相控阵超声检测技术在钢结构建筑质量检验中的应用

相控阵超声检测技术在钢结构建筑质量检验中的应用

何东方 ,黄僖

新疆新正检测技术有限责任公司  新疆 乌鲁木齐市 830000

摘要：相控阵超声检测是一种较为新颖的无损检测技术，本质上依然是对超声检测技术的应用，但相比超声检测技术而言有着更加明显的优势，因而在多个领域都有应用。这种技术同样可用在建筑行业，如钢结构质量的检验就可应用这一技术，来保证建筑整体质量的可靠程度。显而易见这一技术能为建筑行业带来全新的发展，因此该技术在钢结构建筑质量检验中的应用具有其独特的研究价值。

关键词：相控阵；超声检测技术；钢结构；建筑质量

当前建筑工程中对钢结构的应用越发普遍，则钢结构建筑质量问题也逐渐成为影响整个建筑工程质量问题的关键，并发挥着越来越高的影响程度。对钢结构质量的检测不能以破坏原本质量性能为代价，这就推动了无损检测技术的出现与发展。由于钢材出厂及应用时在质量上已经得到可靠验证，因此对钢结构质量的检测主要集中在焊缝质量的检测上，且相比X射线、表面探伤及其他探伤方式，超声探伤对质量问题具有更高检出率且拥有更广阔的适用范围，整个操作过程不仅难度较低而且更加安全，之后出现的相控阵超声检测技术更是在这方面达到了更高的水准。

1.相控阵超声检测技术与传统超声检测技术的区别

超声检测技术在近几年来的发展中逐渐演化出两种检测方法，即传统超声检测技术与相控阵超声检测技术。其中传统技术是通过在探头设置一枚晶片，以加入不同角度楔块的方式来调整声束的偏转角度，这种诞生于20世纪四十年的技术在诞生十年后被应用，在探头制作材料得到改良之后成像的分辨率也获得上升，并出现了成型的超声检测标准。在20世纪末，与现代信息技术融合的超声检测技术获得了全自动的发展方向，检测效率由此大幅提升。通常情况下，超声检测技术的灵敏度取决于声束能量，因此可采取增加探头中心频率的方式，但这种做法会导致声波在介质中的衰减程度同步上升，进而导致检测准度下降[1]；另一种方法是对反射的应用，通过应用几何透镜/物理透镜，或是将探头表面予以一定的曲率，就能以减少声束扩散角的方式提升精度。但这两种方法只能定点聚焦，不能满足超声检测对区域实现覆盖的需求，检测过程也会变得更加复杂。

相控阵超声检测技术就是在这种情况下出现的。该技术的诞生是受到惠更斯原理的启发，其探头是以多个晶片组成的阵列构成，在电信号的刺激下，阵列发射出的超声波能够实现相位层面的可控，并能按照需求实现聚焦或偏转，进而对声束形状及声压分布进行调整。这种做法意味着依靠电控工作的相控阵超声技术能在一定范围内实现可调节，且支持的调节是连续性的，即使是在探头保持固定位置的状态下，也能够对声束进行平移。因此相对传统检测技术而言，相控阵超声检测技术表现出工作效率（以线性扫查代替常规探头的光栅扫查）、灵活性（单个探头拥有不同扫查方式）、复杂内容检测（在检测方案得到精准设计的前提下实现）、阵列尺寸小（即使检测空间受限也可应用）、机械可靠性强（以电子扫查代替机械扫查，减少了不必要的移动）等等众多方面的优势[2]。

2.钢结构建筑各种质量缺陷及在相控超声检测技术中的呈现

此前已经提及过钢结构质量缺陷主要来源于焊接。尽管我国重工业已经得到长足的发展，生产出的钢材也居于世界领先水平。但我国钢建筑结构产业长期处于起步阶段，以住宅为主要功能的钢建筑结构仍然存在一定的问题悬而未决，这类问题的主要内容就是各种类型的钢结构质量缺陷，一旦能够借助相控阵超声检技术解决这些问题，必将推动我国钢结构建筑产业的进一步发展。

