波形鋼腹板類T型焊縫缺陷相控陣定量方法

孫萬紅， 王志剛， 熊 新， 熊青松， 鄭 輝

(1. 南昌市建筑科學研究所， 南昌 330029； 2. 南昌市建設工程質量監督站， 南昌 330008；3. 南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室， 南昌 330063)

0 引 言

大跨度新型橋梁結構中，波形鋼腹板組合箱梁結構正逐漸取代傳統的預應力混凝土箱梁結構。波形腹板工件主要是波形鋼腹板和平翼緣鋼板通過焊接制作構成，對比于平腹板構件，這是一種新型而且高效的構件，主要是腹板波折后極大地提高了其受力性能[1-3]。通過比較波形腹板工件、U型鋼及礦用工字鋼構件以及其他一些類似構件的穩定承載力，可以發現波形腹板的構件具有較高而且穩定的軸壓承載力，其鋼材的耗損較少，在經濟效益上優勢明顯。由于該類構件用材經濟實惠，且能快速制造，有良好的受力性能，還有結構簡單輸送便捷等優勢，故在一部分建筑用輕型鋼結構和門式鋼架結構、公用大型建筑結構和大跨度橋梁結構中使用得非常多[4-7]。

波形鋼腹板在國外的使用是從1983年法國開始，國內第一次使用此種結構是在2005年，但國內外對此種結構的無損檢測還處于空白階段。我國在近10年用該新型結構先后設計和建設了不少大跨度橋梁，如江蘇淮安的長征人行橋、河南光山的潑河大橋、山東東營的銀座橋B橋和C橋、河北邢臺的郭守敬橋和鋼鐵橋4座橋，山東鄄城的黃河大橋以及南昌的朝陽大橋等大跨度橋梁[8-10]。隨著和這種新型構件類似的結構在最新不斷建設的橋梁中大量地投入使用，那么其生產制造水平和使用質量保障問題變得非常重要。在整個橋梁的結構中，PC箱梁是其主要的受力構件，而在PC箱梁結構中波形鋼腹板又是其主要的受力構件，所以在箱梁及整個橋梁的壽命和安全使用中，重中之重就是波形鋼腹板的加工和安裝質量，一旦在質量上出現問題，那么它將導致難以想象的惡果。一般情況下，可供選擇的無損檢測方法有很多，其中由于超聲波穿透能力強、設備精巧便攜且檢測的效率高，最重要是成本低、性價比高，因此超聲檢測方法應用得最為廣泛[11-12]。

波形鋼腹板和翼緣板的角接焊縫類似于有波形腹板的T形焊縫，但其有一定的曲率，在實際超聲檢測中，安裝好的波形鋼腹板的翼緣板上會有栓釘的阻礙，故探頭只能放在腹板用橫波斜入射的方式進行檢測。由于常規超聲脈沖反射法檢測有很大盲區，在檢測過程中需要不斷地進行補償和修正，且在焊縫移動掃查過程中會產生耦合不穩定，將導致極大的檢測誤差[13-14]。本文采用的超聲相控陣檢測技術在檢測T型焊縫過程中具有極大的潛在優勢，應用范圍和發展前景十分廣闊，是當前科學研究的熱點和重點。超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，通過控制激發各個晶片的延遲時間，實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦。使用此方法進行檢測時，由于能量高、聲波的傳播范圍廣，對形狀怪異和構造精密的構件都能檢測，而且效果好，檢測簡單迅速，能直接顯示缺陷圖像[15-16]。同時，在研究過程中重點分析曲面相控陣檢測與平面相控陣檢測結果存在的差異，為波形鋼腹板缺陷的準確定量提供可靠依據。

1 T型焊縫相控陣檢測原理

研究的波形鋼腹板結構類似于T型焊縫結構，根據實際安裝要求，需要在腹板上采用斜入射方式完成焊縫質量檢測。

超聲相控陣實際上是利用電子控制陣元激勵時間的方式實現聲場的偏轉，即產生不同角度的超聲波，并在位置固定的超聲探頭上依舊可調節偏轉角度以進行扇形掃查，因此其有效檢測區域包括了整個焊縫。常用一維線性陣列結構，如圖1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；h為單個晶片的寬度；p為兩個晶片中心之間的間距；g為相鄰晶片間的間距[17-18]。

