王志剛， 孫萬紅， 方多發(fā)， 周昌玉， 李秋鋒

(1. 南昌市建筑科學(xué)研究所， 南昌 330019；2. 南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室， 南昌 330063)

波形鋼腹板T型焊縫質(zhì)量相控陣檢測方法

王志剛1,2， 孫萬紅1， 方多發(fā)1， 周昌玉1， 李秋鋒2

(1. 南昌市建筑科學(xué)研究所， 南昌 330019；2. 南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室， 南昌 330063)

波形鋼腹板T型焊縫缺陷將對大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全運行產(chǎn)生巨大隱患，但目前仍然沒有一種有效可靠的無損檢測方法對其進行質(zhì)量檢測。根據(jù)具有一定曲率且阻礙探頭移動的波形鋼腹板T型焊縫結(jié)構(gòu)特點，提出超聲相控陣檢測技術(shù)。首先通過對相控陣檢測理論進行分析，并與常規(guī)超聲檢測方法比較，該檢測技術(shù)可通過圖像直觀顯示檢測結(jié)果，并可獲得更高的檢測靈敏度和檢測效率；然后根據(jù)實際波形鋼腹板結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備了含不同類型缺陷的試樣；最后采用相控陣檢測技術(shù)對試樣進行檢測。檢測結(jié)果顯示與試樣缺陷參數(shù)比較吻合，進一步驗證了該方法的有效性和可靠性。

波形鋼腹板； 超聲相控陣； T型焊縫； 聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦

0 引 言

新型大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足大型橋梁的承載要求，現(xiàn)在逐漸被波形鋼腹板組合箱梁結(jié)構(gòu)取代。這種結(jié)構(gòu)形式的橋梁自重大大減輕，而且這種結(jié)構(gòu)縱向剛度較低，波形鋼腹板具有不抵抗軸向力的特點，產(chǎn)生的次內(nèi)力較小，可使預(yù)應(yīng)力有效地加載于混凝土翼緣板，從而可以提高預(yù)應(yīng)力的效率[1-3]。這種新型鋼腹板結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)70年代由法國Campenon Bernard公司首先提出，并于1986年建設(shè)了世界第一座采用這種新型結(jié)構(gòu)形式的橋梁——Cognac橋。該新型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)后即受到了各國的廣泛關(guān)注，相繼對這種波形鋼腹板組合箱梁橋開展了研究，并分別用該新型結(jié)構(gòu)先后建設(shè)了大跨度橋梁[4-5]。我國對于該新型結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，20世紀(jì)90年代后才開始對該新型結(jié)構(gòu)的靜動力特性、鋼腹板方案設(shè)計、橋面板有效寬度、剪力連接件等開展了理論和實驗研究，經(jīng)過十幾年的探索，采用該新型結(jié)構(gòu)先后設(shè)計和建設(shè)了江蘇淮安長征橋、青海三道河橋、河南潑河大橋、重慶永川大堰河橋和南昌朝陽大橋等大跨度橋梁[6-8]。

但是，隨著該類新型結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)數(shù)量的不斷增多，隨之帶來的建設(shè)和使用質(zhì)量保障問題越來越受到關(guān)注。波形鋼腹板PC箱梁是整體橋梁結(jié)構(gòu)中的主要受力部件，而波形鋼腹板又是PC箱梁結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件，因此波形鋼腹板的加工和安裝質(zhì)量對于箱梁乃至整個橋梁使用安全和壽命至關(guān)重要，如果發(fā)生質(zhì)量問題，可能帶來災(zāi)難性后果。目前常用的無損檢測方法主要有超聲、射線、磁粉、渦流等檢測方法，但是磁粉和渦流檢測方法只適應(yīng)于表面缺陷的檢測，對于內(nèi)部危害性大的缺陷無能為力；而射線檢測不僅設(shè)備昂貴、不便攜帶，且可能對人體造成一定危害，而且根據(jù)射線穿透能力，一般對于厚度大于等于30 mm的鋼板工件不適合采用射線檢測方法[9-11]；超聲檢測方法憑著穿透力強、能量大、檢測效率高、檢測儀器簡單便攜、成本低等優(yōu)勢，一直被廣泛應(yīng)用。本次研究對象為波形鋼腹板與翼緣板角接焊縫，類似于具有波形腹板的T形焊縫，由于波形鋼腹板安裝后，只能在腹板上進行超聲檢測，所以只能采用橫波斜入射檢測方式。對于具有波形狀檢測面對象，常規(guī)超聲脈沖反射法存在很大的局限性，超聲探頭檢測時，由于波形鋼腹板有曲率，通常需要補償修正，同時耦合不穩(wěn)定會對焊縫移動掃查造成很大的檢測誤差，而且T型翼緣板上有栓釘，將阻礙探頭的移動及有效的檢測區(qū)域，可能存在定位、定量及對危害性缺陷漏檢等一系列的問題。而超聲相控陣檢測技術(shù)具有更好的應(yīng)用前景，其在T型焊縫檢測中已表現(xiàn)出極大的潛在優(yōu)勢，是目前研究的熱點[12-13]。該檢測技術(shù)是利用對多個超聲陣元進行電子延時控制，實現(xiàn)對超聲波束偏轉(zhuǎn)方向和聚焦位置的靈活控制，該方法具有良好的聲束可達性，不僅可以完成不規(guī)則和復(fù)雜工件檢測，且檢測速度快、效率高，圖像顯示更加直觀。

