楊琛 李光植 馬延斌

蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院 甘肅省蘭州市 730060

高強度螺栓是指制造材料為高強度鋼，或者此螺栓需要施以較大的預(yù)緊力，性能等級按規(guī)定在8.8級以上的螺栓，都可以稱為高強度螺栓。鋼橋領(lǐng)域以其作為其重要的連接方式之一。高強度螺栓的效率高、性能好、安全性、可靠性較高，廣泛的應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域。目前，已經(jīng)形成了從M12～M30完整體系的鋼結(jié)構(gòu)大六角高強度螺栓。施工方式也已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)變，與英、美、日等國的發(fā)展水平相近，已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

高強度螺栓的應(yīng)用非常廣泛，當(dāng)今大型發(fā)電設(shè)備、汽車、高鐵、大飛機、大型船舶、大型成套設(shè)備等都有高強度螺栓的應(yīng)用，其質(zhì)量的好壞能對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)安全和工作性能起著極其重要的作用。隨著高強度螺栓的大量使用，和在關(guān)鍵產(chǎn)品、關(guān)鍵部位的使用，高強度螺栓的質(zhì)量成為了影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個主要因素。高強度螺栓有松弛、脫扣、斷裂等很多種失效形式。一旦失效，就會斷開設(shè)備的連接。是螺栓所連接的被連接件解體。而在這些失效中，斷裂最嚴(yán)重，歸結(jié)其原因主要有以下幾個方面：（1）在正常載荷作用下，由于靜強度不足導(dǎo)致的斷裂；（2）在長期交變載荷作用下的疲勞斷裂；（3）材料強度不夠、表面處理、制造質(zhì)量、熱處理、脫碳、表面裂紋等缺陷造成的斷裂。而其中較為嚴(yán)重的就是螺栓表面裂紋及在役螺栓中的疲勞裂紋。而目前在役螺栓中的疲勞裂紋檢測，我們可以使用常規(guī)超聲波檢測，但使用常規(guī)超聲檢測需要讓設(shè)備停止工作，然后將螺栓卸下來再進(jìn)行檢驗，使檢測效率降低，同時在役設(shè)備檢測空間有限，使得檢測探頭的可達(dá)性變得很差，進(jìn)而降低了檢測靈敏度，而且螺栓本身的螺紋結(jié)構(gòu)也會影響普通超聲檢測結(jié)果的觀察與評定。對檢驗結(jié)果的觀察造成影響。為了解決了這些問題，我們引入了超聲相控陣技術(shù)和導(dǎo)波相控陣技術(shù)，他們可以實現(xiàn)較大角度范圍的掃查同時不移動檢測探頭，缺陷視圖多樣，檢測結(jié)果直觀，對缺陷的識別和判定提供了極大的幫助。同時這兩種技術(shù)能檢測幾何形狀非常復(fù)雜的工件、干擾可達(dá)性較好，后續(xù)通過配套軟件的調(diào)整和處理，能極大地提高檢測的靈敏度、分辨力及信噪比等。但是這些方法雖然已在使用，但操作步驟和操作難度仍然很大，并且結(jié)果需要進(jìn)行較復(fù)雜的分析，對于缺陷的理解也只是停留在二維平面。對結(jié)果的實際位置需要經(jīng)過反復(fù)操作才能準(zhǔn)確得出。為此我們引入更為先進(jìn)的3D相控陣技術(shù)進(jìn)行檢測，但3D相控陣在高強度螺栓的檢測應(yīng)用上仍處于初級階段，沒有對應(yīng)的檢測工藝。為此筆者結(jié)合超聲相控陣檢測高強度螺栓關(guān)鍵的技術(shù)及CTS-PA22T相控陣全聚焦實時3D超聲成像系統(tǒng)，制定了高強度螺栓的檢測工藝，實現(xiàn)了對高強度螺栓的快速、高效、直觀的檢測。解決了在役螺栓的檢測難題。

