【摘要】随着技术的发展，焊接逐渐成为我国钢桥的主要连接形式，但是由于残余应力与应力集中的影响，焊接部位成为容易发生早期病害的薄弱环节，因此，有效可靠的焊接无损检测是钢结构桥梁质量检验与评定的关键环节。随着新建钢桥数量的不断增加，对于焊接无损检测的需求也不断提高。本文分析4种钢桥焊缝常规无损检测技术的优缺点与适用性，介绍TOFD、超声相控阵、电磁超声3种无损检测新技术在钢桥焊缝检测中的应用发展现状，以期为钢桥制造与施工过程中的质量检验与评定提供参考。
【关键词】钢结构桥梁；焊接缺陷；无损检测；超声波；适用性
1前言
钢结构桥梁具有自重轻、跨越能力强、装配化程度高等优点，符合国家发展战略要求。随着设计手段、制造技术、施工管理能力的不断提高，钢桥逐渐成为新建桥梁的重要结构形式。从中国钢桥发展历史来看，在20世纪60年代以前，中国钢桥连接形式基本采用铆接，60年代末，首先在成昆铁路建造了一批栓焊桥梁，标志着中国钢桥连接形式从铆接逐渐向栓焊共用转变，1996年，中国第一座全焊钢桥—西陵长江大桥的建成，标志着中国在钢桥制造上的焊接技术已经达到世界先进水平。焊接是钢桥制造的重要环节，它决定着钢桥的安全性与耐久性，因此对钢桥焊接质量的检验具有重要意义[1]。现有研究表明，由于残余应力与应力集中的影响，焊接接头比铆接和栓接接头对缺陷更为敏感，而且焊接接头中无法完全避免非连续性缺陷的产生。焊接缺陷是引发早期疲劳裂纹，降低桥梁耐久性的最主要因素[2]。因此，钢桥焊接质量的检验与评定，对于保障钢桥安全性与疲劳寿命至关重要。目前，钢桥焊缝缺陷检测采用外观检测和无损检测相结合的方法，在外观检测合格的基础上，采用无损检测技术对于重要焊缝进行探伤[3]。本文对钢桥焊接质量的无损检测方法进行了系统的介绍，阐述了其应用发展现状，并将各方法的优缺点和适用性进行了对比，以期为钢桥制造与施工过程中的质量检验与评定提供参考。
2钢桥焊接缺陷类型
焊接材料的质量、焊接方法与工艺、焊接接头的形状、焊接环境和热处理方式等因素会对焊接质量产生较大影响。钢桥焊接缺陷按缺陷位置可划分为内部缺陷与表面缺陷两种。其中表面缺陷包括：弧坑、咬边、焊瘤和表面裂纹；内部缺陷按缺陷形状可分为体积型缺陷和面积型缺陷两种，体积型缺陷包括气孔、夹渣，面积型缺陷主要包括未焊透、未熔合与裂纹等，焊缝主要缺陷类型如图1所示。
3常规无损检测技术
目前，钢桥焊缝常用的无损检测方法主要有渗透检测法、磁粉检测法、超声波检测法与射线检测法，每种无损检测方法都有其优缺点和适用范围[4]。
3.1渗透检测。渗透检测法的操作步骤为：首先在构件表面涂抹着色剂，经过一段时间后，着色剂在毛细管作用下进入构件表面的开口型缺陷中，随后采用清洗剂去除构件表面的着色剂，等待试件干燥后，在构件表面涂抹显像剂，等待显像剂吸收开口型缺陷中残余的着色剂，显示出着色剂的痕迹，由此便可直观地判断焊缝表面缺陷的位置与形状。渗透检测法的优点在于对于被检构件的形状、尺寸要求不高，能直观地体现出构件表面的开口型缺陷。但是，渗透检测法检测程序多，检测速度慢，无法识别焊缝内部气孔、夹渣或闭口型的表面裂纹等缺陷，检测试剂具有一定的污染性，对于铁磁性材料检测灵敏度也比磁粉检测法低。
3.2磁粉检测。铁磁材料被磁化后，材料表面或近表面由于存在缺陷，磁阻发生变化，会影响磁力线的传播，一部分磁力线在构件内部绕过缺陷继续传播，另一部分磁力线被排挤出构件后再次进入构件，形成漏磁场产生磁极，吸附焊缝表面的磁粉，从而直观地显示出焊缝表面缺陷的位置与形状。磁粉检测技术可以检测焊缝表面或近表面（距表面小于12mm）的缺陷，并且，对于宽度很小、目视难以识别的缺陷具有很好的检测效果。具有检测结果直观、检测灵敏度高、检测速度快、工艺简单、便于操作、成本低、污染小等优势。但不能用于检测内部缺陷，也无法判断表面缺陷的深度。
3.3超声波检测。超声波检测技术原理是探头向被测构件内部发射超声波脉冲，如果构件内部存在缺陷，由于声阻抗的不同，部分超声波将在缺陷界面发生反射并被探头接收，通过分析反射信号中的幅值与相位信息，就可以判断焊缝中缺陷的位置与大小。超声波检测技术优势在于可以实现焊缝内部缺陷的检测与定位。该技术对于面积型缺陷的检测效果较好，并且检测成本低、速度快。但是超声波检测技术也存在一定的局限性，检测结果不直观，缺陷的判读相对困难；缺陷的位置对检测结果有很大影响，对于表面或近表面缺陷检测效果较差；对于形状不规则的构件检测难度较大。