1 超聲相控陣T型焊縫檢測原理

1.1 超聲相控陣原理

超聲相控陣原理實質(zhì)上是基于惠更斯衍射定理與亥姆霍茲聲壓積分定理實現(xiàn)的[14-15]。相控陣探頭是由一組相互獨立的壓電晶片組成，常見的探頭形式有一維線性陣列、一維環(huán)形陣列、二維矩形陣列及二維扇形陣列，目前還是以一維線性陣列形式探頭為主，如圖1所示。圖中：A為晶片陣列方向孔徑；H為晶片加工方向?qū)挾龋籩為單個晶片寬度；p為2個晶片中心之間的間距；g為相鄰晶片間的間距。

圖1 線性相控陣陣元示意圖

超聲相控陣要實現(xiàn)聲束聚焦，首先是從探頭兩邊陣元開始激勵，然后依次從兩邊向中間，通過延遲時間不斷激勵探頭陣元，這樣就可在聲波反射方向形成具有一定曲率的波陣面。這個波陣面的曲率以及相控陣聚焦長度可以通過調(diào)整延遲時間來調(diào)節(jié)，設(shè)置的延遲時間越小，探頭聚焦深度越大，相控陣聲束聚焦時延時可以按下式進行計算(假設(shè)陣元數(shù)為偶數(shù))：

(1)

式中:F為焦距；c為聲速；d為探頭陣元間距；n為相控陣第n個陣元。

此外,還可以通過延時技術(shù)調(diào)節(jié)各個晶片的激發(fā)順序，這樣各個晶片被激發(fā)的時間都互不相同。根據(jù)惠更斯原理，波動可以被看成是振動狀態(tài)的傳播，任何質(zhì)點的振動都會引起臨近質(zhì)點的振動，任意一個振動著的質(zhì)點都可以看成是一個全新的波源。因此這些聲波經(jīng)過干涉能夠產(chǎn)生新的波陣面和波前，這樣一直傳播下去就可實現(xiàn)對超聲波傳播方向的控制，這就是聲束的偏轉(zhuǎn)原理和特性，可實現(xiàn)相控陣探頭多角度掃查，聲束偏轉(zhuǎn)時延時可以按照下式進行計算：

(2)

式中:d為探頭陣元間距；θ為偏轉(zhuǎn)角度。

實質(zhì)上每個陣元都可獨立被激勵而發(fā)射超聲波，通常情況下根據(jù)不同要求，按照式(1)和(2)同時計算所需要激勵的偏轉(zhuǎn)角度以及聚焦位置，可實現(xiàn)相控陣檢測聲束偏轉(zhuǎn)及動態(tài)聚焦。

1.2 T型焊縫檢測原理

本研究對象為類似T型焊縫的結(jié)構(gòu)形式，所以應(yīng)采用傾斜入射方式檢測，一般情況下是通過具有一定角度的楔塊實現(xiàn)橫波斜入射檢測。對于有楔塊的超聲相控陣探頭，延時取決于程控折射角和激勵晶片的位置。對由菲涅爾定律計算出的折射角，延時變化呈拋物線狀，若角度小于菲涅爾定律給出值，則各晶片上的延時相對探頭由后往前遞增；若角度大于菲涅爾定律給出值，則各晶片上的延時相對探頭由后往前遞減，陣列中每個晶片上的延時值均需精確控制。

