利用超聲波相控陣檢測技術(shù)對U肋雙面焊焊接工藝驗(yàn)證

邱昌瀚 陳剛

1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430034

2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 湖北武漢 430034

近年來，我國的橋梁建設(shè)水平得到迅猛發(fā)展，越來越多的大跨徑鋼橋得以建成。正交異性板結(jié)構(gòu)以其重量輕、承載能力大、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是大跨徑鋼橋，其技術(shù)優(yōu)勢更加明顯[1-3]。

交異性鋼橋面板的U型縱向肋具有封閉、狹窄細(xì)長的結(jié)構(gòu)特性，采用傳統(tǒng)單面焊接工藝，難以實(shí)現(xiàn)全熔透，導(dǎo)致其焊縫根部缺陷產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,橋梁使用過程中，由于受到車輛行走產(chǎn)生的交變荷載，常常在U肋的內(nèi)根部產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致U肋的焊縫位置成為鋼橋梁安全隱患的高發(fā)區(qū)[4]。針對這一問題，國內(nèi)一些橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造廠家開發(fā)了U肋雙面焊焊接技術(shù)。U肋雙面焊焊接技術(shù)夠?qū)崿F(xiàn)U肋的內(nèi)部打底焊接,可起到背部堵漏的效果,防止外部焊接時背部燒穿[5]。通過U肋內(nèi)焊技術(shù)，將U肋與橋面板之間的連接焊縫由單側(cè)角焊縫改變?yōu)殡p側(cè)角焊縫形式，以求實(shí)現(xiàn)U肋焊接接頭的全熔透，改變焊縫對U肋腹板的偏心狀態(tài)，大幅提高了焊縫的疲勞性能[6]。

1 檢測現(xiàn)狀

目前針對內(nèi)外雙面焊焊接成型的U肋焊接接頭內(nèi)部質(zhì)量主要采用超聲波相控陣取點(diǎn)測熔深法和宏觀金相斷面法。

1.1 熔深法

采用超聲波相控陣取點(diǎn)測熔深法，即在條焊縫中隨機(jī)取一系列的點(diǎn)，這些位置熔深滿足要求即該焊縫符合要求，這種方法將一條焊縫割裂成一個個間斷的點(diǎn)，通過這些單個孤立點(diǎn)的熔深情況很難準(zhǔn)確判斷該條焊縫整體的焊接質(zhì)量。取點(diǎn)測熔深具有主觀性，偶然性，無圖譜記錄等缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)對整條焊縫的全面檢測，并不適合U肋雙面焊全熔透角焊縫的檢測。

1.2 宏觀金相法

除了采用無損檢測手段，也可采用宏觀金相法對U肋雙面焊焊接工藝進(jìn)行驗(yàn)證，宏觀金相是沿垂直焊縫軸線切取截面，試樣的截取可采用手鋸、砂輪切割、機(jī)械加工或氣割等方法，將制備好的試樣放入適合的試劑腐蝕浸泡，將侵蝕完畢的試樣清洗吹干觀察。宏觀金相其最大優(yōu)點(diǎn)是直觀；其缺點(diǎn)是宏觀金相是破壞性試驗(yàn)，取樣具有主觀性、偶然性，試樣處理中切割、打磨及腐蝕過程有可能會導(dǎo)致缺陷消失。

2 超聲波相控陣試驗(yàn)檢測研究

2.1 相控陣檢測技術(shù)原理

相控陣超聲使用的探頭是由若干壓電晶片組成陣列換能器,通過電子系統(tǒng)控制陣列中的各個晶片按照一定的延時法則發(fā)射和接收超聲波,從而實(shí)現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能。利用偏轉(zhuǎn)特性可以激發(fā)多角度聲束對檢測區(qū)域進(jìn)行較大面積覆蓋,從而提高檢測效率及缺陷檢出率；利用聚焦特性,可以提高回波信號幅度和信噪比,以及信號深度、長度的測量精度,從而提高缺陷檢出率。

