基于超聲理論的橋梁焊接殘余應力檢測

(浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 310014)

鋼結構因其顯著的優勢已被廣泛應用在橋梁工程建設中，如港珠澳大橋采用約16 km的鋼箱梁和6 km的組合梁[1]。在現代的鋼結構橋梁中，鋼構件的連接主要以焊接為主，但是隨著橋梁的跨度和設計荷載的增加，其鋼板的設計厚度也在不斷增加。相對于普通板件的焊接，厚鋼板的焊接過程更為復雜，殘余應力問題變得更為突出[2]。金靖等[3]指出鋼結構橋梁的損傷是在應力作用下產生了軸向、豎向和彎曲3 個維度的應變。因此，在焊接完成后及時對焊縫進行應力檢測，了解殘余應力的大小及其對不同維度產生的應變影響是鋼結構橋梁安全設計的重要環節。目前，殘余應力的檢測方法有很多，大致可以分為破壞性測量和非破壞性測量。破壞性測量包括鉆孔法、深孔法和局部逐層銑削盲孔法等，非破壞性測量主要有X射線衍射法、中子衍射法和超聲法等。國內外學者多采用盲孔檢測法[4]，而工程中常采用X射線應力檢測法[5]。盲孔法對結構有損傷，X射線應力檢測儀器復雜、操作步驟繁瑣，導致檢測效率低，不適合橋梁鋼構件在服役狀態下的戶外現場檢測。超聲法定位精準、操作簡便、工作效率高，并且可以實現橋梁鋼結構殘余應力的無損檢測。2012年，意大利Rossini教授對比分析各種檢測方法后認為超聲法是殘余應力無損檢測發展方向上最有前途的技術之一[6]。

殘余應力的超聲檢測技術主要依靠聲彈性理論，通過國內外學者的完善和總結，已得到超聲波波速與應力的關系式。隨著科技的進步，超聲檢測技術在工程應用中愈發成熟。筆者首先闡述了殘余應力的超聲檢測技術在應用理論上的改進，優化檢測系統，對檢測系統的性能進行指標測試；其次通過超聲法、盲孔法和X射線法對鋼構件進行殘余應力檢測的對比實驗，探究該殘余應力超聲檢測系統的可靠性；最后闡述超聲法在某橋梁工程中的應用。

1 超聲檢測技術的應用理論

1953年Hughes等[7]根據有限變形理論，提出了各向同性材料中聲彈性理論的早期表達形式，構建聲波在材料中傳播速度與應力之間的對應關系，從而奠定了聲彈性基礎。之后幾年，物理學家Benson等[8]發現了超聲波在有應力材料中的雙折射現象，為利用超聲波的聲彈效應測量應力奠定了物理基礎。之后，人們發現超聲波的波形和傳播方向對應力的敏感度有著很大的影響，而且溫度的變化會影響聲波傳播速度，從而對檢測結果造成一定影響。

1.1 基于聲彈性原理的不同模式超聲波速與應力的關系

張閩[9]在利用超聲檢測技術對焊縫進行質量檢測的研究中，采用了模糊理論對其可靠性進行分析，確定了超聲檢測技術在橋梁鋼結構工程中應用的可行性。但是，隨著鋼結構橋梁設計荷載的不斷增加，鋼板設計厚度也逐漸加厚，楊俊芬等[2]指出在利用超聲法檢測焊縫內部的殘余應力時，由于波長較長，而試件內部殘余應力引起的波速變化很微小，即超聲檢測對厚鋼板焊縫內部的殘余應力不敏感，導致檢測不精確。為探究影響超聲波敏感度的因素，李偉等[10]通過Matlab軟件進行仿真，指出超聲法的二維振動優于一維振動；孫俊博[11]進行了超聲縱波、橫波沿著應力方向傳播和垂直應力方向傳播對應力的敏感度理論推導，得出縱波沿著平行于應力方向檢測最為敏感的結論。為了更全面地探究超聲波對應力的敏感度，宋文濤[12]研究了超聲縱波、剪切波和表面波沿應力方向傳播、垂直應力方向傳播和偏振方向傳播的應力敏感度，分別分析了以下7 種情況：沿應力方向傳播的縱波波速V111與應力σ的關系；垂直于應力方向傳播的縱波波速V113與應力σ的關系；傳播方向沿應力方向、偏振方向垂直于應力方向的剪切波波速V131與應力σ的關系；傳播方向和偏振方向都垂直于應力方向的剪切波波速V132與應力σ的關系；傳播方向垂直于應力方向、偏振方向平行于應力方向的剪切波波速V133與應力σ的關系；傳播方向平行于應力的表面波波速與應力σ的關系；傳播方向垂直于應力的表面波波速與應力σ的關系。然后，對不同波的波速與應力關系式進行波速V對應力σ求導，可得

dV=Kαdσ

(1)

