建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼板表面形貌對(duì)多次反射法探傷影響的研究*

楊曉東,張雪媛,李 杰,張建科,李 倩

(1.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710055; 2.西安建筑科大工程技術(shù)有限公司,陜西 西安 710055; 3.衡通工程檢測(cè)有限公司,陜西 西安 710055)

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波探傷評(píng)定焊縫等級(jí),主要以斜入射橫波波幅為依據(jù),然而超聲波波幅的變化除了受材質(zhì)、缺陷性質(zhì)等影響外,所檢材料表面形貌對(duì)波幅也具有一定影響,而且橫波在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中經(jīng)多次反射后,這種影響被放大。建筑鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊縫探傷受檢測(cè)部位構(gòu)造的制約,多數(shù)情況下構(gòu)件表面不易打磨處理或不能徹底打磨處理,焊縫探傷中多次反射法也是常用方法。在建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中,焊縫探傷由于忽略鋼板表面形貌對(duì)波幅的影響而導(dǎo)致多起焊縫開裂事故。因此,研究鋼板表面形貌對(duì)多次反射法探傷波幅的影響非常必要。

目前,國外研究金屬超聲波探傷方面有:蘭姆波散射信號(hào)的損傷成像技術(shù)應(yīng)用于板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究,以缺陷為二次波源,采用四點(diǎn)圓弧定位法計(jì)算換能器信號(hào)至缺陷的傳播時(shí)間,采用與傳播時(shí)間相對(duì)應(yīng)的缺陷信號(hào)幅值進(jìn)行成像[1];研究入射波波幅分布,發(fā)現(xiàn)在整個(gè)金屬化邊界上入射波可誘導(dǎo)電勢(shì),從而在主聲速外出現(xiàn)波場(chǎng)而獲得波形,這能顯著改變波幅分布[2];檢測(cè)軋制板材質(zhì)量,分析聲程路徑方程,確定聲程路徑計(jì)算公式,需給出計(jì)算平面缺陷回波信號(hào)波幅值、無缺陷區(qū)底部信號(hào)波幅值和缺陷區(qū)底部信號(hào)波幅值比的積分表達(dá)式,以及確定缺陷區(qū)和無缺陷區(qū)透射信號(hào)與底部信號(hào)波振幅計(jì)算公式[3];建立三維模型分析鎂合金攪拌摩擦焊板研究中,為檢測(cè)焊接過程中損傷存在程度和評(píng)估焊接過程中損傷嚴(yán)重程度,采用蘭姆波分析,其中超聲波缺陷指數(shù)是根據(jù)采集到的波形信號(hào)振幅變化得到[4];用超聲波診斷具有雙層結(jié)構(gòu)物體物理力學(xué)性質(zhì),研究保護(hù)層下基層材料亞表面體波速度測(cè)定的原理時(shí)機(jī),建立測(cè)定亞表面體波速度條件,也需研究給定脈沖振蕩量情況下,反射波幅和噪聲波幅對(duì)聲信號(hào)參數(shù)的影響等[5];利用超聲波傳播時(shí)間衍射(TOFD)技術(shù)探測(cè)缺陷,需利用Snell定律確定最短傳播時(shí)間和最高振幅計(jì)算缺陷深度[6]。

國內(nèi)研究金屬超聲波探傷方面主要研究有:應(yīng)用超聲波回波信號(hào)研究焊接工藝,如對(duì)7075-T6鋁合金進(jìn)行激光對(duì)接焊試驗(yàn),利用超聲波探傷儀對(duì)接焊試塊進(jìn)行探傷,建立激光對(duì)接焊工藝參數(shù)與回波特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系,獲得7075-T6鋁合金激光對(duì)接焊最佳工藝參數(shù)[7];應(yīng)用超聲波回波信號(hào)研究焊接缺陷,如研究便攜式自動(dòng)超聲波無損探傷精準(zhǔn)定位裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì);采用無時(shí)差互相關(guān)和滑窗互相關(guān),建立超聲波缺陷模型,這些是基于超聲回波信號(hào)間相似的特點(diǎn)、超聲回波缺陷信號(hào)頻率和包絡(luò)等特征[8-12]。再如,應(yīng)用超聲波回波信號(hào)信噪比,超聲缺陷回波信號(hào)小波閾值去噪算法研究,從小波基本理論入手,針對(duì)超聲回波信號(hào)特性,對(duì)超聲缺陷回波信號(hào)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行小波閾值去噪等[13-18]。

