U肋角焊縫相控陣檢測技術的可行性試驗研究

陳漢國 徐文勝

U肋角焊縫即U形縱肋與橋面板的連接焊縫，為80%熔深的部分熔透角焊縫，大橋橋面直接承受車輪荷載，將造成局部所承受應力循環次數多、應力幅值大，U肋與橋面板連接處角焊縫存在根部應力集中和未焊透等焊接缺陷，在使用過程中，易產生疲勞裂紋，因此對U肋角焊縫的檢測顯得尤為重要。U肋角焊縫，厚度8mm，熔深要求80%，采用常規的無損檢測方法（譬如射線、傳統手工A超）檢測該焊縫內部缺陷，存在檢測難度大、定位不準、定性困難等技術問題，因此缺乏對該焊縫內部進行無損檢測的可靠方法，為此進行了U肋角焊縫熔深相控陣檢測新技術的比對試驗。

一、 U肋角焊縫焊接工藝參數及檢測要求

1. U肋角焊縫焊接工藝參數如下：

U肋板厚8mm、面板厚度16mm、鈍邊1.5mm，熔深要求不低于80%。

2. U肋角焊縫相控陣檢測要求如下：

對焊縫根部未焊透區域進行檢測，確定所檢焊縫熔深是否不低于80%，即允許未焊透最大高度為1.6mm。

二、相控陣檢測技術

1.相控陣檢測技術原理

相控陣超聲成像系統使用陣列換能器，并通過調整各陣元發射/接收信號的相位延遲（phase delay），可以控制合成波陣面的曲率、指向、孔徑等，達到波束聚焦、偏轉、波束形成等多種相控效果，形成清晰的成像。

2.相控陣檢測技術的意義和作用

根據相控陣檢測技術的原理及特點，在橋梁U肋角焊縫熔深檢測中，使用相控陣檢測有較大的意義和作用：

（1）彩色成像，便于判讀；

（2）電子數據存儲，便于存檔調閱；

（3）分辨率、靈敏度高；

（4）實現了超聲檢測的可記錄性。

三、相控陣檢測設備、試塊和參數設置

1. 相控陣檢測設備

以色列ISONIC 2010相控陣檢測儀。

2. 相控陣檢測試塊

（1） 標準試塊（校準試塊）

標準試塊是指用于超聲相控陣檢測系統性能的測試及增益補償調試的試塊。采用的標準試塊為A型便攜式相控陣試塊和B型便攜式相控陣試塊。

（2）對比試塊（參考試塊）

參考試塊用于檢測校準、靈敏度設置、DAC曲線制作的試塊。根據U肋角焊縫的板厚并參考Q/CR 9211-2015的要求，采用的對比試塊為RB-2試塊。

（3） 模擬試塊

模擬試塊用于檢測工藝驗證及超聲相控陣橫波端點衍射法測高技能驗證。制作了2塊模擬試塊：U肋角焊縫熔深模擬試塊、平板刻槽模擬試塊。

U肋角焊縫熔深模擬試塊采用與現場U肋角焊縫一致的材質、板厚與焊接型式，由于現場U肋角焊縫允許的未焊透最大高度為1.6mm，并考慮到相控陣檢測設備的預計測量偏差值，因此在焊縫根部有1mm刻槽。

3.相控陣探頭

相控陣探頭頻率為7.5MHz、一次激發晶片數為16晶片，探頭前沿10mm。

4.相控陣檢測參數的設置

波束角度設置為44°～80°，角度間隔步進0.5°，主入射角度55°，聚焦深度8mm。其中波束角度和角度間隔步進的設置尤為重要。

（1）波束角度設置：在進行相控陣扇形掃查時，聲束可調角度越大，檢測覆蓋范圍越大，同時越容易發現垂直于工作深度方向的缺陷，當然，越大激發角度的信號能量也越難保證，因此，需要保證信號質量的前提下，可激發達到80°的擴散角扇形掃查。

（2）角度間隔步進：主聲束的角度間隔步進直接影響到掃查精細度，步進大了圖像描述能力下降甚至產生漏檢，步進小了對系統采樣頻率和處理速度提出更高要求。

四、 檢測效果對比驗證

1. 扇形掃描的理論測量偏差

扇形掃描理論測量偏差值范圍是±0.0674～±0.396mm。

2. 扇形掃描的試塊實際測量偏差

（1）U肋角焊縫熔深模擬試塊實際測量偏差值見表1：

表1 U肋角焊縫熔深模擬試塊實際測量偏差值

（2）平板刻槽模擬試塊實際測量偏差值見表2：

表2 平板刻槽模擬試塊實際測量偏差值

由以上實測值可知,試塊實測偏差值范圍是±0.1～±0.3mm。

3. 現場U肋角焊縫熔深實際測量偏差值見表3：

為了驗證相控陣檢測的實際效果，在現場抽檢了1000米的U肋角焊縫，對其中發現的熔深不夠的地方，進行了現場返修和復探，并在返修時對焊縫實際熔深用游標卡尺進行了測量，共計測量了4處，偏差值詳見表3。

表3 現場U肋角焊縫熔深實際測量偏差值

由以上實測值可知，現場U肋角焊縫熔深實測偏差值范圍是±0.2～±0.5mm。與試塊實測偏差值相比，偏差值有所增加，這其中的主要原因是試塊與現場焊縫相比，前者的檢測表面狀態較好、人造缺陷比較工整典型便于識別、實驗室檢測條件較好。

五、結語

通過理論計算和對試塊、現場焊縫的相控陣實際檢測，發現相控陣檢測的試塊實測偏差值在±0.1～±0.3mm的范圍內，現場U肋角焊縫實測偏差值在±0.2～±0.5mm的范圍內，通過這項檢測新技術與常規檢測方法相比，在很大程度上提高了檢測精度，有較高的分辨率和缺陷檢測率，定量準確，可以指導和運用于U肋角焊縫無損檢測工作，能在提高和保證U肋角焊縫的焊接質量中起到積極作用。