鋼橋面板頂板與U肋焊縫超聲波穿透法檢測技術(shù)研究*

孫孝婷 汪 鋒 袁周致遠(yuǎn) 吉伯海

(江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司1) 靖江 214521) (河海大學(xué)土木與交通學(xué)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(diǎn)，是大跨徑橋梁鋼箱梁主要橋面系構(gòu)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(xiàn)疲勞裂紋，頂板-U肋角焊縫水平向裂紋是出現(xiàn)較多裂紋之一.此類裂紋隱蔽性強(qiáng)、檢測難度大，危害性高，影響鋼橋面板耐久性及安全運(yùn)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(jìn)行檢測.

超聲波檢測法能夠檢測到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋[1-2]，針對疲勞裂紋的超聲波檢測，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了一些研究.Kenderian[3]采用激光激勵(lì)空氣耦合超聲檢測技術(shù)對鐵軌隱蔽裂紋進(jìn)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(jìn)行了評估；Mukhopadhyay等[5]采用聲發(fā)射和超聲波技術(shù)對疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測；Sohn等[6]提出非線性超聲調(diào)制技術(shù)對疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行跟蹤監(jiān)測；Miki等[7]采用超聲波檢測技術(shù)對焊縫附近進(jìn)行自動(dòng)化探傷.國內(nèi)也開展了相關(guān)研究，陳剛等[8]采用相控陣檢測技術(shù)對U肋角焊縫熔深進(jìn)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(shù)在鋼橋疲勞裂紋檢測中得到了一定的應(yīng)用，除理論方面的相關(guān)研究外，在實(shí)際工程中的研究和應(yīng)用大多以結(jié)構(gòu)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(kuò)展方向平行于脈沖反射法的檢測面，使得采用單一探頭進(jìn)行檢測時(shí)，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(yù)制裂紋試件，對該檢測方法進(jìn)行試驗(yàn)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(xué)依據(jù).

1 超聲波穿透法檢測原理

依據(jù)收到穿透聲波信號(hào)的強(qiáng)弱來判斷被檢構(gòu)件內(nèi)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(shí)，發(fā)射探頭放在頂板下表面，接收探頭放在U肋外側(cè).當(dāng)焊縫內(nèi)部無裂紋時(shí)，發(fā)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(dāng)焊縫內(nèi)部存在裂紋時(shí)，由于裂紋對聲波的遮擋效應(yīng)，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(jù)裂紋對聲波的遮擋效應(yīng)對頂板-U肋接頭焊縫的水平裂紋進(jìn)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(fā)射和接收通過探頭實(shí)現(xiàn)，探頭參數(shù)直接影響被檢對象的超聲波性質(zhì).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(yàn)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(fā)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(jì)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(shí)根據(jù)被檢物體的情況，可采用縱波、橫波或表面波方法進(jìn)行測試.根據(jù)老鋼橋中疲勞裂紋的形態(tài)，應(yīng)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(yàn)中，楔塊材料為有機(jī)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(jī)玻璃楔塊的折射角范圍在27.6°～57.7°之間.根據(jù)縱波入射角和折射橫波角之間的計(jì)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(qū)域，且聲波入射點(diǎn)和接收點(diǎn)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(shí)探頭晶片過于接近第一臨界角，極有可能因加工誤差導(dǎo)致K值小于最小值0.66要求，故試驗(yàn)中折中采用K=0.8的探頭.根據(jù)反射定律計(jì)算得到接收探頭聲軸與垂直方向的夾角約為63°，對應(yīng)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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)試塊上對探頭性能進(jìn)行校核并記錄，見表1.本試驗(yàn)使用SH610數(shù)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(shù)表

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 裂紋類型

選取國內(nèi)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(kuò)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(shí)橋上不易檢測，兩類裂紋見圖4.本試驗(yàn)以該兩類水平裂紋的裂紋深度作為檢測目標(biāo)，驗(yàn)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(gòu)造細(xì)節(jié)，以兩類水平裂紋為原型，分別制作預(yù)制裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件及無裂紋對比試件.預(yù)制裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件共6個(gè)，試件材料為Q345q，采用CO2保護(hù)焊進(jìn)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(shí)際加工產(chǎn)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(yù)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(shù)見表2.無裂紋對照試件共二個(gè)，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(shù)與人工裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件一致.

圖5 試件尺寸圖(單位:mm)

表2 試件裂紋設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)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(gè)測點(diǎn)并編號(hào)，用于固定發(fā)射探頭的位置.發(fā)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(fā)射探頭沿垂直焊縫方向前后移動(dòng)，每移動(dòng)1 mm，記錄對應(yīng)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(yàn)結(jié)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(yīng)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(kuò)展，裂紋深度越深，裂紋段越長，聲波在焊縫熔透區(qū)可穿透范圍越小，當(dāng)發(fā)射探頭從焊趾向遠(yuǎn)離焊趾方向移動(dòng)時(shí)，聲波先穿過熔透區(qū)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(yīng)的入射點(diǎn)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(kuò)展，當(dāng)發(fā)射探頭從焊趾向遠(yuǎn)離焊趾方向移動(dòng)時(shí)，聲波先穿過裂紋段后經(jīng)過熔透區(qū)可穿透范圍，裂紋段越長，進(jìn)入可穿透范圍的時(shí)間越晚，最大波高對應(yīng)的入射點(diǎn)距焊趾距離越長，曲線向右偏移量越大.

圖7 入射點(diǎn)距焊趾距離-波高曲線圖

根據(jù)圖7中的入射點(diǎn)距焊趾距離-波高曲線，進(jìn)一步繪制接收聲波高度與裂紋深度之間關(guān)系(見圖8).由圖8可知，采用穿透法檢測時(shí)，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(yīng)與裂紋尺寸大小有著密切的關(guān)系，從而驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(guān)系.這是因?yàn)閷τ诹鸭y1試件而言，在當(dāng)前探頭入射角情況下，因其萌生于焊根并水平向焊縫內(nèi)部擴(kuò)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(shè)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(chǔ)上進(jìn)行切割的，使得所設(shè)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(qiáng)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(shí)，可根據(jù)所檢測裂紋位置的不同，可適當(dāng)調(diào)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(jié) 論

1) 理論和試驗(yàn)證明，利用裂紋對超聲波的遮擋效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)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(jié)合頂板與U肋構(gòu)造細(xì)節(jié)尺寸和特征，建議了雙探頭的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù).

3) 當(dāng)發(fā)射探頭的參數(shù)一定時(shí)，隨著裂紋長度的增加，在U肋部位所能夠接收到的聲波強(qiáng)度逐漸降低，說明兩者之間呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性.