式中：Kα為應力敏感系數，Kα的絕對值越大說明該模式的波對應力越敏感，計算結果如圖1所示。

圖1 低碳鋼中不同模式波與應力的敏感系數|Kα|的對比Fig.1 Comparison of sensitivity coefficient |Kα| of different mode waves and stresses in low carbon steel

比較分析后得出：在低碳鋼單軸拉壓狀態下，敏感度最大的是沿應力方向傳播的縱波，其敏感度遠高于其他方向。該結果為利用超聲檢測技術更加精確地檢測鋼板焊縫殘余應力提供了基礎。

1.2 溫度補償理論

聲彈性理論指出溫度變化會影響聲波的傳播，但前期的理論研究是基于實驗的環境下，所以采用超聲檢測應力時，溫度的影響可以忽略不計。隨著研究的深入，發現露天環境下的溫度變化對鋼構件的應力檢測有著很大的影響。研究表明：對于普通鋼材，1 ℃的溫度變化可以引起75 MPa左右的應力變化[13]。孫俊博[11]指出構件所處溫度與室溫相差過大時，需考慮溫度變化對絕對應力檢測的影響，即

(2)

張豪等[14]指出可以通過引入系數將溫度所致的應力變化從總的應變測量值中分離，所以在露天環境下用超聲檢測鋼結構橋梁殘余應力時，應該考慮溫度的影響，并且利用溫度系數進行補償分析。在探究殘余應力檢測的溫度補償理論中，通過采用高低溫箱來模擬環境溫度的變化，找出不同溫度對聲時的影響規律。在溫度補償實驗過程中，將傳感器和試樣置于高低溫箱內，通過精確調整測試溫度，在保溫一段時間后，測量聲時差，并描繪溫度和聲時差變化量曲線結果如圖2所示。從實驗結果可知溫度補償系數為6.87 ns/℃。說明溫度的變換確實會影響殘余應力的超聲檢測。

圖2 溫度補償實驗數據Fig.2 Experimental data of temperature compensation

2 檢測指標分析和對比實驗

隨著超聲檢測技術應用理論的不斷完善，在超聲檢測系統中，將敏感度最高的縱波和溫度補償應用其中，使得檢測系統的敏感度得到提升，而且通過編入溫度和聲時的關系表達式，殘余應力的超聲檢測結果更加精準。基于此系統，通過對超聲檢測系統的指標進行分析，以及對不同的殘余應力檢測方法進行對比，探究殘余應力超聲檢測系統在革新后的可行性和優越性。

2.1 超聲檢測系統的組成

為了更好地適應橋梁鋼結構殘余應力超聲無損檢測，在原來的基礎上對系統硬件進行了開發和調整。整個系統主要由應力檢測探頭、高性能數字隔離電源、信號雙級隔離模塊、超聲信號源、主控制器、數字分析模塊、兩級溫度補償模塊和終端顯示模塊組成，系統硬件如圖3所示。

圖3 殘余應力超聲無損檢測系統硬件Fig.3 Hardware of ultrasonic nondestructive testing system for residual stress

本系統的超聲信號數據采集模塊如圖4所示。其工作原理是：超聲激勵模塊發出高壓脈沖，使超聲換能器產生超聲波，接收換能器檢測到回波信號并將其傳輸到回波接收模塊，數據采集模塊經過一系列的信號處理后，通過數字控制模塊和數據通信模塊將包含檢測信息的數字量傳輸給工控機，然后進行相關的數據處理；與此同時，各模塊的相關參數設置也由工控機通過數據通信與數字控制模塊完成[12]。

圖4 超聲信號數據采集模塊總體方案框圖Fig.4 Overall scheme block diagram of ultrasonic signal data acquisition module

