基于PAUT和TOFD的焊縫數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝備開發(fā)及應(yīng)用

周學(xué)輝 靳 超 陸榮偉 吳 昊

（1.中國船級社實(shí)業(yè)有限公司，北京 100006；2.江蘇省交通工程建設(shè)局，南京 210004）

橋梁焊接過程中存在大量的對接焊縫，包括橋面板頂板、橋塔、鋼箱節(jié)點(diǎn)等位置。超大跨度的斜拉橋意味著橋梁主要結(jié)構(gòu)的尺度是超出常規(guī)的，如鋼桁梁、斜拉索等位置，包括大量厚板（厚度30 mm以上）的對接焊縫。

對于此類對接焊縫缺陷，江蘇交通控股有限公司姚蓓等采用超聲相控陣對蘇通大橋U肋角焊縫進(jìn)行了試驗(yàn)檢測[1]，中國水利水電第三工程局有限公司周林對比了衍射時(shí)差（Time of Flight Diffraction，TOFD）和射線檢測技術(shù)的實(shí)橋檢測效果[2]，李江華在平南三橋主拱焊縫檢測中使用了TOFD檢測技術(shù)[3]。

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和多學(xué)科領(lǐng)域的融合，相控陣超聲（Phased Array Ultrasonic Teasting，PAUT）和衍射時(shí)差等數(shù)字化新型無損檢測技術(shù)不斷應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

雖然以上兩種技術(shù)有常規(guī)無損檢測技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，但是也存在不足。《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）將TOFD和PAUT納入輔助檢測方法，但并沒有對檢測方法細(xì)節(jié)和驗(yàn)收準(zhǔn)則做出具體規(guī)定[4]。

若能將兩種技術(shù)同步應(yīng)用于對接焊縫檢測，并發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢，就可以相互彌補(bǔ)不足。在美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（American Society of Mechanical Engineers，ASME）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，作為數(shù)字化檢測技術(shù)，PAUT和TOFD需要輔助以半自動(dòng)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝備才能確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。當(dāng)前，同步自動(dòng)檢測技術(shù)已應(yīng)用到一些檢測場景和現(xiàn)場，但尚未應(yīng)用于橋梁對接焊縫的現(xiàn)場檢測和工程應(yīng)用。因此，擬開發(fā)適用于橋梁對接焊縫的TOFD及PAUT焊縫數(shù)據(jù)同步自動(dòng)采集裝置，結(jié)合PAUT和TOFD檢測技術(shù)優(yōu)勢，解決大型橋梁建造過程中對接焊縫無損檢測面臨的低效、厚板檢測工藝復(fù)雜、不等厚板焊縫檢測難度高、常規(guī)無損檢測數(shù)據(jù)無法保存和追溯的問題。

1 數(shù)據(jù)采集裝備開發(fā)方案

無損檢測數(shù)據(jù)采集裝備開發(fā)的基本方案，一般根據(jù)項(xiàng)目或工程上被檢測對象的特征和現(xiàn)場作業(yè)場景匹配合適的檢測工藝、方法、試塊、探頭以及裝備，并將以上參數(shù)作為輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)。一方面，檢測方法和工藝直接影響檢測設(shè)備的工作原理和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；另一方面，試塊和探頭的選取對無損檢測裝備的夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有決定性作用，也會(huì)對檢測的圖像和數(shù)據(jù)質(zhì)量造成很大影響。不同檢測對象的工藝、探頭參數(shù)以及現(xiàn)場空間等差別較大，因此無損檢測裝備的開發(fā)屬于非標(biāo)定制，即單件小批，一項(xiàng)一議，需根據(jù)具體的檢測方法、工藝、檢測附件（探頭、楔塊等）進(jìn)行定制化開發(fā)。