2.1钢结构建筑常见质量缺陷

对于钢结构建筑而言，其焊缝存在的常见质量缺陷主要以夹渣、未熔合、气孔、裂纹、未焊透等问题表现出来，各类型问题在超声波中的影像呈现如下所示：

夹渣主要以点状反射体的状态呈现，在声阻抗上的表现与焊缝部位金属高度相似，以传统超声检测技术对其进行检测的话，通常收不到强度较高的回波信号，波形表现为单一且相对平滑的波形，图像形状多数情况下并不规则，且伴随边缘清晰度不理想、总体亮度不高的表现，在形状上通常呈现出梭形特征，两端较尖[3]。朝不同方位移动相控阵探头时，会明显发现信号呈现出滚动的迹象，但滚动过程中代表细长缺陷的回波从未消失，且其边缘始终呈现出不清晰的状态，亮色与底色之间的反差也不甚明显。夹渣的图像表现与裂纹具有一定相似度，但缺陷图像却要直观得多。

未熔合的焊缝会表现出非常高的信号强度，一般这种质量缺陷会出现在焊缝与母材金属交界处，影像上通常呈现出扁平的椭圆形，特殊情况下也会以条状形式出现，中心部分往往具有较高亮度，很容易发现红色区域在整个缺陷中占有较多的比重。

气孔的呈现则取决于数量，可能是单个点状反射体（单一尖锐回波）或多个密集反射体（束状密集型回波），其显示图像具有非常直观的特征，边界清晰且过度范围相对较小，相当容易判定出来。气孔中央红色区域亮度很高且十分明显，在其缺陷靠后的位置会出现一个额外的衍射波缺陷，一般在观察到缺陷和衍射波时，前后左右移动探头，会发现代表气孔的缺陷和衍射波会呈现出同步位移的状态。

裂纹呈现出的状态则受声束与裂纹之间相对角度的影响，一旦角度不理想会导致声束的折射，这种情况下很容易造成漏检，因此对裂纹的检测需要不断更换角度重复进行，来获取最佳角度监测图像，其缺陷图像呈细窄的线条状态，左右两端略尖锐，在移动探头时中央部分会经历逐渐明显又消失的过程[4]。

未焊透是指钢结构的焊接作业达不到理想的作业强度，在影像检测结果中同样拥有相当容易辨别的呈现，一般其影像特征表现为窄且较扁的椭圆形，在边缘位置呈现出不太顺滑的特征，获取图像过程中如果尝试左右缓慢移动探头，则可观察到断续出现的粗线条状影响，有些情况下，会出现些微衍射波的图像，数量不多但相对较为容易分辨，实际检测过程中很容易出现与底面反射回波重合的情况，这种缺陷的位置通常位于焊缝底端。

2.2钢结构建筑中T型角焊缝

T型角焊缝焊接方式与普通钢结构不同，因此质量问题也不尽相同，除气孔、裂纹、未焊透这些具有相同表现的质量问题之外，还有翼板或坡口未熔合的情况，两种未熔合在质量问题上的呈现是不一样的。翼板未熔合是指焊接位置未能与翼板融合，在影像中可以很容易观察到翼板位置与焊接形成物之间存在的缺陷；坡口未熔合的缺陷则表现在坡口上。由于T型角的缺陷常常集中于内部，其回波只有在经过两次平面反射后才能获得，这就需要依靠一定的方法计算焊缝检测参数，以获得清晰的缺陷图像及缺陷定位。对于T型角焊缝中任意位置的缺陷，均可采用相同的方法确定缺陷位置及规模，来明确焊缝中存在的质量问题。

结语

相控阵超声检测技术是一种更加先进的无接触检测技术，具有高速、精确、灵活性高且易于操作的优势，因此在众多社会生产生活行业中都能得到有效应用，也能作用于钢结构建筑质量检验的相关工作。这就意味着该技术在得到合理应用的前提下，能在一定时间尺度内推动钢结构建筑行业的发展，并能作为钢结构建筑检测技术未来的重要发展方向，推动该产业实现工业化的进程。

参考文献：

[1]傅剑.超声检测技术在建筑钢结构焊缝检测中的应用[J].门窗.2018，（15）：216.

[2]高慧、唐灿.超声检测技术在建筑钢结构焊缝无损检测中的应用[J].中国建筑金属结构.2021，（5）：92-93.

[3]丁爱香.超声波无损检测技术在建筑钢结构焊缝检测中的应用[J].建材与装饰.2019，（19）：63-64.

[4]林宇.超声波无损检测技术在建筑钢结构焊缝检测中的应用[J].房地产导刊.2019，（32）：86.