U肋角焊縫相控陣檢測(cè)技術(shù)的可行性試驗(yàn)研究

陳漢國(guó) 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(yīng)力循環(huán)次數(shù)多、應(yīng)力幅值大，U肋與橋面板連接處角焊縫存在根部應(yīng)力集中和未焊透等焊接缺陷，在使用過(guò)程中，易產(chǎn)生疲勞裂紋，因此對(duì)U肋角焊縫的檢測(cè)顯得尤為重要。U肋角焊縫，厚度8mm，熔深要求80%，采用常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法（譬如射線、傳統(tǒng)手工A超）檢測(cè)該焊縫內(nèi)部缺陷，存在檢測(cè)難度大、定位不準(zhǔn)、定性困難等技術(shù)問(wèn)題，因此缺乏對(duì)該焊縫內(nèi)部進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的可靠方法，為此進(jìn)行了U肋角焊縫熔深相控陣檢測(cè)新技術(shù)的比對(duì)試驗(yàn)。

一、 U肋角焊縫焊接工藝參數(shù)及檢測(cè)要求

1. U肋角焊縫焊接工藝參數(shù)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(cè)要求如下：

對(duì)焊縫根部未焊透區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)技術(shù)

1.相控陣檢測(cè)技術(shù)原理

相控陣超聲成像系統(tǒng)使用陣列換能器，并通過(guò)調(diào)整各陣元發(fā)射/接收信號(hào)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(dá)到波束聚焦、偏轉(zhuǎn)、波束形成等多種相控效果，形成清晰的成像。

2.相控陣檢測(cè)技術(shù)的意義和作用

根據(jù)相控陣檢測(cè)技術(shù)的原理及特點(diǎn)，在橋梁U肋角焊縫熔深檢測(cè)中，使用相控陣檢測(cè)有較大的意義和作用：

（1）彩色成像，便于判讀；

（2）電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，便于存檔調(diào)閱；

（3）分辨率、靈敏度高；

（4）實(shí)現(xiàn)了超聲檢測(cè)的可記錄性。

三、相控陣檢測(cè)設(shè)備、試塊和參數(shù)設(shè)置

1. 相控陣檢測(cè)設(shè)備

以色列ISONIC 2010相控陣檢測(cè)儀。

2. 相控陣檢測(cè)試塊

（1） 標(biāo)準(zhǔn)試塊（校準(zhǔn)試塊）

標(biāo)準(zhǔn)試塊是指用于超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)性能的測(cè)試及增益補(bǔ)償調(diào)試的試塊。采用的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比試塊（參考試塊）

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

（3） 模擬試塊

模擬試塊用于檢測(cè)工藝驗(yàn)證及超聲相控陣橫波端點(diǎn)衍射法測(cè)高技能驗(yàn)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(xiàn)場(chǎng)U肋角焊縫一致的材質(zhì)、板厚與焊接型式，由于現(xiàn)場(chǎng)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(cè)設(shè)備的預(yù)計(jì)測(cè)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(fā)晶片數(shù)為16晶片，探頭前沿10mm。

4.相控陣檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置

波束角度設(shè)置為44°～80°，角度間隔步進(jìn)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(jìn)的設(shè)置尤為重要。

（1）波束角度設(shè)置：在進(jìn)行相控陣扇形掃查時(shí)，聲束可調(diào)角度越大，檢測(cè)覆蓋范圍越大，同時(shí)越容易發(fā)現(xiàn)垂直于工作深度方向的缺陷，當(dāng)然，越大激發(fā)角度的信號(hào)能量也越難保證，因此，需要保證信號(hào)質(zhì)量的前提下，可激發(fā)達(dá)到80°的擴(kuò)散角扇形掃查。

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

四、 檢測(cè)效果對(duì)比驗(yàn)證

1. 扇形掃描的理論測(cè)量偏差

扇形掃描理論測(cè)量偏差值范圍是±0.0674～±0.396mm。

2. 扇形掃描的試塊實(shí)際測(cè)量偏差

（1）U肋角焊縫熔深模擬試塊實(shí)際測(cè)量偏差值見(jiàn)表1：

表1 U肋角焊縫熔深模擬試塊實(shí)際測(cè)量偏差值

（2）平板刻槽模擬試塊實(shí)際測(cè)量偏差值見(jiàn)表2：

表2 平板刻槽模擬試塊實(shí)際測(cè)量偏差值

由以上實(shí)測(cè)值可知,試塊實(shí)測(cè)偏差值范圍是±0.1～±0.3mm。

3. 現(xiàn)場(chǎng)U肋角焊縫熔深實(shí)際測(cè)量偏差值見(jiàn)表3：

為了驗(yàn)證相控陣檢測(cè)的實(shí)際效果，在現(xiàn)場(chǎng)抽檢了1000米的U肋角焊縫，對(duì)其中發(fā)現(xiàn)的熔深不夠的地方，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)返修和復(fù)探，并在返修時(shí)對(duì)焊縫實(shí)際熔深用游標(biāo)卡尺進(jìn)行了測(cè)量，共計(jì)測(cè)量了4處，偏差值詳見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)U肋角焊縫熔深實(shí)際測(cè)量偏差值

由以上實(shí)測(cè)值可知，現(xiàn)場(chǎng)U肋角焊縫熔深實(shí)測(cè)偏差值范圍是±0.2～±0.5mm。與試塊實(shí)測(cè)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(xiàn)場(chǎng)焊縫相比，前者的檢測(cè)表面狀態(tài)較好、人造缺陷比較工整典型便于識(shí)別、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)條件較好。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算和對(duì)試塊、現(xiàn)場(chǎng)焊縫的相控陣實(shí)際檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)相控陣檢測(cè)的試塊實(shí)測(cè)偏差值在±0.1～±0.3mm的范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)U肋角焊縫實(shí)測(cè)偏差值在±0.2～±0.5mm的范圍內(nèi)，通過(guò)這項(xiàng)檢測(cè)新技術(shù)與常規(guī)檢測(cè)方法相比，在很大程度上提高了檢測(cè)精度，有較高的分辨率和缺陷檢測(cè)率，定量準(zhǔn)確，可以指導(dǎo)和運(yùn)用于U肋角焊縫無(wú)損檢測(cè)工作，能在提高和保證U肋角焊縫的焊接質(zhì)量中起到積極作用。