2.2 儀器設(shè)備

檢測系統(tǒng)主要由相控陣檢測儀、探頭及楔塊（圖1）、軟件、掃查裝置組成。

2.2.1 相控陣檢測儀

檢測設(shè)備采用的是由奧林巴斯公司生產(chǎn)OmniscanMX2/32:128型相控陣，其單個探頭最大激發(fā)數(shù)量為32個晶片，最大總晶片激發(fā)數(shù)量為128個。探頭型號為Olympus10L32-A1探頭，探頭頻率為10MHz,晶片數(shù)量為32個。楔塊型號為OlympusSA1-N60S-IHC-SA，該楔塊為60°橫波楔塊。

圖1 相控陣檢測儀、探頭及楔塊

2.2.2 軟件

Esbeamtool超聲聲束模擬軟件，用于評價擬采用檢測工藝聲束覆蓋的有效性；TomoView軟件，用于數(shù)據(jù)離線分析，能處理大容量的數(shù)據(jù)文件，滿足實(shí)際檢測數(shù)據(jù)的分析。

2.2.3 掃查裝置

掃查裝置上的夾持部分用來固定探頭、保持探頭與焊縫的相對距離，并與位置編碼器同步運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)探頭與檢測位置的對應(yīng)；為了保證位置分辨率滿足工藝要求，并采用電機(jī)驅(qū)動。

2.3 檢測工藝

2.3.1 檢測方法

（1）檢測面選擇，將檢測面選在U肋面板側(cè)，正交異性鋼橋面板是一個大的平面，超聲波相控陣檢測設(shè)備及掃查裝置有足夠的移動空間，能實(shí)現(xiàn)對檢測區(qū)域的覆蓋及自動掃查。

（2）探頭位置，通過聲束模擬，探頭在偏離焊縫中心線20mm的位置發(fā)出能實(shí)現(xiàn)對焊接接頭區(qū)域的全覆蓋，探頭在距離焊縫中心線20mm位置對稱布置。

（3）掃查方法。采用在正交異性鋼橋面板側(cè)沿線掃查+扇掃描，探頭移動方向?yàn)楹缚p長度方向，如下圖2。

圖2 檢測布置示意圖

2.3.2 檢測系統(tǒng)設(shè)置與校準(zhǔn)

（1）扇掃描的設(shè)置與校準(zhǔn)。扇掃描即用特定的聚焦法則激發(fā)相控陣探頭中的部分相鄰或全部晶片,使激發(fā)晶片組形成的聲束在設(shè)定的角度范圍內(nèi)以一定的步進(jìn)值變換角度掃過扇形區(qū)域。其具體設(shè)置如下：

扇掃描角度范圍設(shè)定為40°-70°，即保證對焊接接頭的全覆蓋，又能避免過大角度偏轉(zhuǎn)造成的聲束角嚴(yán)重?cái)U(kuò)散，影響檢測靈敏度。角度越小精確度越高，角度步進(jìn)設(shè)置為1°。

采用扇掃描檢測前，應(yīng)對扇掃描角度范圍內(nèi)的每一條聲束校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的聲程范圍應(yīng)包含檢測擬使用的聲程范圍。在校準(zhǔn)前先進(jìn)行ACG修正。ACG修正采用CSK-IA試塊上R50mm圓弧進(jìn)行。采取TCG修正方法進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)試塊采用RB-2。

（2）靈敏度設(shè)置。設(shè)置TCG靈敏度時，將Φ3×40-4dB調(diào)至滿屏的90%，作為掃查靈敏度。

工件表面耦合損失和材質(zhì)衰減應(yīng)與試塊相同，否則應(yīng)進(jìn)行傳輸損失補(bǔ)償。在所采用的最大聲程內(nèi)最大傳輸損失差小于或等于2dB時可不進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）掃查步進(jìn)設(shè)置。檢測前應(yīng)將檢測系統(tǒng)設(shè)置為根據(jù)掃查步進(jìn)采集信號。掃查步進(jìn)值為1mm。

（4）編碼器的校準(zhǔn)。編碼器校準(zhǔn)方式是使掃查裝置移動一定的距離（不小于500mm）時對檢測設(shè)備所顯示的位移與實(shí)際位移進(jìn)行比較，其誤差應(yīng)小于1%，最大不超過10mm。

