用超声波相控阵检测钢箱梁桥面板U肋角焊缝熔深的试验研究

96 交流平台 Exchange Platforml 摘要 关键词 Abstract： The welding between U Rib of Steel box girder bridge deck and bridge deck is a kind of thin plate fillet weld, the technical problem is to get both the defect localization and quali- tative when using traditional UT inspection for depth of fusion measuring. But Phase Array is a new method for measuring the fusion depth of U Rib welding. As PA is accurate for evaluating defect in terms of to get measurement, the inspection efficiency will be increased significantly. After simulating and contrast test, we thought that PA can be use in such kind of thin plate weld inspection. Keyword：Bridge deck、U Rib、Thin plate fillet weld、Pen- etration、Phase Array Ultrasound Wave、Simulation、Contrast test 1、引言 钢箱梁正交异性桥面板疲劳开裂的事例已在许多钢桥中出 现，疲劳损伤破坏是大跨径钢箱梁桥在运营期间的主要病害之 一。有研究表明正交异性桥面板在全桥荷载作用下，所承受的面 内应力不大，因此在对正交异性桥面板研究中，重点关注局部应 力、面外变形和扭转产生的疲劳应力【2】。对于钢箱梁桥梁来说， U形纵肋与桥面板连接焊缝的质量直接影响桥面板疲劳性能。 在钢箱梁的设计和施工过程中为了加强桥梁的刚度，在钢箱 梁桥面板、底板和腹板上需加焊扶强材，扶强材一般采用U形纵 肋。U肋与桥面板连接焊缝，采用熔深角焊缝，从表面看这条焊 缝是纵向焊缝，疲劳问题不大，实际上当外部轮载作用于U肋焊 缝外侧时，轮载区域桥面板向下发生竖向变形，此时这条焊缝就 要受因桥面板竖向变形与U形纵肋板之间产生相对转角引起的应 力, 焊缝受弯曲拉应力，焊缝受拉侧明显为焊缝根部，表面为焊接 自然状态，若成型不好，则疲劳强度会非常低，因此在施焊过程 中需要保证其熔深。【2】 U肋大多由8mm钢板制作，其与桥面板的连接一般为非熔透 用超声波相控阵检测 钢箱梁桥面板U肋角焊缝熔深的试验研究 □ 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司 陈刚 吴开斌 钢箱梁桥面板U肋与桥面板的连接焊缝属于薄板角焊缝，应用传统手工超声波检测手段对其熔深进行检测 存在定位不准、判伤困难的技术难题。而超声波相控阵检测为U肋角焊缝熔深的检测提供了一种新的选择，该 方法判伤准确，测量精度高，还可大幅提高检测效率。通过仿真模拟和对比试验，认为该方法可以应用于类 似的薄板焊缝探伤。 桥面板 U肋 薄板角焊缝 熔深 超声波相控阵 仿真模拟 对比试验 角焊缝， 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 熔透不低于80%即熔深不低于6.4mm。根据U肋的 结构特点，国内外对钢箱梁U肋角焊缝的探伤要求一般采用磁粉 探伤和常规超声波探伤相结合，而钢箱梁U肋角焊缝属于薄板角 焊缝，常规超声波探伤存在定位不准、判伤困难的问题，如何 解决之，一直困扰着探伤工作者【3】，且薄板的厚度低于绝大多 数国内外超声波检测标准的下限，所以在U肋焊接生产过程中仅 仅采用磁粉探伤来检测焊缝表面和近表面质量，而无法采用有 效的方法对U肋角焊缝的熔深进行检测。随着电子技术的发展， 超声波相控阵检测技术为钢箱梁桥梁U肋焊缝检测提供了一种新 的选择。 2、超声波相控阵检测技术 2.1 检测原理 超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相 互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个单元，按一定的 规则和时序用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射 的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样，在反射波的接收过程 中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再 将合成结果以适当形式显示。