鄭 輝,陳 堯,黃麗霞,王志剛,盧 超,陳 果,李秋鋒*

(1.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué)),南昌 330063;2.南昌市建筑科學(xué)研究所,南昌 330019)

近年來波形鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)正大舉替換笨重的混凝土腹板結(jié)構(gòu),在現(xiàn)代大跨度新型橋梁中占有舉足輕重的地位,其應(yīng)用形式和類別更加多樣化。波形鋼腹板結(jié)構(gòu)由于其用料省,制作工藝簡(jiǎn)單,且便于運(yùn)輸,綠色環(huán)保,尤其在抗壓和抗拉等力學(xué)性能上比混凝土腹板更出色,故其制作和應(yīng)用已滲透到國(guó)內(nèi)外的多個(gè)建筑領(lǐng)域,不僅應(yīng)用于公共設(shè)施中的大型樓面、屋頂?shù)戎髁航Y(jié)構(gòu),還在大跨度橋梁建設(shè)中的廣泛應(yīng)用[1-3]。

最近十幾年來在大跨度橋梁上隨著波形鋼腹板結(jié)構(gòu)的大幅使用,其質(zhì)量的檢測(cè)評(píng)估成為新的難題。目前,在傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法中,還未找到一種完全符合要求的最佳方法對(duì)此進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)?，F(xiàn)階段經(jīng)過對(duì)比選擇后,常規(guī)超聲檢測(cè)與射線檢測(cè)相結(jié)合的方法才滿足條件。但在實(shí)際用超聲檢測(cè)過程中,安裝好波形鋼腹板后,其翼緣板上會(huì)有栓釘阻礙探頭的移動(dòng),故只能將探頭放在腹板上用橫波斜入射的方式進(jìn)行檢測(cè)[4],而用這種方法檢測(cè)時(shí)其有效區(qū)域面積會(huì)受到影響,從而會(huì)造成在缺陷的定位、定量上有所誤差,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)漏檢危害性極大的缺陷等情況。因此需再添加射線檢測(cè)輔助檢測(cè)不到的盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充。本次研究的主要的目標(biāo)是波形鋼腹板和翼緣板的角接焊縫,它與有腹板的T形焊縫類似,只是它的腹板有一定的曲率,其實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 波形鋼腹板結(jié)構(gòu)示意圖

由于波形鋼腹板構(gòu)件的焊縫具有一定的曲率,對(duì)這種波浪形的檢測(cè)面使用現(xiàn)有超聲探頭檢測(cè)時(shí),將出現(xiàn)很大盲區(qū)[5],在檢測(cè)過程中需要不斷進(jìn)行補(bǔ)償和修正,且要覆蓋所有焊縫中的缺陷需要更換不同角度和頻率的探頭[6-8]。此外在用探頭移動(dòng)掃查焊縫過程中,由于平曲面的移動(dòng)轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生耦合不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致極大的檢測(cè)誤差。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在T型焊縫檢測(cè)過程中顯現(xiàn)出巨大的潛在優(yōu)勢(shì),其應(yīng)用領(lǐng)域和開發(fā)前景十分廣泛,是目前科學(xué)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[9-11]。自從1959年由Tom Brown研制了第一個(gè)超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)誕生以來,1987年A.McNab總結(jié)介紹了無(wú)損檢測(cè)的超聲相控陣技術(shù)[12],國(guó)內(nèi)外許多不同高等院校,科研院所,企業(yè)研究機(jī)構(gòu)都對(duì)其表現(xiàn)出極大的熱情,并且都進(jìn)行了相關(guān)的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究,生產(chǎn)制造出一大批功能強(qiáng)大的檢測(cè)儀器。超聲相控陣是利用常規(guī)超聲探頭晶片進(jìn)行新的組合構(gòu)建而成的,它通過電子控制激發(fā)每一個(gè)晶片的延遲時(shí)間,實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)用此方法,可以提高聲波的能量使其傳播范圍更廣,從而對(duì)形狀奇特和構(gòu)造復(fù)雜的構(gòu)件都能檢測(cè),且檢測(cè)效果好,時(shí)間短效率高,最關(guān)鍵的是可以直接顯示缺陷圖像。

