起重機(jī)T形焊縫腹板面超聲波檢測仿真研究

沈洪宇 張國斌 李 欣

1嘉興市恒泰特種設(shè)備檢測有限公司 嘉興 314050 2嘉興市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院 嘉興 314050

0 引言

橋門式起重機(jī)箱形主梁結(jié)構(gòu)的核心支承構(gòu)件是高強(qiáng)度鋼板[1]，T形焊縫是主梁結(jié)構(gòu)成型的最主要焊縫形式。使用中的起重機(jī)在長期承受交變載荷以及惡劣的工作環(huán)境的影響下，應(yīng)力集中處的T形焊縫容易產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋缺陷是起重機(jī)主要受力結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素，直接影響高強(qiáng)度鋼板母材的質(zhì)量安全，甚至?xí)鹬髁赫蹟?，造成人身財產(chǎn)損失。因此，對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)T形焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢測，提供一種高效方法對其使用的安全性作出評價或合理的維修需求迫在眉睫。

常規(guī)的檢測方法有超聲波、磁粉、滲透、射線等，其中超聲波檢測是焊縫裂紋無損檢測中最行之有效的技術(shù)，具有工作效率、檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[2]。文獻(xiàn)[3]通過仿真軟件分析了缺陷的類型、長度、缺陷所處的位置，但未就探頭的選擇、入射頻率等進(jìn)行分析，只對起重機(jī)焊縫裂紋檢測關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究[4]，在內(nèi)部缺陷精確定位定量上還存在關(guān)鍵點(diǎn)需要突破。本文首先模擬常規(guī)超聲檢測探頭在高強(qiáng)度鋼板T形焊縫模型中的與預(yù)置內(nèi)部缺陷相互作用及聲波傳播的規(guī)律，通過采用控制變量法進(jìn)行仿真測試找到最佳檢測參數(shù)，并為后續(xù)相控陣超聲仿真實(shí)驗(yàn)檢測提供參考依據(jù)和縮小仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，為實(shí)際工程應(yīng)用提高工作效率、增加檢出率提供重要參考。

1 超聲波檢測仿真技術(shù)

1.1 超聲波檢測原理方法

超聲波檢測是利用超聲波對金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查的無損探傷方法。超聲探頭向金屬構(gòu)件表面通過耦合劑發(fā)射超聲波，超聲波在構(gòu)件內(nèi)部傳遞時遇到不同的介質(zhì)產(chǎn)生不同的回波，利用不同回波返回探頭的時間差檢測構(gòu)件內(nèi)部缺陷，進(jìn)而根據(jù)顯示屏上的回波信號判斷缺陷的位置、大小、性質(zhì)等。

常規(guī)的超聲波檢測存在近場盲區(qū)及聲束擴(kuò)散角，在用的起重機(jī)T形焊縫腹板面檢測通常需要高空作業(yè)或依靠檢測裝置，單一的檢測探頭不能很好地完成檢測任務(wù)，若增加探頭則要增加檢測人力物力，且完成質(zhì)量亦不盡人意。相控陣檢測技術(shù)是在常規(guī)超聲檢測技術(shù)上發(fā)展而來的[5]，通過對按照一定規(guī)律排列的獨(dú)立陣元加以適當(dāng)移相或延時，在不同方位上獲得相位或延時補(bǔ)償，在同一檢測位置得到多波束回波信號，從而更精確地實(shí)現(xiàn)缺陷表征。結(jié)合相控陣檢測儀器，可實(shí)現(xiàn)A掃、B掃、C掃、D掃、線性掃查、扇形掃查、復(fù)合掃查等。

1.2 起重機(jī)腹板面焊縫檢測對象

起重機(jī)的箱形梁包括4條T形焊縫，可施展檢測的區(qū)域包括腹板、上下蓋板、翼緣板等外表面，如圖1所示。焊接工字梁的上下蓋板與腹板由4條縱向角焊縫連接，由于蓋板在厚度方向的不均勻受熱以及焊縫的橫向收縮，使蓋板產(chǎn)生角變形，角變形的大小與焊縫尺寸、受熱體積大小和蓋板厚度有關(guān)。焊縫尺寸及受熱體積越大，蓋板厚度越小，焊后角變形越大。主梁上下蓋板和腹板要求焊透，達(dá)到等強(qiáng)度接頭。起重機(jī)在吊點(diǎn)附近，其上蓋板與腹板附近承受壓應(yīng)力，下蓋板與腹板處承受拉應(yīng)力，同時該區(qū)域受到的起升沖擊、突然卸荷以及作業(yè)垂直動載也最大，是重點(diǎn)檢測的區(qū)段，該區(qū)域可通過觀測翼緣板下端面磨損情況確定。