3.4射线检测。射线检测技术原理是X射线或其他放射源在穿透焊缝的过程中，如果焊缝内部存在缺陷，缺陷部位对于射线的吸收能力一般高于其他部位，缺陷部位射线强度相对减弱，通过胶片吸收透过被检构件的射线，经过暗室处理后，焊缝内部缺陷就在胶片上显示出来，由此即可直观地判断被检焊缝内部缺陷的位置与形状。射线法检测结果是直接反映构件内部状况的投影图像，并且检测结果可以长期保存。总体而言，射线检测法是各种无损检测方法中定性定量最标准的，对试件内部体积型缺陷（如气孔和夹渣）具有良好检测效果，但是对于面积型缺陷（如裂纹）的检测效果与射线的照射角度有关，当射线照射方向与缺陷方向平行时，检出率一般较低。此外，射线检测技术一般只用于对接焊缝的检测，检测角焊缝时，由于设备与胶片布置困难，成像质量较差。射线检测最大缺点在于检测成本高，检测速度慢，并且射线对人体有伤害，需要严格控制操作人员接受的剂量。
4无损检测新技术
随着对焊接质量的检测要求越来越高，焊接缺陷无损检测技术得到创新性发展并逐渐在钢结构桥梁焊接缺陷检测中应用[5]。本文重点介绍超声衍射时差、超声相控阵和电磁超声技术。
4.1超声衍射时差（TOFD）。TOFD是一种新型超声波检测方法，它是利用超声波在待检试件内部缺陷尖端的衍射现象来检测缺陷。焊缝检测过程中，发射探头与接收探头对称布置在焊缝两侧，发射探头发射出斜入射纵波，如果内部无缺陷，接收探头将依次接收到上表面的直通信号和底面反射信号。如果内部有缺陷，接收探头在直通信号与底面反射信号之间还将接收到缺陷上端与下端的衍射信号。因此，通过信号分析与处理，TOFD不仅可以定位缺陷的深度位置，同时可以计算缺陷的高度信息。TOFD检测技术采用脉冲传播时间检测缺陷信息，相对于采用脉冲幅值常规超声波检测技术，该技术可以精确测量缺陷的位置与大小，检测结果受信号强弱影响小，检测灵敏度高。但是，TOFD检测技术难以判断缺陷的类型；对于复杂形状的焊缝（如角焊缝）检测比较困难；此外，受直通信号与反射信号的影响，在构件的上下表面存在检测盲区。
4.2超声相控阵（PAUT）。超声相控阵检测探头将多个压电晶片集成在一个探头中，各个晶片按一定的时间和规律激发，形成一个扇形的声场覆盖区域进行检测，通过调整超声入射角度，可以实现检测区域内的扫查。超声相控阵检测结果经过数据的处理与分析，可以以图像形式表达缺陷信息。超声相控阵检测技术优点在于采用电子扫查，检测速度快、精度高，检测灵活性好，单次检测能够得到常规超声检测技术多次往复扫查才能得到的效果，对空间局限部位可操作性较好；检测图像可存储，便于检测记录存档。超声相控阵检测技术的缺点主要在于设备操作与缺陷定量判读难度较大，对检测人员要求较高，另外仪器设备成本较高。
4.3电磁超声（EMA）。电磁超声检测技术原理是电磁超声换能器采用电磁信号激励被检构件，在被检构件内部产生超声信号，超声信号在被检构件内传播后被电磁超声换能器接收并重新转换为电磁信号，通过信号分析与处理就可以得到被检构件内部缺陷信息。电磁超声波的激励和接收机制有三种，即电磁力机制、洛伦兹力机制和磁致伸缩力机制。与传统超声波检测技术相比，采用EMA技术检测时无需与被检工件表面接触，也无需声耦合剂。另外，由于EMA在特定条件下可激励产生表面波和板波，所以EMA检测技术还适用于焊缝表面缺陷检测。EMA检测技术也同样存在弊端，换能效率低，且仅可应用于具有良好导电性能的材料。
5结语
根据焊接缺陷无损检测技术的原理和应用特点，每种焊接缺陷无损检测技术均具有其特定的优缺点和适用范围，需要综合应用不同无损检测的技术优势，才能有效检测焊接缺陷。随着焊接缺陷无损检测新技术的不断发展，超声衍射时差、超声相控阵和电磁超声技术逐渐在承压设备、核电站、高速铁路中得以应用。在常规无损检测的基础上，将无损检测新技术引入钢结构桥梁焊接缺陷检测中，克服常规检测技术的不足，对更好的保证焊接质量具有重要意义。
作者:杨羿 张建东 李昊 单位:苏交科集团股份有限公司 在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室