隨著超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)方法的提出,利用超聲相控陣對(duì)波形鋼腹板進(jìn)行檢測(cè),取得了一定的突破,但是現(xiàn)有相控陣探頭仍然無(wú)法克服平曲面轉(zhuǎn)換過程中的耦合補(bǔ)償問題,且其聚焦法則也在變換,故本文在總結(jié)之前的檢測(cè)方法上,結(jié)合K.Thanigai Arul最新提出的復(fù)合柔性薄膜的能量收集[13],針對(duì)波形鋼腹板結(jié)構(gòu)的焊縫檢測(cè),設(shè)計(jì)了一種新型相控陣探頭,并研制出了探頭樣品,驗(yàn)證其檢測(cè)效果,達(dá)到了預(yù)期測(cè)試效果,成功的解決了現(xiàn)有相控陣在該結(jié)構(gòu)檢測(cè)中存在的問題,從而能夠更有效的保障波紋鋼腹板的使用質(zhì)量。

1 超聲相控陣探頭檢測(cè)原理

由惠更斯衍射定理和亥姆霍茲聲壓積分定理推出了超聲相控陣的原理[10,14]:波動(dòng)場(chǎng)任何一個(gè)波陣面等同于一個(gè)次級(jí)波源;次級(jí)波場(chǎng)可通過該波陣面上各點(diǎn)產(chǎn)生的球面子波疊加干涉計(jì)算得到。超聲相控陣探頭是由一組彼此獨(dú)立的壓電晶片組成,每個(gè)晶片都是一個(gè)陣元。而每個(gè)陣元都可獨(dú)立發(fā)射出超聲波,采用不同的激勵(lì)方式可以產(chǎn)生不同的波陣面,同時(shí)通過延遲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦以及聲束的偏轉(zhuǎn)[15-16]。常用的相控陣探頭仍是以一維線性陣列為主[17],如圖2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;e為單個(gè)晶片寬度;p為兩個(gè)晶片中心之間的間距;g為相鄰晶片間的間距。

圖2 一維線性相控陣陣元示意圖

在超聲相控陣中,對(duì)于線性或者楔塊有一定角度的探頭各個(gè)陣元采用兩端對(duì)稱的延時(shí)形式進(jìn)行激勵(lì)就是相控陣電子聲束聚焦使用的延時(shí)規(guī)律,兩端的陣元首先被同時(shí)激發(fā)脈沖,然后沿著中間方向的下一個(gè)兩端對(duì)稱的陣元依次被同時(shí)進(jìn)行相同延時(shí)激發(fā),直至所有陣元被激發(fā),最終得到合成的聚焦波陣面[18]。

另外各個(gè)晶片的激發(fā)順序也能通過延時(shí)技術(shù)來調(diào)節(jié),線性或者是有一定角度楔塊的探頭中各個(gè)陣元采用從左到右或從右到左依次增加延時(shí)的形式被激發(fā)是相控陣電子聲束偏轉(zhuǎn)使用的延時(shí)規(guī)律,線性陣元按相等時(shí)間間隔的順序依次被激發(fā)脈沖,最終得到合成的偏轉(zhuǎn)波陣面[19-20]。按照這種方式對(duì)超聲波的傳播方向進(jìn)行控制就是聲束的偏轉(zhuǎn)原理與特性,也就可以用相控陣探頭進(jìn)行多角度的掃查。

設(shè)計(jì)的新型相控陣聚焦探頭檢測(cè)原理同上述常規(guī)相控陣探頭相同,只是軟膜材料的選擇須滿足探頭檢測(cè)過程中的聚焦及偏轉(zhuǎn)法則和耦合效果。

