建筑鋼結構鋼板表面形貌對多次反射法探傷影響的研究*

楊曉東,張雪媛,李 杰,張建科,李 倩

(1.西安建筑科技大學材料科學與工程學院,陜西 西安 710055; 2.西安建筑科大工程技術有限公司,陜西 西安 710055; 3.衡通工程檢測有限公司,陜西 西安 710055)

建筑鋼結構焊縫超聲波探傷評定焊縫等級,主要以斜入射橫波波幅為依據,然而超聲波波幅的變化除了受材質、缺陷性質等影響外,所檢材料表面形貌對波幅也具有一定影響,而且橫波在鋼結構構件中經多次反射后,這種影響被放大。建筑鋼結構現場焊縫探傷受檢測部位構造的制約,多數情況下構件表面不易打磨處理或不能徹底打磨處理,焊縫探傷中多次反射法也是常用方法。在建筑鋼結構施工中,焊縫探傷由于忽略鋼板表面形貌對波幅的影響而導致多起焊縫開裂事故。因此,研究鋼板表面形貌對多次反射法探傷波幅的影響非常必要。

目前,國外研究金屬超聲波探傷方面有:蘭姆波散射信號的損傷成像技術應用于板結構健康監測研究,以缺陷為二次波源,采用四點圓弧定位法計算換能器信號至缺陷的傳播時間,采用與傳播時間相對應的缺陷信號幅值進行成像[1];研究入射波波幅分布,發現在整個金屬化邊界上入射波可誘導電勢,從而在主聲速外出現波場而獲得波形,這能顯著改變波幅分布[2];檢測軋制板材質量,分析聲程路徑方程,確定聲程路徑計算公式,需給出計算平面缺陷回波信號波幅值、無缺陷區底部信號波幅值和缺陷區底部信號波幅值比的積分表達式,以及確定缺陷區和無缺陷區透射信號與底部信號波振幅計算公式[3];建立三維模型分析鎂合金攪拌摩擦焊板研究中,為檢測焊接過程中損傷存在程度和評估焊接過程中損傷嚴重程度,采用蘭姆波分析,其中超聲波缺陷指數是根據采集到的波形信號振幅變化得到[4];用超聲波診斷具有雙層結構物體物理力學性質,研究保護層下基層材料亞表面體波速度測定的原理時機,建立測定亞表面體波速度條件,也需研究給定脈沖振蕩量情況下,反射波幅和噪聲波幅對聲信號參數的影響等[5];利用超聲波傳播時間衍射(TOFD)技術探測缺陷,需利用Snell定律確定最短傳播時間和最高振幅計算缺陷深度[6]。

國內研究金屬超聲波探傷方面主要研究有:應用超聲波回波信號研究焊接工藝,如對7075-T6鋁合金進行激光對接焊試驗,利用超聲波探傷儀對接焊試塊進行探傷,建立激光對接焊工藝參數與回波特征的對應關系,獲得7075-T6鋁合金激光對接焊最佳工藝參數[7];應用超聲波回波信號研究焊接缺陷,如研究便攜式自動超聲波無損探傷精準定位裝置系統設計;采用無時差互相關和滑窗互相關,建立超聲波缺陷模型,這些是基于超聲回波信號間相似的特點、超聲回波缺陷信號頻率和包絡等特征[8-12]。再如,應用超聲波回波信號信噪比,超聲缺陷回波信號小波閾值去噪算法研究,從小波基本理論入手,針對超聲回波信號特性,對超聲缺陷回波信號數學模型進行小波閾值去噪等[13-18]。