圖1 相控陣一維線性陣元結構示意圖

要控制相控陣的聲束聚焦實際上就是控制陣元激勵時間，從最兩側開始激勵，然后依次向中間延遲激勵，最后形成了具有一定曲率的波陣面，這種波陣面傳播一定時間后將形成聚焦。因此，實際聚焦長度由延遲時間控制，對于具有N個陣元的相控陣探頭來說，根據需要聚焦的位置可以按照下式計算延遲時間：

(1)

式中：N為探頭陣元總數；F為焦距；c為超聲波速；d為陣元間距；n為相控陣的第n個陣元。

要控制相控陣的聲束偏轉也是通過控制陣元激勵時間來實現的，如果要使得波陣面向右偏轉，那么就要從左邊陣元開始依次激勵，同樣要向左偏轉則需從右邊陣元開始激勵，偏轉角度也是由延遲激勵時間控制，對于具有N個陣元的相控陣探頭來說，根據需要偏轉的角度可以按照下式計算出延遲時間：

(2)

式中：N為探頭陣元總數；d為探頭陣元間距；θ為偏轉角度；c為超聲波速；n為相控陣第n個陣元。

此外，相控陣檢測結果可通過圖像顯示，且每個不同角度其檢測信號可同一時間以圖像的形式顯示。因此，要顯示出整個焊縫截面的回波信號，只需在波形鋼腹板上找到一個合適的位置將探頭固定即可實現。探頭固定后，焊縫的中下部可利用角度比較大的直射波進行檢測；而焊縫的中上部則需要利用角度比較小的一次反射波進行檢測。因此找到一個合適的位置固定好相控陣探頭就能夠使超聲波完全掃查整個焊縫。故進行檢測時，只需保證探頭與焊縫之間的間距不變，然后順著焊縫進行線性掃查即可，如圖2所示。如果焊縫中出現缺陷，將會同時顯示缺陷信號和干擾信號，但是只要有回波信號出現在干擾信號顯示的位置以外的區域，就可以判斷其為缺陷信號，與此同時，將有缺陷和沒有缺陷的信號圖像進行分析比較，得出相應的規律，使得識別缺陷信號變得更加簡單，而檢測的可靠性得到了提高，檢測的難度變低，其誤判率也變小[19-20]。

圖2 超聲相控陣聲程覆蓋區域圖

2 實驗研究

2.1 檢測系統

實驗使用的Phascan相控陣檢測儀如圖3所示，該超聲相控陣儀器的發射和接收通道都是獨立的，它們分別有128和32個通道，其中探頭最大的支持是128個陣元晶片。儀器有內置的聚焦法則，它包含線性掃查和扇形掃查兩種方式，而其掃描視圖則可分為A/S/B/C掃描等。該儀器的顯示方式是電阻觸屏，故在檢測過程中記錄檢測結果時將更加快速便捷，其校準功能包括聲速、延遲、靈敏度及TCG(時間校正增益)等。

圖3 Phascan相控陣檢測儀

實驗中相控陣儀器所使用的探頭都是由多普勒公司所生產的配套探頭，而本次實驗主要用的探頭是線性陣列探頭，其探頭的型號為5L32-0.5-10，楔塊的型號為SD2-N60S。本次實驗過程中所選用的試塊型號分別是CSK-ⅠA和CSK-ⅢA試塊。

2.2 試樣制備

按照橋梁波形鋼腹板T型焊縫的要求，委托山東濟寧模具廠加工制造了2塊實驗試樣，試樣編號分別為1#、2#，試樣材料均為Q345D，如圖4所示。翼板尺寸為500 mm×400 mm×22 mm，波紋鋼腹板尺寸為500 mm×300 mm×22 mm×R240 mm，試樣中加工了長橫孔、平底孔和表面開槽3種人工缺陷，其中長橫孔加工在1#試樣上，平底孔和表面開槽加工在2#試樣上，分別是為了模擬焊接中出現的裂紋、未焊透和未熔合3種危害性大的缺陷類型。

