关键词：相控阵 超声波 U肋角焊缝
Abstract: Has certain limitations when using ultrasonic flaw detector to detect ultrasonic testing can only qualitative not quantitative, can only determine the length of the defect position, can not determine the shape of the defect Angle internal padding and, sometimes, ultrasonic detection of defects, defects cannot be found after digging through the testing analysis of phased array to detect defects, shows that using the phased array detection can improve the detection accuracy, promote phased array inspection technology is widely used in weld detection and promotion.
Key words: phased array ultrasonic U rib weld
1 概述
超声相控阵系统可以被用于任何可以使用常规超声波探伤仪检测的应用中。焊缝检测是其中一项最重要的检测，相控阵检测技术可以使用单个探头组合件中的多个晶片使声速进行偏转、聚焦和扫查。利用“S扫查”的声速偏转，可以适当的角度生成被测工件的图像，极大地简化了检测几何形状复杂的工件的过程。在检测空间有限，不能方便进行机械扫查的情况下，探头的狭小面及其无需被移动既可通过不同角度发射声速的能力有助于检测这类形状复杂的工件。
某公铁两用桥总重约14万吨，其中斜拉桥部分9.28万吨，简支梁部分4.66万吨。斜拉桥主梁为板桁结合的焊接整体节点钢桁梁结构，采用带斜副桁的直桁截面，呈N形桁式结构，公路铁路桥面系在有拉索梁的区段均采用正交异性钢桥面板结构。在边跨无拉索区，公路采用预制混凝土桥面板，铁路采用正交异性钢桥面板。在桥梁中心线附近采用板肋，目的是对桥面板进行加劲处理，U肋和板肋在整桥全线连续使用。鉴于某公铁两用桥的大体量，并且U肋角焊缝对提高整桥结构强度起着重要的作用，所以必须保证对U肋角焊缝探伤的准确度和判定结果。
在制作过程中，端部带钢衬垫的U肋，其坡口角焊缝端部的定位焊从U肋端头开始（或停止），采用CO2保护焊，这样就很容易产生缺陷，在空间狭小的条件下，传统超声波探伤仪检测准确性不足，结合相控阵工作原理以及传统超声波探伤仪的局限性，比对相控阵和传统超声波检测，提出适合某公铁两用桥U肋焊缝检测的方式和判定结果。
2 U肋角焊缝焊接工艺
U肋定位焊采用自动组装定位机床定位焊，个别采用半自动定位焊。焊接作业在室内进行，环境温度不低于5°C，湿度不高于80%，当温湿度不符合要求时，应采用必要的预热工艺措施后进行焊接。焊缝组装前将焊缝两侧20-30mm范围内的铁锈、油污、预涂底漆打磨干净，露出金属光泽，U形加劲肋在组装前对焊接区域进行打磨，U形加劲肋角焊缝打磨范围为U形加劲肋外侧线外15-20mm，在打磨前对定位焊缝进行打磨，定位焊缝两端打磨出不大于1:3过渡斜坡。焊接前应除去定位焊表面熔渣，并检查待焊区域的清理情况。焊接时严禁在母材的非焊部位引弧，焊后应将表面的熔渣及两侧飞溅清理干净。在一定的环境温度下施焊是为了减少钢材的变形，再而，焊前及焊后的的清理工作可以适当避免在施焊时，在焊道中掺杂夹渣等有害物质。
端部带钢衬垫的U形肋，其端部的坡口角焊缝定位焊从U形肋端头开始（或停止），长度50-100mm，正式焊缝距离端部在30-40mm处起（熄）弧。定位焊缝间距一般为200-400mm。U肋坡口角焊缝的定位焊缝不得超过坡口深度的二分之一。具体U肋角焊缝的坡口形式尺寸及接头形式见表2-1和图2-1。U肋及U肋坡口角焊缝的焊接规范参数见表2-2和表2-3。U肋角焊缝中的单面坡口角度开到41°左右，施焊时有利于焊工控制焊枪，提供足够的熔池空间，这样焊缝更易熔透。同时，想要焊出合格饱满的焊缝，对焊接材料、电流、电压、焊接速度和气流量都有严格的要求。表2-3和表2-4给出了合适的要求。（注：Ｂ代表坡口宽度，Ｐ代表钝边宽度。）
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表2-2 U肋焊接规范参数
焊接设备 焊接方法 焊接材料 电流（A） 电压（V） 焊接速度（cm/min） 摆动幅度（mm） 摆动频率（次/分） 气流量（L/min）
