楊 杰，王小鋒，戴 明，汪 勇

（中建鋼構(gòu)武漢有限公司，湖北 武漢 430100）

0 引 言

常規(guī)脈沖超聲波檢測(cè)技術(shù)［1］已經(jīng)應(yīng)用發(fā)展五十多年，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展起到了舉足輕重的作用。對(duì)絕大部分焊縫而言只有兩種要求，探傷（全熔透焊縫）或不探傷（半熔透焊縫）及檢查焊腳高度。近些年，隨著設(shè)計(jì)要求的提高，對(duì)半熔透焊縫的熔深也提出了不同程度的要求，對(duì)于 T 型接頭一般要求每側(cè)為各熔透板厚的 1/3；對(duì)于箱型主焊縫一般要求熔深達(dá)到0.55～2/3 倍板厚。如何保證設(shè)計(jì)熔深，確保結(jié)構(gòu)安全，對(duì)熔深的精準(zhǔn)監(jiān)控檢測(cè)非常重要。

鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的坡口一般是機(jī)械自動(dòng)火焰切割（也有 非火焰切割開(kāi)設(shè)坡口的專門(mén)設(shè)備），一般分為單 V 型或 V 型坡口。為了保證焊縫根部鐵水不漏，對(duì)拼接要求高。因焊縫根部是尖端，實(shí)際焊接效果不會(huì)剛好把根部尖端熔透。尖端會(huì)有 1～3 mm 深度未融合好（分坡口單側(cè)未熔合、雙側(cè)未熔合、根部未熔合），放大效果圖如圖1所示。

圖1 根部尖端未熔合示意圖

針對(duì)半熔透焊縫坡口根部尖端出現(xiàn)未熔合的問(wèn)題，常規(guī) A 超受板厚、前沿長(zhǎng)度及探頭角度選擇等的限制，熔深如何精確檢測(cè)一直困擾著常規(guī)超聲波無(wú)損檢測(cè)人員，通過(guò)引進(jìn)目前較前沿先進(jìn)的相控陣檢測(cè)技術(shù)，有效地解決了熔深精確檢測(cè)的問(wèn)題。

1 相控陣檢測(cè)技術(shù)研究

1.1 相控陣檢測(cè)原理

相控陣檢測(cè)［2］系統(tǒng)包含相控陣換能器（探頭）組件及一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的復(fù)雜儀器，可用于驅(qū)動(dòng)多晶片探頭，接收回波并將回波數(shù)字化，然后再以不同的標(biāo)準(zhǔn)格式繪制回波信息的圖像。超聲波相控陣探頭的設(shè)計(jì)是基于惠更斯-菲涅耳原理，探頭由 16～256 個(gè)數(shù)量不等的小型單個(gè)晶片組成一個(gè)陣列，每個(gè)晶片可以分別被觸發(fā)，通過(guò)一定規(guī)則的延時(shí)激發(fā)，探頭形成新的波陣面，從而實(shí)現(xiàn)探頭角度變化及聲束聚焦。

由以上原理可知，相控陣探頭顯著的特點(diǎn)是可以靈活、快速、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布，其聲束角度、焦柱位置、焦點(diǎn)尺寸及位置在一定范圍內(nèi)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。針對(duì)焊縫熔深檢測(cè)，具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）實(shí)時(shí)彩色模擬成像，便于判讀。

2）相控陣可實(shí)現(xiàn)線性掃查、扇形掃查、動(dòng)態(tài)聚焦，同時(shí)具備多角度，寬波束和多焦點(diǎn)的特點(diǎn)，可平行于焊縫掃查，檢測(cè)速度快，是常規(guī)超聲檢測(cè)速度的10倍左右。

3）能檢出各種走向、不同位置的缺陷，缺陷檢出率高，定量定位精度高。

4）檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響小，數(shù)據(jù)便于存儲(chǔ)、調(diào)用及判讀，可追溯性好。

1.2 掃查模式選擇

扇形掃查與線形掃查是相控陣檢測(cè)的兩種基本模式，線形掃查是聲束平行掃查，適合于對(duì)平面型缺陷的檢查，如鋼板分層或能預(yù)知的未融合等缺陷；扇形掃查由于擴(kuò)散角大，適合于各種形態(tài)的缺陷檢測(cè)，如氣孔、夾渣、裂紋、未焊透等缺陷。

