吳 昊，夏鵬飛，靳 超，彭曄丹，周學(xué)輝

（1.中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司，北京 100006；2.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004）

0 引言

橋梁焊接過程中存在著大量的對(duì)接焊縫，包括橋面板頂板，橋塔，鋼箱節(jié)點(diǎn)等位置；同時(shí)，超大跨度的斜拉橋意味著橋梁主要結(jié)構(gòu)的尺度都是超出常規(guī)的，如鋼桁梁、斜拉索等位置，其中包括大量厚板（厚度 30 mm 以上）的對(duì)接焊縫。

對(duì)于此類對(duì)接焊縫缺陷，當(dāng)前常用的無損檢測(cè)技術(shù)手段包括常規(guī)射線、超聲、磁粉和滲透。而這些常規(guī)技術(shù)在對(duì)以上類型的焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，存在諸如射線曝光時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)人體有傷害，超聲工藝復(fù)雜等難點(diǎn)。

近些年隨著技術(shù)的發(fā)展，以及多學(xué)科領(lǐng)域的融合，相控陣超聲（PAUT）、衍射時(shí)差技術(shù)（TOFD）等數(shù)字化新型無損檢測(cè)技術(shù)不斷應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

近年來在橋梁領(lǐng)域，PAUT 和 TOFD 技術(shù)也得到了推廣應(yīng)用。張華等［1］將超聲相控陣應(yīng)用在 U 肋角焊縫檢測(cè)，鋼箱梁橋 U 肋與橋面板之間由角焊縫連接，連接處由于應(yīng)力集中，易產(chǎn)生疲勞裂紋，針對(duì)此處裂紋的檢測(cè)，張華等利用聲束仿真軟件設(shè)計(jì)了相控陣超聲檢測(cè)工藝，并設(shè)計(jì)加工模擬驗(yàn)證試塊，在試塊上驗(yàn)證了工藝的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的工藝能夠?qū)?U 肋根部焊縫內(nèi)缺陷進(jìn)行有效的檢出和測(cè)量。姚蓓等采用超聲相控陣檢測(cè)蘇通大橋 U 肋角焊縫［2］，檢測(cè)的目標(biāo)主要針對(duì)角焊縫熔深，蘇通大橋的 U 肋為不完全熔透角焊縫，設(shè)計(jì)要求熔透深度不低于 80 %，并著重指出：對(duì)于正交異性橋，U 肋根部由于疲勞載荷產(chǎn)生的向橋面板延申的裂紋，是此類橋梁的主要裂紋所在；根據(jù)裂紋位置設(shè)計(jì)了專用的相控陣檢測(cè)工藝，選擇了 5 處重點(diǎn)位置，驗(yàn)證檢測(cè)工藝，共對(duì) 8 條焊縫進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，通過分布統(tǒng)計(jì)表明：大部分熔深程度滿足設(shè)計(jì)要求，并提出建議：利用 PAUT 技術(shù)快速檢測(cè)全橋的 U 肋焊縫情況，積累數(shù)據(jù)，為橋梁養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。周林等［3］對(duì)比了 TOFD 和射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁的檢測(cè)效果，共進(jìn)行了 26 組實(shí)驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果顯示，對(duì)于橋梁焊縫內(nèi)部缺陷，TOFD 比射線具有更高的靈敏度和檢出率。李江華［4］參照 NB/T 47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第 10 部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》，使用 TOFD 檢測(cè)技術(shù)對(duì)平南三橋焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，此標(biāo)準(zhǔn)主要適用于承壓設(shè)備，對(duì)缺陷的判定較為嚴(yán)格，對(duì)焊縫中允許存在的缺陷點(diǎn)數(shù)和長(zhǎng)度有嚴(yán)格的限制。在橋梁行業(yè)中使用此標(biāo)準(zhǔn)要求過于嚴(yán)格，會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量過度控制。JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》［5］將 TOFD 和 PAUT 納入了的輔助檢測(cè)方法，但并沒有對(duì)檢測(cè)方法細(xì)節(jié)和驗(yàn)收準(zhǔn)則做出具體規(guī)定。

雖然以上兩種技術(shù)有常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是也有自身不足。

PAUT 基于超聲脈沖反射原理，因此也會(huì)有常規(guī)超聲的一些缺點(diǎn)，如：對(duì)于面積型缺陷的靈敏度高于體積型缺陷；對(duì)于平行于聲束方向的缺陷靈敏度低等。

TOFD 對(duì)于內(nèi)部缺陷的靈敏度較高，且不受缺陷方向的影響，可以彌補(bǔ)相控陣超聲的不足，但通常會(huì)存在上下表面檢測(cè)盲區(qū)的問題，如圖 1 所示。

圖1 TOFD 檢測(cè)盲區(qū)示意圖

因此，擬開發(fā)適用于橋梁對(duì)接焊縫的 T OF D 及 PAUT 聯(lián)合檢測(cè)工藝，解決大型橋梁建造過程中對(duì)接焊縫無損檢測(cè)面臨的低效、厚板檢測(cè)工藝復(fù)雜、不等厚板焊縫檢測(cè)難度高、常規(guī)無損檢測(cè)數(shù)據(jù)無法保存和追溯的問題。