綜合分析國內(nèi)外目前金屬超聲波探傷方面主要研究可以看出,反射回波幅度的準(zhǔn)確定量是這些研究的基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)。因此,本文對(duì)建筑鋼構(gòu)件表面形貌對(duì)反射回波的影響進(jìn)行研究。

1 研究材料及方法

1.1 研究設(shè)備

1)超聲波探傷儀 HS600金屬超聲波探傷儀,垂直線性誤差3%,水平線性誤差0.5%,動(dòng)態(tài)范圍36dB。

2)探頭(換能器) 橫波斜探頭 2.5P13×13K2探頭,前沿長度11mm,實(shí)測(cè)K=1.93。

3)掃描電鏡 Quanta200型,3.5nm 最大有效放大倍數(shù),100 000×能譜分辨率,130ev 探測(cè)元素范圍,B5～U92 分辨率≥130ev。

1.2 對(duì)比反射體

對(duì)比反射體包括RB-1試塊上φ3mm橫通孔、工程現(xiàn)場(chǎng)14mm厚鋼板(Q345)上φ3mm橫通孔。鋼板上橫通孔位置如圖1所示。

圖1 鋼板上橫通孔設(shè)計(jì)

1.3 鋼板表面形貌參數(shù)

研究采用橫波斜探頭,斜探頭發(fā)出的超聲波在鋼板上的反射類似于光在鋼板上反射,因此,鋼板表面形貌采用光澤度表示。14mm厚鋼板、RB-1試塊2個(gè)面分別用0,1面表示。RB-1試塊和鋼板表面光澤度狀態(tài)如表1所示。

表1 研究試樣不同狀態(tài)表面平均光澤度

2 反射波幅變化分析

采用橫波斜探頭分別從試樣0,1面入射,測(cè)試14mm厚鋼板上φ3mm橫通孔一次反射波和二次反射波及RB-1試塊上φ3mm橫通孔直射波距離-波幅(DAC)曲線。

RB-1試塊上φ3mm橫通孔一次反射波和二次反射波及直射波距離-波幅(DAC)曲線可回歸為線性函數(shù)關(guān)系曲線:

Y(RB)= 0.365x+ 49.18 (R2= 0.996)

(1)

式中:x為距離(mm);Y(RB)為反射波波幅(dB)。

2.1 試樣板面狀態(tài)1反射波幅分析

鋼板表面狀態(tài)1:鋼板表面經(jīng)過棉紗除銹、除雜處理;14mm厚鋼板0面平均光澤度3.7,1面平均光澤度2.1。

采用橫波斜探頭分別從試樣0,1面入射,14mm厚鋼板上φ3mm橫通孔一次反射波和二次反射波及RB-1試塊上φ3mm橫通孔直射波距離-波幅(DAC)曲線如圖2所示。

圖2 狀態(tài)1下DAC曲線

圖2中,對(duì)于厚度14mm試樣,橫波分別從光澤度3.7,2.1板面入射經(jīng)另一面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線均在光澤度100的RB-1試塊DAC曲線上。

光澤度3.7入射面一次反射波DAC曲線回歸函數(shù)為非單調(diào)函數(shù):

Y(3.7) = -0.090x3+ 6.094x2- 135.4x+

1 056 (R2= 1)

(2)

式中:Y(3.7)為光澤度3.7入射面一次反射波波幅(dB)。

光澤度2.1入射面一次反射波DAC曲線回歸函數(shù)為單調(diào)函數(shù):

Y(2.1)= -0.041x2+ 2.195x+ 31.10 (R2= 0.984)

(3)

