波形钢腹板软膜超声相控阵检测探头的设计*

郑 辉,陈 尧,黄丽霞,王志刚,卢 超,陈 果,李秋锋*

(1.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学),南昌 330063;2.南昌市建筑科学研究所,南昌 330019)

近年来波形钢腹板箱梁结构正大举替换笨重的混凝土腹板结构,在现代大跨度新型桥梁中占有举足轻重的地位,其应用形式和类别更加多样化。波形钢腹板结构由于其用料省,制作工艺简单,且便于运输,绿色环保,尤其在抗压和抗拉等力学性能上比混凝土腹板更出色,故其制作和应用已渗透到国内外的多个建筑领域,不仅应用于公共设施中的大型楼面、屋顶等主梁结构,还在大跨度桥梁建设中的广泛应用[1-3]。

最近十几年来在大跨度桥梁上随着波形钢腹板结构的大幅使用,其质量的检测评估成为新的难题。目前,在传统的无损检测方法中,还未找到一种完全符合要求的最佳方法对此进行检测评价。现阶段经过对比选择后,常规超声检测与射线检测相结合的方法才满足条件。但在实际用超声检测过程中,安装好波形钢腹板后,其翼缘板上会有栓钉阻碍探头的移动,故只能将探头放在腹板上用横波斜入射的方式进行检测[4],而用这种方法检测时其有效区域面积会受到影响,从而会造成在缺陷的定位、定量上有所误差,严重时可能会出现漏检危害性极大的缺陷等情况。因此需再添加射线检测辅助检测不到的盲区进行补充。本次研究的主要的目标是波形钢腹板和翼缘板的角接焊缝,它与有腹板的T形焊缝类似,只是它的腹板有一定的曲率,其实际结构如图1所示。

图1 波形钢腹板结构示意图

由于波形钢腹板构件的焊缝具有一定的曲率,对这种波浪形的检测面使用现有超声探头检测时,将出现很大盲区[5],在检测过程中需要不断进行补偿和修正,且要覆盖所有焊缝中的缺陷需要更换不同角度和频率的探头[6-8]。此外在用探头移动扫查焊缝过程中,由于平曲面的移动转换会产生耦合不稳定,从而导致极大的检测误差。

超声相控阵检测技术在T型焊缝检测过程中显现出巨大的潜在优势,其应用领域和开发前景十分广泛,是目前科学研究的热点和重点[9-11]。自从1959年由Tom Brown研制了第一个超声相控阵检测系统诞生以来,1987年A.McNab总结介绍了无损检测的超声相控阵技术[12],国内外许多不同高等院校,科研院所,企业研究机构都对其表现出极大的热情,并且都进行了相关的基础理论及应用研究,生产制造出一大批功能强大的检测仪器。超声相控阵是利用常规超声探头晶片进行新的组合构建而成的,它通过电子控制激发每一个晶片的延迟时间,实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。在进行检测时用此方法,可以提高声波的能量使其传播范围更广,从而对形状奇特和构造复杂的构件都能检测,且检测效果好,时间短效率高,最关键的是可以直接显示缺陷图像。

随着超声相控阵检测技术方法的提出,利用超声相控阵对波形钢腹板进行检测,取得了一定的突破,但是现有相控阵探头仍然无法克服平曲面转换过程中的耦合补偿问题,且其聚焦法则也在变换,故本文在总结之前的检测方法上,结合K.Thanigai Arul最新提出的复合柔性薄膜的能量收集[13],针对波形钢腹板结构的焊缝检测,设计了一种新型相控阵探头,并研制出了探头样品,验证其检测效果,达到了预期测试效果,成功的解决了现有相控阵在该结构检测中存在的问题,从而能够更有效的保障波纹钢腹板的使用质量。

