鋼結構橋梁對接焊縫缺陷的TOFD檢測圖像特征

彭 森, 何連海，馬志華，劉 朵,張建東

(1.江蘇省交通運輸廳建設管理處，南京 210001;2.蘇交科集團股份有限公司 在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，南京，211112；3.南通市公路事業發展中心，南通，226001)

鋼結構橋梁(鋼橋)焊縫缺陷的快速、準確檢測一直是行業內研究的熱點[1]，在焊接過程中，焊接工藝參數設置不合理和操作的不規范極易導致焊縫缺陷，進而會影響鋼橋結構安全，降低結構的耐久性，因此需要對焊縫質量進行檢測。目前鋼橋焊縫檢測方法主要有常規超聲、射線、磁粉、滲透等，這些方法雖然得到普遍使用，但同時也存在一些問題。其中常規超聲法檢測結果無法永久保存；射線法對現場操作條件要求較高且對人體有一定的危害；磁粉法和滲透法難以檢測埋藏較深的內部缺陷，這些技術局限性給鋼結構橋梁焊縫的質量控制帶來很大不確定性。

超聲波衍射時差法(TOFD)依據TOFD-D掃圖像特征實現對焊縫缺陷類型的辨識，對操作者技能水平依賴降低，且具有數字圖像存儲功能[2-3]，近年來被逐步應用于鋼結構橋梁對接焊縫的檢測中[4]。孫旭等[5]采用自回歸譜外推技術對TOFD檢測信號進行處理，實現了微小裂紋的TOFD定量檢測，裂紋深度和高度定量相對誤差小于6%。康達等[6]提出了一種基于幾何關系的傾斜裂紋TOFD定量檢測方法，并通過試驗進行了驗證，結果表明該方法裂紋角度定量誤差小于1°。丁寧等[7]基于波形轉換理論提出了一種TOFD近表面盲區抑制方法，該方法可將近表面盲區抑制到1 mm。上述研究工作主要聚焦于TOFD檢測的缺陷定量，對缺陷類型判定方面的研究較少，而缺陷類型的準確辨識在實際工程中是極其重要的。

筆者開展了對接焊縫缺陷類型判別的研究，使用TOFD技術對含有常見典型缺陷的模擬試塊進行檢測，分析了鋼橋對接焊縫常見典型缺陷的TOFD檢測D掃圖像特征，為以后的鋼橋對接焊縫缺陷辨識提供參考。

1 TOFD定性檢測原理

TOFD是一種利用超聲波衍射信號進行缺陷檢測的技術，其采用一對超聲波縱向掃描探頭(一個作為發射器、一個作為接收器)進行檢測，檢測原理如圖1所示。由圖1可見最先被接收探頭接收的波稱為直通波，之后接收探頭會接收到來自缺陷上、下端點的衍射縱波信號，最后是來自工件底面的反射回波，該條波形也被稱為A掃描信號。

圖1 TOFD檢測原理示意

由于A掃描信號攜帶的信息量較少，直接根據A掃描信號判別焊縫缺陷類型較為困難。將探頭每移動一個步距獲得的A掃描信號按照探頭掃描方向依次排列，再將A掃描信號的幅值、相位轉換成256級灰度圖像(見圖2)，即得到TOFD-D掃圖像。其中，當波形向正半周期變化時，灰度向白色漸變；當波形向負半周期變化時，灰度向黑色漸變， 不同等級的灰度代表了信號的幅度大小。TOFD-D掃描圖像比A掃描信號更加直觀，操作者可根據灰度圖像特征辨識焊縫缺陷類型，降低了人為因素的影響。

圖2 TOFD-A掃信號灰度轉換示意

2 試驗設計與測試

2.1 試塊制備

制備12塊內部含有對接焊縫典型缺陷的試塊，材料為橋梁用結構鋼Q345，坡口形式為V型，編號從N1到N12，試塊及缺陷參數如表1所示，缺陷位置如圖3所示，缺陷預埋深度基本覆蓋了目前鋼橋常用的鋼板厚度，其中缺陷深度隨機設置，文章不涉及缺陷的定量分析。

