大的位置，调整模拟增益dBA，使dBA为1，调整数字增益dB，使最大P％A值约为80％，开始记录横孔信号，前后移动探头，记录每个角度最大幅值，直到左边TCG曲线稳定不变，点击“点1”，当“点1”变为“点2”时，点1记录完成；随后找到2次波显示φ3横孔的信号，记录其TCG曲线，点击功能键DAC，使上述制作的TCG曲线转化为DAC缺陷并设置扫查灵敏度φ3-16dB；

步骤3、扫查检测：

对待检测表面进行打磨，清除焊接飞溅、铁屑、污垢及其他杂质，根据钢板的材质等级确定检测时机，在检测试件上标注检测起点，即零点，在焊接试件扫查区域刷校准仪器所使用的耦合剂，扫查发现缺陷时结合B-扫描、S-扫描及A-扫描显示，对缺陷的位置、波幅、长度及高度进行测量，对缺陷进行分级评定并报告检测结果。

该工艺中对仪器要求如下：

相控阵仪器至少应有A、S、B、C型显示的功能，且具有在扫描图像上对缺陷定位、定量及分析功能；其放大器的增益调节步进不应大于1dB；-3dB带宽下限不高于1MHz上限不低于15MHz；数字化频率不应小于探头中心频率的5倍；波幅数字化应不小于8位；所有激励通道的发射脉冲电压具有一致性，最大偏移量应不大于设置值的5％；各通道的发射脉冲延迟精度应不大于5ns；

仪器校准具体为：

1.在试块上对仪器水平线性、垂直线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力进行校准。

2.灵敏度校准设置

(a)制作TCG曲线；

(b)将TCG曲线转化为DAC曲线；

(c)设置扫查灵敏度；

(d)检测横向缺陷时，应将检测灵敏度提高。

建筑钢结构钢板厚度角度，尤其是高层钢结构建筑中钢板厚度基本上都大于40mm，对焊缝内部质量检测采用X射线基本上不现实，而常规超声波检测按照现行标准检测次数较多(检测扫查次数多达12次)，检测耗时长，对缺陷的大小没有直观的概念。

本发明的有益效果是：本检测工艺利用超声相控阵只需对焊缝进行1至2次扫查就检测完成，且对检测的结果及图像储存，可以有效缩短检测周期，能够为保证建筑钢结构的安全评估提供有利的参考依据，减少安全事故的发生，并为设计提供参考，以减小保守设计，丰富了建筑钢结构焊缝无损检测方法，提高工作效率及质量，为建筑钢结构焊接质量保驾护航。

附图说明

图1为本发明的检测装置示意图。

图2为本发明的校准试块CSK-ID试块结构示意图。

图3为本发明的对比试块RB-1A试块结构示意图。

图4为本发明的对比试块RB-1B试块结构示意图。

图5为本发明的对比试块RB-1B试块人工缺陷放大示意图。

附图标号：

1、超声相控阵检测仪；

2、超声相控阵探头；

3、5、立腹板；

4、横腹板；

6、焊缝；

7、焊接缺陷；

8、CSK-ID试块；

10、RB-1A对比试块；

9、RB-1B对比试块；

9.1、竖向线切割槽。

具体实施方式

参见图1～图5所示：一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，该工艺使用超声相控阵检测仪1和超声相控阵探头2对焊接件的焊缝6中的焊接缺陷7进行检测；利用CSK-ID标准试块校准超声相控阵检测仪，利用RB-1A对比试块校准检测灵敏度，利用RB-1B对比试块校准竖向未焊透、未融合缺陷的大小。

其中相控阵仪器至少应有A、S、B、C型显示的功能，且具有在扫描图像上对缺陷定位、定量及分析功能；能够存储、调出A、S、B、C图像，并能将存储的检测数据拷贝到外部存储空间中；仪器软件应具有聚焦法则计算功能、角度增益校准功能，以及TCG(或DAC)校准功能；仪器的数据采集和扫查装置的移动同步，扫查步进值应可调，其最小值应不大于0.5mm；仪器应能存储和分辨各A扫描信号之间相对位置的信息，如编码器位置；离线分析软件中应能对检测时关键参数设置进行查看。

相控阵仪器应为电脑控制的含有多个独立的脉冲发射/接收通道的脉冲反射型仪器，其放大器的增益调节步进不应大于1dB；-3dB带宽下限不高于1MHz上限不低于15MHz；数字化频率不应小于探头中心频率的5倍；波幅数字化应不小于8位；所有激励通道的发射脉冲电压具有一致性，最大偏移量应不大于设置值的5％；各通道的发射脉冲延迟精度应不大于5ns。