3 工程應(yīng)用

3.1 制造工藝

某大橋U肋焊接工藝采用了全新內(nèi)外焊相結(jié)合的焊接工藝。為了進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝，分別采用37°和44°坡口進(jìn)行施焊，其他焊接參數(shù)保持一致，內(nèi)焊機(jī)平位，實(shí)心焊絲富氬氣體保護(hù)焊，外焊船位，實(shí)心焊絲CO2氣體保護(hù)焊。龍門式U肋裝配機(jī)組進(jìn)行端頭對齊、精確定位、壓緊和定位焊。U肋內(nèi)焊通過專用焊接設(shè)備，將焊槍送進(jìn)U肋內(nèi)部，進(jìn)行U肋內(nèi)側(cè)角焊縫的焊接工作，在U肋內(nèi)焊接角焊縫后再焊接外側(cè)坡口角焊縫，具體焊接方法如表1。

表1 焊接方法

內(nèi)焊、外焊打底焊及外焊蓋面焊焊接過程中電流、電壓、焊速如表2。

表2 焊接參數(shù)

U肋板厚度8mm，面板厚度為16mm，U肋面板試件長度為10m（如下圖3），圖中U1和U2采用44°坡口，U3和U4采用37°坡口。

3.2 檢測實(shí)施

超聲檢測掃查面為正交異性鋼橋面板側(cè)，探頭移動區(qū)域應(yīng)清除焊接飛濺、氧化皮、污垢及其他影響透聲性能和耦合效果的覆蓋物。檢測表面要求光滑、平整，便于探頭的移動和耦合，必要時應(yīng)進(jìn)行打磨。

檢測前先在面板側(cè)畫出參考基線作為檢查運(yùn)動軌跡和缺陷水平定位基準(zhǔn)。將焊縫中心線或U肋裝配線移植到面板側(cè)作為參考線，要求掃查面參考線與焊縫中心線或U肋裝配線重合偏差≤2mm，并對掃查起始點(diǎn)和掃查方向予以標(biāo)記。

圖3 U 面板試件

檢測時，由于橋梁U肋面板長度遠(yuǎn)大于上文中U肋試件長度，U肋面板長度一般在10-15m，為了沿焊縫縱向保持直線掃查，采用導(dǎo)軌架控制掃查裝置與基準(zhǔn)線的相對位置，探頭沿預(yù)定直線軌跡移動，移動過程中，探頭位置與預(yù)定軌跡的偏移量不能超過步進(jìn)偏移值的15%，掃查速度不超過儀器限定的最大掃查掃查速度。掃查過程應(yīng)保持穩(wěn)定的耦合，若發(fā)現(xiàn)耦合不良，需要重新掃查該段區(qū)域。每次掃查長度不應(yīng)超過2000mm；若需對焊縫在長度方向進(jìn)行分段掃查，則各段掃查區(qū)的重疊范圍至少為20mm。在掃查過程中會出現(xiàn)因?yàn)殇摪灞砻娴娘w濺或與軌道間的摩擦掃查架會卡死情況，這時候用手輕撥車輪使之繼續(xù)前進(jìn)，如出現(xiàn)掉線、耦合不良、軌道偏移的情況需重新掃查。掃查圖像中耦合不良不得超過整個掃查的5%，單個耦合不良長度不得超過2mm。當(dāng)掃查長度達(dá)到設(shè)定長度時，停下掃查車，并存及時儲數(shù)據(jù)，文件名與所掃查的焊縫編號一致。掃查的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行復(fù)核，需相控陣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，否則數(shù)據(jù)無效，應(yīng)重新進(jìn)行掃查。

3.3 檢測結(jié)果分析

3.3.1 缺陷定性分析

將掃查得到的相控陣數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，通過TomoView軟件進(jìn)行分析可以得到，A掃描視圖，B掃描視圖，S掃描視圖。A掃描視圖是一種接收到得超聲回波信號幅度隨聲程變化的顯示；B掃描視圖:是工件的側(cè)面投影顯示方式；S掃描:也稱扇形掃查，為沿探頭掃描方向，通過實(shí)施一系列的聚焦法則使聲束在限定的角度范圍內(nèi)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)掃查，采集結(jié)果是全部角度聲束的的圖像顯示。

