利用超聲波相控陣檢測技術對U肋雙面焊焊接工藝驗證

邱昌瀚 陳剛

1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 湖北武漢 430034

2.中鐵大橋科學研究院有限公司 湖北武漢 430034

近年來，我國的橋梁建設水平得到迅猛發展，越來越多的大跨徑鋼橋得以建成。正交異性板結構以其重量輕、承載能力大、施工周期短等優點，在鋼結構橋梁的建設中得到了廣泛的應用，尤其是大跨徑鋼橋，其技術優勢更加明顯[1-3]。

交異性鋼橋面板的U型縱向肋具有封閉、狹窄細長的結構特性，采用傳統單面焊接工藝，難以實現全熔透，導致其焊縫根部缺陷產生較大的應力集中,橋梁使用過程中，由于受到車輛行走產生的交變荷載，常常在U肋的內根部產生疲勞裂紋，導致U肋的焊縫位置成為鋼橋梁安全隱患的高發區[4]。針對這一問題，國內一些橋梁鋼結構制造廠家開發了U肋雙面焊焊接技術。U肋雙面焊焊接技術夠實現U肋的內部打底焊接,可起到背部堵漏的效果,防止外部焊接時背部燒穿[5]。通過U肋內焊技術，將U肋與橋面板之間的連接焊縫由單側角焊縫改變為雙側角焊縫形式，以求實現U肋焊接接頭的全熔透，改變焊縫對U肋腹板的偏心狀態，大幅提高了焊縫的疲勞性能[6]。

1 檢測現狀

目前針對內外雙面焊焊接成型的U肋焊接接頭內部質量主要采用超聲波相控陣取點測熔深法和宏觀金相斷面法。

1.1 熔深法

采用超聲波相控陣取點測熔深法，即在條焊縫中隨機取一系列的點，這些位置熔深滿足要求即該焊縫符合要求，這種方法將一條焊縫割裂成一個個間斷的點，通過這些單個孤立點的熔深情況很難準確判斷該條焊縫整體的焊接質量。取點測熔深具有主觀性，偶然性，無圖譜記錄等缺點，不能實現對整條焊縫的全面檢測，并不適合U肋雙面焊全熔透角焊縫的檢測。

1.2 宏觀金相法

除了采用無損檢測手段，也可采用宏觀金相法對U肋雙面焊焊接工藝進行驗證，宏觀金相是沿垂直焊縫軸線切取截面，試樣的截取可采用手鋸、砂輪切割、機械加工或氣割等方法，將制備好的試樣放入適合的試劑腐蝕浸泡，將侵蝕完畢的試樣清洗吹干觀察。宏觀金相其最大優點是直觀；其缺點是宏觀金相是破壞性試驗，取樣具有主觀性、偶然性，試樣處理中切割、打磨及腐蝕過程有可能會導致缺陷消失。

2 超聲波相控陣試驗檢測研究

2.1 相控陣檢測技術原理

相控陣超聲使用的探頭是由若干壓電晶片組成陣列換能器,通過電子系統控制陣列中的各個晶片按照一定的延時法則發射和接收超聲波,從而實現聲束的掃描、偏轉與聚焦等功能。利用偏轉特性可以激發多角度聲束對檢測區域進行較大面積覆蓋,從而提高檢測效率及缺陷檢出率；利用聚焦特性,可以提高回波信號幅度和信噪比,以及信號深度、長度的測量精度,從而提高缺陷檢出率。

2.2 儀器設備

檢測系統主要由相控陣檢測儀、探頭及楔塊（圖1）、軟件、掃查裝置組成。

2.2.1 相控陣檢測儀

檢測設備采用的是由奧林巴斯公司生產OmniscanMX2/32:128型相控陣，其單個探頭最大激發數量為32個晶片，最大總晶片激發數量為128個。探頭型號為Olympus10L32-A1探頭，探頭頻率為10MHz,晶片數量為32個。楔塊型號為OlympusSA1-N60S-IHC-SA，該楔塊為60°橫波楔塊。

圖1 相控陣檢測儀、探頭及楔塊

2.2.2 軟件

Esbeamtool超聲聲束模擬軟件，用于評價擬采用檢測工藝聲束覆蓋的有效性；TomoView軟件，用于數據離線分析，能處理大容量的數據文件，滿足實際檢測數據的分析。