圖4 波形鋼腹板試樣實物圖

為了比較不同檢測面的檢測效果，在試樣上平面和凸曲面檢測位置都加工了缺陷，具體加工參數分別在表1、2中列出，表中數據都是以試樣左邊為0點開始水平測量的結果。

表1 1#試樣長橫孔設計參數 mm

表2 2#試樣平底孔和表面開槽設計參數 mm

2.3 實驗測試結果

由于本實驗試件的復雜性，在檢測前需要采用控制變量法來改變儀器參數，通過不同參數所呈現的檢測結果之間的對比來確定一組最佳檢測參數，并以此參數為檢測最佳靈敏度對試件進行超聲相控陣檢測。

經過多次試驗驗證發現最佳檢測參數如下：陣元數32， 掃查角度20°～70°，步進角度1°， 聚焦深度15 mm。確定上述掃查參數，通過儀器自帶的定標功能，在CSK-IIIA試塊上對相控陣檢測儀器進行定標操作。定標操作的目的在于確定缺陷最嚴重部位的當量尺寸、缺陷深度精確值等。

將相控陣儀器及探頭在試塊上調整好后，對2塊試樣進行實驗測試。首先在試塊無缺陷處測試，檢測圖像如圖5所示，然后在各試樣的不同人工預置缺陷處進行相控陣檢測，相控陣實驗測試數據分別列在表3、4中，圖6和7分別為平面和曲面掃查長橫孔缺陷處的掃查圖像；圖8和9分別為平面和曲面掃查平底孔缺陷處的掃查圖像；圖10和11分別為平面和曲面掃查根部橫槽缺陷處的掃查圖像。

表3 1#試樣人工缺陷檢測結果

表4 2#試樣人工缺陷檢測結果

圖5 無缺陷處相控陣檢測圖像

圖8 2#試樣平底孔(平面)檢測圖像

圖9 2#試樣平底孔(曲面)檢測圖像

圖10 2#試樣橫槽(平面)檢測圖像

圖11 2#試樣橫槽(曲面)檢測圖像

2.4 實驗結果分析

首先對不同檢測面上的人工反射體缺陷的檢測圖像進行對比。經過分析比較得出平面檢測的缺陷圖像顏色比曲面檢測的缺陷圖像顏色要深，說明在平面上的檢測幅值要高于曲面上檢測幅值，表3、4中的檢測數據缺陷當量也反映出了這個由于耦合問題出現的靈敏度下降現象。通過表5對比結果可以得出測量的耦合損失靈敏度大致在2.8～4.1 dB范圍內，這為今后的曲面補償和缺陷定量提供可靠的參考依據。此外，通過檢測結果的對比，發現曲面和平面的人工反射體缺陷定位和測長結果都比較準確，說明在波形鋼腹板中采用超聲相控陣檢測技術是可行的。

此外，本次實驗也發現了一些超聲相控陣方法存在的問題，由于實驗所用的耦合劑為機油，且在腹板上檢測，機油具有較大的流動性，對實驗的耦合有較大影響。其次超聲相控陣探頭與普通超聲探頭相比體積尺寸更大，由于腹板有一定的弧度導致各個位置耦合情況并不一致。實驗測量時由于需要手工測量最高幅值位置及起始點位置，由于腹板是兩個R240的圓弧，對測量有一定的影響。測量過程中需要不斷地改變光標位置，使光標對準缺陷S顯示顏色最深部位，光標的位置對最大幅值的測量有比較大影響，這也是造成定位和測長結果產生誤差的原因之一。

3 結 語

針對波形鋼腹板T型焊縫的不同檢測面上的缺陷檢測困難，提出了超聲相控陣檢測技術。

(1) 相比常規超聲只有距離-波幅顯示，超聲相控陣儀器具有更好的可視化顯示，不僅有常規的A掃描顯示還有S掃描顯示，缺陷的圖譜可以通過圖像識別系統及人眼可視化來判斷。

(2) 通過實驗研究確定了預置人工反射體曲面和平面超聲相控陣檢測的靈敏度下降幅度范圍為2.8～4.1 dB，為后期相控陣的曲面檢測定量校準提供可靠數據。

(3) 實驗研究表明，對于波形鋼腹板T型焊縫的各種危害性缺陷用超聲相控陣檢測技術都可以有效可靠地進行檢測，而且通過校準之后還可以對缺陷進行準確的定量與定位。