波形鋼腹板軟膜超聲相控陣檢測探頭的設計*

鄭 輝,陳 堯,黃麗霞,王志剛,盧 超,陳 果,李秋鋒*

(1.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學),南昌 330063;2.南昌市建筑科學研究所,南昌 330019)

近年來波形鋼腹板箱梁結構正大舉替換笨重的混凝土腹板結構,在現代大跨度新型橋梁中占有舉足輕重的地位,其應用形式和類別更加多樣化。波形鋼腹板結構由于其用料省,制作工藝簡單,且便于運輸,綠色環保,尤其在抗壓和抗拉等力學性能上比混凝土腹板更出色,故其制作和應用已滲透到國內外的多個建筑領域,不僅應用于公共設施中的大型樓面、屋頂等主梁結構,還在大跨度橋梁建設中的廣泛應用[1-3]。

最近十幾年來在大跨度橋梁上隨著波形鋼腹板結構的大幅使用,其質量的檢測評估成為新的難題。目前,在傳統的無損檢測方法中,還未找到一種完全符合要求的最佳方法對此進行檢測評價。現階段經過對比選擇后,常規超聲檢測與射線檢測相結合的方法才滿足條件。但在實際用超聲檢測過程中,安裝好波形鋼腹板后,其翼緣板上會有栓釘阻礙探頭的移動,故只能將探頭放在腹板上用橫波斜入射的方式進行檢測[4],而用這種方法檢測時其有效區域面積會受到影響,從而會造成在缺陷的定位、定量上有所誤差,嚴重時可能會出現漏檢危害性極大的缺陷等情況。因此需再添加射線檢測輔助檢測不到的盲區進行補充。本次研究的主要的目標是波形鋼腹板和翼緣板的角接焊縫,它與有腹板的T形焊縫類似,只是它的腹板有一定的曲率,其實際結構如圖1所示。

圖1 波形鋼腹板結構示意圖

由于波形鋼腹板構件的焊縫具有一定的曲率,對這種波浪形的檢測面使用現有超聲探頭檢測時,將出現很大盲區[5],在檢測過程中需要不斷進行補償和修正,且要覆蓋所有焊縫中的缺陷需要更換不同角度和頻率的探頭[6-8]。此外在用探頭移動掃查焊縫過程中,由于平曲面的移動轉換會產生耦合不穩定,從而導致極大的檢測誤差。

超聲相控陣檢測技術在T型焊縫檢測過程中顯現出巨大的潛在優勢,其應用領域和開發前景十分廣泛,是目前科學研究的熱點和重點[9-11]。自從1959年由Tom Brown研制了第一個超聲相控陣檢測系統誕生以來,1987年A.McNab總結介紹了無損檢測的超聲相控陣技術[12],國內外許多不同高等院校,科研院所,企業研究機構都對其表現出極大的熱情,并且都進行了相關的基礎理論及應用研究,生產制造出一大批功能強大的檢測儀器。超聲相控陣是利用常規超聲探頭晶片進行新的組合構建而成的,它通過電子控制激發每一個晶片的延遲時間,實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦。在進行檢測時用此方法,可以提高聲波的能量使其傳播范圍更廣,從而對形狀奇特和構造復雜的構件都能檢測,且檢測效果好,時間短效率高,最關鍵的是可以直接顯示缺陷圖像。

隨著超聲相控陣檢測技術方法的提出,利用超聲相控陣對波形鋼腹板進行檢測,取得了一定的突破,但是現有相控陣探頭仍然無法克服平曲面轉換過程中的耦合補償問題,且其聚焦法則也在變換,故本文在總結之前的檢測方法上,結合K.Thanigai Arul最新提出的復合柔性薄膜的能量收集[13],針對波形鋼腹板結構的焊縫檢測,設計了一種新型相控陣探頭,并研制出了探頭樣品,驗證其檢測效果,達到了預期測試效果,成功的解決了現有相控陣在該結構檢測中存在的問題,從而能夠更有效的保障波紋鋼腹板的使用質量。

