鋼結(jié)構(gòu)橋梁對(duì)接焊縫缺陷的TOFD檢測(cè)圖像特征

彭 森, 何連海，馬志華，劉 朵,張建東

(1.江蘇省交通運(yùn)輸廳建設(shè)管理處，南京 210001;2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，211112；3.南通市公路事業(yè)發(fā)展中心，南通，226001)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁(鋼橋)焊縫缺陷的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)一直是行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)[1]，在焊接過程中，焊接工藝參數(shù)設(shè)置不合理和操作的不規(guī)范極易導(dǎo)致焊縫缺陷，進(jìn)而會(huì)影響鋼橋結(jié)構(gòu)安全，降低結(jié)構(gòu)的耐久性，因此需要對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。目前鋼橋焊縫檢測(cè)方法主要有常規(guī)超聲、射線、磁粉、滲透等，這些方法雖然得到普遍使用，但同時(shí)也存在一些問題。其中常規(guī)超聲法檢測(cè)結(jié)果無法永久保存；射線法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作條件要求較高且對(duì)人體有一定的危害；磁粉法和滲透法難以檢測(cè)埋藏較深的內(nèi)部缺陷，這些技術(shù)局限性給鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫的質(zhì)量控制帶來很大不確定性。

超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)依據(jù)TOFD-D掃圖像特征實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫缺陷類型的辨識(shí)，對(duì)操作者技能水平依賴降低，且具有數(shù)字圖像存儲(chǔ)功能[2-3]，近年來被逐步應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁對(duì)接焊縫的檢測(cè)中[4]。孫旭等[5]采用自回歸譜外推技術(shù)對(duì)TOFD檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了微小裂紋的TOFD定量檢測(cè)，裂紋深度和高度定量相對(duì)誤差小于6%?？颠_(dá)等[6]提出了一種基于幾何關(guān)系的傾斜裂紋TOFD定量檢測(cè)方法，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法裂紋角度定量誤差小于1°。丁寧等[7]基于波形轉(zhuǎn)換理論提出了一種TOFD近表面盲區(qū)抑制方法，該方法可將近表面盲區(qū)抑制到1 mm。上述研究工作主要聚焦于TOFD檢測(cè)的缺陷定量，對(duì)缺陷類型判定方面的研究較少，而缺陷類型的準(zhǔn)確辨識(shí)在實(shí)際工程中是極其重要的。

筆者開展了對(duì)接焊縫缺陷類型判別的研究，使用TOFD技術(shù)對(duì)含有常見典型缺陷的模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)，分析了鋼橋?qū)雍缚p常見典型缺陷的TOFD檢測(cè)D掃圖像特征，為以后的鋼橋?qū)雍缚p缺陷辨識(shí)提供參考。

1 TOFD定性檢測(cè)原理

TOFD是一種利用超聲波衍射信號(hào)進(jìn)行缺陷檢測(cè)的技術(shù)，其采用一對(duì)超聲波縱向掃描探頭(一個(gè)作為發(fā)射器、一個(gè)作為接收器)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)原理如圖1所示。由圖1可見最先被接收探頭接收的波稱為直通波，之后接收探頭會(huì)接收到來自缺陷上、下端點(diǎn)的衍射縱波信號(hào)，最后是來自工件底面的反射回波，該條波形也被稱為A掃描信號(hào)。

圖1 TOFD檢測(cè)原理示意

由于A掃描信號(hào)攜帶的信息量較少，直接根據(jù)A掃描信號(hào)判別焊縫缺陷類型較為困難。將探頭每移動(dòng)一個(gè)步距獲得的A掃描信號(hào)按照探頭掃描方向依次排列，再將A掃描信號(hào)的幅值、相位轉(zhuǎn)換成256級(jí)灰度圖像(見圖2)，即得到TOFD-D掃圖像。其中，當(dāng)波形向正半周期變化時(shí)，灰度向白色漸變；當(dāng)波形向負(fù)半周期變化時(shí)，灰度向黑色漸變， 不同等級(jí)的灰度代表了信號(hào)的幅度大小。TOFD-D掃描圖像比A掃描信號(hào)更加直觀，操作者可根據(jù)灰度圖像特征辨識(shí)焊縫缺陷類型，降低了人為因素的影響。

圖2 TOFD-A掃信號(hào)灰度轉(zhuǎn)換示意

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 試塊制備

制備12塊內(nèi)部含有對(duì)接焊縫典型缺陷的試塊，材料為橋梁用結(jié)構(gòu)鋼Q345，坡口形式為V型，編號(hào)從N1到N12，試塊及缺陷參數(shù)如表1所示，缺陷位置如圖3所示，缺陷預(yù)埋深度基本覆蓋了目前鋼橋常用的鋼板厚度，其中缺陷深度隨機(jī)設(shè)置，文章不涉及缺陷的定量分析。

表1 試塊及缺陷參數(shù) mm

圖3 試塊中缺陷位置示意

2.2 檢測(cè)參數(shù)