通過電子控制的方式，能夠同時產(chǎn)生不同角度超聲波，探頭可在固定位置實現(xiàn)超聲波扇形掃查，能夠覆蓋整個焊縫區(qū)域，如圖2所示，且超聲相控陣能夠通過圖像形式同時顯示各個角度的檢測信號。因此探頭固定在波形鋼腹板的一個固定位置就能夠觀察圖2中焊縫整個截面的回波信號，相控陣通過大角度直射波能夠檢測到中下部，通過小角度一次反射波檢測到中上部。由于相控陣探頭在一個位置即能實現(xiàn)焊縫超聲波全覆蓋，故檢測掃查時，探頭距離焊縫固定的距離S，沿著焊縫線性掃查即可，如圖3所示。

圖2 超聲相控陣聲程覆蓋區(qū)域圖

(a)無缺陷(b)有缺陷

圖3 超聲相控陣檢測圖像比較

當(dāng)焊縫中有缺陷時，缺陷信號與干擾信號能夠同時顯示，如圖3所示。因此只要在干擾信號顯示位置以外的區(qū)域有回波信號，即可判斷為缺陷信號，通過對比有缺陷信號的圖像與沒有缺陷信號的圖像，可以非常容易判斷出缺陷信號，提高檢測可靠性，降低檢測難度，降低誤判率。

2 實 驗

2.1 超聲相控陣檢測系統(tǒng)

實驗所用超聲相控陣儀器是廣州多浦樂公司研制的Phascan相控陣檢測儀，如圖4所示。該儀器有128個獨立發(fā)射通道和32個獨立接收通道，最大支持128陣元晶片探頭。內(nèi)置的聚焦法則可實現(xiàn)線性和扇形掃查方式，實現(xiàn)A/S/B/C掃描等多種掃描視圖?？蓪崿F(xiàn)聲速、延遲、靈敏度及TCG(時間校正增益)等校準(zhǔn)功能，該儀器采用電阻觸屏顯示方式，可使檢測過程中更加方便快捷記錄結(jié)果。

圖4 Phascan相控陣檢測儀

實驗所用的探頭是多浦樂公司相控陣儀器配套探頭，探頭型號為5L32-0.5-10線性陣列探頭，楔塊型號為SD2-N60S。而實驗所用的試塊為CSK-ⅠA及CSK-ⅢA試塊。

2.2 波形鋼腹板試樣制備

工程中，波形鋼腹板T型焊縫常見危害性缺陷有未焊透、焊趾裂紋、皮下撕裂、坡口未熔合等，根據(jù)真實波形鋼腹板T型焊縫結(jié)構(gòu)，設(shè)計波形鋼腹板焊縫試樣(鋼腹板厚度22 mm+翼緣板厚度22 mm，采用單V坡口焊接)，并由山東濟寧模具廠代為加工3個試樣，試樣材料均為Q345D，試樣中預(yù)置了未焊透、裂紋、坡口未熔合等危害性人工缺陷，設(shè)計的人工缺陷參數(shù)見表1，試樣外形圖如圖5所示。

表1 人工缺陷設(shè)計參數(shù)

圖5 波形鋼腹板試樣實物圖

2.3 實驗測試結(jié)果及分析

檢測時選用機油做耦合劑，探頭測試位置如圖6所示，沿平行旱道方向檢測，圖7～9分別為檢測含未焊透、裂紋和未熔合缺陷試樣時有缺陷和無缺陷處的相控陣檢測成像圖。

圖6 檢測探頭擺放位置

如圖7(a)所示為含未焊透缺陷試樣正常無缺陷處相控陣圖像，該圖中只顯示了底部翼緣板反射回來的干擾信號。探頭在沿著焊縫線性移動過程中，發(fā)現(xiàn)圖7(b)所示檢測圖像，與圖7(a)圖像存在明顯區(qū)別，根據(jù)焊縫的結(jié)構(gòu)分析該信號為相控陣直射波聲束發(fā)現(xiàn)的焊縫根部存在缺陷，具體測試缺陷位置及大小祥見表2，綜合焊縫結(jié)構(gòu)進行分析，可以判斷該信號為焊縫中下部(靠近根部)的缺陷。

(a)無缺陷(b)有缺陷

圖7 含未焊透缺陷試樣相控陣檢測成像圖

如圖8(a)所示為含裂紋試樣正常無缺陷處相控陣圖像，該圖中主要顯示了始脈沖和底部反射回來的干擾信號。探頭在沿著焊縫線性移動過程中，發(fā)現(xiàn)圖8(b)所示檢測圖像，與圖8(a)圖像存在明顯區(qū)別。根據(jù)焊縫的結(jié)構(gòu)分析該信號為相控陣直射波聲束發(fā)現(xiàn)的焊縫上部存在缺陷，測試缺陷具體位置及大小祥見表2，綜合焊縫結(jié)構(gòu)進行分析，可以判斷該信號為焊縫上部的缺陷。