1 基本理論

超聲相控陣技術(shù)檢測其原理為：利用指定順利排列的線陣列或面陣列的陣元按照一定時序來激發(fā)超聲脈沖信號，使超聲波陣面在聲場中某一點形成聚焦，增強對聲場中微小缺陷檢測的靈敏度，同時，可以利用對陣列的不同激勵時序在聲場中形成不同空間位置的聚焦而實現(xiàn)較大范圍的聲束掃查。而全聚焦相控陣超聲波檢測是采用新的數(shù)據(jù)處理方法來處理相控陣超聲陣列的數(shù)據(jù)，也就是全聚焦成像算法，就是在成像平面上的每一像素點上有效地聚焦全矩陣數(shù)據(jù)集，這種方法極大程度上地提高了成像的效果和圖像的分辨力。該方法會二次處理接收到的信號，二次分析檢測回波，使缺陷成像效果更好，對缺陷的大小、位置和類型的識別更準(zhǔn)確。本方法中使用的CTS-PA22T采用的就是64通道全并行的相控陣全聚焦（TFM）快速成像檢測技術(shù)。實時采集材料內(nèi)部的全矩陣（FMC）數(shù)據(jù)，并利用基于FPGA運算的高速硬件成像技術(shù)，實現(xiàn)了對材料的高精度實時3D成像。

2 工藝試驗及結(jié)果分析

2.1 螺栓試樣制備

根據(jù)檢測所需的要求，在螺栓試樣上加工不同深度的刻槽作為人工缺陷，螺栓試樣及人工缺陷的尺寸，如圖1所示（單位：mm）

圖1 螺栓試樣及人工缺陷尺寸

人工缺陷的制作形式均為垂直于高強度螺栓軸線刻槽，長度為8mm，開口的寬度為0.5mm，螺栓材料為碳鋼熱處理，人工缺陷的具體參數(shù)如表1所示。

表1 螺栓人工刻槽參數(shù)

2.2 操作工藝步驟

2.2.1 操作設(shè)備

CTS-PA22T設(shè)備主要由監(jiān)控主機、相控陣全聚焦成像系統(tǒng)、相控陣探頭及相關(guān)掃查裝置組成，這里使用的相控陣探頭為相控陣線陣探頭，探頭參數(shù)為：陣元間距：1.5*1.5mm；陣元數(shù)目：8*8，探頭頻率：5MHz。

2.2.2 操作步驟

（1）打開儀器。

打開監(jiān)控主機。打開CTS-PA22T相控陣全聚焦成像系統(tǒng)，連接相控陣線陣探頭，由于高強度螺栓結(jié)構(gòu)限制，使用前取下相控陣線陣探頭的斜楔塊。連接監(jiān)控主機與成像系統(tǒng)，這里要注意的是，主機和成像系統(tǒng)的連接主要有兩種方式（見圖3），一種是交叉網(wǎng)線直連，另一種是采用交換機間接連接。我們這里采用第一種交叉網(wǎng)線直連的方式。

圖3 CTS-PA22T校準(zhǔn)界面

（2）調(diào)整參數(shù)，校準(zhǔn)儀器。

在監(jiān)控主機中打開檢測軟件，選擇3D縱波檢測，進(jìn)入3D縱波-工藝參數(shù)調(diào)節(jié)界面，調(diào)節(jié)探頭參數(shù)為相控陣線陣探頭參數(shù)，陣元間距1.5*1.5mm，陣元數(shù)目8*8，探頭頻率5MHz，楔塊參數(shù)由于我們檢測前取掉了楔塊，所以楔塊參數(shù)全部為零。工件參數(shù)為預(yù)設(shè)參數(shù)暫時不調(diào)整。點擊校準(zhǔn)按鈕進(jìn)入校準(zhǔn)頁面，對儀器進(jìn)行快速校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時，將材料放置在220mm標(biāo)準(zhǔn)試件上，調(diào)整工件厚度為試塊厚度220mm，將閥門A調(diào)至一次回波，閥門B調(diào)制二次回波處，點擊校準(zhǔn)，儀器顯示校準(zhǔn)后參數(shù)，校準(zhǔn)完成（如圖4）。