由于采用手動(dòng)檢測，操作難度大，重復(fù)性差，可比性差，難以實(shí)施[5]。對于用于圓形壁桶的在役檢測機(jī)器人，丹麥的Force公司研制了多用途模塊磁輪掃描儀AMS-9、AMS-10等系列磁輪爬壁機(jī)器人。日本的Osaka Gas公司研制了磁輪爬壁檢測機(jī)器人，但是售價(jià)昂貴[6]。國內(nèi)對于這種在役磁輪式爬壁機(jī)器人還少有實(shí)用化樣例，也缺乏對這方面的機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)化控制及裝置的研究[7]。在船舶橋梁海工行業(yè)，面向金屬壁面的磁吸爬壁機(jī)器人，以其穩(wěn)定的吸附能力和較高的負(fù)載能力發(fā)揮了巨大作用。然而，現(xiàn)有的磁吸附爬壁機(jī)器人普遍存在壁面過渡、適應(yīng)能力差、轉(zhuǎn)向困難以及運(yùn)動(dòng)靈活性差的缺點(diǎn)[8]。因此，研究焊縫的超聲波探傷自動(dòng)掃查裝置十分必要。基本的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)掃查裝置開發(fā)流程

2 數(shù)據(jù)采集裝備開發(fā)

2.1 基于自動(dòng)化檢測方法的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮橋梁對接焊縫的在建和在役結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、空間尺寸、檢測方法和操作工藝等諸多因素，裝備開發(fā)設(shè)計(jì)工作需要遵循以下4個(gè)基本原則。

（1）兼容性設(shè)計(jì)。自動(dòng)掃查裝備能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場獨(dú)立的TOFD和PAUT方法檢測，同時(shí)能搭載一組或多組TOFD和PAUT探頭，適應(yīng)多種檢測工藝和方法的現(xiàn)場檢測，降低成本，快速匹配，滿足現(xiàn)場檢測的需求。

（2）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。自動(dòng)掃查裝備模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速拆卸，縮短現(xiàn)場檢測輔助時(shí)間占比，提高檢測效率，降低檢測時(shí)間成本。快速拆裝及定位，實(shí)現(xiàn)長距分段內(nèi)自動(dòng)檢測，確保一次快速裝夾定位，自動(dòng)檢測，提高檢測效率，縮減人員數(shù)量，降低作業(yè)人員作業(yè)難度和強(qiáng)度。

（3）輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。自動(dòng)掃查裝備在滿足功能要求的前提下，盡可能選取輕量化材料和簡化設(shè)計(jì)原則，提高自動(dòng)化裝備的負(fù)載率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）便攜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。自動(dòng)掃查裝備盡可能便攜，尺寸緊湊，便于現(xiàn)場檢測人員在不同作業(yè)空間穿梭和開展高空作業(yè)。

2.1.1 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)裝置能單獨(dú)滿足TOFD或PAUT單方法檢測，也能滿足TOFD和PAUT同步檢測，模型見圖2。焊縫類型上能實(shí)現(xiàn)長直對接焊縫掃查，同時(shí)兼容不等厚焊縫掃查。

圖2 驅(qū)動(dòng)裝置

設(shè)計(jì)的基本原則：磁輪或者橡膠輪根據(jù)現(xiàn)場工況模塊化快速替換；單獨(dú)檢測和聯(lián)合檢測都能通過；電池續(xù)航，簡化現(xiàn)場需求，同時(shí)配備便攜式電源，要求每次的檢測時(shí)間不低于8 h；檢測速度不得低于100 mm·s-1；能結(jié)構(gòu)性限位保證檢測直線度；前端夾持機(jī)構(gòu)可根據(jù)探頭楔塊尺寸有多種可選（扭簧加載臂和垂直加載臂）；尺寸小，重量輕，鋁合金外殼加硬防磨，接口經(jīng)過防水處理。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端的作用是固定和加持各種檢測傳感器，見圖3和圖4。設(shè)計(jì)的基本原則：磁輪或者橡膠輪根據(jù)現(xiàn)場工況模塊化快速替換；單獨(dú)檢測和聯(lián)合檢測都能通過；檢測速度不得低于100 mm·s-1；能攜帶激光筆或結(jié)構(gòu)性限位保證檢測直線度；前端夾持機(jī)構(gòu)可根據(jù)探頭楔塊尺寸有多種可選（扭簧加載臂和垂直加載臂）；能結(jié)構(gòu)性限位保證檢測直線度；尺寸小，重量輕，鋁合金外殼加硬防磨。

圖3 等厚數(shù)據(jù)采集裝備

圖4 不等厚數(shù)據(jù)采集裝備

2.2 基于檢測工藝的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

TOFD的工藝關(guān)鍵在于兩個(gè)探頭的主聲束交點(diǎn)深度。按照ISO 15626要求：厚度不大于50 mm時(shí)，TOFD檢測采用1對探頭；厚度大于50 mm時(shí)，TOFD檢測采用2對探頭，放置在焊縫兩側(cè)，覆蓋整個(gè)焊縫。