1 超聲相控陣探頭檢測原理

由惠更斯衍射定理和亥姆霍茲聲壓積分定理推出了超聲相控陣的原理[10,14]:波動場任何一個波陣面等同于一個次級波源;次級波場可通過該波陣面上各點產生的球面子波疊加干涉計算得到。超聲相控陣探頭是由一組彼此獨立的壓電晶片組成,每個晶片都是一個陣元。而每個陣元都可獨立發射出超聲波,采用不同的激勵方式可以產生不同的波陣面,同時通過延遲技術可以實現動態聚焦以及聲束的偏轉[15-16]。常用的相控陣探頭仍是以一維線性陣列為主[17],如圖2所示,圖中A為晶片陣列方向的孔徑;H為晶片加工方向的寬度;e為單個晶片寬度;p為兩個晶片中心之間的間距;g為相鄰晶片間的間距。

圖2 一維線性相控陣陣元示意圖

在超聲相控陣中,對于線性或者楔塊有一定角度的探頭各個陣元采用兩端對稱的延時形式進行激勵就是相控陣電子聲束聚焦使用的延時規律,兩端的陣元首先被同時激發脈沖,然后沿著中間方向的下一個兩端對稱的陣元依次被同時進行相同延時激發,直至所有陣元被激發,最終得到合成的聚焦波陣面[18]。

另外各個晶片的激發順序也能通過延時技術來調節,線性或者是有一定角度楔塊的探頭中各個陣元采用從左到右或從右到左依次增加延時的形式被激發是相控陣電子聲束偏轉使用的延時規律,線性陣元按相等時間間隔的順序依次被激發脈沖,最終得到合成的偏轉波陣面[19-20]。按照這種方式對超聲波的傳播方向進行控制就是聲束的偏轉原理與特性,也就可以用相控陣探頭進行多角度的掃查。

設計的新型相控陣聚焦探頭檢測原理同上述常規相控陣探頭相同,只是軟膜材料的選擇須滿足探頭檢測過程中的聚焦及偏轉法則和耦合效果。

2 探頭聚焦結構設計與仿真研究

2.1 軟膜探頭的設計思想

在波形鋼腹板的檢測過程中,發現曲面處檢測時其耦合接觸面積很小,且平曲面轉換過程中,需要轉換不同的探頭且還要適當增加補償,才能使檢測范圍覆蓋整個焊縫。為此希望設計出一種在平曲面轉換過程中能柔性貼合波紋狀檢測面,增加耦合接觸面積,且減小增益補償的軟膜超聲相控陣探頭。其設計思想就是通過用甘油將一種軟膜材料與相控陣晶片耦合在一起,使探頭檢測面形成了一種通過軟膜包裹的甘油液囊,該液囊可通過檢測人員施加壓力讓探頭檢測面與波形鋼腹板檢測面柔性接觸,從而保證了探頭在平面與曲面上檢測時超聲透射的面積相似,減少了平面與曲面檢測間的耦合差異,提高了缺陷定量的準確性。此軟膜探頭在掃查行進過程中可以隨接觸面的形狀變化來自動調整液囊的耦合情況,故能柔性的耦合波紋狀檢測面。

由異質夾層全透射原理可知[21-23],要保證探頭晶片層所發出的激勵經過甘油層和軟膜層后其傳播的方向和能量都保持一致,那么就需要探頭的三層材料聲學特性相近,才能滿足要求。

2.2 軟膜探頭結構仿真研究

依照液浸檢測方法,首先通過資料分析篩選出4種與甘油的聲阻抗和聲速相近的軟質材料,可做成軟膜套頭,4種材料和甘油的主要參數在表1中列出,其中聚乙烯和聚苯乙烯的參數與甘油最接近。

