鋼橋面板頂板與U肋焊縫超聲波穿透法檢測技術研究*

孫孝婷 汪 鋒 袁周致遠 吉伯海

(江蘇揚子大橋股份有限公司1) 靖江 214521) (河海大學土木與交通學院2) 南京 210098)

0 引 言

正交異性鋼橋面板具有自重輕、承載力大、施工速度快等特點，是大跨徑橋梁鋼箱梁主要橋面系構造.隨著交通流量的增長及服役年限的影響，我國部分橋梁鋼橋面板出現疲勞裂紋，頂板-U肋角焊縫水平向裂紋是出現較多裂紋之一.此類裂紋隱蔽性強、檢測難度大，危害性高，影響鋼橋面板耐久性及安全運營.為保證橋梁安全，需尋找有效檢測方法對此類疲勞裂紋進行檢測.

超聲波檢測法能夠檢測到結構內部的裂紋[1-2]，針對疲勞裂紋的超聲波檢測，國內外相關學者開展了一些研究.Kenderian[3]采用激光激勵空氣耦合超聲檢測技術對鐵軌隱蔽裂紋進行檢測；Ushakov等[4]通過對表面裂紋的檢測，對金屬的疲勞失效進行了評估；Mukhopadhyay等[5]采用聲發射和超聲波技術對疲勞裂紋的擴展進行動態監測；Sohn等[6]提出非線性超聲調制技術對疲勞裂紋擴展進行跟蹤監測；Miki等[7]采用超聲波檢測技術對焊縫附近進行自動化探傷.國內也開展了相關研究，陳剛等[8]采用相控陣檢測技術對U肋角焊縫熔深進行檢測；吉伯海等[9]針對頂板-U肋角焊縫裂紋的定性檢測提出一系列檢測方法.超聲波檢測技術在鋼橋疲勞裂紋檢測中得到了一定的應用，除理論方面的相關研究外，在實際工程中的研究和應用大多以結構簡單部位的裂紋為主，針對鋼橋面板頂板與U肋焊縫部位裂紋檢測方法的研究相對較少，尤其是頂板-U肋焊縫水平向裂紋.由于其裂紋擴展方向平行于脈沖反射法的檢測面，使得采用單一探頭進行檢測時，缺陷反射聲波無法被探頭接收，對于該裂紋的檢測仍缺乏有效的方法，見圖1.

圖1 頂板與U肋超聲波單探頭檢測示意圖

本文針對頂板-U肋焊縫水平裂紋，提出一種超聲波雙探頭穿透檢測法，采用預制裂紋試件，對該檢測方法進行試驗研究，建立水平裂紋的檢測方法，為該類裂紋檢測方案的制定提供科學依據.

1 超聲波穿透法檢測原理

依據收到穿透聲波信號的強弱來判斷被檢構件內部缺陷的檢測方法稱為超聲波穿透法.其用于頂板-U肋角焊縫水平裂紋檢測的工作原理見圖2.使用超聲波雙探頭穿透法檢測時，發射探頭放在頂板下表面，接收探頭放在U肋外側.當焊縫內部無裂紋時，發射探頭的大部分聲波能夠有效穿過焊縫并被接收探頭收到；當焊縫內部存在裂紋時，由于裂紋對聲波的遮擋效應，使得接收探頭僅接收到的聲波能量大幅下降，使得接收的回波高度降低.因此，可根據裂紋對聲波的遮擋效應對頂板-U肋接頭焊縫的水平裂紋進行有效檢測.

圖2 雙探頭穿透法探傷示意圖

超聲檢測中，超聲波的發射和接收通過探頭實現，探頭參數直接影響被檢對象的超聲波性質.探頭選擇包括探頭型式、斜探頭K值、頻率、晶片尺寸等.本試驗對象是頂板-U肋角焊縫，探頭型式選用斜探頭.斜探頭K值是探頭發射縱波入射角的折射橫波角β的正切值，即橫波聲軸方向與垂直方向夾角β的正切值，見圖3.

圖3 K值計算示意圖

(1)

式中：β為折射橫波角；L為折射橫波水平投影長度；H為被檢材料的厚度.

超聲波檢測時根據被檢物體的情況，可采用縱波、橫波或表面波方法進行測試.根據老鋼橋中疲勞裂紋的形態，應選擇橫波探傷.為了在檢測試件中獲得單一的橫波波形，要求縱波的入射角必須在第一臨界角和第二臨界角之間.本試驗中，楔塊材料為有機玻璃，縱波聲速cL1=2 730 m/s，被檢材料為鋼，縱波聲速cL2=5 900 m/s，橫波聲速cS2=3 230 m/s，則第一臨界角為αⅠ=27.6°，第二臨界角為αⅡ=57.7°，即探頭有機玻璃楔塊的折射角范圍在27.6°～57.7°之間.根據縱波入射角和折射橫波角之間的計算式(2)，得到斜探頭的折射橫波角β大于33.2°，即K值大于0.66.

(2)

為保證探頭穿透聲波聲軸在掃查中可以覆蓋焊縫的絕大部分區域，且聲波入射點和接收點與焊趾的最小距離不小于所用探頭的前沿長度，確定探頭K值范圍為0.7～0.9，考慮K=0.7時探頭晶片過于接近第一臨界角，極有可能因加工誤差導致K值小于最小值0.66要求，故試驗中折中采用K=0.8的探頭.根據反射定律計算得到接收探頭聲軸與垂直方向的夾角約為63°，對應K值為1.96，故接頭探頭K值選為2.0.