式中:Y(2.1)為光澤度2.1入射面一次反射波波幅(dB)。

比較式(1),(2),最大差值為18dB,最小差值為0dB,極差18dB;比較式(1),(3),最大差值為1.7dB,最小差值為0.7dB,極差1dB。

橫波從光澤度3.7板面入射經(jīng)過光澤度2.1板面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線與RB-1試塊DAC曲線誤差值為0～18dB,并且函數(shù)曲線非單調(diào),說明在實(shí)際超聲波探傷時(shí)不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(1)函數(shù)曲線;橫波從光澤度2.1板面入射經(jīng)過光澤度3.7板面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線與RB-1試塊DAC曲線誤差值為0.7～1.7dB(<2dB)[19-20],并且函數(shù)曲線單調(diào),說明在實(shí)際超聲波探傷時(shí)可用RB-1試塊DAC曲線替換式(1)函數(shù)曲線。

圖2中,對(duì)于厚度14mm試樣,橫波經(jīng)過2次反射,即從光澤度3.7,2.1板面分別入射經(jīng)另一面反射至入射面,再反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線大部分在光澤度100 RB-1 試塊DAC曲線之上。

光澤度3.7入射面二次反射波DAC曲線回歸函數(shù)為單調(diào)函數(shù):

Y′(3.7)= -0.108x2+ 8.438x- 96.85

(R2= 0.986)

(4)

式中:Y′(3.7)為光澤度3.7入射面二次反射波波幅(dB)。

光澤度2.1入射面二次反射波DAC曲線回歸函數(shù)為單調(diào)函數(shù):

Y′(2.1) = 0.898x+ 32.13 (R2= 0.999)

(5)

式中:Y′(2.1)為光澤度2.1入射面二次反射波波幅(dB)。

比較式(1),(4),最大差值為4.3dB,最小差值為-0.5dB,極差4.8dB;比較式(1),(5),最大差值為 3.1dB,最小差值為-0.9dB,極差4.0dB。

分析圖3發(fā)現(xiàn),對(duì)于厚度14mm試樣,采用橫波斜探頭無論從試樣0面或1面入射,經(jīng)二次反射得到的DAC曲線,雖然函數(shù)單調(diào),但與RB-1試塊DAC曲線誤差均>2dB,說明在實(shí)際超聲波探傷時(shí)不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(4),(5)函數(shù)曲線。

圖3 RB-1試塊板面形貌(光澤度100)

由圖2中14mm厚鋼板一、二次反射波與RB-1 試塊DAC曲線函數(shù)關(guān)系對(duì)比發(fā)現(xiàn),表面經(jīng)過除銹、清雜的試樣大多數(shù)情況下DAC曲線函數(shù)波幅高于RB-1試塊DAC曲線函數(shù),并且隨著距離增大,兩者波幅相差并不是恒定值。一次反射波最大極差18dB,二次反射波最大極差4.8dB。為分析此現(xiàn)象,用掃描電鏡分析試樣狀態(tài)1表面形貌,RB-1試塊和14mm厚鋼板表面掃描電鏡照片如圖3～5所示。

圖3所示掃描電鏡照片為RB-1試塊表面形貌(白色顆粒為灰塵雜質(zhì)),RB-1試塊經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)拋磨,微觀表面平整,并且拋磨痕跡較規(guī)律,超聲波在其表面對(duì)一次反射、二次反射影響較小,因此,RB-1試塊一次反射波和二次反射波DAC曲線基本重合。

圖4所示掃描電鏡照片為厚度14mm、平均光澤度3.7鋼板0面表面形貌。鋼板表面凸凹區(qū)域相對(duì)較均布(見圖4a),有些凸起部分和凹陷部分自身表面相對(duì)較平整(見圖4b,4c中2點(diǎn)),有些凸起部分和凹陷部分自身表面不平整(見圖4b,4c中1點(diǎn)),最高凸出高度約10μm。

圖4 14mm厚鋼板0面形貌(光澤度3.7)

