超聲相控陣檢測技術在正交異性板U肋角焊縫熔深檢測中的應用

毛寶梅

中鐵大橋科學研究院有限公司

超聲相控陣檢測技術在正交異性板U肋角焊縫熔深檢測中的應用

毛寶梅

中鐵大橋科學研究院有限公司

目前橋梁鋼箱梁橋面板大多采用正交異性板制造，其U肋與橋面板的焊接接頭型式為非全溶透角接，焊接量大，焊接要求高。焊縫熔深不夠的U肋角焊縫強度不夠，在使用過程容易導致橋面板疲勞破壞而開裂，所以有必要對該焊縫的熔深進行檢測。采用常規超聲波方法進行檢測時，測量精度、檢測效率均不理想。新的檢測技術超聲波相控陣檢測為U肋角焊縫熔深的檢測提供了一種新的選擇。該檢測方法可對檢測過程和數據進行記錄并保存，測量結果準確、檢測效率高、重復性好。通過對比試驗和模擬檢測，認為該方法可以應用于大橋的U肋角焊縫熔深檢測，能獲到較好的檢測效果，對該類熔深焊縫的檢測具有參考意義。

橋面板 U肋 未焊透 熔深高度 超聲波相控陣 扇掃描B掃描

1.概述

在橋梁鋼箱梁的制造過程中為了加強橋梁的剛度，一般采用在鋼箱梁橋面板、底板和腹板上加焊U形縱肋。U肋與橋面板連接采用熔深角焊縫，大多由8mm鋼板制作，焊縫填充深度達到U肋板厚度(8mm)的80%(6.4mm)為合格。

使用中，在載荷作用下，橋面板發生豎向變形，使其與縱向U肋之間產生相對轉角應力，焊縫受彎曲拉應力。由于焊縫受拉側主要為焊縫根部，若熔深不夠，則疲勞性能降低。

U型縱肋角焊縫熔深檢測常用常規超聲波檢測時最大難題是因未焊透的形狀不規則較難判斷最高點的回波位置(二次波F2對應的反射點所測熔深t2不一定等于實際最小熔深高度t1，見圖1)；且聲程遠、超聲波波束擴散、聲束較寬、高度測量

誤差大；分辨率小于一次波；手工操作、非連續記錄，重復性及工作效率低。

圖1 熔深高度測量位置示意

2.超聲相控陣檢測技術原理

相控陣技術使用多晶片陣列探頭可以使聲束偏轉和電子掃查，利用電子掃描時對焊縫區域全覆蓋；配以編碼器對焊縫進行一次非平行掃查就可以完整記錄檢測過程中的數據；利用相控陣分析軟件可以將檢測數據作多種形式的分析；還可以進行在線或者離線、遠程分析，有很好的重復性和可靠性[2]。

本文通過軟件模擬及試驗驗證，分析相控陣技術對U肋焊縫熔深高度測量的可靠性和可行性。

3.超聲相控陣技術對U肋角焊縫的檢測

3.1 試驗內容及方案

3.1.1 試驗內容

利用超聲相控陣檢測技術測量U肋焊縫熔深高度，探討該技術測量U肋焊縫熔深高度的可行性，評價檢測方法的可靠性和效率(見圖2)。

圖2 超聲相控陣對模擬試樣測試

3.1.2 試驗方案

按照GB/T 32563-2016《超聲檢測 相控陣檢測方法》編制檢測試驗方案，并分別在對比試塊進行參數驗證和在模擬試塊上檢測，最終確定方案的可行性[3][4]。

3.1.3 試驗設備與工藝設置[5]

采用Omniscan MX2相控陣設備，相控陣探頭10L32-A1(頻率5MHz，32晶片)，斜楔塊60°。聚焦法則：晶片數量32，橫波檢測，扇形掃描角度范圍50～75°[6]，角度分辨率1.0°，聚焦深度50mm。掃查分辨率1.00mm，最大掃查速度小于240mm。帶編碼器做手動掃查，探頭布置與掃查方向見圖3，采用GB/T 11345標準中的RB-1對比試塊[7]制作TCG曲線。

圖3 探頭布置與掃查方向示意

3.1.4 對比試塊的工藝參數驗證

為了驗證上述設備配置和工藝參數設置的適應性，在對比試塊上進行驗證試驗。

對比試塊是在8mm厚鋼板上用線切割出深度不同刻槽(見圖4)，用擬采用的設備和工藝進行檢測，檢測結果見表1。

圖4 對比試塊示意圖

對所選設備與工藝的分析結果：對2.2mm以上深度的人工刻槽反射體的分辨力誤差隨角度增加而偏大。按照U肋板8mm熔深80%(即最多允許1.6mm未焊透)的要求，對人工刻槽反射體高度為1.6mm的測量精度誤差0.1mm，滿足實際檢測需要。

