鋼橋U肋焊縫多通道超聲檢測成像技術探討

摘 要：目前，我國在役鋼橋存在正交異型橋面U肋板結構開裂的橋梁損傷問題，同時現有檢測技術無法滿足U肋全溶透焊縫的檢測要求，因此針對未來鋼結構橋梁發展趨勢及U肋全溶透焊縫的檢測技術需求，研究提出了多通道超聲檢測成像技術，其采用一組爬波探頭和二組橫波探頭組成多通道爬波與橫波組合超聲檢測技術，通過爬波檢測U肋板厚范圍內焊縫、兩個橫波斜探頭，分別檢測U肋板厚范圍外焊縫來對該焊縫進行有效檢測，并通過試驗論證證明該技術在實際檢測中具有較高的檢測準確度和可靠性。

關鍵詞：多通道超聲檢測成像技術；焊縫檢測；超聲檢測；相控陣檢測

中圖分類號：U 44" " 文獻標志碼：A

1 技術開發背景和應用前景

目前，鋼結構橋梁在我國迅速發展，U肋正交異性板是鋼橋面最重要的組成構件，U肋與頂板角焊縫是其最重要的焊縫之一，此類橋梁結構經過十幾年的服役期后，產生的橋面缺陷大部分是該類焊縫根部的1～2mm處形成疲勞裂紋源，并慢慢擴展至橋面板、U肋腹板和橫隔板開裂造成。鑒于此種情況，國內開始使用全熔透焊接技術消除根部未焊透，減少裂紋產生傾向。

由于U肋與頂板角焊縫不是正“T”形結構，且U肋板厚只有8mm，目前現有檢測方法無法保證對焊縫進行全覆蓋，存在漏檢的情況，因此需要研發一種新型、有效的無損檢測方法，可以對U肋角焊縫進行全覆蓋，杜絕缺陷漏檢的情況，提高焊縫的質量。

由于發展時間短，因此截至2015年底，我國鋼橋占橋梁總數0.25％[1]，從發展趨勢來看，我國鋼橋發展前景廣闊，以湖北省為例，目前湖北省長江大橋有38座，其中，采用正交異性鋼橋面板的橋梁有31座。根據規劃，湖北省長江大橋的數量還將持續增長，預計到2035年，我國規劃布局長江干線過江通道 276 座，其中湖北省69座，未來U肋全熔透焊縫的檢測需求仍在不斷增加。

2 U肋全熔透焊縫檢測技術的缺陷

目前，U肋全熔透焊縫檢測技術包括羅旭輝[2]提出的常規超聲檢測法（A超）﹑陳剛等[3]提出的超聲波相控陣檢測法﹑潘虎等[4]提出的用一次反射波和二次反射波的超聲掃查方法。

常規超聲檢測U肋全熔透焊縫主要在腹板上采用一次波和二次波，通過不同角度探頭進行多次檢測的方法，但其檢測區域不能對焊縫進行全覆蓋，容易漏檢和誤判。超聲相控陣檢測主要采用在U肋面板上掃查和在橋面板掃查的方法，第一種是在橋面板掃查，由于聲波在面板界面多次反射，且無反射回波，因此對U肋腹板與面板未焊透的缺陷，會出現漏判的情況。同時探頭布置位置中心線與實際焊縫中心線偏差較大，會導致回波不準確，影響缺陷波識別。采用第二種方法在U肋面板上掃查，要實現聲束全覆蓋焊縫，其檢測聲束最大角度要大于70°，此時，激發的聲波入射至鋼中不只有純橫波，還有表面波、爬波等，最終導致缺陷位置及深度判斷出現錯誤的情況。采用超聲爬波檢測對U肋全熔透角焊縫進行檢測的方式，因其缺乏理想的無損檢測手段，所以不能在實際工程應用中給出焊縫質量的具體評價數據，U肋全熔透角焊縫的焊接缺陷，嚴重地影響了鋼結構橋梁的耐久性。

3 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測成像技術可行性

3.1 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測成像技術

U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測成像技術是指采用一組爬波探頭和二組橫波探頭組成多通道爬波與橫波組合超聲檢測技術，其中，一組爬波檢測U肋板厚度范圍內焊縫，二組橫波斜探頭分別檢測U肋板厚度范圍外焊縫，同時，為了實現快速檢測和數據實時記錄，還開發了多通道自動化同步檢測掃描成像技術。研究將這種技術定義為U肋全熔透焊縫專用多通道超聲成像檢測技術，如圖1所示，爬波探頭2掃查U肋板厚范圍內焊縫，橫波斜探頭探頭1和3分別檢測U肋板厚范圍外焊縫。