2 探頭聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究

2.1 軟膜探頭的設(shè)計(jì)思想

在波形鋼腹板的檢測(cè)過程中,發(fā)現(xiàn)曲面處檢測(cè)時(shí)其耦合接觸面積很小,且平曲面轉(zhuǎn)換過程中,需要轉(zhuǎn)換不同的探頭且還要適當(dāng)增加補(bǔ)償,才能使檢測(cè)范圍覆蓋整個(gè)焊縫。為此希望設(shè)計(jì)出一種在平曲面轉(zhuǎn)換過程中能柔性貼合波紋狀檢測(cè)面,增加耦合接觸面積,且減小增益補(bǔ)償?shù)能浤こ曄嗫仃囂筋^。其設(shè)計(jì)思想就是通過用甘油將一種軟膜材料與相控陣晶片耦合在一起,使探頭檢測(cè)面形成了一種通過軟膜包裹的甘油液囊,該液囊可通過檢測(cè)人員施加壓力讓探頭檢測(cè)面與波形鋼腹板檢測(cè)面柔性接觸,從而保證了探頭在平面與曲面上檢測(cè)時(shí)超聲透射的面積相似,減少了平面與曲面檢測(cè)間的耦合差異,提高了缺陷定量的準(zhǔn)確性。此軟膜探頭在掃查行進(jìn)過程中可以隨接觸面的形狀變化來自動(dòng)調(diào)整液囊的耦合情況,故能柔性的耦合波紋狀檢測(cè)面。

由異質(zhì)夾層全透射原理可知[21-23],要保證探頭晶片層所發(fā)出的激勵(lì)經(jīng)過甘油層和軟膜層后其傳播的方向和能量都保持一致,那么就需要探頭的三層材料聲學(xué)特性相近,才能滿足要求。

2.2 軟膜探頭結(jié)構(gòu)仿真研究

依照液浸檢測(cè)方法,首先通過資料分析篩選出4種與甘油的聲阻抗和聲速相近的軟質(zhì)材料,可做成軟膜套頭,4種材料和甘油的主要參數(shù)在表1中列出,其中聚乙烯和聚苯乙烯的參數(shù)與甘油最接近。

表1 甘油和4種軟質(zhì)材料的主要參數(shù)

然后采用wave2000仿真軟件,建立楔塊-甘油-軟質(zhì)材料模型,通過仿真對(duì)材料的透射性能進(jìn)行研究,建立的仿真模型如圖3所示,其中紅色部分為有機(jī)玻璃材料,聲速為2 759 m/s;綠色部分為甘油,聲速為1 900 m/s;藍(lán)色部分為軟膜材料;深紅色部分為鋼材料,聲速為5 659 m/s;深綠色部分為空氣,代表φ5的孔,聲速為340 m/s。

圖3 帶軟膜探頭結(jié)構(gòu)仿真模型

經(jīng)過仿真計(jì)算,得到不同軟膜材料透射波形與僅有甘油透射時(shí)的檢測(cè)波形對(duì)比圖,如圖4示。圖中紅色波形為軟膜選用甘油時(shí)傳播波形,其余不同標(biāo)記顏色波形分別是氯丁橡膠、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯是添加圖例上對(duì)應(yīng)材料薄膜時(shí)的傳播波形。對(duì)比圖中透射波形可以發(fā)現(xiàn):聚乙烯和聚苯乙烯的透射效果與無(wú)軟膜情況下的波形最吻合,結(jié)合表1中參數(shù),軟膜主要選用這兩種材料為宜。但是這兩種材料的聲阻抗與甘油有一定差異,將會(huì)影響聲波透射率和檢測(cè)靈敏度,因此,為了提高軟膜材料的聲阻抗,將聚四氟乙烯也作為制作軟膜材料之一。