1 工藝開發(fā)流程

1.1 設(shè)備選型

在制作檢測(cè)工藝前，應(yīng)針對(duì)不同厚度的對(duì)接焊縫，選擇不同頻率及尺寸的探頭。特種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn) NB/T 47013-2015 《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》第 10 部分和第 15 部分分別對(duì) TOFD 和 PAUT 的探頭選型進(jìn)行了推薦。

其中 TOFD 探頭的選型如表 1 所示，當(dāng)板厚逐漸增大時(shí)，需要選擇較低頻率和較大尺寸的探頭，以增強(qiáng)聲束的穿透能力。

表1 TOFD 探頭的選型標(biāo)準(zhǔn)

PAUT 探頭的選型如表 2 所示，當(dāng)工件厚度逐漸增大時(shí)，需要選擇頻率相對(duì)較低的探頭，以提高聲束的穿透性。

表2 PAUT探頭的選型標(biāo)準(zhǔn)

1.2 工藝設(shè)置原則

對(duì)于 TOFD，工藝關(guān)鍵在于兩個(gè)探頭的主聲束交點(diǎn)深度。按照 ISO 15626-2018 要求，厚度≤50 mm 時(shí)，TOFD 檢測(cè)采用 1 對(duì)探頭，如圖 2（a）所示；厚度 ＞50 mm 時(shí)，TOFD 檢測(cè)采用兩對(duì)探頭，如圖 2（b）所示，放置在焊縫兩側(cè)，覆蓋整個(gè)焊縫，推薦設(shè)置如表 3 所示。

圖2 TOFD 工藝示意圖

表3 簡(jiǎn)單對(duì)接接頭的推薦 TOFD 設(shè)置

對(duì)于 PAUT，可根據(jù) ISO 13588-2019 中規(guī)定的檢測(cè)等級(jí)進(jìn)行工藝設(shè)置，為了保證焊縫融合線處的危害性缺陷不漏檢，一般將探頭放置在焊縫雙側(cè)，調(diào)整探頭位置、晶片數(shù)量和位置，使用 1 次波和 2 次波覆蓋整個(gè)焊縫區(qū)域，如圖 3 所示。

圖3 對(duì)接焊縫聯(lián)合檢測(cè)工藝示意圖

1.3 試塊設(shè)計(jì)加工要求

聯(lián)合檢測(cè)作為一種新的無損檢測(cè)工藝，在使用前應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行試塊驗(yàn)證，試塊的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)。

1）試塊的材料與實(shí)際檢測(cè)對(duì)象一致或近似。

2）試塊的厚度應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于檢測(cè)對(duì)象的厚度覆蓋要求。

3）試塊的焊接應(yīng)使用與檢測(cè)對(duì)象相同的焊接工藝。

3）試塊中缺陷以自然缺陷為主，可通過人工加工或現(xiàn)場(chǎng)切割有自然缺陷的焊縫 2 件。

4）缺陷位置應(yīng)均勻分別在試塊內(nèi)部和表面。

5）缺陷長(zhǎng)度不宜超過驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的合格長(zhǎng)度。

1.4 試塊數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在驗(yàn)證試塊上，使用設(shè)置的工藝進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將聯(lián)合檢測(cè)結(jié)果與其他方法的效率和檢出率做比較。確定工藝的可靠性。

2 實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證

2.1 選擇驗(yàn)證對(duì)象

橋梁建造過程中數(shù)量最多的是橋面板對(duì)接焊縫，厚度在 16～18 mm，因此選取 16 mm 鋼板制作驗(yàn)證試塊。根據(jù) 1.3 中的設(shè)計(jì)原則，首先設(shè)計(jì)試板圖紙，如圖 4 所示，最終的試板如圖 5 所示。

圖4 橋面板對(duì)接焊縫圖紙（單位：mm）

圖5 橋面板對(duì)接焊縫實(shí)物圖

2.2 確定具體工藝參數(shù)

按照 ISO 15626-2018 標(biāo)準(zhǔn)（檢測(cè)等級(jí)）設(shè)置 TOFD 的 PCS 覆蓋內(nèi)部，TOFD 聚焦深度為板厚的 2/3，計(jì)算得到聚焦深度為 10.67 mm，通過三角函數(shù)計(jì)算得到 TOFD 探頭間距 PCS=62.89 mm，計(jì)算 TOFD 盲區(qū)；PAUT 保證覆蓋焊縫根部以及上表面（補(bǔ)充 TOFD 盲區(qū)）。此部分內(nèi)容可以通過前處理工藝仿真軟件完成，如圖 6 所示。

圖6 TOFD聚焦處理工藝仿真示意圖

2.3 掃查設(shè)備開發(fā)及數(shù)據(jù)采集

考慮到橋梁對(duì)接焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、空間尺寸、檢測(cè)方法和操作工藝等諸多因素，計(jì)劃從以下方面進(jìn)行手動(dòng)及自動(dòng)掃查器的研制和開發(fā)工作。