表1 試塊及缺陷參數 mm

圖3 試塊中缺陷位置示意

2.2 檢測參數

為了獲得合格的圖像質量，需要對TOFD檢測參數進行設定。制作了一塊材料為Q345鋼，尺寸(長×寬×高)為400 mm×400 mm×24 mm的薄壁超聲TOFD模擬試塊，內設一長為11 mm、埋深為10 mm的縱向裂紋。模擬試塊實物以及檢測現場分別如圖4，5所示。

圖4 模擬試塊實物

圖5 模擬試塊檢測現場

通過對模擬試塊的檢測，確定了鋼橋對接焊縫缺陷檢測的最優工藝參數：楔塊角度為60°；探頭頻率為7.5 MHz；晶片直徑為3 mm，探頭中心距為各個模擬試塊高度的2/3。然后在該最優參數的基礎上使用SUPOR 32PT型TOFD主機分別對12塊模擬試塊進行檢測。

3 TOFD-D掃圖像特征分析

分別從評圖軟件Supor Up中截取不同缺陷的TOFD-D掃圖像，圖像縱軸為D掃描長度，橫軸為接收到TOFD檢測信號的時間；然后分別從紋理、形狀和走向等3個角度對不同缺陷的TOFD-D掃圖像特征進行分析。

3.1 典型缺陷成像描述

3.1.1 表面開口裂紋

表面開口裂紋可分為掃查面開口裂紋和底面開口裂紋。掃查面開口裂紋和底面開口裂紋的TOFD-D掃圖像如圖6，7所示。由圖6可見，掃查面開口裂紋的TOFD-D掃圖像中直通波斷開，缺乏缺陷上端點衍射信號，僅能觀察到與直通波相位相同的缺陷下端點衍射信號；表面紋理呈較為稀疏的波紋狀；整體形狀為連續的條紋；走向與焊縫延伸方向斜交。

圖6 掃查面開口裂紋的TOFD-D掃圖像

由圖7可見，底面開口裂紋的TOFD-D掃圖像中底面反射波信號中斷，圖像中沒有缺陷下端點衍射信號；表面紋理呈密集的波紋狀；整體形狀顯示為與掃查方向垂直的拋物線形，其中拋物線端部較為平緩；走向與焊縫延伸方向垂直。

圖7 底面開口裂紋的TOFD-D掃圖像

3.1.2 內部裂紋

內部裂紋是指焊接接頭局部區域的金屬原子結合力遭到破壞，形成新界面所產生的縫隙。裂紋是焊縫缺陷中危害性最大的一種，裂紋末端的尖銳缺口會引起應力集中，促使裂紋進一步擴展，引起焊接結構的過早破壞。內部裂紋的TOFD-D圖像如圖8所示。

圖8 內部裂紋的TOFD-D掃圖像

由圖8可見，內部裂紋的TOFD-D掃圖像的上、下端點衍射信號均不連續，并且上下端點衍射信號之間還有許多雜散信號，內部裂紋的TOFD-D掃圖像具有以下特征：尖端朝向不一；表面紋理呈鋸齒狀；整體形狀呈斷續的條紋狀，且在圖像邊緣存在許多小的尖角；走向大體上與焊縫延伸方向平行。這些特征可以將內部裂紋與表面開口裂紋明顯地區分開來。

3.1.3 氣孔

氣孔是由侵入熔池的氣體在熔池內金屬冷卻凝固前來不及逸出形成的。氣孔會破壞焊縫金屬結構的致密性和塑性，減小其有效截面，從而降低焊縫的機械性能。氣孔的TOFD-D掃圖像如圖9所示。

圖9 氣孔的TOFD-D掃圖像

由圖9可見，氣孔的TOFD-D掃圖像中上下端點衍射信號混合在一起，沒有明顯的邊界，部分上端點衍射信號被直通波掩蓋，相位無法分辨；信號表面紋理呈密集波紋狀；信號整體形狀略呈橢圓形或曲率較大的拋物線形；信號走向與焊縫延伸方向垂直。

3.1.4 夾渣

夾渣是在焊接過程中，由于非金屬雜質、熔渣等冶金反應產物未來得及析出或者前道焊縫的熔渣未清除干凈，殘留在焊縫內部而形成的。夾渣會降低焊縫的韌性和塑性，且其尖角易引起應力集中，形成裂紋。夾渣的TOFD-D掃圖像如圖10所示。