通過結(jié)合A掃描及B掃描及扇掃描（S掃描）對信號顯示定性分析。先確定焊接接頭輪廓的幾何反射信號，根據(jù)測量好的焊接接頭焊角的實(shí)際尺寸，用CAD軟件繪制焊接接頭的幾何圖形，將焊接接頭幾何圖形導(dǎo)入TomView中，在扇掃描中可以看到的焊接接頭幾何輪廓，在扇掃描視圖中不斷調(diào)節(jié)掃查角度，在B掃描視圖可以發(fā)現(xiàn)一條跟掃查距離長度相同的反射信號，在A視圖觀察會發(fā)現(xiàn)該信號穩(wěn)定且整條波幅極高，在扇掃描中信號剛好與焊接接頭的幾何輪廓重合，可以確定該條信號為幾何反射信號并非缺陷信號。調(diào)節(jié)扇掃描角度，在B視圖中發(fā)現(xiàn)幾何信號上有一條短信號，在B視圖中將光標(biāo)移至短信號上，在扇掃描視圖中可以發(fā)現(xiàn)該信號位于焊接接頭幾何輪廓線以內(nèi)，正好處于U肋腹板與面板相接的根部區(qū)域，可以判斷該信號為焊接接頭根部缺陷，如下圖4所示。

圖4 A+B+S 缺陷分析視圖

3.3.2 缺陷定量分析

對缺陷顯示的測量包括波幅、長度、位置的測量。

（1）回波幅度確定。扇掃描時，找到不同位置扇掃描的不同角度A掃描中缺陷的最高回波幅度作為該缺陷的幅度。

（2）缺陷長度確定。若缺陷最高波幅未超過滿屏100%，則以此幅度為基準(zhǔn)，找到此缺陷不同角度A掃描回波幅度降低6dB的最長長度作為該缺陷的長度。

若缺陷最高幅度超過滿屏100%，則找到此缺陷不同角度A掃描回波幅度降低到定量線時的最大長度作為此缺陷的長度。

（3）缺陷位置確定.缺陷位置測量包括水平位置、深度位置和缺陷在焊縫長度方向的位置。在扇掃圖上，讀取缺陷最大波幅時測量指針?biāo)鶎?yīng)讀數(shù)作為缺陷水平和深度值，在B掃圖上讀取缺陷在焊縫長度方向上的位置。

3.3.3 檢測結(jié)果

經(jīng)超聲波相控陣檢測發(fā)現(xiàn)采用44°坡口和37°坡口的焊接接頭均存在一定比例的未熔透，經(jīng)統(tǒng)計(jì)44°坡度熔透比例為92%；而37°坡口熔透比例為57%。對比B掃描視圖可以發(fā)現(xiàn)44°坡口U肋焊接接頭缺陷多為區(qū)部小范圍的缺陷，而37°坡口U肋焊接接頭中易出現(xiàn)整段大范圍的缺陷（如下圖5和圖6）。

圖5 44°坡口缺陷B 掃描視圖

將兩種焊接工藝進(jìn)行比較，其焊絲種類，焊接電流，焊接電壓及焊接速度完全一致，工藝1坡口角度為44°，工藝2坡口角度為37°，由于U肋坡口角度的差異而導(dǎo)致熔透率差異巨大，這是坡口角度越大焊絲端部越能跟接坡口根部接近，焊接過程中焊絲接觸到被檢工件產(chǎn)生電弧熔化，在電流電壓不變的情況下，電弧熔化點(diǎn)到母材的距離相同，坡口角度越大，電弧為保持原來形狀,電弧下移,這個距離就越小，熔透能力越強(qiáng)。

圖6 37°坡口缺陷B 掃描視圖

4 結(jié)語

相比與熔深法和宏觀金相法，采用超聲波相控陣在正交異性鋼橋面板側(cè)沿線掃查+扇掃描，對整條焊縫進(jìn)行全面掃查，并借助編碼器實(shí)時存儲圖像數(shù)據(jù)，能夠全面的反映雙面焊U肋角焊縫焊接質(zhì)量，而并非通過焊縫某幾個截面質(zhì)量情況去推斷整條焊縫的質(zhì)量，檢測結(jié)果更加真實(shí)可信。