為了獲得合格的圖像質(zhì)量，需要對(duì)TOFD檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。制作了一塊材料為Q345鋼，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為400 mm×400 mm×24 mm的薄壁超聲TOFD模擬試塊，內(nèi)設(shè)一長(zhǎng)為11 mm、埋深為10 mm的縱向裂紋。模擬試塊實(shí)物以及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)分別如圖4，5所示。

圖4 模擬試塊實(shí)物

圖5 模擬試塊檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

通過對(duì)模擬試塊的檢測(cè)，確定了鋼橋?qū)雍缚p缺陷檢測(cè)的最優(yōu)工藝參數(shù)：楔塊角度為60°；探頭頻率為7.5 MHz；晶片直徑為3 mm，探頭中心距為各個(gè)模擬試塊高度的2/3。然后在該最優(yōu)參數(shù)的基礎(chǔ)上使用SUPOR 32PT型TOFD主機(jī)分別對(duì)12塊模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)。

3 TOFD-D掃圖像特征分析

分別從評(píng)圖軟件Supor Up中截取不同缺陷的TOFD-D掃圖像，圖像縱軸為D掃描長(zhǎng)度，橫軸為接收到TOFD檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間；然后分別從紋理、形狀和走向等3個(gè)角度對(duì)不同缺陷的TOFD-D掃圖像特征進(jìn)行分析。

3.1 典型缺陷成像描述

3.1.1 表面開口裂紋

表面開口裂紋可分為掃查面開口裂紋和底面開口裂紋。掃查面開口裂紋和底面開口裂紋的TOFD-D掃圖像如圖6，7所示。由圖6可見，掃查面開口裂紋的TOFD-D掃圖像中直通波斷開，缺乏缺陷上端點(diǎn)衍射信號(hào)，僅能觀察到與直通波相位相同的缺陷下端點(diǎn)衍射信號(hào)；表面紋理呈較為稀疏的波紋狀；整體形狀為連續(xù)的條紋；走向與焊縫延伸方向斜交。

圖6 掃查面開口裂紋的TOFD-D掃圖像

由圖7可見，底面開口裂紋的TOFD-D掃圖像中底面反射波信號(hào)中斷，圖像中沒有缺陷下端點(diǎn)衍射信號(hào)；表面紋理呈密集的波紋狀；整體形狀顯示為與掃查方向垂直的拋物線形，其中拋物線端部較為平緩；走向與焊縫延伸方向垂直。

圖7 底面開口裂紋的TOFD-D掃圖像

3.1.2 內(nèi)部裂紋

內(nèi)部裂紋是指焊接接頭局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞，形成新界面所產(chǎn)生的縫隙。裂紋是焊縫缺陷中危害性最大的一種，裂紋末端的尖銳缺口會(huì)引起應(yīng)力集中，促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，引起焊接結(jié)構(gòu)的過早破壞。內(nèi)部裂紋的TOFD-D圖像如圖8所示。

圖8 內(nèi)部裂紋的TOFD-D掃圖像

由圖8可見，內(nèi)部裂紋的TOFD-D掃圖像的上、下端點(diǎn)衍射信號(hào)均不連續(xù)，并且上下端點(diǎn)衍射信號(hào)之間還有許多雜散信號(hào)，內(nèi)部裂紋的TOFD-D掃圖像具有以下特征：尖端朝向不一；表面紋理呈鋸齒狀；整體形狀呈斷續(xù)的條紋狀，且在圖像邊緣存在許多小的尖角；走向大體上與焊縫延伸方向平行。這些特征可以將內(nèi)部裂紋與表面開口裂紋明顯地區(qū)分開來。

3.1.3 氣孔

氣孔是由侵入熔池的氣體在熔池內(nèi)金屬冷卻凝固前來不及逸出形成的。氣孔會(huì)破壞焊縫金屬結(jié)構(gòu)的致密性和塑性，減小其有效截面，從而降低焊縫的機(jī)械性能。氣孔的TOFD-D掃圖像如圖9所示。

圖9 氣孔的TOFD-D掃圖像

由圖9可見，氣孔的TOFD-D掃圖像中上下端點(diǎn)衍射信號(hào)混合在一起，沒有明顯的邊界，部分上端點(diǎn)衍射信號(hào)被直通波掩蓋，相位無法分辨；信號(hào)表面紋理呈密集波紋狀；信號(hào)整體形狀略呈橢圓形或曲率較大的拋物線形；信號(hào)走向與焊縫延伸方向垂直。

3.1.4 夾渣

夾渣是在焊接過程中，由于非金屬雜質(zhì)、熔渣等冶金反應(yīng)產(chǎn)物未來得及析出或者前道焊縫的熔渣未清除干凈，殘留在焊縫內(nèi)部而形成的。夾渣會(huì)降低焊縫的韌性和塑性，且其尖角易引起應(yīng)力集中，形成裂紋。夾渣的TOFD-D掃圖像如圖10所示。