圖4 不同軟膜材料透射仿真信號(hào)與無(wú)膜檢測(cè)信號(hào)比較

2.3 軟膜配比與試驗(yàn)測(cè)試

通過上述仿真測(cè)試找到制作軟膜的三種材料:聚乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯,但是只有三種材料比例的達(dá)到最優(yōu),才能獲得最佳檢測(cè)效果。經(jīng)過對(duì)不同比例組成的軟膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)聚乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯比例達(dá)到6∶2∶2時(shí),其影響超聲波折射率和折射角的聲學(xué)參數(shù)有縱波聲速約為1.82 km/s,聲阻抗約為2.1 kg/(mm·s),上述參數(shù)更加接近甘油參數(shù),而根據(jù)聲波傳播原理可知,當(dāng)軟膜厚度約等于半波長(zhǎng)的整倍數(shù)時(shí),聲波全透射。所以在選用5 MHz檢測(cè)頻率時(shí),軟膜材料厚度為0.19 mm時(shí)透射效果最佳,超聲波幾乎全透射進(jìn)入到波形鋼腹板中。

為了驗(yàn)證軟膜透射效果,采用5 MHz的直探頭進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,對(duì)比有無(wú)軟膜條件下的透射波形。為了模擬相控陣檢測(cè)實(shí)際情況,試驗(yàn)測(cè)試時(shí)是將直探頭耦合在有機(jī)玻璃上向下發(fā)出聲波,具體有無(wú)軟膜測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。壓電晶片是從頂部中間激勵(lì),整個(gè)結(jié)構(gòu)從上到下依次分別為有機(jī)玻璃材料、甘油(或甘油加軟膜)、鋼材和通孔。通過壓電晶片激勵(lì)出超聲波在結(jié)構(gòu)中傳播,在鋼材中孔正下方接收超聲信號(hào)。

圖5 無(wú)軟膜測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 帶軟膜測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖

將有無(wú)軟膜條件下的兩次接收信號(hào)進(jìn)行比較,比較結(jié)果如圖7所示,從圖中可看出兩個(gè)波形總體上比較吻合,但由于軟膜材料的加入,使得耦合層厚度增加,相位有些滯后,說明該軟膜材料的聲學(xué)特性與甘油的聲學(xué)特性非常相近,軟膜對(duì)超聲波的透射幾乎無(wú)影響。

圖7 有無(wú)膜材料超聲信號(hào)對(duì)比圖

2.4 帶軟膜相控陣探頭參數(shù)研究

經(jīng)過對(duì)波形鋼腹板結(jié)構(gòu)的檢測(cè)研究[24]和上述軟膜探頭材料的研究之后,制作了帶軟膜相控陣探頭。探頭結(jié)構(gòu)如圖8所示,是在現(xiàn)有常規(guī)相控陣探頭的基礎(chǔ)上,外部包裹0.19 mm厚軟膜,并在探頭與軟膜間注入甘油后改進(jìn)而成,帶軟膜探頭實(shí)物如圖9所示。選用常規(guī)相控陣探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

圖8 探頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 帶軟膜套頭的探頭實(shí)物圖

表2 探頭參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該軟膜探頭的實(shí)際檢測(cè)效果,制備了一塊波形鋼腹板試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。試塊是根據(jù)實(shí)際使用的波形鋼腹板T型焊縫結(jié)構(gòu),選用Q345D鋼由專業(yè)加工廠制作,試塊如圖10所示,其中鋼腹板與翼緣板厚度均為22 mm,采用單V坡口焊接而成。

圖10 波形鋼腹板試塊實(shí)物圖

試樣中加工了長(zhǎng)橫孔和開槽2種人工缺陷,分別是模擬焊接中危害性大的裂紋和未熔缺陷。由于實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要在平面和曲面上檢測(cè),為了比較不同檢測(cè)面對(duì)相同人工缺陷的檢測(cè)效果,在平面和曲面檢測(cè)位置對(duì)應(yīng)的焊縫處都加工了相同類型和大小的對(duì)比缺陷,具體形狀如圖11所示。缺陷的加工參數(shù)分別在表3中列出,表中開槽缺陷尺寸是指槽口深度和高度,缺陷位置是以試樣左邊為0點(diǎn)開始測(cè)量的結(jié)果,單位為mm。

