基于相控陣全聚焦3D技術的鋼箱梁U肋角焊縫檢測試驗研究*

宋學平

(蘭州石化職業技術學院 教務處，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

鋼箱梁是大跨徑橋梁常用的結構形式，采用大量U肋角焊縫進行焊接。鋼箱梁的U肋角焊縫屬于非全熔透的焊接方式，允許有一定的未焊透存在。因此，焊縫熔深是評估U肋角焊縫焊接質量的一個重要指標。目前，U肋角焊縫大多采用常規超聲波檢測，由于缺乏形象的圖像顯示，檢測結果不易判讀，因而檢測效率低下，難以滿足實際生產建設需求?；诖?，業內專家學者做了一些有益探索，取得了一定的成效。如，針對相控陣檢測技術體系的不完善，對U肋角焊縫超聲相控陣檢測的影響因素進行了詳細的分析，并通過實驗研究證實相控陣檢測U肋焊縫熔深的有效性，然而通用相控陣的成像分辨率的不足仍然存在[1]; 采用超聲相控陣技術進行U肋熔深檢測已在實際應用中逐步全面推廣[2]；相比之下，相控陣全聚焦技術是一種具有更高的成像分辨率、覆蓋面廣、對小缺陷靈敏度高等優勢，因而對缺陷定量具有更加準確，對焊縫熔深評估更加精準[3]; 針對對全聚焦相控陣技術的場測量以及聲場特性等問題，強天鵬等進行了詳細研究，為全聚焦檢測技術應用提供了有力技術支持[4-5]。筆者對相控陣全聚焦3D技術檢測鋼箱梁U肋角焊縫熔深時，腹板、翼板外側、腹板內側三個檢測位置的聲場覆蓋情況進行分析，通過試驗研究，對比分析三個位置檢測結果，得出最理想檢測位置，達到鋼箱梁U肋角焊縫熔深高效檢測的要求，解決常規超聲檢測效率低下，評判困難的問題。

1 全聚焦檢測技術原理

對于具有N個陣元的相控陣線陣探頭，依次激發N陣元超聲陣列探頭的每一單個陣元，所有陣元同時接收，遍歷激發所有陣元之后，將采集得到二維矩陣N*N條A型回波，原理如圖1所示。根據延遲法則，將全矩陣采集獲得的二維矩陣數據對目標網格化二維成像區域內的每一個網格進行聚焦計算，并通過彩色圖像顯示，即生成二維全聚焦成像，如圖2所示。從圖中可以看出，全聚焦具有覆蓋范圍大，缺陷分辨率高，圖像清晰等特點。

圖1 二維全矩陣數據采集 圖2 二維全聚焦圖像

對于相控陣矩陣探頭，同樣采用依次激發N陣元超聲陣列探頭的每一單個陣元，所有陣元同時接收，遍歷激發所有陣元之后，將采集得到三維矩陣N*N條A型回波，原理如圖3所示。將全矩陣采集獲得的三維矩陣數據根據延遲法則對目標網格化三維成像區域內的每一個網格進行聚焦計算并通過彩色圖像顯示，即生成三維全聚焦成像，如圖4所示。三維圖像突破了傳統的平面圖像顯示方式，能夠同時顯示缺陷信息的三維空間信息，缺陷的長度、寬度、高度、位置等信息均能夠一目了然，為缺陷的評估提供了較為全面的參考。

圖3 三維全聚焦數據采集

圖4 三維全聚焦圖像

2 鋼箱梁U肋角焊縫檢測位置設計

鋼箱梁U肋角焊縫的結構形式一般采用T接形式進行焊接，未焊透一般存在于腹板和翼板的接觸面區域。根據工件情況，在腹板上位置1處、翼板內側(腹板側)位置2處、翼板外側位置3處布置探傷位置較為合理，如圖5所示。對三處檢測位置進行聲場覆蓋分析，如圖6所示，位置1處檢測時需通過大角度覆蓋，可能會存在覆蓋不到的死角區域，存在漏檢，同時大角度時聲場擴散比較嚴重，不利于未焊透的定量；在位置2檢測時，需要通過底面反射波進行檢測，能夠覆蓋整個焊縫區域，由于采用二次波，正常的角度范圍即可覆蓋；位置3檢測采用直入射進行檢測。

圖5 鋼箱梁U肋角焊縫結構形式

圖6 聲場覆蓋分析

文中試驗試塊如圖7所示，U型結構板材(腹板)厚度為8 mm，翼板厚度9.5 mm，采用CO2氣體保護焊，雙面焊接。焊接參數為：焊接電壓23 V，焊接電流140 A，焊絲直徑1.2 mm，保護氣體流量20 L/min。