對(duì)于焊縫熔深的檢測(cè)相當(dāng)于對(duì)未焊透缺陷檢測(cè)，熔深不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)波動(dòng)值，使用扇形掃查，探頭掃查區(qū)域小，只需要一個(gè)探頭接觸面大小即可對(duì)平行于焊縫的方向進(jìn)行掃查；而線性掃查需要更寬的接觸面保證一二次波覆蓋檢測(cè)區(qū)域。扇形掃查比線形掃查的優(yōu)勢(shì)是，節(jié)省掃查空間，利用一次波即可掃查到熔深部位深度，所以首選扇形掃查模式。

2 檢測(cè)工藝驗(yàn)證

檢測(cè)工藝驗(yàn)證是對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行理論分析與實(shí)踐相結(jié)合的工藝質(zhì)量保證，確保檢測(cè)對(duì)象的缺陷不漏檢，檢測(cè)有效，并能順利實(shí)施檢測(cè)并達(dá)到預(yù)期檢測(cè)目的。檢測(cè)工藝驗(yàn)證是對(duì)檢測(cè)對(duì)象實(shí)施批量檢測(cè)前的檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證，該工序舉足輕重，是實(shí)施檢測(cè)前的關(guān)鍵工序。

2.1 焊縫檢測(cè)要求

T 型焊縫及 L 型焊縫焊接形式設(shè)計(jì)圖及相關(guān)工藝參數(shù)如圖2所示。檢測(cè)要求對(duì)焊縫根部未焊透區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，保證不低于設(shè)計(jì)熔深要求。

圖2 T 型焊縫及 L 型焊縫焊接形式設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

1）T 型焊縫工藝參數(shù)。T 型焊縫腹板與翼緣板板厚25、30、60 mm，45°坡口，單側(cè)熔深要求大于等于t（板厚）的 1/3。

2）L 型焊縫工藝參數(shù)。L 型焊縫腹板與翼緣板等厚，厚度是 30 mm 與 60 mm，60°坡口，單側(cè)熔深大于 0.55t（板厚）或 2/3t（板厚）。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)

2.2.1 相控陣探頭頻率選擇

1）理論選擇。由超聲波探頭的波長(zhǎng)公式λ=V/f可知，10 MHz 探頭的波長(zhǎng)是 0.323 mm，是 5 MHz 探頭波長(zhǎng)的 1/2，根據(jù)波的衍射性質(zhì)可知，超聲波檢測(cè)靈敏度約為λ/2，10 MHz 探頭發(fā)現(xiàn)缺陷的靈敏度高，選擇該頻率探頭精度更高（限于薄板）。因高頻聲波的衰減大、穿透力差，中厚板檢測(cè)的頻率不易太高，可以選擇 5 MHz 探頭。

表1 探頭型號(hào)及鍥塊對(duì)應(yīng)適用范圍

2）試驗(yàn)選擇。根據(jù)刻槽試塊試驗(yàn)可知，10 MHz 相控陣探頭能識(shí)別的圖像信息的分辨力是 0.5 mm，5 MHz 的探頭分辨力是 1 mm，選擇 10 MHz 探頭檢測(cè)分辨率更高。

2.2.2 相控陣楔塊選擇

為保證一次波最大限度地掃查到焊縫根部，相控陣選擇短前沿楔塊。

2.2.3 探頭晶片數(shù)量、探頭、鍥塊、角度步進(jìn)選擇［3］

檢測(cè)設(shè)備采用 HS PA20（32∶32）相控陣，晶片數(shù)量是 32，需要用一次波掃查到根部，采用低聲束短前沿。根據(jù)熔深不同，選擇的探頭規(guī)格如表1所示。

相控陣主聲束角度間隔步進(jìn)過(guò)小處理速度較慢，檢測(cè)效率降低，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致圖像描述能力下降或?qū)π∪毕萦新z風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)?zāi)M，對(duì)于薄板選擇角度步進(jìn)為 0.5°，中厚板選擇角度步進(jìn)為 1°，既可以保證對(duì)焊縫檢測(cè)的足夠精度與缺陷檢出率，又可以保持較好的檢測(cè)效率。