【4】 由其原理可知，相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便 捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、 焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调，而且探头内可快 速平移声束。 对于桥面板U肋角焊缝熔深检测而言，相控阵检测具有如下 优势： （1）可以实现线形扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同 时具备宽波束和多焦点的特性，大量的超声波A扫描数据增加了 不同角度的分辨率，将焊缝根部成型方向的影响降低； （2）可以通过增加一次激发晶片数提高声束指向性，提高成 像精度，有利于减小熔深判定的误差； （3）可以优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向,在分辨 97 Exchange Platforml 力、信噪比、缺陷检出率、测量精度等方面具有一定的优越性； （4）配备合适的扫查装置和编码器，可以大幅度提高检测效 率，提高检测的精确性、重现性及检测结果的可靠性,增强检测的 实时性和直观性； （5）实时彩色成像，便于缺陷判读，检测结果受人为因素影 响小，数据便于存储，管理和调用。 2.2 扫查模式 扇形扫查（所有单元主声束以一定角度间隔发散传播）与线 形扫查（所有单元主声束以相同方向平行传播）是相控阵检测的 两种基本模式。 线形扫查由于声束平行，因此更多适用于平面型缺陷检测， 如母材夹层，而扇形扫查由于扩散角大，因此更多适用于多形态 缺陷检测，如焊缝中的未融合未焊透等。 对于桥面板U肋角焊缝熔深检测，使用扇形扫查可通过较小 的探头接触面使被检测焊缝区域全部被覆盖，而线形扫查需要更 多的探头接触面且很难将焊缝一次完全覆盖。U肋角焊缝熔深检 测使用扇形扫查模式比线形扫查模式的优势在于，更节省扫查空 间（支持使用小晶片探头减少接触面保证耦合），利用一次波即 可最大化扫查覆盖范围（焊缝根部），所以桥面板U肋焊缝的检 测推荐采用扇形扫查模式。 3、检测工艺及验证 3.1 焊缝检测要求 U肋角焊缝焊接型式设计图及相关工艺参数如图1所示。 U肋角焊缝工艺参数：U肋板板厚8mm，面板厚16mm，U肋 板与面板夹角为70°坡口角度50°，钝边1mm，熔深要求不低于 80%。 检测要求：对焊缝根部未焊透区域进行检测，保证不低于 80%（6.4mm）的熔透要求，即允许未焊透最大高度为1.6mm。 图1 U肋角焊缝焊接型式设计图 3.2检测系统 3.2.1相控阵探头频率选择 使用5MHz，10MHz探头对焊缝根部未焊透分辨力仿真， 添加不同深度的人工刻槽反射体信号。利用Civa超声波相控阵 模拟软件进行仿真模拟，添加的根部刻槽模型分别为0.2mm， 0.5mm，0.8mm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm。根据模拟 仿真分析，确定选用探头型号。 （1）5MHz探头仿真分析 5MHz探头仿真分析结果见图2。 图2 5MHz探头分辨力仿真 分析发现5MHz探头仅可以对焊缝根部1.0mm以上深度的人 工刻槽反射体具有较好的分辨力。 （2）10MHz探头仿真分析 10MHz探头仿真分析结果见图3。 图3 10MHz探头分辨力仿真 分析发现10MHz探头对焊缝根部0.5mm以上深度的人工刻槽 反射体具有较好的分辨力。 仿真结果：通过仿真分析可知10MHz探头的分辨力高于 5MHz探头，5MHz探头可分辨出1.0mm以上的人工刻槽信号， 10MHz探头可分辨出0.5mm以上的人工刻槽信号。 根据以上仿真结论得出以下探头参数及楔块要求： （1）使用10MHz的探头，孔径大小为32个晶片，一次激发 32个晶片以获得足够的分辨力。 （2）由于在对薄板焊缝的检测中声程小，需要足够小的步进 偏移量来保证一次波最大范围覆盖焊缝根部，所以应该选择低声 速短前沿楔块。 3.2.2扇形扫查角度间隔步进 相控阵扇形成像是以主声束采集的信号作为真实原始数据， 经过计算机计算填充为扇形实面图象的。主声束的角度间隔步进 越小，扫查数据量越大，扫查精细度越高，对定量精度要求较高 的检测，如U肋角焊缝熔深检测，可使用小角度间隔步进设置进 98 交流平台 Exchange Platforml ⅠA、RB-2型标准试块调校超声相控阵参 数，再根据校准参数确定的检测系统在U肋 非熔透角焊缝对比试块上进行验证。