表1 甘油和4種軟質材料的主要參數

然后采用wave2000仿真軟件,建立楔塊-甘油-軟質材料模型,通過仿真對材料的透射性能進行研究,建立的仿真模型如圖3所示,其中紅色部分為有機玻璃材料,聲速為2 759 m/s;綠色部分為甘油,聲速為1 900 m/s;藍色部分為軟膜材料;深紅色部分為鋼材料,聲速為5 659 m/s;深綠色部分為空氣,代表φ5的孔,聲速為340 m/s。

圖3 帶軟膜探頭結構仿真模型

經過仿真計算,得到不同軟膜材料透射波形與僅有甘油透射時的檢測波形對比圖,如圖4示。圖中紅色波形為軟膜選用甘油時傳播波形,其余不同標記顏色波形分別是氯丁橡膠、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯是添加圖例上對應材料薄膜時的傳播波形。對比圖中透射波形可以發現:聚乙烯和聚苯乙烯的透射效果與無軟膜情況下的波形最吻合,結合表1中參數,軟膜主要選用這兩種材料為宜。但是這兩種材料的聲阻抗與甘油有一定差異,將會影響聲波透射率和檢測靈敏度,因此,為了提高軟膜材料的聲阻抗,將聚四氟乙烯也作為制作軟膜材料之一。

圖4 不同軟膜材料透射仿真信號與無膜檢測信號比較

2.3 軟膜配比與試驗測試

通過上述仿真測試找到制作軟膜的三種材料:聚乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯,但是只有三種材料比例的達到最優,才能獲得最佳檢測效果。經過對不同比例組成的軟膜進行實驗測試,發現聚乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯比例達到6∶2∶2時,其影響超聲波折射率和折射角的聲學參數有縱波聲速約為1.82 km/s,聲阻抗約為2.1 kg/(mm·s),上述參數更加接近甘油參數,而根據聲波傳播原理可知,當軟膜厚度約等于半波長的整倍數時,聲波全透射。所以在選用5 MHz檢測頻率時,軟膜材料厚度為0.19 mm時透射效果最佳,超聲波幾乎全透射進入到波形鋼腹板中。

為了驗證軟膜透射效果,采用5 MHz的直探頭進行試驗測試,對比有無軟膜條件下的透射波形。為了模擬相控陣檢測實際情況,試驗測試時是將直探頭耦合在有機玻璃上向下發出聲波,具體有無軟膜測試結構如圖5和圖6所示。壓電晶片是從頂部中間激勵,整個結構從上到下依次分別為有機玻璃材料、甘油(或甘油加軟膜)、鋼材和通孔。通過壓電晶片激勵出超聲波在結構中傳播,在鋼材中孔正下方接收超聲信號。

圖5 無軟膜測試結構示意圖

圖6 帶軟膜測試結構示意圖

將有無軟膜條件下的兩次接收信號進行比較,比較結果如圖7所示,從圖中可看出兩個波形總體上比較吻合,但由于軟膜材料的加入,使得耦合層厚度增加,相位有些滯后,說明該軟膜材料的聲學特性與甘油的聲學特性非常相近,軟膜對超聲波的透射幾乎無影響。

圖7 有無膜材料超聲信號對比圖

2.4 帶軟膜相控陣探頭參數研究

經過對波形鋼腹板結構的檢測研究[24]和上述軟膜探頭材料的研究之后,制作了帶軟膜相控陣探頭。探頭結構如圖8所示,是在現有常規相控陣探頭的基礎上,外部包裹0.19 mm厚軟膜,并在探頭與軟膜間注入甘油后改進而成,帶軟膜探頭實物如圖9所示。選用常規相控陣探頭的結構參數見表2。

圖8 探頭結構示意圖

圖9 帶軟膜套頭的探頭實物圖

表2 探頭參數

3 實驗驗證

為了驗證該軟膜探頭的實際檢測效果,制備了一塊波形鋼腹板試樣進行實驗測試。試塊是根據實際使用的波形鋼腹板T型焊縫結構,選用Q345D鋼由專業加工廠制作,試塊如圖10所示,其中鋼腹板與翼緣板厚度均為22 mm,采用單V坡口焊接而成。