1）兼容性設(shè)計(jì)。自動(dòng)掃查裝備能同時(shí)搭載一組或多組 TOFD 和 PAUT 探頭，適應(yīng)多種檢測(cè)工藝和方法的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，能降低成本，快速匹配，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需求。

3）輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。自動(dòng)掃查裝備在滿足功能要求的前提下，盡可能選取輕量化材料和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)原則，便于快速安裝拆卸，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

4）便攜化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。自動(dòng)掃查裝備盡可能便攜，尺寸緊湊，便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員在不同作業(yè)空間穿梭和高空作業(yè)。

根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)加工的聯(lián)合檢測(cè)掃查器原型如圖 7 所示。

圖7 聯(lián)合檢測(cè)掃查器原型圖

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 射線（RT）檢測(cè)結(jié)果

利用射線（RT）對(duì)試塊焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果如圖 8 所示。

圖8 射線對(duì)試塊檢測(cè)結(jié)果圖

可發(fā)現(xiàn)其中的兩處缺陷，其位置和長(zhǎng)度如表 4 所示。

在高速公路瀝青路面施工過程中，考慮到道路上下層結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)需要使用不同配比的瀝青材料，所以，上下層瀝青材料的生產(chǎn)過程必須分開進(jìn)行，為了提高施工效率，可以通過同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)2臺(tái)攪拌機(jī)來生產(chǎn)不同配比的瀝青材料，從而為高速公路瀝青路面的施工提供合格的施工材料，進(jìn)一步保障高速公路瀝青路面施工的質(zhì)量。

表4 射線檢測(cè)缺陷的位置和長(zhǎng)度

2.4.2 衍射視差法（TOFD）檢測(cè)結(jié)果

TOFD 檢測(cè)圖譜如圖 9 所示。

圖9 TOFD 對(duì)試塊檢測(cè)結(jié)果圖

在圖中經(jīng)過分析可發(fā)現(xiàn) 3 處加工缺陷，缺陷尺寸和位置如表 5 所示。

表5 TOFD 檢測(cè)缺陷的位置等信息

2.4.3 相控陣超聲（PAUT）檢測(cè)結(jié)果

PAUT 檢測(cè)圖譜如圖 10 所示。

圖10 PAUT 對(duì)試塊檢測(cè)結(jié)果圖

在圖中經(jīng)過分析可發(fā)現(xiàn) 2 處缺陷，缺陷尺寸和位置如表 6 所示。

表6 PAUT檢測(cè)缺陷的位置等信息

2.4.4 數(shù)據(jù)匯總分析

將以上檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表 7 所示。

表7 三種檢測(cè)方法結(jié)果匯總

得到以下結(jié)論。

1）對(duì)于缺陷 1，由于其高度小，以及反射面方向問題，導(dǎo)致 PAUT 和 RT 技術(shù)沒有發(fā)現(xiàn)，而 TOFD 由于對(duì)細(xì)小缺陷敏感，因此檢出缺陷 1。

2）對(duì)于缺陷 2 和缺陷 3，四種方法都能夠有效檢出。其中 PAUT 可以根據(jù)波形及位置對(duì)缺陷進(jìn)行定性，TOFD 由于自身技術(shù)特點(diǎn)，無法對(duì)缺陷性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。RT 技術(shù)無法確定缺陷深度和自身高度。常規(guī) UT 由于只有一個(gè)聲束角度，一般難以測(cè)定缺陷自身高度。

2.4.5 效率對(duì)比

本次驗(yàn)證試板的長(zhǎng)度為 400 mm，采用聯(lián)合檢測(cè)的時(shí)間為 15 min，檢測(cè)效率為 26 mm/min。

采用 UT 的檢測(cè)方法所需時(shí)間為 20 min，檢測(cè)效率為 20 mm/s。聯(lián)合檢測(cè)效率相對(duì) UT 檢測(cè)效率要高出 6 mm/min。且一般情況下 UT 會(huì)結(jié)合 MT（磁粉）技術(shù)，所需時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。

如果檢測(cè)對(duì)象為厚板，則對(duì)于常規(guī)超聲而言，至少需要 2 個(gè)不同角度的探頭，效率更低，此時(shí)的聯(lián)合檢測(cè)效率優(yōu)勢(shì)更加明顯。

利用 RT 檢測(cè)，需要隔離，曝光，顯影等一系列操作，總體時(shí)間較長(zhǎng)，難以與上述超聲技術(shù)比較。

3 結(jié)論

1）聯(lián)合檢測(cè)方案可以精確檢測(cè)出對(duì)接焊縫中各種類型缺陷。PAUT 與 TOFD 技術(shù)可以互補(bǔ)。

2）聯(lián)合檢測(cè)較常規(guī)無損檢測(cè)手段效率較高。尤其是針對(duì)厚板焊縫時(shí)。

3）聯(lián)合檢測(cè)方案以聲學(xué)成像的方式，其數(shù)據(jù)可記錄、存儲(chǔ)、調(diào)用，配合使用專用判讀軟件，結(jié)合人工評(píng)判方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，工作量大的情況下可以采用智能分析軟件，滿足自動(dòng)化檢測(cè)需求。Q