圖10 夾渣TOFD-D掃圖像

由圖10可見，夾渣的TOFD-D掃圖像的上端點(diǎn)衍射信號(hào)比下端點(diǎn)衍射信號(hào)要強(qiáng)，且有一個(gè)非常明顯的多次波動(dòng)信號(hào)；信號(hào)表面紋理呈波紋狀；信號(hào)整體形狀呈不規(guī)則的雙曲線形，且線形端部較為平緩；走向與焊縫延伸方向斜交。

3.1.5 未熔合

未熔合是指在焊道金屬和母材之間或填充金屬之間未完全熔化和結(jié)合的部分，造成未熔合的主要原因是焊接工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。未熔合會(huì)減少焊縫的有效截面積，造成應(yīng)力集中，降低焊縫的強(qiáng)度。未熔合的TOFD-D掃圖像如圖11所示。

圖11 未熔合的TOFD-D掃圖像

由圖11可見，未熔合的TOFD-D掃圖像的上端點(diǎn)衍射信號(hào)相對(duì)光滑且有部分被直通波信號(hào)覆蓋；信號(hào)表面紋理呈鋸齒狀或魚鱗狀；信號(hào)整體形狀呈斷續(xù)的不規(guī)則條紋形；信號(hào)走向整體上與焊縫延伸方向平行。

對(duì)比圖8和圖11可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部裂紋和未熔合缺陷信號(hào)在紋理、形狀和走向上較為接近，但是未熔合的邊緣更加平緩。

此外，通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中未熔合缺陷與標(biāo)準(zhǔn)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)》 推薦的未熔合圖像特征并不一致(見圖12)，這表明壓力容器的焊縫缺陷標(biāo)準(zhǔn)圖庫(kù)并不完全適用于鋼橋?qū)雍缚p缺陷的定性判定，因此，需要在日常鋼橋?qū)雍缚p檢測(cè)中繼續(xù)積累典型焊縫缺陷的TOFD-D掃圖像，以進(jìn)一步提高鋼橋?qū)雍缚p缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確率。

圖12 NB/T 47013.10-2015推薦的未熔合圖像

3.1.6 未焊透

未焊透指的是焊接時(shí)接頭處的金屬未進(jìn)入根部的現(xiàn)象。未焊透會(huì)減小焊縫的截面積，引起應(yīng)力集中，使得焊接工件在承受荷載時(shí)容易開裂。未焊透的TOFD-D掃圖像如圖13所示。

圖13 未焊透的TOFD-D掃圖像

由圖13可見，未焊透的TOFD-D掃圖像中上端點(diǎn)衍射信號(hào)和下端點(diǎn)衍射信號(hào)較為完整；信號(hào)表面紋理呈鋸齒狀或稀疏的波紋狀；信號(hào)整體形狀呈不規(guī)則的雙曲線形或連續(xù)的鋸齒形；信號(hào)走向與焊縫延伸方向平行。

對(duì)比圖10和圖13可見，夾渣的N8模擬試塊和未焊透的N12模擬試塊的TOFD-D掃圖像較為接近，在實(shí)際檢測(cè)中極易混淆；但是對(duì)比夾渣的N7模擬試塊和未焊透的N11模擬試塊的TOFD-D掃圖像可以發(fā)現(xiàn)，夾渣信號(hào)呈斷續(xù)的雙曲線狀，而未焊透信號(hào)呈連續(xù)的鋸齒狀，且起伏變化較為頻繁，根據(jù)這種差異，可對(duì)夾渣和未焊透進(jìn)行區(qū)分。

3.2 缺陷類型的圖像特征

綜上，TOFD-D掃圖像可以表征鋼橋?qū)雍缚p缺陷類型，鋼橋?qū)雍缚p典型缺陷與TOFD-D掃圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 鋼橋?qū)雍缚p典型缺陷與TOFD-D掃圖像特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

采用TOFD檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了鋼橋?qū)雍缚p缺陷類型判別的研究，使用TOFD技術(shù)檢測(cè)含有常見典型缺陷的模擬試塊，通過分析鋼橋?qū)雍缚p常見缺陷的TOFD-D掃圖像特征，得出了以下結(jié)論。

(1) 鋼橋?qū)雍缚p典型缺陷TOFD-D掃圖像特征與缺陷類型密切相關(guān)，通過建立對(duì)接焊縫缺陷與TOFD-D掃圖像特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以為辨識(shí)對(duì)接焊縫缺陷類型提供依據(jù)。

(2) TOFD技術(shù)對(duì)于鋼橋?qū)雍缚p缺陷檢測(cè)具有很好的研究前景和應(yīng)用價(jià)值，值得進(jìn)一步加以研究，以豐富對(duì)接焊縫典型缺陷的特征圖庫(kù)，增加TOFD檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度與客觀性，為TOFD檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際鋼橋建設(shè)中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。