陳剛

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

目前，已有學(xué)者將超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于相貫線焊縫檢測方面。單寶華等利用超聲相控陣對海洋平臺的相貫線焊縫進(jìn)行檢測，但是，需對整條相貫線焊縫進(jìn)行劃分，在不同位置采用不同的檢測方案；劉祥民采用超聲相控陣技術(shù)，檢測K型相貫線焊縫裂紋，但僅在若干固定位置進(jìn)行檢測，并未對拓展到相貫線焊縫各個位置。綜上所述，目前利用超聲相控陣技術(shù)檢測相貫線焊縫主要是采取分區(qū)的方法，將整條相貫線焊縫若干等分，分別對相貫線焊縫的各個位置進(jìn)行檢測，并且研究方向也主要集中在海洋平臺等領(lǐng)域，關(guān)于鋼管拱橋相貫線焊縫檢測還鮮有報道。

1 相貫線焊縫坡口角度計算

在鋼管拱橋相貫線焊縫焊接過程中需要按照焊接規(guī)范加工出相應(yīng)的坡口。目前，通常根據(jù)美國焊接協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求加工相貫線焊縫的坡口。在該相關(guān)要求中，坡口角度由二面角的角度決定，因此，需要對相貫線焊縫的二面角進(jìn)行計算，從而確定坡口角度。鋼管拱橋的相貫線焊縫一般為非偏心Y型，以主管和支管軸線交點為坐標(biāo)原點，根據(jù)笛卡爾右手定則建立坐標(biāo)系，如圖1所示。其中，兩軸之間夾角為θ，相貫角為α。

圖1 主管坐標(biāo)系和支管坐標(biāo)系

設(shè)主管的外半徑為R1，支管的外半徑為R2，則主管和支管參數(shù)方程表達(dá)式分別為：

式中，α、β分別為主管和支管的相位角。相貫線方程為主管和支管交線方程，但主管和支管分別位于兩個不同的坐標(biāo)系，因此，需要根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式，使支管坐標(biāo)系與主管坐標(biāo)系重合。將支管坐標(biāo)系O-X2Y2Z2繞Z1（Z2）軸順時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為θ，則坐標(biāo)系變換公式為：

將式（1）、式（2）帶入式（3）中可以得到：

根據(jù)式（4）求得兩相位角之間的關(guān)系為：

對相貫線上任意一點，過該點分別做主管和支管外表面的切平面，兩切平面的夾角即為該點的二面角。如圖2所示，設(shè)點M為相貫線上任意一點，過點M分別做主管和支管的切平面γ1和γ2，兩切平面的交線為l，過M點，在γ1和γ2上分別做l的垂線，ML1和ML2，則為M點的二面角。

圖2 二面角示意圖

支管方程可以寫成：

則，可以求得支管的切平面γ2的表達(dá)式：

同理，主管的切平面γ1可以表示為：

將式（3）代入式（8），得到變換后的主管切平面表達(dá)式為：

根據(jù)式（7）和式（9），求得兩切平面γ1和γ2的夾角余弦值為：

將式（4）、式（5）代入式（10）可以得到二面角計算公式如下：

根據(jù)AWS焊接規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，坡口角度φ與二面角φ關(guān)系如下：

（1）當(dāng)φ≥90°時，φ=45°；（2）當(dāng)時，（3）當(dāng)時，φ=φ；（4）當(dāng)φ＜20°時，不開坡口。根據(jù)二面角計算方法以及坡口角與二面角的關(guān)系，即可得到相貫線上任意一點的坡口角度。

2 試件制作

鋼管拱橋中的相貫線焊縫通常為非偏心Y型結(jié)構(gòu)，按照表1所示尺寸加工相貫線焊縫試件。

表1 相貫線焊縫試件尺寸

按照上述尺寸，計算該試件二面角和坡口角，結(jié)果表明，在二面角較小的位置，相貫線焊縫坡口角度變化較大，不僅在加工過程中容易出現(xiàn)誤差，在焊接過程中也會帶來許多困難，容易出現(xiàn)未焊透等缺陷，也是鋼管拱橋相貫線焊縫檢測中較難檢測的位置。在整條相貫線焊縫的各個位置均勻地預(yù)置各類缺陷，可以更好地看出各個位置的檢測效果；缺陷在焊縫中的位置也各不相同，在主管側(cè)、支管側(cè)、焊縫根部和焊縫中間均有分布，有利于判斷不同類型的缺陷檢出效果。

3 檢測試驗

利用超聲相控陣設(shè)備對相貫線試件進(jìn)行檢測試驗，鋼管拱橋相貫線焊縫通常為安放式，在支管上加工坡口，因此，需要在支管上采用扇掃描方式進(jìn)行檢測。檢測過程中采用具體檢測參數(shù)如表2所示。

表2 檢測參數(shù)

圖3左側(cè)為二面角最大位置檢測結(jié)果，右側(cè)為二面角最小位置檢測結(jié)果。從圖中可以看出，二面角最大位置檢測圖像中有兩處較明顯的信號，為檢測聲束在未焊透缺陷兩端產(chǎn)生的反射回波，其特征較為明顯，且反射能量相對較高，產(chǎn)生漏檢的可能性較低。而二面角最小位置較為狹小，難以將超聲相控陣換能器放置在較為合適的位置，因此，只能將超聲相控陣換能器放置在距焊縫較遠(yuǎn)的位置進(jìn)行檢測。但缺陷回波信號仍具有一定的幅度，并且未熔合缺陷的特征也較為明顯。

圖3 未焊透缺陷檢測結(jié)果

條狀夾渣屬于體積型缺陷，回波信號幅度相對較高，超聲相控陣技術(shù)對此類缺陷具有較好的檢出能力，結(jié)構(gòu)自身回波的干擾較小，對此類缺陷進(jìn)行定性分析也較為容易。

4 結(jié)語

（1）針對鋼管拱橋相貫線焊縫檢測問題，本文通過對相貫線焊縫二面角和坡口角進(jìn)行計算，結(jié)合鋼管拱橋中相貫線焊縫實際情況，確定了鋼管拱橋相貫線焊縫試件具體樣式及缺陷預(yù)埋方案。

（2）利用超聲相控陣扇掃描技術(shù)，對鋼管拱橋相貫線焊縫試件進(jìn)行檢測試驗，結(jié)果表明，超聲相控陣技術(shù)對鋼管拱橋相貫線焊縫中各類典型缺陷均具有較好的檢出能力。