该工艺包括如下步骤：

1、仪器设置：

根据检测对象的规格选择相应的探头，钢板厚度小于等于50mm选择频率为5～10MHz，16晶片的探头；钢板厚度大于50mm选择频率为2.25～5MHz，32晶片的探头。焦距设置为N＝A²/4λmm(N表示焦距，A表示探头晶片孔径，λ声波波长)，超声波声速设置为3230m/s，角度设置为最小角为40°、最大角为70°。

2、仪器校准：

2.1在CSK-ID试块上对仪器水平线性、垂直线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力进行校准。相控阵仪器校准结果应符合以下要求：

(a)仪器的水平线性误差不大于1％，垂直线性误差不大于5％；

(b)动态范围一般不小于26dB；

(c)灵敏度余量一般不小于42dB；

(d)分辨力一般不小于26dB。

2.2灵敏度校准设置

(a)制作TCG曲线，探头前后移动，找到一次波显示φ3横孔的信号，调整闸门A位置与宽度，使闸门内只有φ3的信号，调整闸门A阈值，将其设为偏差为5％，前后移动探头，找到P％A显示值最大的位置，调整模拟增益dBA,使dBA为1，调整数字增益dB，使最大P％A值约为80％，开始记录横孔信号，前后移动探头，记录每个角度最大幅值，直到左边TCG曲线稳定不变，点击”点1”，当”点1”变为”点2”时，点1记录完成；随后找到2次波显示φ3横孔的信号，记录其TCG曲线；

(b)点击功能键DAC，使上述制作的TCG曲线转化为DAC缺陷；

(c)设置扫查灵敏度φ3-16dB；

(d)检测横向缺陷时，应将检测灵敏度提高6dB。

2.3扫查检测

(a)对待检测表面进行打磨，清除焊接飞溅、铁屑、污垢及其他杂质；表面应平整，便于探头的移动和耦合，其表面粗糙度Ra值应小于或等于6.3μm，当曲率使得楔块与检测面上的任一点的距离超过0.5mm时，用于曲面上的折射楔块应磨成与表面曲率相吻合；

(b)对于Ⅲ、Ⅳ类钢材及焊接难度等级为C、D级时，相控阵检测应在焊接结束24小时以后进行，对于钢材标称屈服强度不小于690MPa或供货状态为调制状态时，相控阵检测应在焊接结束48小时以后进行；

(b)对待检测表面进行标记，标记内容至少包括扫查起始点和扫查方向；

(c)对待检测表面涂抹超声耦合剂，采用的耦合剂应与检测系统设置和校准时的耦合剂相同；

(d)采用超声相控阵仪器对待检测表面进行检测，使用探头扫描待检测表面；

(e)相控阵探头(含楔块)参数为：探头实测中心频率与标称频率间的误差应不大于10％；探头-6dB频带宽度不小于60％；选用相控阵探头时，激发孔径范围内不宜有坏晶片。若坏晶片不可避免，则在确保检测灵敏度满足要求的前提下，激发孔径范围内坏晶片数量不能超出孔径范围内激发总数的20％，且不应有坏晶片相邻。

(f)缺陷的测量及评定

结合B-扫描、S-扫描及A-扫描等显示，对缺陷的位置、波幅、长度及高度进行测量，依照表1对缺陷进行分级。

缺陷波幅确定

找到不同角度A扫描中某一缺陷的最高回波波幅作为该缺陷的波幅。

缺陷长度确定

若缺陷最高波幅未超过满屏100％，则以该波幅为基准，找到该缺陷不同角度A扫描回波波幅降低6dB的最大长度作为该缺陷的长度。

若缺陷最高波幅超过满屏100％，则找到该缺陷不同角度A扫描回波波幅降低到定量线时的最大长度作为该缺陷的长度。

表1缺陷的等级分类

备注：δ为坡口加工侧母材厚度。

(g)记录并制作检测报告：

检测报告至少应包括如下内容：

a)委托单位；

b)检测标准；

c)被检工件：名称、编号、规格、材质、坡口形式、焊接方法和热处理状况；

d)检测设备：仪器型号及编号、扫查装置包括编码器、试块、耦合剂；

e)检测条件：检测工艺卡编号、探头参数及楔块选择、扫查方式(S或E)、聚焦法则的设定、检测使用的波型、检测系统的设置、系统性能试验报告、角度增益修正文件、温度；

f)检测示意图：探头扫查表面、检测区域以及所发现的缺陷位置和分布；

g)检测数据：数据文件名称、缺陷位置与尺寸、质量级别及缺陷部位的图像(S-扫描或B扫描等，以能够真实反映缺陷情况为原则)；

h)检测结论；

i)检测人员和责任人员签字；

j)检测日期。

Claims (7)