U形肋自动组装定位机床 富氩气保护 ER50-6(φ1.2） 240±20 28±2 55 无 无 15~25
半自动定位焊 CO2气体保护焊 ER50-6(φ1.2） 240±20 28±2 － － － 15~25
表2-3 U肋坡口角焊缝的焊接规范参数
U肋厚（mm） 焊接材料 熔敷简图 焊道 电流（A） 电压（V） 焊接速度（cm/min） 摆动幅度（mm） 摆动频率（次/分） 气流量（L/min）
8 1 270±20 30±3 50±5 3 180 20~25
2 320±30 33±3 40±4 5 120 20~25
备注：打底焊道采用平位焊接，焊枪与水平面夹角为45°，焊枪前倾角5°；盖面焊道采用船位焊接，焊枪与水平面夹角为72°，根据实际情况可适当调整焊枪与水平面夹角。
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图2-1 U肋角焊缝接头形式
3检测方案
3.1某公铁两用桥U肋角焊缝实际参数
U肋板厚8mm，面板厚16mm,钝边1.5mm，单面坡口角度为41.23°（arctan5.7/6.5）。U肋横截面呈梯形，圆弧倒角为R40，上顶面宽度184mm，高度280mm，U肋和面板接触点间宽度为300mm。U肋熔透深度不小于U肋板厚的80%。
3.2常规超声波检测
3.2.1适用范围
适用于母材为铁素体钢全熔透焊缝(包括对接接头、T型接头和角接接头)及热影响区缺陷的超声波检测，确定缺陷数量、尺寸和缺陷评定的一般方法及检测结果的评定方法，母材厚度≥8mm时，执行GB/T11345-2013《焊缝无损检测 超声检测 技术检测等级和评定 》标准。
3.2.2 检测依据
GB/T 9445-2008《无损检测 人员资格鉴定与认证 》、GB/T 29712-2013《焊缝无损检测 超声检测 验收等级 》、GB/T11345-2013《焊缝无损检测 超声检测 技术检测等级和评定 》、Q/CR 9211-2015《铁路钢桥制造规范 》。
3.2.3 仪器设备要求
3.2.3.1 仪器性能测试
超声检测仪器应定期进行性能测试。除另有约定外，超声检测仪宜符合下列要求：温度的稳定性满足环境温度变化5℃，信号的幅度变化不大于全屏高度的±2%，位置变化不大于全屏宽度的±1%；显示的稳定性满足频率增加约1Hz，信号幅度变化不大于全屏高度的±2%，位置变化不大于全屏宽度的±1%；水平线性的偏差不大于全屏宽度的±2%；垂直线性的测试值与理论值的偏差不大于±3%。
3.2.3.2 系统性能测试
至少在每次检测前，对超声检测系统工作进行性能测试。除另有约定外系统性能宜符合下列要求：用于缺欠定位的斜探头入射点的测试值与标称值的偏差不大于±1mm；用于缺欠定位的斜探头折射角的测试值与标称值的偏差不大于±2°；灵敏度余量、分辨力和盲区，视实际应用需要而定。
3.2.3.3探头
检测频率应在2MHz～5MHz范围内，且应遵照验收等级要求选择合适的频率。当被检对象的衰减系数高于该类材料平均衰减系数时，可选择1MHz左右的检查频率。
3.2.3.4试块
标准试块采用CSK-IA、CSK-IB等。；对比试块采用(φ3mm横通孔)：RB-Ⅰ、RB-Ⅱ 等。
3.2.3.5耦合剂
应选用适当的液体或糊状物作为耦合剂，耦合剂应具有良好的透声性和适宜的流动性，不对材料和人体有损伤作为，同时应便于检验后清理。典型的耦合剂为水、机油、甘油和化学浆糊，耦合剂中可加入适量的“润湿剂”或活性剂以便改善耦合性能。使用试块调节仪器和产品检验应采用相同的耦合剂。
3.2.4人员要求
对某公铁两用大桥实施检测的人员，应按合同方同意的体系进行资格鉴定与认证，取得超声检测相关工业门类的资格等级证书，并由雇主或其代理对其进行职位专业培训和操作授权。从事焊缝探伤的检验人员应掌握焊缝超声波检测通用知识，具有足够的焊缝超声检测经验，并掌握一定的材料和焊接基础知识。
3.2.5工艺参数
探头：5P6×6K3（X71.6°）；仪器：PXUT-350C数字超声波探伤仪；距离-波幅曲线灵敏度：判废线Φ3×40-4dB，定量线Φ3×40-10dB，评定线Φ3×40-16dB。试块：RB-Ⅱ、CSK-IA
3.2.6常规超声波检测结果见表3.2.6。
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3.3相控阵检测
3.3.1适用范围
本工艺适用于铁路桥面板U肋焊缝超声波相控阵检测。
3.3.2参考标准
ASTME2491-08《超声相控阵检测仪及系统性能特点评价规范》，GB/T 32563-2016《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》。