圖1 起重機(jī)箱形梁截面及焊縫區(qū)域放大圖

1.3 仿真模型的建立

工藝研究是檢測技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，本文采用CIVA仿真軟件對超聲波探頭參數(shù)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。在此軟件中建立起重機(jī)腹板面T形焊縫模型，為了得到最佳的仿真結(jié)果，建立了與實(shí)際工程使用工件參數(shù)相一致的可視化仿真模型，如圖2所示。

圖2 可視化仿真模型

設(shè)計仿真模型尺寸為長160 mm，寬50 mm，翼緣板和腹板厚度均為10 mm，90°垂直焊接，設(shè)計為雙單邊V形坡口，兩側(cè)余高均為5 mm，模型材料為鋼（縱波聲速為5 900 m/s，橫波聲速為3 230 m/s，密度為7.8 g/cm3），衰減值為0.02 dB/mm，采用的耦合劑為機(jī)油（聲速為1 750 m/s，密度為0.86 g/cm3）。仿真模型內(nèi)部預(yù)置尺寸為Φ2(Φ3、Φ4)mm×6 mm，垂直于輪廓表面，缺陷中心位于T形焊縫中心的橫向橫孔缺陷以及同樣尺寸平行于輪廓表面的縱向橫孔缺陷。

常規(guī)超聲波檢測仿真采用中心頻率為2～5 MHz，晶片直徑為6～18 mm的直探頭進(jìn)行仿真。相控陣檢測仿真采用如表1所示配置。

表1 相控陣檢測仿真探頭配置表

2 常規(guī)超聲波檢測仿真過程及分析

2.1 仿真工藝

使用直探頭在翼緣板中心位置模擬弓字形C掃描檢測，步距為0.5 mm，掃查區(qū)域覆蓋預(yù)置的橫孔缺陷，以頻率f、晶片直徑D為變量，分別進(jìn)行模擬C掃描掃查。

2.2 仿真結(jié)果

通過C掃描檢測過程中內(nèi)部缺陷反射回波的最大幅值圖像可知，當(dāng)橫軸為頻率f、晶片直徑D固定時，缺陷回波幅值隨頻率遞減；當(dāng)橫軸為晶片直徑D、頻率f固定時，缺陷回波幅值隨直徑先增后減；當(dāng)頻率f=2 MHz、D=12 mm時，最高回波=1.38 pts，C掃描缺陷回波幅值如圖3所示。如圖4所示，頻率f=2 MHz，不同晶片直徑時C掃描圖像匯總。如圖5所示，頻率D=6 mm，不同頻率時C掃描圖像及最大回波的A掃信號。

圖3 C掃描缺陷回波幅值圖

圖4 不同晶片直徑時C掃描圖像

圖5 不同頻率時C掃描圖像

2.3 仿真分析及結(jié)論

理論上超聲波頻率較高時，波長澆較短，能量集中且聲束細(xì)，分辨率好，但掃查空間較小，僅能發(fā)現(xiàn)聲束軸線附近位置的缺陷，常見的接觸式探頭的頻率一般為2～10 MHz；當(dāng)晶片直徑較大時，發(fā)射能量也較大，聲束擴(kuò)散角小，掃查空間大，常見的圓形晶片探頭的直徑為Φ6～Φ20 mm。

