起重機T形焊縫腹板面超聲波檢測仿真研究

沈洪宇 張國斌 李 欣

1嘉興市恒泰特種設備檢測有限公司 嘉興 314050 2嘉興市特種設備檢驗檢測院 嘉興 314050

0 引言

橋門式起重機箱形主梁結構的核心支承構件是高強度鋼板[1]，T形焊縫是主梁結構成型的最主要焊縫形式。使用中的起重機在長期承受交變載荷以及惡劣的工作環境的影響下，應力集中處的T形焊縫容易產生疲勞裂紋。裂紋缺陷是起重機主要受力結構破壞的關鍵因素，直接影響高強度鋼板母材的質量安全，甚至會引起主梁折斷，造成人身財產損失。因此，對起重機金屬結構T形焊縫的質量進行檢測，提供一種高效方法對其使用的安全性作出評價或合理的維修需求迫在眉睫。

常規的檢測方法有超聲波、磁粉、滲透、射線等，其中超聲波檢測是焊縫裂紋無損檢測中最行之有效的技術，具有工作效率、檢測靈敏度高等優點[2]。文獻[3]通過仿真軟件分析了缺陷的類型、長度、缺陷所處的位置，但未就探頭的選擇、入射頻率等進行分析，只對起重機焊縫裂紋檢測關鍵技術進行研究[4]，在內部缺陷精確定位定量上還存在關鍵點需要突破。本文首先模擬常規超聲檢測探頭在高強度鋼板T形焊縫模型中的與預置內部缺陷相互作用及聲波傳播的規律，通過采用控制變量法進行仿真測試找到最佳檢測參數，并為后續相控陣超聲仿真實驗檢測提供參考依據和縮小仿真實驗的參數調節范圍，為實際工程應用提高工作效率、增加檢出率提供重要參考。

1 超聲波檢測仿真技術

1.1 超聲波檢測原理方法

超聲波檢測是利用超聲波對金屬構件內部缺陷進行檢查的無損探傷方法。超聲探頭向金屬構件表面通過耦合劑發射超聲波，超聲波在構件內部傳遞時遇到不同的介質產生不同的回波，利用不同回波返回探頭的時間差檢測構件內部缺陷，進而根據顯示屏上的回波信號判斷缺陷的位置、大小、性質等。

常規的超聲波檢測存在近場盲區及聲束擴散角，在用的起重機T形焊縫腹板面檢測通常需要高空作業或依靠檢測裝置，單一的檢測探頭不能很好地完成檢測任務，若增加探頭則要增加檢測人力物力，且完成質量亦不盡人意。相控陣檢測技術是在常規超聲檢測技術上發展而來的[5]，通過對按照一定規律排列的獨立陣元加以適當移相或延時，在不同方位上獲得相位或延時補償，在同一檢測位置得到多波束回波信號，從而更精確地實現缺陷表征。結合相控陣檢測儀器，可實現A掃、B掃、C掃、D掃、線性掃查、扇形掃查、復合掃查等。

1.2 起重機腹板面焊縫檢測對象

起重機的箱形梁包括4條T形焊縫，可施展檢測的區域包括腹板、上下蓋板、翼緣板等外表面，如圖1所示。焊接工字梁的上下蓋板與腹板由4條縱向角焊縫連接，由于蓋板在厚度方向的不均勻受熱以及焊縫的橫向收縮，使蓋板產生角變形，角變形的大小與焊縫尺寸、受熱體積大小和蓋板厚度有關。焊縫尺寸及受熱體積越大，蓋板厚度越小，焊后角變形越大。主梁上下蓋板和腹板要求焊透，達到等強度接頭。起重機在吊點附近，其上蓋板與腹板附近承受壓應力，下蓋板與腹板處承受拉應力，同時該區域受到的起升沖擊、突然卸荷以及作業垂直動載也最大，是重點檢測的區段，該區域可通過觀測翼緣板下端面磨損情況確定。

圖1 起重機箱形梁截面及焊縫區域放大圖

1.3 仿真模型的建立

工藝研究是檢測技術的重要環節，本文采用CIVA仿真軟件對超聲波探頭參數進行設計優化。在此軟件中建立起重機腹板面T形焊縫模型，為了得到最佳的仿真結果，建立了與實際工程使用工件參數相一致的可視化仿真模型，如圖2所示。

圖2 可視化仿真模型

設計仿真模型尺寸為長160 mm，寬50 mm，翼緣板和腹板厚度均為10 mm，90°垂直焊接，設計為雙單邊V形坡口，兩側余高均為5 mm，模型材料為鋼（縱波聲速為5 900 m/s，橫波聲速為3 230 m/s，密度為7.8 g/cm3），衰減值為0.02 dB/mm，采用的耦合劑為機油（聲速為1 750 m/s，密度為0.86 g/cm3）。仿真模型內部預置尺寸為Φ2(Φ3、Φ4)mm×6 mm，垂直于輪廓表面，缺陷中心位于T形焊縫中心的橫向橫孔缺陷以及同樣尺寸平行于輪廓表面的縱向橫孔缺陷。