1.一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，该工艺使用超声相控阵检测仪(1)和超声相控阵探头(2)对焊接件的焊缝(6)中的焊接缺陷(7)进行检测；利用CSK-ID标准试块校准超声相控阵检测仪，利用RB-1A对比试块校准检测灵敏度，利用RB-1B对比试块校准竖向未焊透、未融合缺陷的大小，其特征在于，该工艺包括以下步骤：

步骤1、仪器设置：

根据检测对象的规格选择相应的探头，钢板厚度小于等于50mm选择频率为5～10MHz，16晶片的探头；钢板厚度大于50mm选择频率为2.25～5MHz，32晶片的探头；焦距设置为N＝A²/4λmm，其中：N表示焦距，A表示探头晶片孔径，λ声波波长；超声波声速设置为3230m/s，角度设置为最小角为40°、最大角为70°；

步骤2、仪器校准：

制作TCG曲线，探头前后移动，找到一次波显示φ3横孔的信号，调整闸门A位置与宽度，使闸门内只有φ3的信号，调整闸门A阈值，将其设为偏差为5％；前后移动探头，找到P％A显示值最大的位置，调整模拟增益dBA，使dBA为1，调整数字增益dB，使最大P％A值约为80％，开始记录横孔信号，前后移动探头，记录每个角度最大幅值，直到左边TCG曲线稳定不变，点击“点1”，当“点1”变为“点2”时，点1记录完成；随后找到2次波显示φ3横孔的信号，记录其TCG曲线，点击功能键DAC，使上述制作的TCG曲线转化为DAC缺陷并设置扫查灵敏度φ3-16dB；

步骤3、扫查检测：

对待检测表面进行打磨，清除焊接飞溅、铁屑、污垢及其他杂质，根据钢板的材质等级确定检测时机，在检测试件上标注检测起点，即零点，在焊接试件扫查区域刷校准仪器所使用的耦合剂，扫查发现缺陷时结合B-扫描、S-扫描及A-扫描显示，对缺陷的位置、波幅、长度及高度进行测量，对缺陷进行分级评定并报告检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，其特征在于：在步骤2中还包括：在CSK-ID试块上对仪器水平线性、垂直线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力进行校准；相控阵仪器校准结果应符合以下要求：

(a)仪器的水平线性误差不大于1％，垂直线性误差不大于5％；

(b)动态范围不小于26dB；

(c)灵敏度余量不小于42dB；

(d)分辨力不小于26dB。

3.根据权利要求1所述的一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，其特征在于：检测横向缺陷时，应将检测灵敏度提高6dB。

4.根据权利要求1所述的一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，其特征在于：步骤3中待检测表面应平整，便于探头的移动和耦合，其表面粗糙度Ra值应小于或等于6.3μm，当曲率使得楔块与检测面上的任一点的距离超过0.5mm时，用于曲面上的折射楔块应磨成与表面曲率相吻合。

5.根据权利要求1所述的一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，其特征在于：步骤3中根据钢板的材质等级确定检测时机具体为：对于Ⅲ、Ⅳ类钢材及焊接难度等级为C、D级时，相控阵检测应在焊接结束24小时以后进行，对于钢材标称屈服强度不小于690MPa或供货状态为调制状态时，相控阵检测应在焊接结束48小时以后进行。

6.根据权利要求1所述的一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，其特征在于：其中缺陷波幅确定方法为：找到不同角度A扫描中某一缺陷的最高回波波幅作为该缺陷的波幅。

7.根据权利要求6所述的一种建筑钢结构焊缝超声相控阵检测工艺，其特征在于：其中缺陷长度确定方法为：若缺陷最高波幅未超过满屏100％，则以该波幅为基准，找到该缺陷不同角度A扫描回波波幅降低6dB的最大长度作为该缺陷的长度；若缺陷最高波幅超过满屏100％，则找到该缺陷不同角度A扫描回波波幅降低到定量线时的最大长度作为该缺陷的长度。