2.2 殘余應力檢測的關鍵指標

該超聲檢測系統將敏感度最高的縱波和溫度補償理論應用其中，基于上述檢測原理，對技術革新后的超聲檢測系統進行指標檢測試驗。

2.2.1 測量效率和精度

單點測試的用時不超過6 s。聲速時延測量精度在0.37 ns內，應力測量精度在±20 MPa內，應力測量分辨率不超過0.37KmMPa(Km為聲彈系數)。

2.2.2 線性度(非線性度誤差)

線性度不超過0.3%，測試結果如圖5所示。使用材料拉壓連續加載標定聲彈系數，雙向重復進行2 次標定，每次線性擬合度方差可達到0.998 8。

圖5 線性度測量結果Fig.5 Linearity measurement results

2.2.3 重復精度

單點重復測量500 次，測量值波動范圍不超過11KmMPa。圖5為Q345B材質，當點測試重復精度500次為0.6 MPa，測試結果如圖6所示。

圖6 測量重復精度測試Fig.6 Measurement repeatability test

由上述試驗結果可知：超聲檢測儀器在測量效率和精度、線性度和重復精度上的關鍵性指標均符合要求。

與國內外其他應力檢測裝置(如盲孔法應力檢測裝置、X射線應力檢測裝置、磁測應力檢測裝置等)技術指標進行對比，制定了針對鋼結構焊接殘余應力的超聲應力檢測系統性能指標，結果如表1所示[12]。

表1 超聲應力儀檢測系統主要性能指標

2.3 對比實驗

為進一步驗證超聲法測量橋梁鋼結構焊接殘余應力的有效性，對Q235B和Q345D鋼板焊接試件的殘余應力分別采用超聲法、X射線法和盲孔法進行測量，比較3 種測量方法的精度。

2.3.1 實驗現場

對比試驗采用Q235B和Q345D兩種鋼材制成的試件，分別如圖7(a，b)所示。超聲法和X射線法檢測試件殘余應力的現場分別如圖8，9所示。

圖7 試件圖Fig.7 Specimen drawing

圖8 超聲檢測現場Fig.8 Ultrasonic testing site

圖9 X射線檢測現場Fig.9 X-ray inspection site

2.3.2 測量過程

超聲法檢測的是宏觀殘余應力，其檢測區域最大，而且是無損檢測。因此，首先利用超聲法檢測殘余應力；其次在超聲法檢測殘余應力的區域內標記若干部位，利用X射線法檢測其殘余應力；最后在X射線法檢測殘余應力的區域內標記若干部位，利用盲孔法檢測其殘余應力。

1) 超聲法測量過程

鑒于Q235B鋼試件上有一條焊縫，其熱影響區

垂直于焊縫的應力是導致焊縫開裂的主要應力。因此，在焊縫兩側垂直于焊縫方向分別標記3 個檢測部位，并進行編號，檢測時以某個部位為基準進行零應力標定，然后檢測其他部位。如圖7(a)中長方形外框即為殘余應力的超聲檢測區域。Q345D鋼試件為7 個表面噴丸處理過的試件和1 個表面未噴丸處理過的試件。在每個試件上標記一個檢測部位，同樣進行編號，并在未噴丸處理過的試件上進行零應力標定，然后檢測其他試件。如圖7(b)中長方形外框即為殘余應力的超聲檢測區域。每個長方形外框內的實際殘余應力超聲檢測區域為4 mm×30 mm。

2) X射線法檢測殘余應力的過程

在超聲檢測區域內均勻地標記5 個2 mm×2 mm 的正方形框作為X射線法檢測殘余應力的區域，然后對每個區域進行檢測，結果如圖7(a，b)所示。

3) 小孔法檢測殘余應力的過程

由于小孔法檢測殘余應力時要求檢測部位間隔較遠，因此只能在X射線法檢測的5 個部位中選擇2 個部位進行檢測，結果如圖10所示，檢測區域示意圖如圖11所示。

圖10 盲孔法檢測實物圖Fig.10 Blind detection of physical images

圖11 檢測區域示意圖Fig.11 Detection area diagram

2.3.3 數據處理與實驗結果

根據上述方案完成檢測后，作如下數據處理：

1) 在超聲法檢測的區域內，通過X射線法檢測了5 個部位，通過小孔法檢測了2 個部位，分別求得X射線法與小孔法檢測的平均值作為該方法檢測結果。

2) Q235B試件沒有超聲法檢測需要的零應力試塊，只能得到相對應力，因此需要將X射線法、小孔法檢測結果減去超聲法檢測時進行零應力標定部位的檢測結果，得到其余部位X射線法、小孔法檢測的相對應力值。