(a)無缺陷(b)有缺陷

圖8 含裂紋缺陷試樣相控陣檢測成像圖

如圖9(a)所示為含未熔合缺陷試樣正常無缺陷處相控陣圖像，該圖中主要顯示了始脈沖和底部反射回來的干擾信號。探頭在沿著焊縫線性移動過程中，發(fā)現(xiàn)圖9(b)所示檢測圖像，與圖9(a)圖像存在明顯區(qū)別，根據(jù)焊縫的結(jié)構(gòu)分析該信號為相控陣直射波聲束發(fā)現(xiàn)的焊縫中部沿坡口處存在缺陷，具體測試缺陷位置及大小祥見表2，綜合焊縫結(jié)構(gòu)進行分析，可以判斷該信號為焊縫坡口處的線性缺陷。

(a)無缺陷(b)有缺陷

圖9 含未熔合缺陷試樣相控陣檢測成像圖

上述測試結(jié)果的比較和分析，可得出：① 對各個試樣有無缺陷圖像的比較，可清晰區(qū)別波形鋼腹板T型焊縫中缺陷信號與干擾信號差異；② 對比表1和表2數(shù)據(jù)，如果考慮試樣加工誤差和實際檢測誤差的前提下，相控陣檢測定位、定量結(jié)果與預(yù)置缺陷數(shù)據(jù)還是比較吻合；③ 通過分析相控陣檢測缺陷處圖像，能夠掌握3種危害性缺陷的主要圖像特征，根部未焊透缺陷主要在焊縫根部表現(xiàn)為線狀面積型圖像；坡口未熔合缺陷主要在坡口表現(xiàn)為線狀面積型圖像；裂紋缺陷檢測圖像兩端顏色比較深且波幅尖銳線狀面積型圖像。

3 結(jié) 論

針對波形鋼腹板T型焊縫檢測需要，提出采用超聲相控陣檢測技術(shù)對該類結(jié)構(gòu)進行檢測，通過本次研究，可以總結(jié)如下：

(1) 理論上分析了超聲相控陣檢測方法可通過動態(tài)聚焦和偏轉(zhuǎn)掃查提高信噪比，獲得更高的檢測靈敏度和檢測效率。

(2) 通過實驗研究發(fā)現(xiàn)超聲相控陣檢測技術(shù)可以有效可靠地檢測出波形鋼腹板T型焊縫的各種危害性缺陷，并對缺陷進行準(zhǔn)確的定量和定位。

對3種危害性缺陷的相控陣圖像特征進行分析，為以后相控陣檢測缺陷的定性提供參考依據(jù)。

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Exploration on Phased Array Testing Method for T Weld Quality of Corrugated Steel Webs

WANG Zhigang1,2, SUN Wanhong1, FANG Duofa1, ZHOU Changyu1, LI Qiufeng2

(1. Nanchang Architecture Science Institute, Nanchang 330019, China;2. Key Laboratory of NDT(Ministry of Education), Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

The T type weld defects of corrugated steel webs will produce huge hidden danger to the safe operation of large span steel structures, but there is still no effective and reliable method to detect the quality of the weld at present. The ultrasonic phased array detection technology is proposed here according to the T type welded structure characteristics that corrugated steel webs will have certain curvature and hinder movement of the probe,. The firstly phased array detection theory is analyzed and compared with the conventional ultrasonic testing method, and the detection technology can display the detection results by images, hence the higher sensitivity and detection efficiency can be obtained. Then the specimens with different types of defects are designed and prepared according to the actual structure of corrugated steel web, the phased array detection technology is used to detect these specimens. Detection results coincide with the specimens design parameters, hence can further verify the effectiveness of the method for checking the quality and reliability of the structure.

corrugated steel web; ultrasonic phased array; T type weld; acoustic beam deflection and focusing

2016-11-21

國家自然科學(xué)基金項目(11264032)；航空科學(xué)基金(2014ZD56007)；江西省自然科學(xué)基金(20122BAB201024)；2016年南昌市指導(dǎo)性科技計劃項目(121)

王志剛(1983-)，男，江西南昌人，工程師，主要研究建筑結(jié)構(gòu)無損檢測方法及質(zhì)量評價等。

E-mail：zhigangwang_jks@126.com

TB 559； TU 312

A

1006-7167(2017)08-0040-04