2.3 熔深檢測(cè)工藝模擬

根據(jù) HS PA20 設(shè)備及其探頭要求，制定對(duì)應(yīng)檢測(cè)工藝，進(jìn)行主聲束覆蓋模擬分析，確定相應(yīng)的檢測(cè)參數(shù)及聚焦法則，確保檢測(cè)高效并不漏檢。熔深檢測(cè)時(shí)，確保焦點(diǎn)在設(shè)計(jì)熔深附近，根據(jù)工藝模擬，一次波束完全覆蓋熔深端角及端角上部 4 mm 以上，滿足焊縫熔深要求。

2.4 對(duì)比試塊驗(yàn)證試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)試塊可以測(cè)定探頭的的水平、垂直線性，儀器與探頭的組合性能，試驗(yàn)采用 CSK-1A，RB-2 標(biāo)準(zhǔn)試塊調(diào)試設(shè)備（鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)常用試塊）。

對(duì)比試塊選用合適，可以有效驗(yàn)證檢測(cè)靈敏度，同時(shí)可以驗(yàn)證檢測(cè)的可靠性。根據(jù)焊縫熔深設(shè)計(jì)的坡口及焊接形式，未焊透端部結(jié)構(gòu)類似于 I 型結(jié)構(gòu)，可以采用刻槽試塊模擬檢測(cè)，對(duì)比試塊采用 Q345B 碳素鋼材料（與試件的材質(zhì)相同），規(guī)格是 320 mm×40 mm×30 mm，刻槽垂直于長(zhǎng)度方向，刻槽深度為 0.2～3.5 mm，深度間隔 0.1～0.5 mm。

2.5 測(cè)試結(jié)果

應(yīng)用確定的檢測(cè)工藝，經(jīng)過(guò)相控陣設(shè)備的檢測(cè)與驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)探頭的檢測(cè)的靈敏度及分辨力較高，對(duì)應(yīng)的精度如表2所示。

表2 探頭型號(hào)對(duì)應(yīng)的測(cè)試誤差

2.6 焊接試塊檢測(cè)數(shù)據(jù)

為了研究出實(shí)際焊接熔深規(guī)律，并指導(dǎo)調(diào)整焊接工藝，對(duì)多組 T 型與 L 型試板進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)，根據(jù)A 超檢測(cè)技術(shù)（采用的是PXUT330，探頭采用多普樂(lè) 5P9×9A70、2.5P10×16A60）、相控陣檢測(cè)與留樣解剖數(shù)據(jù)分析，得出數(shù)據(jù)如表3所示。從以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出以下規(guī)律。

1）相控陣設(shè)備比常規(guī) A 超檢測(cè)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確可靠，記錄的熔深可以存儲(chǔ)，而且是熔深的連續(xù)記錄。

2）常規(guī) A 超檢測(cè)熔深是多處間斷取值，有可能漏掉熔深最深點(diǎn)及最淺點(diǎn)。

3）8 處實(shí)際焊接熔深值負(fù)偏差在 3 mm 左右及以內(nèi)，3 處實(shí)際熔深值是正偏差，為保證整體焊接熔深達(dá)到設(shè)計(jì)熔深值，設(shè)計(jì)的熔深深度需要增加 3 mm 為宜。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)熔深檢測(cè)（L 型與 T 型焊縫）領(lǐng)域，在檢測(cè)速度、檢測(cè)精度、檢測(cè)的可追溯性等方面明顯優(yōu)于常規(guī) A 超檢測(cè)技術(shù)，可以解決目前無(wú)損檢測(cè)人員對(duì)熔深檢測(cè)的困擾。L 型與 T 型焊縫的熔深設(shè)計(jì)，熔深相應(yīng)放大 3 mm 左右為宜。相控陣檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果直觀可視，存儲(chǔ)方便，便于存檔，有利于解決鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)熔深精準(zhǔn)檢測(cè)問(wèn)題，保證工藝設(shè)計(jì)及焊接質(zhì)量要求，同時(shí)為調(diào)整及改進(jìn)工藝方案提供可靠參考，是工藝質(zhì)量保證的新利器。

表3 試塊檢測(cè)的數(shù)據(jù)