圖7 U肋角焊縫試塊

檢測設備采用CTS-PA22T全聚焦相控陣3D成像檢測系統，如圖8所示，系統具有64個全并行的相控陣硬件通道，可實時采集多達64*64條A型波的原始全矩陣(FMC)數據，具有3D全聚焦檢測模塊。

圖8 CTS-PA22T全聚焦相控陣3D成像檢測系統

檢測探頭采用5M8×8-1.5×1.5矩陣探頭，5L64-0.6×10的線陣探頭，并配備定位編碼器及探頭夾持機構，探頭及夾持工裝如圖9所示。

圖9 探頭及掃查夾具

3 試驗研究

3.1 位置1的檢測

在位置1進行檢測時，腹板厚度為8 mm，采用5M8×8-1.5×1.5矩陣探頭和55°楔塊，通過試塊的端角進行探頭位置設定和靈敏度設定，將端角回波調節到焊縫邊緣確定探頭前沿，移動探頭使端角回波位于焊縫坡口中心線確定掃查探頭位置，調節靈敏度。一次波、二次波、三次波的圖像顯示如圖10所示，最終確定探頭前端面離焊縫中心線9 mm的位置作為掃查移動位置。

圖10 位置1的探頭位置及靈敏度設定

在位置1進行檢測時，焊縫區域檢測信號較難分析，如圖11和圖12所示。由于腹板較薄，從檢測圖像比較難區分未焊透的圖像，由于在位置1屬于大角度檢測，聲場擴散比較嚴重，不利缺陷分析和定量。

圖11 位置1局部區域圖像

圖12 位置1的3D連續掃查記錄圖像

3.2 位置2的檢測

在位置2進行檢測時，翼板厚度為9.5 mm，采用5M8×8-1.5×1.5矩陣探頭和55°的角度楔塊，探頭位置和靈敏度設置采用和位置1類似的方式，如圖13所，最終確定探頭前端面離焊縫中心線15 mm的位置作為掃查移動位置。

圖13 探頭位置及靈敏度設定

在位置2進行檢測時，全焊透時，在焊縫中心區域沒有明顯的回波圖像，在焊縫邊緣區域能夠明顯看到焊縫余高的結構回波，如圖14所示。

圖14 全焊透檢測圖像

因此在位置2進行檢測時以腹板內側的焊縫余高結構波作為參考。當存在未焊透時，檢測圖像如圖15所示，可以看到在焊縫中心區域有明顯的圖像回波，同時也可以看到焊縫余高的回波。

圖15 未焊透檢測圖像

在位置2通過編碼器定位進行連續3D掃描獲得完整圖像如圖16、圖17所示。從檢測圖像中可以看出，連續3D圖像顯示非常直觀，能夠完整透視整個焊縫內部情況，能夠看到完整的未焊透區域和焊縫余高的連續圖像顯示，可見在位置2進行U肋角焊縫的檢測是可行的。

圖16 全焊透3D圖像連續記錄

圖17 未焊透3D圖像連續記錄

3.3 位置3的檢測

在位置3進行檢測時，翼板厚度為9.5 mm，采用5L64-0.6×10線陣探頭和0°楔塊，探頭放置在焊縫的正上方區域，檢測圖像如圖18所示。

圖18 位置3的檢測圖像

圖像中間區域為未焊透區域，邊緣還可以觀察到焊縫余高的輪廓回波。因此在位置3檢測也是可行的。

4 結 論

通過采用3D全聚焦檢測技術對鋼箱梁U肋角焊縫進行檢測研究，具有如下結論：

(1)在腹板外側面進行檢測時，圖像較為復雜，缺陷不易區分，因此對U肋焊縫進行熔深評估時難度較大，不建議在該部位進行檢測。

(2)在翼板內側(腹板側)進行檢測時，圖像顯示較為直觀，能夠快速評估未焊透情況，是一種可行的方案。

(3)翼板外側(非腹板側)進行檢測時，圖像顯示非常直觀，未焊透區域、焊縫余高輪廓均能夠較為清晰顯示，同時由于聲束是直入射檢測，因此焊縫熔深測量精度最高，條件允許時在該位置檢測是最理想的。

(4)3D檢測結果能夠通透顯示整個焊縫的內部情況，分析評估較方便、快捷、易判，對焊縫檢測具有較大的優勢；同時全聚焦技術的高分辨率使得圖像顯示與缺陷真實尺寸更為接近，能夠提高檢測效率和靈敏度，具有較大實用價值。