3.3.3一般要求
3.3.3.1相控阵检测人员
从事超声相控阵检测人员必须具备相控阵设备熟练的调试、操作和工件检测能力；还应了解钢箱梁U肋角焊缝的焊接结构和制造工艺相关知识。超声相控阵检测人员的视力应每年检查一次，矫正视力不得低于1.0，并不得有色盲。从事焊缝检测人员应掌握焊缝超声检测通用知识，具有足够的焊缝超声检测经验，并掌握一定的材料和焊接基础知识。
3.3.3.2检测设备
本项目相控阵检测仪采用PAUT相控阵探伤仪；探头：频率5MHz，晶片数16，间距0.4mm，宽度为8mm（晶片激发孔径为8×10mm）的小尺寸相控阵探头；楔块：60°折射角楔块，探头前沿约10mm；灵敏度检测：使用试块Φ1.5mm×40mm横孔。
3.3.3.3仪器关键参数设定
扫描：扇扫，起始角度35°，终止角度75°，角度步长1°；孔径：步数1，第一阵元1；孔径尺寸5mm，孔径步长1mm。
3.3.3.4扫查方式
在U肋板一侧进行手动线扫查。
3.3.4 设备要求
超声波相控阵仪器应为脉冲回波式，仪器上装有标准dB增益或衰减控制器，调节量至少为1dB；有脉冲发射器和接收器各自分开的多通道，系统应能产生和显示B扫描图像和S扫描图像，这些图像能存储记忆供随后观测。
相控阵系统应有数据存储手段，以保存扫描显示数据。数据存储可另外接储存器件，如移动硬盘、U盘或者闪存卡。
超声相控阵检测仪的仪器线性（显示垂直性、水平性），在设备首次使用及每隔3个月应验证一次。仪器能在1MHz~10MHz的范围内发射和接收声脉冲。
采用5MHz~10MHz的16或32阵元线阵探头，使用7.5MHz，16阵元线性探头；使用折射楔块辅助声速调向时，楔块自然入射角的选定，应使所用检测方法涉及到的声束角度扫差范围不超过制造单位对所用探头的推荐限值，范围一般选为35~45度。波束角度设置为40~80度，可根据实际情况设定；角度步进为0.5°。
3.3.5工艺参数
仪器：PAUT相控阵探伤仪；探头频率：5MHz；晶片间距：0.4mm；偏转方向孔径尺寸：5mm；楔块角度：60度；A级检测：横波倾斜入射沿线扫查+扇扫描+线扫描；试块：CSK-IA；检测面：单面单侧；检测灵敏度：Φ1.5×40-16dB。
3.3.6相控阵检测结果表见表3.3.6.png)
3.4 缺陷验证与对比分析
此次检测的U肋，板厚8mm，检测长度2000mm。在深度5-6mm的位置存在缺陷累计长度43mm。通过C扫的图谱和三维展示图均能体现缺陷位置。缺陷位置确定后，后期刨开证明缺陷真实存在。缺陷位置如图3.4.1和图3.4.2。
常规超声波检测出三处缺陷。深度6mm位置检测有根部未融合，深度5mm位置检测有气孔和夹渣两处缺陷。相控阵超声波检测出四处缺陷。深度6mm位置检测有根部未融合和根部未焊透两处缺陷，深度5mm位置检测有气孔和夹渣两处缺陷。相控阵超声波验证了常规超声波检测的前三处缺陷，同时，比常规超声波多发现一处缺陷。此项目实施的焊接工艺虽然在理论上减少了缺陷的产生，但是具体的施焊过程中未必严格按照工艺执行，或者焊工的焊接水平不稳定等因素造成了一系列缺陷的产生。
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图3.4.1 C扫描缺陷位置图
图3.4.2 缺陷位置三维图
4结论
通过以上检测结果对比得出：常规超声波存在漏检现象，对210°位置的缺陷未能检测出来。而且，缺陷在软件中呈现的三维立体效果，使缺陷的发现更为准确。利用常规超声波法检测厚度较薄的钢材，一般都是使用直射法发现缺陷，对缺陷的发现存在不完整现象，而相控阵则是使用直射法和一次反射法对焊缝进行扫查，一次波发现不了的缺陷，可以在二次波打到。所以，再此重点说明：使用常规超声波检测薄壁材料时，在确保扫查区域足够的情况下，尽量使用一次反射法对一次波发现的缺陷进行验证，提高缺陷准确度，减少误判和漏检。
相控阵超声波法在检测上表面、根部缺陷有一定优势，此次检测结果显示常规超声波法缺陷检出率为75%，相控阵超声波法缺陷检出率为100%。相控阵超声波法可以对某公铁两用桥U肋角焊缝的检测提供指导依据，大大提高了U肋角焊缝的缺陷检出度。同时，应加强现场施工管理，严格按照工艺执行，及时检验焊工的焊接水平，确保人员焊接水平稳定，减少类似焊缝缺陷的产生。
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论文作者:冷丰冬
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷第20期
论文发表时间:2020/1/16
标签：相控阵论文; 缺陷论文; 超声波论文; 超声论文; 位置论文; 常规论文; 口角论文; 《建筑实践》2019年38卷第20期论文;