綜合分析國內外目前金屬超聲波探傷方面主要研究可以看出,反射回波幅度的準確定量是這些研究的基礎技術指標。因此,本文對建筑鋼構件表面形貌對反射回波的影響進行研究。

1 研究材料及方法

1.1 研究設備

1)超聲波探傷儀 HS600金屬超聲波探傷儀,垂直線性誤差3%,水平線性誤差0.5%,動態范圍36dB。

2)探頭(換能器) 橫波斜探頭 2.5P13×13K2探頭,前沿長度11mm,實測K=1.93。

3)掃描電鏡 Quanta200型,3.5nm 最大有效放大倍數,100 000×能譜分辨率,130ev 探測元素范圍,B5～U92 分辨率≥130ev。

1.2 對比反射體

對比反射體包括RB-1試塊上φ3mm橫通孔、工程現場14mm厚鋼板(Q345)上φ3mm橫通孔。鋼板上橫通孔位置如圖1所示。

圖1 鋼板上橫通孔設計

1.3 鋼板表面形貌參數

研究采用橫波斜探頭,斜探頭發出的超聲波在鋼板上的反射類似于光在鋼板上反射,因此,鋼板表面形貌采用光澤度表示。14mm厚鋼板、RB-1試塊2個面分別用0,1面表示。RB-1試塊和鋼板表面光澤度狀態如表1所示。

表1 研究試樣不同狀態表面平均光澤度

2 反射波幅變化分析

采用橫波斜探頭分別從試樣0,1面入射,測試14mm厚鋼板上φ3mm橫通孔一次反射波和二次反射波及RB-1試塊上φ3mm橫通孔直射波距離-波幅(DAC)曲線。

RB-1試塊上φ3mm橫通孔一次反射波和二次反射波及直射波距離-波幅(DAC)曲線可回歸為線性函數關系曲線:

Y(RB)= 0.365x+ 49.18 (R2= 0.996)

(1)

式中:x為距離(mm);Y(RB)為反射波波幅(dB)。

2.1 試樣板面狀態1反射波幅分析

鋼板表面狀態1:鋼板表面經過棉紗除銹、除雜處理;14mm厚鋼板0面平均光澤度3.7,1面平均光澤度2.1。

采用橫波斜探頭分別從試樣0,1面入射,14mm厚鋼板上φ3mm橫通孔一次反射波和二次反射波及RB-1試塊上φ3mm橫通孔直射波距離-波幅(DAC)曲線如圖2所示。

圖2 狀態1下DAC曲線

圖2中,對于厚度14mm試樣,橫波分別從光澤度3.7,2.1板面入射經另一面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線均在光澤度100的RB-1試塊DAC曲線上。

光澤度3.7入射面一次反射波DAC曲線回歸函數為非單調函數:

Y(3.7) = -0.090x3+ 6.094x2- 135.4x+

1 056 (R2= 1)

(2)

式中:Y(3.7)為光澤度3.7入射面一次反射波波幅(dB)。

光澤度2.1入射面一次反射波DAC曲線回歸函數為單調函數:

Y(2.1)= -0.041x2+ 2.195x+ 31.10 (R2= 0.984)

(3)

式中:Y(2.1)為光澤度2.1入射面一次反射波波幅(dB)。

比較式(1),(2),最大差值為18dB,最小差值為0dB,極差18dB;比較式(1),(3),最大差值為1.7dB,最小差值為0.7dB,極差1dB。

橫波從光澤度3.7板面入射經過光澤度2.1板面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線與RB-1試塊DAC曲線誤差值為0～18dB,并且函數曲線非單調,說明在實際超聲波探傷時不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(1)函數曲線;橫波從光澤度2.1板面入射經過光澤度3.7板面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線與RB-1試塊DAC曲線誤差值為0.7～1.7dB(<2dB)[19-20],并且函數曲線單調,說明在實際超聲波探傷時可用RB-1試塊DAC曲線替換式(1)函數曲線。

圖2中,對于厚度14mm試樣,橫波經過2次反射,即從光澤度3.7,2.1板面分別入射經另一面反射至入射面,再反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線大部分在光澤度100 RB-1 試塊DAC曲線之上。

光澤度3.7入射面二次反射波DAC曲線回歸函數為單調函數:

Y′(3.7)= -0.108x2+ 8.438x- 96.85

(R2= 0.986)

(4)

式中:Y′(3.7)為光澤度3.7入射面二次反射波波幅(dB)。

光澤度2.1入射面二次反射波DAC曲線回歸函數為單調函數:

Y′(2.1) = 0.898x+ 32.13 (R2= 0.999)

(5)

式中:Y′(2.1)為光澤度2.1入射面二次反射波波幅(dB)。

比較式(1),(4),最大差值為4.3dB,最小差值為-0.5dB,極差4.8dB;比較式(1),(5),最大差值為 3.1dB,最小差值為-0.9dB,極差4.0dB。

分析圖3發現,對于厚度14mm試樣,采用橫波斜探頭無論從試樣0面或1面入射,經二次反射得到的DAC曲線,雖然函數單調,但與RB-1試塊DAC曲線誤差均>2dB,說明在實際超聲波探傷時不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(4),(5)函數曲線。

圖3 RB-1試塊板面形貌(光澤度100)

由圖2中14mm厚鋼板一、二次反射波與RB-1 試塊DAC曲線函數關系對比發現,表面經過除銹、清雜的試樣大多數情況下DAC曲線函數波幅高于RB-1試塊DAC曲線函數,并且隨著距離增大,兩者波幅相差并不是恒定值。一次反射波最大極差18dB,二次反射波最大極差4.8dB。為分析此現象,用掃描電鏡分析試樣狀態1表面形貌,RB-1試塊和14mm厚鋼板表面掃描電鏡照片如圖3～5所示。

圖3所示掃描電鏡照片為RB-1試塊表面形貌(白色顆粒為灰塵雜質),RB-1試塊經過標準拋磨,微觀表面平整,并且拋磨痕跡較規律,超聲波在其表面對一次反射、二次反射影響較小,因此,RB-1試塊一次反射波和二次反射波DAC曲線基本重合。

圖4所示掃描電鏡照片為厚度14mm、平均光澤度3.7鋼板0面表面形貌。鋼板表面凸凹區域相對較均布(見圖4a),有些凸起部分和凹陷部分自身表面相對較平整(見圖4b,4c中2點),有些凸起部分和凹陷部分自身表面不平整(見圖4b,4c中1點),最高凸出高度約10μm。

圖4 14mm厚鋼板0面形貌(光澤度3.7)

圖5所示掃描電鏡照片為厚度14mm、平均光澤度2.1鋼板1面表面形貌。鋼板表面呈不均布凸凹分布,凸起部分和凹陷部分均有局部表面不平整(見圖5b,5c中1點),凸凹最大高度約15μm。

圖5 14mm厚鋼板1面形貌(光澤度2.1)

圖2中,對于厚度14mm鋼板,當橫波從0面入射,經1面一次反射至φ3mm橫通孔,1面處反射點位于不平整處(見圖5c中1點),則此點處超聲波會產生諸多干涉、反射、折射等現象,導致真正可以反射到φ3mm橫通孔超聲波能量大大降低;1面處反射點位于較平整處(見圖5b 2點),則反射波類似于在RB-1試塊上的反射,反射至φ3mm橫通孔超聲波能量衰減較少。因此,圖2中DAC曲線函數Y(3.7)呈非單調的多項式。

圖2中,橫波入射無論是1面還是0面,二次反射波DAC曲線均有與RB-1試塊DAC曲線幾乎重合的點,觀測試樣超聲波入射點處和反射點處表面形貌均較平坦(見圖4b,圖4c 2點和圖5b,5c 2點),超聲波類似于在RB-1試塊上的反射,所以超聲波能量衰減少;整體上Y(2.1)函數的超聲波入射點處和反射點處的表面不平整,有的不平整處對超聲波產生聚焦作用,超聲波能量衰減相對較少,Y(2.1)函數上多數點位于Y(3.7)和Y(RB)之間。

2.2 試樣狀態4反射波幅分析

將14mm厚試樣表面用手持砂輪拋磨后,測量平均光澤度,進行表面電鏡掃描,然后探傷繪制DAC曲線進行分析。

14mm厚鋼板拋磨后0面平均光澤度117.5(打磨出整體金屬光澤),1面平均光澤度13.6(未打磨出整體金屬光澤)。φ3mm橫通孔一、二次反射波DAC曲線如圖6所示。