圖11 試塊中加工的人工缺陷圖

表3 試樣長(zhǎng)橫孔和開槽缺陷加工參數(shù) 單位:mm

按照操作規(guī)程,在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)平臺(tái)上,使用新的帶套頭的軟膜探頭,在CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊上校準(zhǔn)其聲速,延時(shí)和靈敏度,并在CSK-IIA-1試塊上完成檢測(cè)TCG曲線,試塊中橫孔直徑為2 mm。隨后用校準(zhǔn)好的常規(guī)相控陣探頭和新探頭在不同試樣上的測(cè)試結(jié)果分別在表4、表5中列出,缺陷編號(hào)與表3中一致,檢測(cè)圖像常規(guī)相控陣探頭為圖12～圖15,新探頭為圖16～圖19。

表4 試樣用常規(guī)相控陣探頭檢測(cè)結(jié)果

表5 試樣用新探頭檢測(cè)結(jié)果

圖12 1#長(zhǎng)橫孔(平面)缺陷檢測(cè)圖

圖13 2#長(zhǎng)橫孔(凸面)缺陷檢測(cè)圖

圖14 3#開槽(平面)缺陷檢測(cè)圖

圖15 4#開槽(凸面)缺陷檢測(cè)圖

圖16 1#長(zhǎng)橫孔(平面)缺陷檢測(cè)圖

圖17 2#長(zhǎng)橫孔(凸面)缺陷檢測(cè)圖

圖18 3#開槽(平面)缺陷檢測(cè)圖

圖19 4#開槽(凸面)缺陷檢測(cè)圖

對(duì)比表3～表5以及相應(yīng)的缺陷檢測(cè)圖分析,可以得出以下結(jié)論:

①?gòu)拈L(zhǎng)橫孔缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)來看,平面處檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度和缺陷埋深比曲面處檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確,但是檢測(cè)靈敏度相差不大,總體上兩個(gè)位置的檢測(cè)結(jié)果都較準(zhǔn)確,都在合理誤差范圍內(nèi),在缺陷定量和定位評(píng)價(jià)上也不存在很大差異。

②從開槽缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)來看中,曲面處檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度和缺陷埋深比平面處檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確,但是檢測(cè)靈敏度幾乎相同,總體上兩個(gè)位置的檢測(cè)結(jié)果都較準(zhǔn)確,也都在合理誤差范圍內(nèi),在缺陷定量和定位評(píng)價(jià)上也不存在很大差異。

③從常規(guī)相控陣探頭和新探頭對(duì)相同缺陷的平曲面缺陷當(dāng)量值看,新探頭的當(dāng)量差明顯較小,其相同缺陷的檢測(cè)結(jié)果與常規(guī)相控陣探頭的檢測(cè)數(shù)據(jù)基本保持一致。

綜合上面分析結(jié)果,可知此軟膜超聲相控陣探頭可以檢測(cè)波形鋼腹板T型焊縫上不同位置的典型缺陷,且在不同檢測(cè)面上具有相同的檢測(cè)靈敏度,可在不更換探頭的條件下,對(duì)該結(jié)構(gòu)完成連續(xù)檢測(cè),提高檢測(cè)效率,并實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確定位和定量評(píng)價(jià)。

4 總結(jié)

針對(duì)波形鋼腹板T型焊縫檢測(cè)需求,開展了超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的研究。通過理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究,提出了一種可套在相控陣探頭外面的軟膜結(jié)構(gòu),并根據(jù)甘油的聲學(xué)特性,設(shè)計(jì)并制作出合適的軟膜材料。將該軟膜相控陣探頭和常規(guī)相控陣探頭在波形鋼腹板上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該探頭可以準(zhǔn)確檢測(cè)出焊縫內(nèi)的典型缺陷,基本解決了不同檢測(cè)面的耦合差異問題,能夠?qū)崿F(xiàn)在不同檢測(cè)面上的連續(xù)檢測(cè),提高檢測(cè)效率,在穩(wěn)定靈敏度的條件下完成對(duì)缺陷準(zhǔn)確定位和定量評(píng)價(jià)。該軟膜結(jié)構(gòu)也可以為類似結(jié)構(gòu)件檢測(cè)提供參考。