基于相控陣全聚焦3D技術(shù)的鋼箱梁U肋角焊縫檢測試驗(yàn)研究*

宋學(xué)平

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

鋼箱梁是大跨徑橋梁常用的結(jié)構(gòu)形式，采用大量U肋角焊縫進(jìn)行焊接。鋼箱梁的U肋角焊縫屬于非全熔透的焊接方式，允許有一定的未焊透存在。因此，焊縫熔深是評估U肋角焊縫焊接質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，U肋角焊縫大多采用常規(guī)超聲波檢測，由于缺乏形象的圖像顯示，檢測結(jié)果不易判讀，因而檢測效率低下，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)需求。基于此，業(yè)內(nèi)專家學(xué)者做了一些有益探索，取得了一定的成效。如，針對相控陣檢測技術(shù)體系的不完善，對U肋角焊縫超聲相控陣檢測的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并通過實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)相控陣檢測U肋焊縫熔深的有效性，然而通用相控陣的成像分辨率的不足仍然存在[1]; 采用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行U肋熔深檢測已在實(shí)際應(yīng)用中逐步全面推廣[2]；相比之下，相控陣全聚焦技術(shù)是一種具有更高的成像分辨率、覆蓋面廣、對小缺陷靈敏度高等優(yōu)勢，因而對缺陷定量具有更加準(zhǔn)確，對焊縫熔深評估更加精準(zhǔn)[3]; 針對對全聚焦相控陣技術(shù)的場測量以及聲場特性等問題，強(qiáng)天鵬等進(jìn)行了詳細(xì)研究，為全聚焦檢測技術(shù)應(yīng)用提供了有力技術(shù)支持[4-5]。筆者對相控陣全聚焦3D技術(shù)檢測鋼箱梁U肋角焊縫熔深時(shí)，腹板、翼板外側(cè)、腹板內(nèi)側(cè)三個(gè)檢測位置的聲場覆蓋情況進(jìn)行分析，通過試驗(yàn)研究，對比分析三個(gè)位置檢測結(jié)果，得出最理想檢測位置，達(dá)到鋼箱梁U肋角焊縫熔深高效檢測的要求，解決常規(guī)超聲檢測效率低下，評判困難的問題。

1 全聚焦檢測技術(shù)原理

對于具有N個(gè)陣元的相控陣線陣探頭，依次激發(fā)N陣元超聲陣列探頭的每一單個(gè)陣元，所有陣元同時(shí)接收，遍歷激發(fā)所有陣元之后，將采集得到二維矩陣N*N條A型回波，原理如圖1所示。根據(jù)延遲法則，將全矩陣采集獲得的二維矩陣數(shù)據(jù)對目標(biāo)網(wǎng)格化二維成像區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行聚焦計(jì)算，并通過彩色圖像顯示，即生成二維全聚焦成像，如圖2所示。從圖中可以看出，全聚焦具有覆蓋范圍大，缺陷分辨率高，圖像清晰等特點(diǎn)。

圖1 二維全矩陣數(shù)據(jù)采集 圖2 二維全聚焦圖像

對于相控陣矩陣探頭，同樣采用依次激發(fā)N陣元超聲陣列探頭的每一單個(gè)陣元，所有陣元同時(shí)接收，遍歷激發(fā)所有陣元之后，將采集得到三維矩陣N*N條A型回波，原理如圖3所示。將全矩陣采集獲得的三維矩陣數(shù)據(jù)根據(jù)延遲法則對目標(biāo)網(wǎng)格化三維成像區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行聚焦計(jì)算并通過彩色圖像顯示，即生成三維全聚焦成像，如圖4所示。三維圖像突破了傳統(tǒng)的平面圖像顯示方式，能夠同時(shí)顯示缺陷信息的三維空間信息，缺陷的長度、寬度、高度、位置等信息均能夠一目了然，為缺陷的評估提供了較為全面的參考。

圖3 三維全聚焦數(shù)據(jù)采集

圖4 三維全聚焦圖像

2 鋼箱梁U肋角焊縫檢測位置設(shè)計(jì)

鋼箱梁U肋角焊縫的結(jié)構(gòu)形式一般采用T接形式進(jìn)行焊接，未焊透一般存在于腹板和翼板的接觸面區(qū)域。根據(jù)工件情況，在腹板上位置1處、翼板內(nèi)側(cè)(腹板側(cè))位置2處、翼板外側(cè)位置3處布置探傷位置較為合理，如圖5所示。對三處檢測位置進(jìn)行聲場覆蓋分析，如圖6所示，位置1處檢測時(shí)需通過大角度覆蓋，可能會存在覆蓋不到的死角區(qū)域，存在漏檢，同時(shí)大角度時(shí)聲場擴(kuò)散比較嚴(yán)重，不利于未焊透的定量；在位置2檢測時(shí)，需要通過底面反射波進(jìn)行檢測，能夠覆蓋整個(gè)焊縫區(qū)域，由于采用二次波，正常的角度范圍即可覆蓋；位置3檢測采用直入射進(jìn)行檢測。

圖5 鋼箱梁U肋角焊縫結(jié)構(gòu)形式

圖6 聲場覆蓋分析

文中試驗(yàn)試塊如圖7所示，U型結(jié)構(gòu)板材(腹板)厚度為8 mm，翼板厚度9.5 mm，采用CO2氣體保護(hù)焊，雙面焊接。焊接參數(shù)為：焊接電壓23 V，焊接電流140 A，焊絲直徑1.2 mm，保護(hù)氣體流量20 L/min。