圖5所示掃描電鏡照片為厚度14mm、平均光澤度2.1鋼板1面表面形貌。鋼板表面呈不均布凸凹分布,凸起部分和凹陷部分均有局部表面不平整(見圖5b,5c中1點(diǎn)),凸凹最大高度約15μm。

圖5 14mm厚鋼板1面形貌(光澤度2.1)

圖2中,對(duì)于厚度14mm鋼板,當(dāng)橫波從0面入射,經(jīng)1面一次反射至φ3mm橫通孔,1面處反射點(diǎn)位于不平整處(見圖5c中1點(diǎn)),則此點(diǎn)處超聲波會(huì)產(chǎn)生諸多干涉、反射、折射等現(xiàn)象,導(dǎo)致真正可以反射到φ3mm橫通孔超聲波能量大大降低;1面處反射點(diǎn)位于較平整處(見圖5b 2點(diǎn)),則反射波類似于在RB-1試塊上的反射,反射至φ3mm橫通孔超聲波能量衰減較少。因此,圖2中DAC曲線函數(shù)Y(3.7)呈非單調(diào)的多項(xiàng)式。

圖2中,橫波入射無論是1面還是0面,二次反射波DAC曲線均有與RB-1試塊DAC曲線幾乎重合的點(diǎn),觀測(cè)試樣超聲波入射點(diǎn)處和反射點(diǎn)處表面形貌均較平坦(見圖4b,圖4c 2點(diǎn)和圖5b,5c 2點(diǎn)),超聲波類似于在RB-1試塊上的反射,所以超聲波能量衰減少;整體上Y(2.1)函數(shù)的超聲波入射點(diǎn)處和反射點(diǎn)處的表面不平整,有的不平整處對(duì)超聲波產(chǎn)生聚焦作用,超聲波能量衰減相對(duì)較少,Y(2.1)函數(shù)上多數(shù)點(diǎn)位于Y(3.7)和Y(RB)之間。

2.2 試樣狀態(tài)4反射波幅分析

將14mm厚試樣表面用手持砂輪拋磨后,測(cè)量平均光澤度,進(jìn)行表面電鏡掃描,然后探傷繪制DAC曲線進(jìn)行分析。

14mm厚鋼板拋磨后0面平均光澤度117.5(打磨出整體金屬光澤),1面平均光澤度13.6(未打磨出整體金屬光澤)。φ3mm橫通孔一、二次反射波DAC曲線如圖6所示。

圖6 狀態(tài)4下DAC曲線

圖6中,對(duì)于厚度14mm試樣,入射面光澤度117.5φ3mm橫通孔一次反射波DAC曲線回歸函數(shù)為單調(diào)函數(shù):

Y(117.5) = 0.805x+ 36.86 (R2= 0.999)

(6)

式中:Y(117.5)為光澤度117.5入射面一次反射波波幅(dB)。

光澤度13.6入射面一次反射波DAC曲線回歸函數(shù)為單調(diào)函數(shù):

Y(13.6) = -0.039x2+ 1.939x+ 32.36

(R2= 0.973)

(7)

式中:Y(13.6)為光澤度13.6入射面一次反射波波幅(dB)。

比較式(1),(6),最大差值為-1.0dB,最小差值為-4.3dB,極差3.3dB;比較式(1),(7),最大差值為-1.3dB,最小差值為-2.4dB,極差1.1dB。

橫波從光澤度117.5板面入射經(jīng)過光澤度13.6板面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線與RB-1試塊DAC曲線誤差值為-4.3～-1.0dB,雖然函數(shù)曲線單調(diào),但在實(shí)際超聲波探傷時(shí)不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(7)函數(shù)曲線(誤差>2dB);橫波從光澤度13.6板面入射經(jīng)過光澤度117.5板面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線與RB-1試塊DAC曲線誤差值為-2.4～-1.3dB,函數(shù)曲線單調(diào),說明在實(shí)際超聲波探傷時(shí)不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(1)函數(shù)曲線(誤差>2dB)。