3.2 模擬試塊工藝驗證檢測試驗

將模擬試塊的相控陣檢測數據與解剖后的金相試驗的測量數據對比，確定檢測技術的可行性。

3.2.1 模擬試塊制作

試驗制作了三塊U肋試件，材料規格、焊接工藝與實際一致[8](見圖5)。為使試件出現不同高度的未焊透，特將其中一塊試件(試樣3)坡口做適當的調整：鈍邊從零逐漸過渡至最大，同時根部間隙從2mm逐漸過渡至零。

圖5 U肋試件焊接接點示意圖

3.2.2 測量數據的采集

使用上述檢測方案，分別對三塊模擬試塊進行帶位置編碼器的掃查。掃查過程中觀察顯示屏，確保成像完整顯示(見圖6)。

圖6 完整掃描顯示圖

3.3 相控陣掃描顯示

3.3.1 檢測質量的判別

在判讀開始前，首先需要對數據合格性做出判別。耦合情況及數據丟失情況均可通過數據的B掃描視圖進行判斷[10]，若B掃視圖上在某一長度區域內存在波幅較低的發白區域，則表示耦合不良，如圖7所示。若B掃視圖上出現豎直方向的白線則表示數據丟失，如圖8所示。

3.3.2 模擬試塊的B掃描顯示

觀察三塊模擬試塊在掃查范圍內的完整B掃描顯示(圖9)，從圖中可以清晰判斷未焊透的分布和高度的連續變化情況。

圖7 耦合不良區域

圖8 數據丟失

圖9 對三塊試樣連續掃查的B掃描圖譜顯示

3.3.3 模擬試塊的金相試驗驗證

試樣經過相控陣數據采集后，在試樣上按照一定間距劃線定位，切割后做宏觀金相(見圖10)，測量未焊透的高度。

圖10 宏觀金相試驗

3.4 金相試驗與相控陣測試的數據對比

3.4.1 相控陣檢測的數據采用TomoV ier2.10R17軟件分析讀取。通過B掃描、A掃描、S掃描同步顯示圖譜對未焊透進行判定與深度測量[11]。

3.4.2 相控陣測量的高度數據與金相試驗所測量的未焊透高度數據對比見表2。

表2 宏觀金相與相控陣檢測數據對比

3.5 相控陣檢測結果及數據分析

通過表2的數據對比，結果分析如下：

(1)一次掃查即完成上述所獲各種成像及數據的采集。

(2)利用軟件可以完整分析整個掃查長度內的焊縫。(3)未焊透高度小于2.0mm時的相控陣檢測數據誤差為0.3mm。(4)隨著未焊透高度增加，掃查聲束的角度也增加，圖像會產生拖尾現象，測量誤差呈加大的趨勢。

(5)對未焊透高度超過S掃描最大檢測角度范圍時，相控陣圖譜不能完整顯示，不能測量其高度值；但實際上說明該部位熔深已經遠達不到驗收要求，不影響該部位的最終評定結果。

(6)結合B掃描圖譜，容易觀察缺陷分布及測量超標部位的長度。

4.結論

通過對模擬試塊檢測和數據分析，超聲波相控陣檢測技術能滿足橋面板U肋角焊縫檢測的要求。與常規超聲波檢測相比有如下優點：

(1)可以全程記錄檢測過程，并能監測檢測過程的工作質量，如耦合情況、數據丟失。

(2)可以對采集數據B、S、A掃描顯示圖譜同時進行分析，結果更清晰、完整、準確。

(3)通過B掃描圖譜可以分析所檢U肋角焊縫整體焊接熔深情況，容易區分正常顯示區域與非正常顯示區域。重點對非正常顯示區域分析，使評定工作更直觀、容易、高效。

(4)檢測效率與測量精度相對常規超聲波檢測手段而言都有較大提高。

同時，超聲波相控陣檢測方法是一種新興的檢測手段，其應用對待檢構件表面質量要求較高，對制造單位的制造工藝水平提出了更高的要求，同時對檢測人員的素質和分析軟件處理能力要求較高，需要進行專門培訓。

[1]王慶曾.港珠澳大橋鋼箱梁板單元制造工藝及質量控制.世界橋梁，2016，44(2)

[2]李衍.超聲相控陣技術.無損檢測，2007年8月，第31卷第4期。[3]李衍.鋼結構件焊接接頭超聲相控陣實際探傷條件的研討.無損檢測，2011年第33卷第8期。

[4]涂春磊等.對接焊縫相控陣超聲檢測可靠性的CIVA仿真與試驗，無損檢測，2013年第35卷第11期

[5]ASTM標準，E2700-09使用相控陣的接觸法焊縫超聲檢驗標準操作方法

[6]姜學平等.相控陣超聲檢測扇形掃描角度范圍， 無損檢測，2015年第37卷第11期

[7]GB/T11345-1989 鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級

[8]李衍.ASME標準新版中有關相控陣超聲成像檢測的要點評析第一部分：兩種方法要求(續)，無損檢測2015年第37卷第8期

[9]李衍.承壓設備焊縫超聲相控陣檢測讀譜.2010遠東無損檢測論壇論文精選.

[10]李男等.海工小徑管超聲相控陣檢測數據