超聲波探傷頻率選擇范圍較大，在20 kHz～10 MHz，針對本試驗的檢測要求，頻率選用5 MHz，晶片尺寸為4 mm×4 mm.探頭使用前，在標準試塊上對探頭性能進行校核并記錄，見表1.本試驗使用SH610數字式超聲探傷儀，耦合劑為CG-98型超聲波探傷耦合劑.

表1 探頭參數表

2 試驗設計

2.1 裂紋類型

選取國內某大橋頂板-U肋處焊縫常見的兩類水平裂紋，從頂板焊趾起裂向焊根方向擴展的Crack1、從焊根起裂向頂板焊趾方向延伸的Crack2.其中Crack2裂紋屬于隱蔽裂紋，實橋上不易檢測，兩類裂紋見圖4.本試驗以該兩類水平裂紋的裂紋深度作為檢測目標，驗證雙探頭穿透法的有效性.

圖4 頂板-U肋水平裂紋示意圖

2.2 試件

針對鋼橋面板頂板-U肋焊縫構造細節，以兩類水平裂紋為原型，分別制作預制裂紋標準試件及無裂紋對比試件.預制裂紋標準試件共6個，試件材料為Q345q，采用CO2保護焊進行焊接，頂板厚12 mm，U肋厚6 mm，沿焊縫方向長60 mm，為了控制實際加工產生的未熔透段影響，焊根處水平切割2.00 mm，試件尺寸見圖5.預制裂紋采用電火花線切割加工，裂紋深度分別為2,4,6 mm，主要裂紋參數見表2.無裂紋對照試件共二個，試件僅對焊根處做模擬未熔透切割2.00 mm縫處理，其他參數與人工裂紋標準試件一致.

圖5 試件尺寸圖(單位:mm)

表2 試件裂紋設計參數

2.3 試驗方法

裂紋深度測試方法見圖6.首先沿被測試件寬度方向選取三個測點并編號，用于固定發射探頭的位置.發射與接收探頭均找到最大波高位置后，保持接收探頭距焊趾距離不變，將發射探頭沿垂直焊縫方向前后移動，每移動1 mm，記錄對應位置的波高，直至探頭前端抵住焊趾，得到不同裂紋深度的探頭距焊趾距離-波高曲線.

圖6 裂紋深度測試示意圖

3 試驗結果分析

兩類裂紋不同裂紋深度的探頭距焊趾距離-波高曲線見圖7.由圖7可知，同一裂紋，不同裂深對應的距離-波高曲線存在差異，與無裂紋相比，裂紋深度越深，距離-波高曲線偏移越大，且裂紋1的曲線向左偏移，裂紋2的曲線向右偏移.裂紋偏移方向不同主要是由于裂紋起裂位置不同.對于裂紋1，裂紋從頂板焊趾開裂向焊根方向擴展，裂紋深度越深，裂紋段越長，聲波在焊縫熔透區可穿透范圍越小，當發射探頭從焊趾向遠離焊趾方向移動時，聲波先穿過熔透區可穿透范圍后被裂紋遮擋，裂紋段越長，被遮擋的越早，最大波高對應的入射點距焊趾距離越短，故曲線向左偏移量越大.裂紋2與之相反，裂紋均是從焊根開裂向焊趾擴展，當發射探頭從焊趾向遠離焊趾方向移動時，聲波先穿過裂紋段后經過熔透區可穿透范圍，裂紋段越長，進入可穿透范圍的時間越晚，最大波高對應的入射點距焊趾距離越長，曲線向右偏移量越大.

圖7 入射點距焊趾距離-波高曲線圖

根據圖7中的入射點距焊趾距離-波高曲線，進一步繪制接收聲波高度與裂紋深度之間關系(見圖8).由圖8可知，采用穿透法檢測時，隨著裂紋深度的增加，接收聲波高度逐漸降低，說明缺陷對聲波的遮擋效應與裂紋尺寸大小有著密切的關系，從而驗證了該方法在頂板與U肋焊縫中檢測的可行性.由圖7可知，相比于裂紋1試件類型，裂紋2試件的試驗結果更加明顯，這可能與疲勞裂紋萌生位置，以及聲波入射角度有著一定的關系.這是因為對于裂紋1試件而言，在當前探頭入射角情況下，因其萌生于焊根并水平向焊縫內部擴展，使得部分主聲軸線仍能夠穿透未開裂部位；而對于裂紋2試件而言，雖然設置的裂紋長度與裂紋1試件一致，但由于其在未熔透部位的基礎上進行切割的，使得所設置的裂紋正好能夠擋住大部分聲波，從而顯著降低了所接收到的聲波強度(見圖9).這種檢測靈敏度的差異性，也反映出采用穿透法檢測頂板與U肋焊縫裂紋時，可根據所檢測裂紋位置的不同，可適當調整檢測位置，從而提高檢測的靈敏度.

圖8 波高隨裂紋深度的變化趨勢圖

圖9 檢測靈敏度原因分析

4 結 論

1) 理論和試驗證明，利用裂紋對超聲波的遮擋效應可以實現對頂板與U肋焊縫部位水平裂紋的檢測.

2) 通過對超聲波入射和折射角的分析，并結合頂板與U肋構造細節尺寸和特征，建議了雙探頭的相關設計參數.

3) 當發射探頭的參數一定時，隨著裂紋長度的增加，在U肋部位所能夠接收到的聲波強度逐漸降低，說明兩者之間呈現出一定的正相關性.