3.2 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測成像技術可行性分析

從理論分析，橫波對焊縫的檢測是沒有板厚限制的，一般根據檢測對象厚度來選擇儀器和探頭。國際和國內對板厚≤6mm和＞400mm的特殊接頭未制定通用的檢測標準，本文多通道超聲檢測成像技術采用橫波技術的斜探頭1和3檢測U肋板厚范圍外焊縫，如圖2所示，通過探頭1和3的一次波和二次波可掃查覆蓋焊縫的外表面及內表面根部位置，滿足對U肋板厚范圍外焊縫檢測的技術要求。

爬波是在表面下的縱波，其傳播速度與縱波相同，公稱焦點距離可達20mm，有效最大聲程為45mm。目前U肋焊縫腹板公稱厚度為8mm，外焊縫寬度為8～10mm，距頂板20mm左右屬于爬波有效聲程，使用爬波探頭可以一次覆蓋整個U肋板厚，如圖3所示。同時，爬波探頭在距離焊縫一定距離上，聲束能夠覆蓋整個焊縫截面，實現立體掃查，入射聲束與焊縫中的裂紋、未熔合、未焊透等缺陷基本垂直，對該類缺陷的檢出率更高。爬波只對表面層幾個毫米深的區域敏感，橫波無法對其形成干擾，同時，由于橫波的聲速約為爬波的一半，橫波產生的信號在時基線上位置要比爬波信號延后，因此橫波和爬波的結果互不干擾，同時二者組合掃查又能保證對焊縫全區域進行覆蓋，通過理論論證，采用爬波與橫波的組合技術是可行的。

3.3 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測成像技術檢測設備設計制造

U肋結構斷面呈梯形（底寬×高：300mm×280mm，板厚為8mm），每根長12m以上，細長的結構限制了雙面檢測，可以根據U肋的結構形式，設計多通道超聲成像檢測儀和專用掃查裝置。

多通道超聲成像檢測儀具有多通道顯示功能，每個通道獨立顯示，可單獨設置檢測范圍和掃查靈敏度，可同時接多個探頭，A掃和B掃同時顯示。采樣頻率達到125MHz，且可外接編碼器，對位置信息記錄。圖像保存時間長，可將圖像數據采集好帶回分析保存。圖譜由3個部分組成，3個探頭檢測的數據獨立顯示在各自對應的分區內（如圖4所示），缺陷顯示直觀、易懂，可提高檢測效率，又能提高檢測數據評判的可靠性、直觀性。

專用掃查裝置有兩對磁性輪，且兩對輪子呈直角，輪子與U肋構成穩固的三角形結構，保證了掃查裝置行走過程的穩定性。探頭固定裝置采用了活動擺叉，探頭由螺栓連接，前后位置可調，上下有彈簧，保證探頭與U肋板緊密貼合。探頭具有注水口，可與壓力水箱連接，保證探頭耦合，不需要人工刷耦合劑。自動掃查裝置還配有帶位置傳感器的編碼器，可記錄檢測結果的位置信息，方便數據保存及后續的數據分析。

3.4 U肋全熔透焊縫多通道超聲檢測成像技術現場試驗及結果分析

試驗方案：采用多通道超聲檢測成像技術對U肋全熔透焊縫試板進行檢測，對檢測出缺陷的部位進行解剖，了解該技術在實際檢測工作中的可靠性和準確性。

試驗用設備為多通道超聲成像檢測儀，試驗用人工試板的U肋角焊縫模擬目前實際橋梁中的接頭形式，試塊材質為Q345qD，U肋板厚度為8mm，長度為0.5m，橋面板厚度為16mm，規格為150mm×500mm，U肋板與橋面板夾角為75°，共制作2塊人工試板。

采用爬波在焊縫腹板側探頭距離頂板15～20mm，橫波一次波探頭入射點在距面板≤22 mm，橫波二次波探頭入射點在距面板36～40mm進行檢測，檢測結果見表1。

多通道超聲成像檢測結果分析：試板1檢出2處缺陷，試板2檢出1處缺陷，在檢測結束后，為了得到準確的缺陷數據，按照檢測結果，對缺陷標記處焊縫截面進行解剖，用游標卡尺和鋼直尺對缺陷進行測量，測量結果見表2。

通過缺陷解剖圖可以發現：多通道超聲成像檢測出的缺陷與解剖檢測結果一致，說明這種檢測方法有較高的檢測準確性和可靠性。

4 結論

通過實際驗證，采用多通道超聲檢測成像技術對U肋全熔透焊縫進行檢測的結果與解剖后結果相吻合，證明該技術具有較高的檢測準確度和較強的可靠性。

參考文獻

[1]王永光，紀志芳.淺談鋼結構橋梁應用思路[J].吉林交通科技， 2016（3）：37-38.

[2]羅旭輝.鋼箱梁U肋角焊縫的超聲檢測[J].廣州建建筑， 2002（3）：41-43.

[3]陳剛，汪焮成.U肋全熔透角焊縫超聲波相控陣檢測方法研究[J].橋梁建設， 2020，50（6）：33-38.

[4]潘虎，吳天茂.全焊透T型接頭焊縫超聲波檢測[J].東方機電，2009（1）：33-36.