圖10 波形鋼腹板試塊實物圖

試樣中加工了長橫孔和開槽2種人工缺陷,分別是模擬焊接中危害性大的裂紋和未熔缺陷。由于實際檢測時需要在平面和曲面上檢測,為了比較不同檢測面對相同人工缺陷的檢測效果,在平面和曲面檢測位置對應的焊縫處都加工了相同類型和大小的對比缺陷,具體形狀如圖11所示。缺陷的加工參數分別在表3中列出,表中開槽缺陷尺寸是指槽口深度和高度,缺陷位置是以試樣左邊為0點開始測量的結果,單位為mm。

圖11 試塊中加工的人工缺陷圖

表3 試樣長橫孔和開槽缺陷加工參數 單位:mm

按照操作規程,在實驗室檢測平臺上,使用新的帶套頭的軟膜探頭,在CSK-IA標準試塊上校準其聲速,延時和靈敏度,并在CSK-IIA-1試塊上完成檢測TCG曲線,試塊中橫孔直徑為2 mm。隨后用校準好的常規相控陣探頭和新探頭在不同試樣上的測試結果分別在表4、表5中列出,缺陷編號與表3中一致,檢測圖像常規相控陣探頭為圖12～圖15,新探頭為圖16～圖19。

表4 試樣用常規相控陣探頭檢測結果

表5 試樣用新探頭檢測結果

圖12 1#長橫孔(平面)缺陷檢測圖

圖13 2#長橫孔(凸面)缺陷檢測圖

圖14 3#開槽(平面)缺陷檢測圖

圖15 4#開槽(凸面)缺陷檢測圖

圖16 1#長橫孔(平面)缺陷檢測圖

圖17 2#長橫孔(凸面)缺陷檢測圖

圖18 3#開槽(平面)缺陷檢測圖

圖19 4#開槽(凸面)缺陷檢測圖

對比表3～表5以及相應的缺陷檢測圖分析,可以得出以下結論:

①從長橫孔缺陷檢測數據來看,平面處檢測的缺陷長度和缺陷埋深比曲面處檢測結果更為準確,但是檢測靈敏度相差不大,總體上兩個位置的檢測結果都較準確,都在合理誤差范圍內,在缺陷定量和定位評價上也不存在很大差異。

②從開槽缺陷檢測數據來看中,曲面處檢測的缺陷長度和缺陷埋深比平面處檢測結果更為準確,但是檢測靈敏度幾乎相同,總體上兩個位置的檢測結果都較準確,也都在合理誤差范圍內,在缺陷定量和定位評價上也不存在很大差異。

③從常規相控陣探頭和新探頭對相同缺陷的平曲面缺陷當量值看,新探頭的當量差明顯較小,其相同缺陷的檢測結果與常規相控陣探頭的檢測數據基本保持一致。

綜合上面分析結果,可知此軟膜超聲相控陣探頭可以檢測波形鋼腹板T型焊縫上不同位置的典型缺陷,且在不同檢測面上具有相同的檢測靈敏度,可在不更換探頭的條件下,對該結構完成連續檢測,提高檢測效率,并實現對缺陷的準確定位和定量評價。

4 總結

針對波形鋼腹板T型焊縫檢測需求,開展了超聲相控陣檢測技術的研究。通過理論分析、數值仿真和實驗研究,提出了一種可套在相控陣探頭外面的軟膜結構,并根據甘油的聲學特性,設計并制作出合適的軟膜材料。將該軟膜相控陣探頭和常規相控陣探頭在波形鋼腹板上進行對比實驗測試,實驗結果證明該探頭可以準確檢測出焊縫內的典型缺陷,基本解決了不同檢測面的耦合差異問題,能夠實現在不同檢測面上的連續檢測,提高檢測效率,在穩定靈敏度的條件下完成對缺陷準確定位和定量評價。該軟膜結構也可以為類似結構件檢測提供參考。