常規超聲波檢測仿真采用中心頻率為2～5 MHz，晶片直徑為6～18 mm的直探頭進行仿真。相控陣檢測仿真采用如表1所示配置。

表1 相控陣檢測仿真探頭配置表

2 常規超聲波檢測仿真過程及分析

2.1 仿真工藝

使用直探頭在翼緣板中心位置模擬弓字形C掃描檢測，步距為0.5 mm，掃查區域覆蓋預置的橫孔缺陷，以頻率f、晶片直徑D為變量，分別進行模擬C掃描掃查。

2.2 仿真結果

通過C掃描檢測過程中內部缺陷反射回波的最大幅值圖像可知，當橫軸為頻率f、晶片直徑D固定時，缺陷回波幅值隨頻率遞減；當橫軸為晶片直徑D、頻率f固定時，缺陷回波幅值隨直徑先增后減；當頻率f=2 MHz、D=12 mm時，最高回波=1.38 pts，C掃描缺陷回波幅值如圖3所示。如圖4所示，頻率f=2 MHz，不同晶片直徑時C掃描圖像匯總。如圖5所示，頻率D=6 mm，不同頻率時C掃描圖像及最大回波的A掃信號。

圖3 C掃描缺陷回波幅值圖

圖4 不同晶片直徑時C掃描圖像

圖5 不同頻率時C掃描圖像

2.3 仿真分析及結論

理論上超聲波頻率較高時，波長澆較短，能量集中且聲束細，分辨率好，但掃查空間較小，僅能發現聲束軸線附近位置的缺陷，常見的接觸式探頭的頻率一般為2～10 MHz；當晶片直徑較大時，發射能量也較大，聲束擴散角小，掃查空間大，常見的圓形晶片探頭的直徑為Φ6～Φ20 mm。

根據縱波直探頭翼緣板檢測焊縫區域橫向Φ2 mm×6 mm橫孔缺陷仿真結果，探頭頻率宜選用較低頻率，檢測靈敏度較高。由直徑為Φ6 mm、頻率為2～5 MHz的C掃描圖可知，頻率較高時能量集中，C掃圖像更能反映內部缺陷的真實形貌。采用水浸法自動C掃描成像檢測時，宜選用高頻率探頭，但在接觸法手工探傷中為了更容易發現缺陷，仍需選用較低頻率。為此，頻率宜選用2.5 MHz。

根據仿真結果可知，圓形探頭晶片的直徑為Φ12 mm時的檢測靈敏度最高。依據（頻率為2 MHz）晶片直徑為Φ6～Φ18 mm的C掃描圖像可知，直徑為Φ18 mm的圓形探頭接觸法手工檢測時最容發現缺陷。直徑較小時，只有移動探頭使聲束軸線位于缺陷附近才能接收到缺陷反射回波。此外，小直徑晶片的探頭在近場范圍內聲束窄，有利用缺陷定位，故綜合考慮宜選用晶片直徑為Φ12～Φ14 mm的圓形探頭。

因此，綜合考慮檢測靈敏度以及接觸法手工檢測的實際情況，根據仿真計算結果可以得出結論，選用頻率為2.5 MHz，晶片直徑為Φ12～Φ14 mm的圓形探頭可以提高內部缺陷檢出率。

3 相控陣檢測仿真過程及分析

3.1 仿真工藝

采用32L5G2、32L10G2、64L5G2相控陣探頭，探頭均使用G2-S55楔塊，掃查腹板面，為保證扇掃一次波覆蓋腹板面根部，二次波盡可能覆蓋較大的焊縫區域，設置楔塊前沿距離翼緣板為6～10 mm。角度范圍為35°～85°，步進值為0.5°,扇掃聲場覆蓋范圍如圖6所示。

圖6 扇掃聲場覆蓋圖

3.2 仿真結果

3個探頭扇形掃查的累積聲場如圖7～圖9所示。為了使相控陣仿真檢測結果具有可比性，采用波幅定量方法進行對比分析，仿真結果統計見表2。

表2 仿真波幅定量值統計結果

圖7 32L5G2探頭聲場計算結果示意圖

圖8 32L10G2探頭聲場計算結果示意圖

圖9 64L5G2探頭聲場計算結果示意圖

3.3 仿真分析與結論

由腹板位置橫波檢測T形焊縫時，采用相控陣探頭的偏轉特性可在探頭不移動的情況下實現對被焊縫檢測區域的全覆蓋掃查，還可激發多角度聲束，從而提高檢測效率及缺陷檢出率。

就檢測靈敏度而言，利用現有相控陣探頭模擬的Φ2、Φ3、Φ4橫孔的超聲檢測當量波高，依次為32L5G2、64L5G2、32L10G2。探頭頻率的取值由工件的材料、尺寸、缺陷位置等決定，同時考慮穿透能力和發現缺陷的能力。

在實際技術和成本可以達到的情況下，陣元個數的取值應盡可能大，陣元寬度W越大旁瓣級η越大，導致聲場波束能量不能集中到所需方向，使陣列探頭的性能變差。為避免柵瓣出現的同時抑制旁瓣級的幅度，取值為32的陣列探頭可使系統具有較高性價比。

4 結束語

檢測起重機腹板面的T形焊縫質量，需要提供一種高效的檢測方法以提高檢測效率，增加檢測靈敏度，擴大檢測范圍，節約人力物力。通過分析起重機在使用過程中重點受力的T形焊縫區域，利用CIVA仿真軟件建立了仿真模型，以常規超聲波探頭找出最佳檢測參數為依據，縮小相控陣仿真參數范圍，通過對比分析，得到相控陣仿真的入射頻率、陣列探頭數。