圖6中,橫波從光澤度117.5,13.6板面分別入射經(jīng)另一面反射至入射面,再反射至φ3mm橫通孔得到DAC曲線。光澤度117.5入射面二次反射波DAC曲線回歸函數(shù)為單調(diào)函數(shù):

Y′(117.5) = -0.106x2+ 8.181x- 95.15

(R2= 0.999)

(8)

式中:Y′(117.5)為光澤度117.5入射面二次反射波波幅(dB)。

光澤度13.6入射面二次反射波DAC曲線回歸函數(shù)為單調(diào)函數(shù):

Y′(13.6)= -0.095x2+ 7.486x- 83.42

(R2= 0.976)

(9)

式中:Y′(13.6)為光澤度13.6入射面二次反射波波幅(dB)。

比較式(1),(8),最大差值為-1.4dB,最小差值為-5.4dB,極差4.0 dB;比較式(1),(9),最大差值為-0.2dB,最小差值為-4.9dB,極差4.7dB。

分析圖6發(fā)現(xiàn),厚度14mm試樣,用橫波斜探頭無論從試樣0面或1面入射,經(jīng)二次反射得到的DAC曲線,函數(shù)單調(diào)相似,但與RB-1試塊DAC曲線誤差均>2 dB,說明在實(shí)際超聲波探傷時(shí)不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(8),(9)函數(shù)曲線。

由圖6中14mm厚鋼板一、二次反射波與RB-1試塊DAC曲線函數(shù)關(guān)系對(duì)比發(fā)現(xiàn),表面打磨試樣DAC曲線函數(shù)波幅低于RB-1試塊DAC曲線函數(shù),并且隨著距離增大,兩者波幅相差并不是恒定值。一次反射波最大極差3.3dB,二次反射波最大極差4.7dB。

用掃描電鏡分析試樣狀態(tài)4表面形貌,14mm厚鋼板表面掃描電鏡照片如圖7,8所示。14mm厚鋼板表面拋磨出金屬光澤,平均光澤度117.5板面(0面)微觀形貌如圖7所示。絕大多數(shù)區(qū)域表面光滑(見圖7中2點(diǎn)),拋磨痕跡分布走向較規(guī)律(見圖7a,7b),局部有相對(duì)較大凹磨痕,凹痕跡截面尺寸約15μm(高)×7.5μm(寬)(見圖7b,7c中1點(diǎn))。14mm厚鋼板1面經(jīng)拋磨后平均光澤度為13.6,微觀形貌如圖8所示。由圖8可知,原先較凸出部位拋磨后較平整,如圖8c中1點(diǎn)所示;原先凹陷區(qū)域還是不平坦,如圖8c中2點(diǎn)所示;凸凹點(diǎn)高差約7μm。

圖7 狀態(tài)4下14mm厚鋼板0面形貌(光澤度117.5)

圖8 狀態(tài)4下14mm厚鋼板1面形貌 (光澤度13.6)

圖6中,函數(shù)Y(117.5)多數(shù)點(diǎn)位于函數(shù)Y(13.6) 下,是因?yàn)楹瘮?shù)Y(117.5)上這些點(diǎn)超聲波入射0面位于圖7b,7c 2點(diǎn),1面中反射點(diǎn)位于圖8b,8c 1點(diǎn),超聲波反射點(diǎn)和入射點(diǎn)區(qū)域均較平整,超聲波能量衰減少(且小于RB-1試塊波幅);函數(shù)Y(13.6) 個(gè)別點(diǎn)位于函數(shù)Y(117.5)之下,是因?yàn)槌暡ㄈ肷?面位于圖7b,7c 2點(diǎn),1面中反射點(diǎn)位于圖8b,8c 2點(diǎn),超聲波入射點(diǎn)區(qū)域較平整而反射點(diǎn)區(qū)域不平整,但凸凹高差很小,所以函數(shù)Y(13.6) 整體衰減小于RB-1試塊波幅。