圖2 CTS-PA22T主機連接方式

（3）檢測高強度螺栓并分析。

單擊右上角的返回，返回參數(shù)界面。點擊檢測按鈕進(jìn)入檢測主界面，將探頭放置在高強度螺栓一端，調(diào)整區(qū)域高度為160mm，此時在屏幕中顯示螺栓3D立體結(jié)構(gòu)及缺陷空間位置，如圖4所示。

圖4 螺栓3D立體結(jié)構(gòu)及缺陷空間位置

點擊分析按鍵分析檢測結(jié)果，具體為：

（1）40mm、60mm、80mm、90mm、115mm、130mm深度附近缺陷圖像如圖5所示。

圖5 不同位置缺陷顯示結(jié)果

（2）檢測結(jié)果為0°的缺陷（40mm、80mm、115mm）顯示清楚，檢測結(jié)果為180°的缺陷（60mm、90mm、130mm）顯示較模糊；

（3）從每一個結(jié)果成可以看出缺陷顯示為一個范圍尺寸，而不是準(zhǔn)確的缺陷深度；

（4）檢測痕跡受螺栓本身結(jié)構(gòu)影響較大，結(jié)果中可以看到明顯的螺紋痕跡。

分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）使用相控陣全聚焦實時3D超聲成像檢測系統(tǒng)可以快速檢測出高強度螺栓的缺陷，對于在用螺栓的檢驗有很大的優(yōu)勢；

（2）由于檢測設(shè)備技術(shù)不成熟，目前只能大致分析缺陷的位置范圍，無法準(zhǔn)確定位及定量分析缺陷；

（3）由于探頭能量限制及干擾的影響，對于深度較大的缺陷的顯示較困難，可以嘗試由螺栓另一側(cè)進(jìn)行檢驗；

（4）缺陷的顯示受探頭擺放位置的影響，有些缺陷顯示不清楚，可以調(diào)整角度進(jìn)行檢測；

（5）對于螺栓表面粗糙度有一定要求，較粗糙會干擾檢測結(jié)果。

3 結(jié)語

相控陣全聚焦實時3D超聲成像檢測作為高強度螺栓超聲波檢測的一項新技術(shù)，極大的降低了螺栓失效的隱患。同時此項技術(shù)無論從檢測方法還是檢測操作的難易程度，以及檢測結(jié)果的直觀程度。與超聲相控陣技術(shù)及傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)相比，都有很大的優(yōu)勢，為現(xiàn)場的檢測提供了一個快速、高效、準(zhǔn)確的檢驗手段。同時相控陣技術(shù)不僅可以解決在役高強度螺栓檢測的難題，還在檢測速度、便捷程度和缺陷識別方面有較大的優(yōu)勢。

但是在檢測過程中我們也發(fā)現(xiàn)，隨著檢測深度的增加，超聲相控陣波束能量會迅速衰減，伴隨而來的就是檢測靈敏度和信噪的急劇下降，這將直接影響我們檢測較長的高強度螺栓。尤其是相控陣全聚焦實時3D超聲成像檢測時，我們可以發(fā)現(xiàn)，其檢測面由于聲束的限制，是的檢測范圍較小，檢測范圍及顯示范圍較小。這對缺陷的準(zhǔn)確大小的判定會有所影響，需要在檢測中調(diào)整探頭位置，已獲得更好的結(jié)果。這對檢測人員的要求也有所提高。同時在分析檢測結(jié)果的時候，由于是立體圖像，需要分析人員有較強的空間理解能力。

而作為一項快速檢測高強度螺栓缺陷的技術(shù)，我們結(jié)合超聲相控陣和導(dǎo)波相控陣等技術(shù)的輔助，我們就可以實現(xiàn)高強度螺栓快速、高效、流水線式的檢測全覆蓋，在不拆卸高強度螺栓的前提下，通過螺栓一個端面的檢測就能完成整條螺栓的檢測，大大提高了工作效率，降低了成本。隨著此項技術(shù)的發(fā)展，將來可能會因為技術(shù)的成熟而不需要超聲相控陣和導(dǎo)波相控陣等技術(shù)的輔助，真正實現(xiàn)一站式、快速、高效、準(zhǔn)確、清晰的高強度螺栓檢測。