对比试 块按照实际待检焊缝的材质、形状等参数设 计，其功能是校准检测工艺的检测灵敏度。 合适的对比试块对提高检测灵敏度有重要 行扫查，角度步进越小对缺陷的检出率及测量精度越高。 主声束的角度间隔步进过大会导致图象描述能力下降甚至产生漏检，过小则对仪 器系统采样频率及处理速度要求较高，并且影响检测效率。经过模拟0.2°、0.5°、 1°、2°角度间隔步进声束对U肋角焊缝根部的覆盖，对于这种短声程的薄板焊缝检 测来说，0.5°角度间隔步进具有足够的测量精度和缺陷检出率。所以，结合仪器处理 能力和检测效率的要求，在保证足够检测精度的基础上U肋角焊缝熔深检测中推荐采用 0.5°角度间隔步进。 3.3 U肋角焊缝熔深检测工艺模拟 根据选定的相控阵探头及楔块要求，制定检测工艺，进行声束覆盖模拟分析，确 定相应的检测参数及扫查步进偏移量以获得较大的一次波扫查范围和较高的检测灵敏 度及测量精度，保证不漏检。 3.3.1 检测仪器及相关系统配置 确定如表1所示检测系统。 3.3.2 聚焦法则 根据U肋角焊缝工艺参数及检测技术要求确定相应的聚焦法则，如表2所示。 3.3.3 U肋角焊缝根部声束覆盖模拟 熔深检测时，应尽量使较小角度的声束扫查到根部端角处，拟选用60°特制短前 沿横波楔块，角度偏转范围55°～75°，步进偏移10mm的检测工艺进行焊缝根部声 束覆盖，确保一次波对焊缝根部的覆盖。利用SOFT-ESBeamTool4超声波相控阵模拟 软件模拟超声波相控阵扇形扫查U肋角焊缝声束覆盖（见图4、图5）。 根据声束覆盖模拟结果，该检测工艺一次波声束完全能覆盖U肋角焊缝根部端角 及允许未焊透区域上部，满足焊缝熔深检测要求。 3.4 对比试块验证试验 3.4.1 试块制作 试块是超声检测的重要组成部分，标准试块用来校准超声波相控阵仪器及探头 系统的组合性能、调节仪器的水平线性和垂直线性等重要参数。本次试验采用CSK- 表1 检测设备及模块 探头型号 楔块型号 标准试块 对比试块 步进偏移 Omniscan MX2/32:128 Olympus 10L32-A1 10M相控阵探头 Olympus SA1-N60S-IHC-SA 60° 特制短前沿横波楔块 CSK-ⅠA RB-2 平板刻槽试块 10mm 表2 孔径大小 激发晶片 检测厚度 聚焦深度 偏转角度范围 角度步进 32晶片 1～32 8mm 8mm 55°～75° 0.5° 表3 对比试块刻槽 刻槽编号 1 2 3 4 5 刻槽深度及夹角 1.6mm/78° 0.5mm/90° 0.8mm/90° 1.2mm/90° 1.6mm/90° 刻槽上端点距 检测面距离 6.4mm 7.5mm 7.2mm 6.8mm 6.4mm 最高反射信号 测试深度 6.7mm 7.5mm 7.3mm 6.6mm 6.2mm 刻槽深度测试结果 1.3mm 0.5mm 0.7mm 1.4mm 1.8mm 误差值 -0.3mm 0mm -0.1mm +0.2mm +0.2mm 图4 建立工件模型 图5 一次波声束覆盖图 图6 U肋平板刻槽试块设计图 99 Exchange Platforml 影响。我们设计并制作了一块U肋平板刻槽试块（如图6、图7所 示），采用与U肋板相同厚度的8mm20#钢钢板，在底面分别切割 不同深度和角度的矩形槽以模拟缺陷。 图7 U肋平板刻槽试块实物图 3.4.2 测试结果 应用确定的检测工艺在对比试块上扫查底部刻槽，验证检测 灵敏度、分辨力及测量精度。用Tomoview 2.9分析软件对采集的 数据进行分析，结果见图8～图10及表3。 图8 1#、3#刻槽测试结果 图9 2#刻槽测试结果 图10 4#、5#刻槽测试结果 从分析结果可以看出：该检测工艺在U肋平板刻槽试块上对 刻槽缺陷反射体具有较好的检测灵敏度和较高的分辨力，检出 率高，定量准确，刻槽深度测试结果最大误差为0.3mm，最小 为0。其检测灵敏度和测量精度满足桥面板U肋焊缝熔深检测的 技术要求。 4、结语 通过试验发现超声波相控阵检测手段作为一种新的检测方法 可以应用于钢箱梁桥面板U肋角焊缝熔深检测，其缺陷检出率， 测量精度，检测效率均具有传统检测手段无法比拟的优势，且该 检测手段结果直观，便于储存，同时有利于保证桥面板U肋角焊 缝的施焊质量，具有广泛的应用前景。 参考文献 【1】赵欣欣 刘晓光 张玉玲 正交异性桥面板设计参 数和构造细节的疲劳研究进展 钢结构2010年第8期第25卷总 第136期 【2】张玉玲 辛学忠 刘晓光 对正交异性钢桥面板构 造抗疲劳设计方法的分析 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