PAUT可根據(jù)ISO 13588中規(guī)定的檢測等級進(jìn)行工藝設(shè)置。為了保證焊縫融合線處的危害性缺陷不漏檢，一般將探頭放置在焊縫雙側(cè)，調(diào)整探頭位置、晶片數(shù)量和位置，使用1次波和2次波覆蓋整個(gè)焊縫區(qū)域，如圖6所示。

圖6 對接焊縫聯(lián)合檢測工藝

根據(jù)檢測工藝、現(xiàn)場檢測環(huán)以及參數(shù)環(huán)境要求，具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集終端長度、PAUT夾持臂間距和TOFD夾持臂間距。

2.3 基于檢測附件的設(shè)計(jì)和選型

在制定檢測工藝前，應(yīng)針對不同材質(zhì)、厚度、焊接類型的對接焊縫，選擇能夠滿足檢測要求的不同頻率及尺寸的探頭。特種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測》（NB/T 47013.10—2015）和《承壓設(shè)備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》（NB/T 47013.15—2021）分別推薦了TOFD和PAUT的探頭選型。其中：當(dāng)板厚逐漸增大時(shí)，需要選擇較低頻率和較大尺寸的TOFD探頭，以增強(qiáng)聲束穿透能力；當(dāng)工件厚度逐漸增大時(shí)，需要選擇頻率相對較低的PAUT探頭，以提高聲束的穿透性。

對于本文開發(fā)的裝備，選取的檢測對象的具體特征如表1所示。

表1 檢測對象的具體特征

3 自動(dòng)化掃查裝備實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試塊規(guī)格

以橋梁建造過程中數(shù)量最多的橋面板對接焊縫為對象，選取16 mm鋼板制作驗(yàn)證試塊。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

分別采用PAUT同步檢測、射線和常規(guī)超聲對試塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集裝備TOFD和PAUT檢測等厚焊縫，分別如圖7和圖8所示。

圖7 采集裝備TOFD檢測等厚焊縫

圖8 采集裝備PAUT檢測等厚焊縫

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 數(shù)據(jù)采集效率

本次驗(yàn)證長度為400 mm，采用聯(lián)合檢測的時(shí)間為15 min，檢測效率為26 mm·min-1。一般情況下，超聲檢測（Ultrasonic Test，UT）會(huì)結(jié)合磁粉檢測（Magnetic Test，MT）技術(shù)，所需時(shí)間更長。如果檢測對象為厚板，則對于常規(guī)超聲而言，至少需要2個(gè)不同角度的探頭，效率更低。此時(shí)，聯(lián)合檢測效率優(yōu)勢明顯。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量

為了驗(yàn)證結(jié)果真實(shí)可靠，分別用PAUT和TOFD同步檢測進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并由持證人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果顯示，分析TOFD檢測圖譜可發(fā)現(xiàn)3處加工缺陷，分析PAUT檢測圖譜可發(fā)現(xiàn)2處加工缺陷。將以上檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 兩種檢測方法結(jié)果匯總

對于缺陷1，由于高度小和反射面方向問題，PAUT技術(shù)沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。但是，TOFD對細(xì)小缺陷敏感，因此檢出缺陷1。

對于缺陷2和缺陷3，兩種方法都能夠有效檢出。其中：PAUT可以根據(jù)波形及位置對缺陷進(jìn)行定性；TOFD由于自身技術(shù)特點(diǎn)，無法準(zhǔn)確判斷缺陷性質(zhì)。

4 結(jié)論

（1）同步檢測裝備可以精確檢測對接焊縫中各種類型缺陷，可以實(shí)現(xiàn)PAUT與TOFD技術(shù)的互補(bǔ)。

（2）同步檢測裝備較常規(guī)無損檢測裝備效率較高，尤其是針對厚板焊縫。

（3）同步檢測裝備以聲學(xué)成像的方式記錄、存儲、調(diào)用數(shù)據(jù)，配合使用專用判讀軟件，結(jié)合人工評判方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，且可在工作量大的情況下采用智能分析軟件，滿足了自動(dòng)化檢測需求。