圖6中,厚度14mm鋼板中φ3mm橫通孔二次反射波DAC函數(shù),函數(shù)Y′(117.5)和函數(shù)Y′(13.6) 位于函數(shù)Y′(RB)之下,且Y′(117.5)和Y′(13.6) 幾乎重合。微觀分析發(fā)現(xiàn),無論超聲波入射和反射區(qū)域均位于鋼板較平整區(qū)域,如圖7b,7c 2點(diǎn)區(qū)域和圖8b,8c 1點(diǎn),這也使二次反射波Y′(117.5) 和Y′(13.6)函數(shù)變化趨勢(shì)與一次反射波Y′(117.5) 函數(shù)類似。圖8b,8c 1點(diǎn)不如圖7b,7c 2點(diǎn)平坦,當(dāng)超聲波經(jīng)過此區(qū)域的入射和二次反射后能量衰減略多,所以函數(shù)Y′(13.6)比Y′(117.5)衰減略多。

3 研究結(jié)論

3.1 表面未拋磨試樣波幅

鋼板試樣表面經(jīng)棉紗除銹、清雜后,光澤度平均值為2.1～3.7(RB-1試塊光澤度100)。微觀表面形貌有凸區(qū)域和凹區(qū)域。試樣表面凸區(qū)域和凹區(qū)域分布:有的凸區(qū)域和凹區(qū)域相間分布較均勻,有的分布不均勻。凸區(qū)域和凹區(qū)域自身形貌特征為,表面上均有高低起伏,但有的表面起伏較均勻,有的表面起伏不均勻。多數(shù)情況下微觀表面上起伏形貌對(duì)橫波斜入射和反射的波幅均有較大衰減作用,但個(gè)別高低起伏形貌對(duì)波幅具有增強(qiáng)作用,導(dǎo)致多數(shù)情況下鋼板試樣φ3mm橫通孔一次反射波及二次反射波DAC曲線函數(shù)與RB-1試塊φ3mm橫通孔DAC曲線函數(shù)差值的極值較大。

3.2 表面拋磨試樣波幅

鋼板試樣經(jīng)手持砂輪拋磨,當(dāng)未磨出金屬光澤時(shí),平均光澤度為13.6,此狀態(tài)是將原先凸出區(qū)域打磨。打磨到部分微觀形貌有的部分表面較平整,有的部分表面仍高低起伏不平。當(dāng)磨出金屬光澤時(shí),平均光澤度為117.5,試樣表面微觀形貌平整,但分布有相互間隔的凹弧痕,凹弧痕的斷面基本光滑。大多數(shù)同距離條件下,未磨出金屬光澤與磨出金屬光澤的表面組合試樣φ3mm橫通孔一次反射波及二次反射波DAC曲線函數(shù)值,小于RB-1試塊φ3mm橫通孔DAC曲線函數(shù)值,即鋼板試樣表面形貌對(duì)超聲波波幅衰減,個(gè)別區(qū)域?qū)Σǚ鰪?qiáng),但鋼板試樣與RB-1試塊DAC曲線函數(shù)差值的極差絕對(duì)值較大。

4 結(jié)語

無論鋼板試樣表面光澤度高于或低于RB-1試塊光澤度,鋼板試樣與RB-1試塊表面形貌不會(huì)完全相同,鋼板試樣與RB-1試塊φ3mm橫通孔一次反射波及二次反射波DAC曲線函數(shù)變化趨勢(shì)多數(shù)情況下不同,即標(biāo)準(zhǔn)RB-1試塊φ3mm橫通孔DAC曲線不可用一恒定值修正得到鋼板試樣φ3mm橫通孔一次反射波及二次反射波DAC曲線。實(shí)際建筑工程中,由于現(xiàn)場(chǎng)條件制約,焊縫探傷常用斜探頭多次反射法,多數(shù)情況下,焊縫周邊鋼板表面均不可能完全拋磨至RB-1試塊光澤度。因此,建筑工程焊縫探傷中,應(yīng)用待檢構(gòu)件鋼板加工對(duì)比反射體,繪制一次反射波及二次反射波DAC曲線,才能準(zhǔn)確對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行評(píng)定。