2.2.3 掃查裝置

掃查裝置上的夾持部分用來固定探頭、保持探頭與焊縫的相對距離，并與位置編碼器同步運動，實現探頭與檢測位置的對應；為了保證位置分辨率滿足工藝要求，并采用電機驅動。

2.3 檢測工藝

2.3.1 檢測方法

（1）檢測面選擇，將檢測面選在U肋面板側，正交異性鋼橋面板是一個大的平面，超聲波相控陣檢測設備及掃查裝置有足夠的移動空間，能實現對檢測區域的覆蓋及自動掃查。

（2）探頭位置，通過聲束模擬，探頭在偏離焊縫中心線20mm的位置發出能實現對焊接接頭區域的全覆蓋，探頭在距離焊縫中心線20mm位置對稱布置。

（3）掃查方法。采用在正交異性鋼橋面板側沿線掃查+扇掃描，探頭移動方向為焊縫長度方向，如下圖2。

圖2 檢測布置示意圖

2.3.2 檢測系統設置與校準

（1）扇掃描的設置與校準。扇掃描即用特定的聚焦法則激發相控陣探頭中的部分相鄰或全部晶片,使激發晶片組形成的聲束在設定的角度范圍內以一定的步進值變換角度掃過扇形區域。其具體設置如下：

扇掃描角度范圍設定為40°-70°，即保證對焊接接頭的全覆蓋，又能避免過大角度偏轉造成的聲束角嚴重擴散，影響檢測靈敏度。角度越小精確度越高，角度步進設置為1°。

采用扇掃描檢測前，應對扇掃描角度范圍內的每一條聲束校準，校準的聲程范圍應包含檢測擬使用的聲程范圍。在校準前先進行ACG修正。ACG修正采用CSK-IA試塊上R50mm圓弧進行。采取TCG修正方法進行校準，校準試塊采用RB-2。

（2）靈敏度設置。設置TCG靈敏度時，將Φ3×40-4dB調至滿屏的90%，作為掃查靈敏度。

工件表面耦合損失和材質衰減應與試塊相同，否則應進行傳輸損失補償。在所采用的最大聲程內最大傳輸損失差小于或等于2dB時可不進行補償。

（3）掃查步進設置。檢測前應將檢測系統設置為根據掃查步進采集信號。掃查步進值為1mm。

（4）編碼器的校準。編碼器校準方式是使掃查裝置移動一定的距離（不小于500mm）時對檢測設備所顯示的位移與實際位移進行比較，其誤差應小于1%，最大不超過10mm。

3 工程應用

3.1 制造工藝

某大橋U肋焊接工藝采用了全新內外焊相結合的焊接工藝。為了進一步優化焊接工藝，分別采用37°和44°坡口進行施焊，其他焊接參數保持一致，內焊機平位，實心焊絲富氬氣體保護焊，外焊船位，實心焊絲CO2氣體保護焊。龍門式U肋裝配機組進行端頭對齊、精確定位、壓緊和定位焊。U肋內焊通過專用焊接設備，將焊槍送進U肋內部，進行U肋內側角焊縫的焊接工作，在U肋內焊接角焊縫后再焊接外側坡口角焊縫，具體焊接方法如表1。

表1 焊接方法

內焊、外焊打底焊及外焊蓋面焊焊接過程中電流、電壓、焊速如表2。

表2 焊接參數

U肋板厚度8mm，面板厚度為16mm，U肋面板試件長度為10m（如下圖3），圖中U1和U2采用44°坡口，U3和U4采用37°坡口。

3.2 檢測實施

超聲檢測掃查面為正交異性鋼橋面板側，探頭移動區域應清除焊接飛濺、氧化皮、污垢及其他影響透聲性能和耦合效果的覆蓋物。檢測表面要求光滑、平整，便于探頭的移動和耦合，必要時應進行打磨。

檢測前先在面板側畫出參考基線作為檢查運動軌跡和缺陷水平定位基準。將焊縫中心線或U肋裝配線移植到面板側作為參考線，要求掃查面參考線與焊縫中心線或U肋裝配線重合偏差≤2mm，并對掃查起始點和掃查方向予以標記。

圖3 U 面板試件

檢測時，由于橋梁U肋面板長度遠大于上文中U肋試件長度，U肋面板長度一般在10-15m，為了沿焊縫縱向保持直線掃查，采用導軌架控制掃查裝置與基準線的相對位置，探頭沿預定直線軌跡移動，移動過程中，探頭位置與預定軌跡的偏移量不能超過步進偏移值的15%，掃查速度不超過儀器限定的最大掃查掃查速度。掃查過程應保持穩定的耦合，若發現耦合不良，需要重新掃查該段區域。每次掃查長度不應超過2000mm；若需對焊縫在長度方向進行分段掃查，則各段掃查區的重疊范圍至少為20mm。在掃查過程中會出現因為鋼板表面的飛濺或與軌道間的摩擦掃查架會卡死情況，這時候用手輕撥車輪使之繼續前進，如出現掉線、耦合不良、軌道偏移的情況需重新掃查。掃查圖像中耦合不良不得超過整個掃查的5%，單個耦合不良長度不得超過2mm。當掃查長度達到設定長度時，停下掃查車，并存及時儲數據，文件名與所掃查的焊縫編號一致。掃查的數據應進行復核，需相控陣相關標準規定，否則數據無效，應重新進行掃查。