根據(jù)縱波直探頭翼緣板檢測焊縫區(qū)域橫向Φ2 mm×6 mm橫孔缺陷仿真結(jié)果，探頭頻率宜選用較低頻率，檢測靈敏度較高。由直徑為Φ6 mm、頻率為2～5 MHz的C掃描圖可知，頻率較高時能量集中，C掃圖像更能反映內(nèi)部缺陷的真實(shí)形貌。采用水浸法自動C掃描成像檢測時，宜選用高頻率探頭，但在接觸法手工探傷中為了更容易發(fā)現(xiàn)缺陷，仍需選用較低頻率。為此，頻率宜選用2.5 MHz。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，圓形探頭晶片的直徑為Φ12 mm時的檢測靈敏度最高。依據(jù)（頻率為2 MHz）晶片直徑為Φ6～Φ18 mm的C掃描圖像可知，直徑為Φ18 mm的圓形探頭接觸法手工檢測時最容發(fā)現(xiàn)缺陷。直徑較小時，只有移動探頭使聲束軸線位于缺陷附近才能接收到缺陷反射回波。此外，小直徑晶片的探頭在近場范圍內(nèi)聲束窄，有利用缺陷定位，故綜合考慮宜選用晶片直徑為Φ12～Φ14 mm的圓形探頭。

因此，綜合考慮檢測靈敏度以及接觸法手工檢測的實(shí)際情況，根據(jù)仿真計算結(jié)果可以得出結(jié)論，選用頻率為2.5 MHz，晶片直徑為Φ12～Φ14 mm的圓形探頭可以提高內(nèi)部缺陷檢出率。

3 相控陣檢測仿真過程及分析

3.1 仿真工藝

采用32L5G2、32L10G2、64L5G2相控陣探頭，探頭均使用G2-S55楔塊，掃查腹板面，為保證扇掃一次波覆蓋腹板面根部，二次波盡可能覆蓋較大的焊縫區(qū)域，設(shè)置楔塊前沿距離翼緣板為6～10 mm。角度范圍為35°～85°，步進(jìn)值為0.5°,扇掃聲場覆蓋范圍如圖6所示。

圖6 扇掃聲場覆蓋圖

3.2 仿真結(jié)果

3個探頭扇形掃查的累積聲場如圖7～圖9所示。為了使相控陣仿真檢測結(jié)果具有可比性，采用波幅定量方法進(jìn)行對比分析，仿真結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 仿真波幅定量值統(tǒng)計結(jié)果

圖7 32L5G2探頭聲場計算結(jié)果示意圖

圖8 32L10G2探頭聲場計算結(jié)果示意圖

圖9 64L5G2探頭聲場計算結(jié)果示意圖

3.3 仿真分析與結(jié)論

由腹板位置橫波檢測T形焊縫時，采用相控陣探頭的偏轉(zhuǎn)特性可在探頭不移動的情況下實(shí)現(xiàn)對被焊縫檢測區(qū)域的全覆蓋掃查，還可激發(fā)多角度聲束，從而提高檢測效率及缺陷檢出率。

就檢測靈敏度而言，利用現(xiàn)有相控陣探頭模擬的Φ2、Φ3、Φ4橫孔的超聲檢測當(dāng)量波高，依次為32L5G2、64L5G2、32L10G2。探頭頻率的取值由工件的材料、尺寸、缺陷位置等決定，同時考慮穿透能力和發(fā)現(xiàn)缺陷的能力。

在實(shí)際技術(shù)和成本可以達(dá)到的情況下，陣元個數(shù)的取值應(yīng)盡可能大，陣元寬度W越大旁瓣級η越大，導(dǎo)致聲場波束能量不能集中到所需方向，使陣列探頭的性能變差。為避免柵瓣出現(xiàn)的同時抑制旁瓣級的幅度，取值為32的陣列探頭可使系統(tǒng)具有較高性價比。

4 結(jié)束語

檢測起重機(jī)腹板面的T形焊縫質(zhì)量，需要提供一種高效的檢測方法以提高檢測效率，增加檢測靈敏度，擴(kuò)大檢測范圍，節(jié)約人力物力。通過分析起重機(jī)在使用過程中重點(diǎn)受力的T形焊縫區(qū)域，利用CIVA仿真軟件建立了仿真模型，以常規(guī)超聲波探頭找出最佳檢測參數(shù)為依據(jù)，縮小相控陣仿真參數(shù)范圍，通過對比分析，得到相控陣仿真的入射頻率、陣列探頭數(shù)。