圖6 狀態4下DAC曲線

圖6中,對于厚度14mm試樣,入射面光澤度117.5φ3mm橫通孔一次反射波DAC曲線回歸函數為單調函數:

Y(117.5) = 0.805x+ 36.86 (R2= 0.999)

(6)

式中:Y(117.5)為光澤度117.5入射面一次反射波波幅(dB)。

光澤度13.6入射面一次反射波DAC曲線回歸函數為單調函數:

Y(13.6) = -0.039x2+ 1.939x+ 32.36

(R2= 0.973)

(7)

式中:Y(13.6)為光澤度13.6入射面一次反射波波幅(dB)。

比較式(1),(6),最大差值為-1.0dB,最小差值為-4.3dB,極差3.3dB;比較式(1),(7),最大差值為-1.3dB,最小差值為-2.4dB,極差1.1dB。

橫波從光澤度117.5板面入射經過光澤度13.6板面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線與RB-1試塊DAC曲線誤差值為-4.3～-1.0dB,雖然函數曲線單調,但在實際超聲波探傷時不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(7)函數曲線(誤差>2dB);橫波從光澤度13.6板面入射經過光澤度117.5板面反射至φ3mm橫通孔得到的DAC曲線與RB-1試塊DAC曲線誤差值為-2.4～-1.3dB,函數曲線單調,說明在實際超聲波探傷時不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(1)函數曲線(誤差>2dB)。

圖6中,橫波從光澤度117.5,13.6板面分別入射經另一面反射至入射面,再反射至φ3mm橫通孔得到DAC曲線。光澤度117.5入射面二次反射波DAC曲線回歸函數為單調函數:

Y′(117.5) = -0.106x2+ 8.181x- 95.15

(R2= 0.999)

(8)

式中:Y′(117.5)為光澤度117.5入射面二次反射波波幅(dB)。

光澤度13.6入射面二次反射波DAC曲線回歸函數為單調函數:

Y′(13.6)= -0.095x2+ 7.486x- 83.42

(R2= 0.976)

(9)

式中:Y′(13.6)為光澤度13.6入射面二次反射波波幅(dB)。

比較式(1),(8),最大差值為-1.4dB,最小差值為-5.4dB,極差4.0 dB;比較式(1),(9),最大差值為-0.2dB,最小差值為-4.9dB,極差4.7dB。

分析圖6發現,厚度14mm試樣,用橫波斜探頭無論從試樣0面或1面入射,經二次反射得到的DAC曲線,函數單調相似,但與RB-1試塊DAC曲線誤差均>2 dB,說明在實際超聲波探傷時不可用RB-1試塊DAC曲線替換式(8),(9)函數曲線。

由圖6中14mm厚鋼板一、二次反射波與RB-1試塊DAC曲線函數關系對比發現,表面打磨試樣DAC曲線函數波幅低于RB-1試塊DAC曲線函數,并且隨著距離增大,兩者波幅相差并不是恒定值。一次反射波最大極差3.3dB,二次反射波最大極差4.7dB。

用掃描電鏡分析試樣狀態4表面形貌,14mm厚鋼板表面掃描電鏡照片如圖7,8所示。14mm厚鋼板表面拋磨出金屬光澤,平均光澤度117.5板面(0面)微觀形貌如圖7所示。絕大多數區域表面光滑(見圖7中2點),拋磨痕跡分布走向較規律(見圖7a,7b),局部有相對較大凹磨痕,凹痕跡截面尺寸約15μm(高)×7.5μm(寬)(見圖7b,7c中1點)。14mm厚鋼板1面經拋磨后平均光澤度為13.6,微觀形貌如圖8所示。由圖8可知,原先較凸出部位拋磨后較平整,如圖8c中1點所示;原先凹陷區域還是不平坦,如圖8c中2點所示;凸凹點高差約7μm。

圖7 狀態4下14mm厚鋼板0面形貌(光澤度117.5)

圖8 狀態4下14mm厚鋼板1面形貌 (光澤度13.6)