圖7 U肋角焊縫試塊

檢測設(shè)備采用CTS-PA22T全聚焦相控陣3D成像檢測系統(tǒng)，如圖8所示，系統(tǒng)具有64個(gè)全并行的相控陣硬件通道，可實(shí)時(shí)采集多達(dá)64*64條A型波的原始全矩陣(FMC)數(shù)據(jù)，具有3D全聚焦檢測模塊。

圖8 CTS-PA22T全聚焦相控陣3D成像檢測系統(tǒng)

檢測探頭采用5M8×8-1.5×1.5矩陣探頭，5L64-0.6×10的線陣探頭，并配備定位編碼器及探頭夾持機(jī)構(gòu)，探頭及夾持工裝如圖9所示。

圖9 探頭及掃查夾具

3 試驗(yàn)研究

3.1 位置1的檢測

在位置1進(jìn)行檢測時(shí)，腹板厚度為8 mm，采用5M8×8-1.5×1.5矩陣探頭和55°楔塊，通過試塊的端角進(jìn)行探頭位置設(shè)定和靈敏度設(shè)定，將端角回波調(diào)節(jié)到焊縫邊緣確定探頭前沿，移動探頭使端角回波位于焊縫坡口中心線確定掃查探頭位置，調(diào)節(jié)靈敏度。一次波、二次波、三次波的圖像顯示如圖10所示，最終確定探頭前端面離焊縫中心線9 mm的位置作為掃查移動位置。

圖10 位置1的探頭位置及靈敏度設(shè)定

在位置1進(jìn)行檢測時(shí)，焊縫區(qū)域檢測信號較難分析，如圖11和圖12所示。由于腹板較薄，從檢測圖像比較難區(qū)分未焊透的圖像，由于在位置1屬于大角度檢測，聲場擴(kuò)散比較嚴(yán)重，不利缺陷分析和定量。

圖11 位置1局部區(qū)域圖像

圖12 位置1的3D連續(xù)掃查記錄圖像

3.2 位置2的檢測

在位置2進(jìn)行檢測時(shí)，翼板厚度為9.5 mm，采用5M8×8-1.5×1.5矩陣探頭和55°的角度楔塊，探頭位置和靈敏度設(shè)置采用和位置1類似的方式，如圖13所，最終確定探頭前端面離焊縫中心線15 mm的位置作為掃查移動位置。

圖13 探頭位置及靈敏度設(shè)定

在位置2進(jìn)行檢測時(shí)，全焊透時(shí)，在焊縫中心區(qū)域沒有明顯的回波圖像，在焊縫邊緣區(qū)域能夠明顯看到焊縫余高的結(jié)構(gòu)回波，如圖14所示。

圖14 全焊透檢測圖像

因此在位置2進(jìn)行檢測時(shí)以腹板內(nèi)側(cè)的焊縫余高結(jié)構(gòu)波作為參考。當(dāng)存在未焊透時(shí)，檢測圖像如圖15所示，可以看到在焊縫中心區(qū)域有明顯的圖像回波，同時(shí)也可以看到焊縫余高的回波。

圖15 未焊透檢測圖像

在位置2通過編碼器定位進(jìn)行連續(xù)3D掃描獲得完整圖像如圖16、圖17所示。從檢測圖像中可以看出，連續(xù)3D圖像顯示非常直觀，能夠完整透視整個(gè)焊縫內(nèi)部情況，能夠看到完整的未焊透區(qū)域和焊縫余高的連續(xù)圖像顯示，可見在位置2進(jìn)行U肋角焊縫的檢測是可行的。

圖16 全焊透3D圖像連續(xù)記錄

圖17 未焊透3D圖像連續(xù)記錄

3.3 位置3的檢測

在位置3進(jìn)行檢測時(shí)，翼板厚度為9.5 mm，采用5L64-0.6×10線陣探頭和0°楔塊，探頭放置在焊縫的正上方區(qū)域，檢測圖像如圖18所示。

圖18 位置3的檢測圖像

圖像中間區(qū)域?yàn)槲春竿竻^(qū)域，邊緣還可以觀察到焊縫余高的輪廓回波。因此在位置3檢測也是可行的。

4 結(jié) 論

通過采用3D全聚焦檢測技術(shù)對鋼箱梁U肋角焊縫進(jìn)行檢測研究，具有如下結(jié)論：

(1)在腹板外側(cè)面進(jìn)行檢測時(shí)，圖像較為復(fù)雜，缺陷不易區(qū)分，因此對U肋焊縫進(jìn)行熔深評估時(shí)難度較大，不建議在該部位進(jìn)行檢測。

(2)在翼板內(nèi)側(cè)(腹板側(cè))進(jìn)行檢測時(shí)，圖像顯示較為直觀，能夠快速評估未焊透情況，是一種可行的方案。

(3)翼板外側(cè)(非腹板側(cè))進(jìn)行檢測時(shí)，圖像顯示非常直觀，未焊透區(qū)域、焊縫余高輪廓均能夠較為清晰顯示，同時(shí)由于聲束是直入射檢測，因此焊縫熔深測量精度最高，條件允許時(shí)在該位置檢測是最理想的。

(4)3D檢測結(jié)果能夠通透顯示整個(gè)焊縫的內(nèi)部情況，分析評估較方便、快捷、易判，對焊縫檢測具有較大的優(yōu)勢；同時(shí)全聚焦技術(shù)的高分辨率使得圖像顯示與缺陷真實(shí)尺寸更為接近，能夠提高檢測效率和靈敏度，具有較大實(shí)用價(jià)值。