3) Q345D鋼有零應力試塊，因此可直接對3 種方法檢測結果進行比較。

3 種方法的檢測結果分別如圖12(a，b)所示。

圖12 應力比較圖Fig.12 Stress comparison diagram

由圖12可知：針對Q235B和Q345D試件，3 種檢測方法測量的殘余應力變化趨勢大致相同。相較于盲孔法，超聲法的檢測結果更加接近X射線法的檢測結果。雖然X射線法的理論和應用都比較完善，各國都有相應的檢測標準，檢測精度和結果相對可靠[5]，但是其檢測成本高昂、檢測要求高，并不能在實際工程中被簡單地操作使用。與X射線法相比，超聲法的檢測結果雖然有一些差距，但是上述指標檢測證實其檢測精度符合指標要求，并且超聲法的操作更加便捷、成本低，滿足現代大多橋梁工程的普遍需求，有很大的發展空間。

3 工程應用

為了檢測改進后的殘余應力超聲檢測系統，某工程項目組開展了對寧波某大橋及接線工程典型焊接殘余應力的檢測應用研究。該大橋主橋為單跨過江矮塔斜拉橋，跨徑布置(64+86) m+400 m+(86+64) m，主橋全寬29 m，主梁采用混合梁形式，部分邊跨和中跨468 m范圍區段內主梁采用鋼箱梁，其他區段采用組合梁。主塔采用鋼結構V型塔，斜拉索共36 對。該大橋V型塔柱的北塔橫梁采用環口焊縫(增補的焊縫)，橫梁鋼材質為Q370，項目組在該大橋V型塔橫梁焊接完成后，對鋼箱梁9號節段吊裝完成和12號節段吊裝完成兩個不同工況下V型塔北塔橫梁西側腹板對接焊縫44 個點位進行服役應力的超聲無損檢測。下面選取2 個北塔橫梁西側腹板對接縫點位的檢測結果進行說明。

如圖13所示，在安裝9號梁段后北塔橫梁西側腹板對接縫殘余應力較小，在100 MPa以內，但在安裝完12號梁段后1～7，11號測點的應力大幅上漲，其中1號測點上漲了164.28 MPa，上漲了13.6倍。

圖13 中興大橋V型塔北塔橫梁西側腹板對接縫應力折線圖Fig.13 The stress broken line diagram of the west side web of the crossbeam of V-type tower north tower of bridge

如圖14所示，在安裝9號梁段后北塔橫梁西側腹板對接縫殘余應力除3號和9號測點應力較高外，其余測點的應力均較小，小于120 MPa；在安裝完12號梁段后除4號、10號和11號測點外，其余測點的應力上漲幅值較小，小于50 MPa，11號節點漲幅最大，達到145 MPa。

圖14 大橋V型塔北塔橫梁西側腹板對接縫應力折線圖Fig.14 The stress broken line diagram of the west side web of the crossbeam of V-type tower north tower of bridge

由該工程實例可知：大橋V型塔橫梁腹板對接第1次應力測量(鋼箱梁9號節段吊裝完成后)與第2次應力測量(鋼箱梁12號節段吊裝完成后)的應力趨勢圖基本一致，且第2次測量值較第1次測量值均增大，說明隨著鋼箱梁節段的增加，V型主塔橫梁所受服役應力也隨之增加，符合理論受力情況。由此可以看出，殘余應力超聲檢測系統在實際工程中的檢測結果符合理論結果。

4 結 論

筆者建立的超聲檢測系統利用縱波殘余應力進行檢測，并且考慮溫度補償，在關鍵指標分析和對比實驗的分析中得出，超聲檢測技術在超聲檢測系統中的檢測精度達到指標要求，同時也準確反映了殘余應力的變化趨勢。對某大橋對接焊縫的44 個點位進行不同工況下的焊縫應力檢測，得出的檢測結果符合理論計算的結果。綜上所述，隨著超聲檢測技術理論的不斷完善，超聲檢測法在實際工程檢測中越發精準，并且超聲法的操作便捷、成本低，滿足現代大多鋼結構橋梁工程的大范圍焊接質量檢測的需求。