圖6中,函數Y(117.5)多數點位于函數Y(13.6) 下,是因為函數Y(117.5)上這些點超聲波入射0面位于圖7b,7c 2點,1面中反射點位于圖8b,8c 1點,超聲波反射點和入射點區域均較平整,超聲波能量衰減少(且小于RB-1試塊波幅);函數Y(13.6) 個別點位于函數Y(117.5)之下,是因為超聲波入射0面位于圖7b,7c 2點,1面中反射點位于圖8b,8c 2點,超聲波入射點區域較平整而反射點區域不平整,但凸凹高差很小,所以函數Y(13.6) 整體衰減小于RB-1試塊波幅。

圖6中,厚度14mm鋼板中φ3mm橫通孔二次反射波DAC函數,函數Y′(117.5)和函數Y′(13.6) 位于函數Y′(RB)之下,且Y′(117.5)和Y′(13.6) 幾乎重合。微觀分析發現,無論超聲波入射和反射區域均位于鋼板較平整區域,如圖7b,7c 2點區域和圖8b,8c 1點,這也使二次反射波Y′(117.5) 和Y′(13.6)函數變化趨勢與一次反射波Y′(117.5) 函數類似。圖8b,8c 1點不如圖7b,7c 2點平坦,當超聲波經過此區域的入射和二次反射后能量衰減略多,所以函數Y′(13.6)比Y′(117.5)衰減略多。

3 研究結論

3.1 表面未拋磨試樣波幅

鋼板試樣表面經棉紗除銹、清雜后,光澤度平均值為2.1～3.7(RB-1試塊光澤度100)。微觀表面形貌有凸區域和凹區域。試樣表面凸區域和凹區域分布:有的凸區域和凹區域相間分布較均勻,有的分布不均勻。凸區域和凹區域自身形貌特征為,表面上均有高低起伏,但有的表面起伏較均勻,有的表面起伏不均勻。多數情況下微觀表面上起伏形貌對橫波斜入射和反射的波幅均有較大衰減作用,但個別高低起伏形貌對波幅具有增強作用,導致多數情況下鋼板試樣φ3mm橫通孔一次反射波及二次反射波DAC曲線函數與RB-1試塊φ3mm橫通孔DAC曲線函數差值的極值較大。

3.2 表面拋磨試樣波幅

鋼板試樣經手持砂輪拋磨,當未磨出金屬光澤時,平均光澤度為13.6,此狀態是將原先凸出區域打磨。打磨到部分微觀形貌有的部分表面較平整,有的部分表面仍高低起伏不平。當磨出金屬光澤時,平均光澤度為117.5,試樣表面微觀形貌平整,但分布有相互間隔的凹弧痕,凹弧痕的斷面基本光滑。大多數同距離條件下,未磨出金屬光澤與磨出金屬光澤的表面組合試樣φ3mm橫通孔一次反射波及二次反射波DAC曲線函數值,小于RB-1試塊φ3mm橫通孔DAC曲線函數值,即鋼板試樣表面形貌對超聲波波幅衰減,個別區域對波幅增強,但鋼板試樣與RB-1試塊DAC曲線函數差值的極差絕對值較大。

4 結語

無論鋼板試樣表面光澤度高于或低于RB-1試塊光澤度,鋼板試樣與RB-1試塊表面形貌不會完全相同,鋼板試樣與RB-1試塊φ3mm橫通孔一次反射波及二次反射波DAC曲線函數變化趨勢多數情況下不同,即標準RB-1試塊φ3mm橫通孔DAC曲線不可用一恒定值修正得到鋼板試樣φ3mm橫通孔一次反射波及二次反射波DAC曲線。實際建筑工程中,由于現場條件制約,焊縫探傷常用斜探頭多次反射法,多數情況下,焊縫周邊鋼板表面均不可能完全拋磨至RB-1試塊光澤度。因此,建筑工程焊縫探傷中,應用待檢構件鋼板加工對比反射體,繪制一次反射波及二次反射波DAC曲線,才能準確對焊縫缺陷進行評定。