3.3 檢測結果分析

3.3.1 缺陷定性分析

將掃查得到的相控陣數據導入電腦中，通過TomoView軟件進行分析可以得到，A掃描視圖，B掃描視圖，S掃描視圖。A掃描視圖是一種接收到得超聲回波信號幅度隨聲程變化的顯示；B掃描視圖:是工件的側面投影顯示方式；S掃描:也稱扇形掃查，為沿探頭掃描方向，通過實施一系列的聚焦法則使聲束在限定的角度范圍內進行偏轉掃查，采集結果是全部角度聲束的的圖像顯示。

通過結合A掃描及B掃描及扇掃描（S掃描）對信號顯示定性分析。先確定焊接接頭輪廓的幾何反射信號，根據測量好的焊接接頭焊角的實際尺寸，用CAD軟件繪制焊接接頭的幾何圖形，將焊接接頭幾何圖形導入TomView中，在扇掃描中可以看到的焊接接頭幾何輪廓，在扇掃描視圖中不斷調節掃查角度，在B掃描視圖可以發現一條跟掃查距離長度相同的反射信號，在A視圖觀察會發現該信號穩定且整條波幅極高，在扇掃描中信號剛好與焊接接頭的幾何輪廓重合，可以確定該條信號為幾何反射信號并非缺陷信號。調節扇掃描角度，在B視圖中發現幾何信號上有一條短信號，在B視圖中將光標移至短信號上，在扇掃描視圖中可以發現該信號位于焊接接頭幾何輪廓線以內，正好處于U肋腹板與面板相接的根部區域，可以判斷該信號為焊接接頭根部缺陷，如下圖4所示。

圖4 A+B+S 缺陷分析視圖

3.3.2 缺陷定量分析

對缺陷顯示的測量包括波幅、長度、位置的測量。

（1）回波幅度確定。扇掃描時，找到不同位置扇掃描的不同角度A掃描中缺陷的最高回波幅度作為該缺陷的幅度。

（2）缺陷長度確定。若缺陷最高波幅未超過滿屏100%，則以此幅度為基準，找到此缺陷不同角度A掃描回波幅度降低6dB的最長長度作為該缺陷的長度。

若缺陷最高幅度超過滿屏100%，則找到此缺陷不同角度A掃描回波幅度降低到定量線時的最大長度作為此缺陷的長度。

（3）缺陷位置確定.缺陷位置測量包括水平位置、深度位置和缺陷在焊縫長度方向的位置。在扇掃圖上，讀取缺陷最大波幅時測量指針所對應讀數作為缺陷水平和深度值，在B掃圖上讀取缺陷在焊縫長度方向上的位置。

3.3.3 檢測結果

經超聲波相控陣檢測發現采用44°坡口和37°坡口的焊接接頭均存在一定比例的未熔透，經統計44°坡度熔透比例為92%；而37°坡口熔透比例為57%。對比B掃描視圖可以發現44°坡口U肋焊接接頭缺陷多為區部小范圍的缺陷，而37°坡口U肋焊接接頭中易出現整段大范圍的缺陷（如下圖5和圖6）。

圖5 44°坡口缺陷B 掃描視圖

將兩種焊接工藝進行比較，其焊絲種類，焊接電流，焊接電壓及焊接速度完全一致，工藝1坡口角度為44°，工藝2坡口角度為37°，由于U肋坡口角度的差異而導致熔透率差異巨大，這是坡口角度越大焊絲端部越能跟接坡口根部接近，焊接過程中焊絲接觸到被檢工件產生電弧熔化，在電流電壓不變的情況下，電弧熔化點到母材的距離相同，坡口角度越大，電弧為保持原來形狀,電弧下移,這個距離就越小，熔透能力越強。

圖6 37°坡口缺陷B 掃描視圖

4 結語

相比與熔深法和宏觀金相法，采用超聲波相控陣在正交異性鋼橋面板側沿線掃查+扇掃描，對整條焊縫進行全面掃查，并借助編碼器實時存儲圖像數據，能夠全面的反映雙面焊U肋角焊縫焊接質量，而并非通過焊縫某幾個截面質量情況去推斷整條焊縫的質量，檢測結果更加真實可信。