圖10 夾渣TOFD-D掃圖像

由圖10可見，夾渣的TOFD-D掃圖像的上端點衍射信號比下端點衍射信號要強，且有一個非常明顯的多次波動信號；信號表面紋理呈波紋狀；信號整體形狀呈不規則的雙曲線形，且線形端部較為平緩；走向與焊縫延伸方向斜交。

3.1.5 未熔合

未熔合是指在焊道金屬和母材之間或填充金屬之間未完全熔化和結合的部分，造成未熔合的主要原因是焊接工藝參數設置不當。未熔合會減少焊縫的有效截面積，造成應力集中，降低焊縫的強度。未熔合的TOFD-D掃圖像如圖11所示。

圖11 未熔合的TOFD-D掃圖像

由圖11可見，未熔合的TOFD-D掃圖像的上端點衍射信號相對光滑且有部分被直通波信號覆蓋；信號表面紋理呈鋸齒狀或魚鱗狀；信號整體形狀呈斷續的不規則條紋形；信號走向整體上與焊縫延伸方向平行。

對比圖8和圖11可以發現，內部裂紋和未熔合缺陷信號在紋理、形狀和走向上較為接近，但是未熔合的邊緣更加平緩。

此外，通過對比還發現試驗中未熔合缺陷與標準NB/T 47013.10-2015 《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》 推薦的未熔合圖像特征并不一致(見圖12)，這表明壓力容器的焊縫缺陷標準圖庫并不完全適用于鋼橋對接焊縫缺陷的定性判定，因此，需要在日常鋼橋對接焊縫檢測中繼續積累典型焊縫缺陷的TOFD-D掃圖像，以進一步提高鋼橋對接焊縫缺陷識別的準確率。

圖12 NB/T 47013.10-2015推薦的未熔合圖像

3.1.6 未焊透

未焊透指的是焊接時接頭處的金屬未進入根部的現象。未焊透會減小焊縫的截面積，引起應力集中，使得焊接工件在承受荷載時容易開裂。未焊透的TOFD-D掃圖像如圖13所示。

圖13 未焊透的TOFD-D掃圖像

由圖13可見，未焊透的TOFD-D掃圖像中上端點衍射信號和下端點衍射信號較為完整；信號表面紋理呈鋸齒狀或稀疏的波紋狀；信號整體形狀呈不規則的雙曲線形或連續的鋸齒形；信號走向與焊縫延伸方向平行。

對比圖10和圖13可見，夾渣的N8模擬試塊和未焊透的N12模擬試塊的TOFD-D掃圖像較為接近，在實際檢測中極易混淆；但是對比夾渣的N7模擬試塊和未焊透的N11模擬試塊的TOFD-D掃圖像可以發現，夾渣信號呈斷續的雙曲線狀，而未焊透信號呈連續的鋸齒狀，且起伏變化較為頻繁，根據這種差異，可對夾渣和未焊透進行區分。

3.2 缺陷類型的圖像特征

綜上，TOFD-D掃圖像可以表征鋼橋對接焊縫缺陷類型，鋼橋對接焊縫典型缺陷與TOFD-D掃圖像的對應關系如表2所示。

表2 鋼橋對接焊縫典型缺陷與TOFD-D掃圖像特征的對應關系

4 結語

采用TOFD檢測技術進行了鋼橋對接焊縫缺陷類型判別的研究，使用TOFD技術檢測含有常見典型缺陷的模擬試塊，通過分析鋼橋對接焊縫常見缺陷的TOFD-D掃圖像特征，得出了以下結論。

(1) 鋼橋對接焊縫典型缺陷TOFD-D掃圖像特征與缺陷類型密切相關，通過建立對接焊縫缺陷與TOFD-D掃圖像特征的對應關系，可以為辨識對接焊縫缺陷類型提供依據。

(2) TOFD技術對于鋼橋對接焊縫缺陷檢測具有很好的研究前景和應用價值，值得進一步加以研究，以豐富對接焊縫典型缺陷的特征圖庫，增加TOFD檢測結果準確度與客觀性，為TOFD檢測技術在實際鋼橋建設中的應用提供技術支撐。