1 超声相控阵探头检测原理

由惠更斯衍射定理和亥姆霍兹声压积分定理推出了超声相控阵的原理[10,14]:波动场任何一个波阵面等同于一个次级波源;次级波场可通过该波阵面上各点产生的球面子波叠加干涉计算得到。超声相控阵探头是由一组彼此独立的压电晶片组成,每个晶片都是一个阵元。而每个阵元都可独立发射出超声波,采用不同的激励方式可以产生不同的波阵面,同时通过延迟技术可以实现动态聚焦以及声束的偏转[15-16]。常用的相控阵探头仍是以一维线性阵列为主[17],如图2所示,图中A为晶片阵列方向的孔径;H为晶片加工方向的宽度;e为单个晶片宽度;p为两个晶片中心之间的间距;g为相邻晶片间的间距。

图2 一维线性相控阵阵元示意图

在超声相控阵中,对于线性或者楔块有一定角度的探头各个阵元采用两端对称的延时形式进行激励就是相控阵电子声束聚焦使用的延时规律,两端的阵元首先被同时激发脉冲,然后沿着中间方向的下一个两端对称的阵元依次被同时进行相同延时激发,直至所有阵元被激发,最终得到合成的聚焦波阵面[18]。

另外各个晶片的激发顺序也能通过延时技术来调节,线性或者是有一定角度楔块的探头中各个阵元采用从左到右或从右到左依次增加延时的形式被激发是相控阵电子声束偏转使用的延时规律,线性阵元按相等时间间隔的顺序依次被激发脉冲,最终得到合成的偏转波阵面[19-20]。按照这种方式对超声波的传播方向进行控制就是声束的偏转原理与特性,也就可以用相控阵探头进行多角度的扫查。

设计的新型相控阵聚焦探头检测原理同上述常规相控阵探头相同,只是软膜材料的选择须满足探头检测过程中的聚焦及偏转法则和耦合效果。

2 探头聚焦结构设计与仿真研究

2.1 软膜探头的设计思想

在波形钢腹板的检测过程中,发现曲面处检测时其耦合接触面积很小,且平曲面转换过程中,需要转换不同的探头且还要适当增加补偿,才能使检测范围覆盖整个焊缝。为此希望设计出一种在平曲面转换过程中能柔性贴合波纹状检测面,增加耦合接触面积,且减小增益补偿的软膜超声相控阵探头。其设计思想就是通过用甘油将一种软膜材料与相控阵晶片耦合在一起,使探头检测面形成了一种通过软膜包裹的甘油液囊,该液囊可通过检测人员施加压力让探头检测面与波形钢腹板检测面柔性接触,从而保证了探头在平面与曲面上检测时超声透射的面积相似,减少了平面与曲面检测间的耦合差异,提高了缺陷定量的准确性。此软膜探头在扫查行进过程中可以随接触面的形状变化来自动调整液囊的耦合情况,故能柔性的耦合波纹状检测面。

由异质夹层全透射原理可知[21-23],要保证探头晶片层所发出的激励经过甘油层和软膜层后其传播的方向和能量都保持一致,那么就需要探头的三层材料声学特性相近,才能满足要求。

2.2 软膜探头结构仿真研究

依照液浸检测方法,首先通过资料分析筛选出4种与甘油的声阻抗和声速相近的软质材料,可做成软膜套头,4种材料和甘油的主要参数在表1中列出,其中聚乙烯和聚苯乙烯的参数与甘油最接近。

表1 甘油和4种软质材料的主要参数

然后采用wave2000仿真软件,建立楔块-甘油-软质材料模型,通过仿真对材料的透射性能进行研究,建立的仿真模型如图3所示,其中红色部分为有机玻璃材料,声速为2 759 m/s;绿色部分为甘油,声速为1 900 m/s;蓝色部分为软膜材料;深红色部分为钢材料,声速为5 659 m/s;深绿色部分为空气,代表φ5的孔,声速为340 m/s。

图3 带软膜探头结构仿真模型

经过仿真计算,得到不同软膜材料透射波形与仅有甘油透射时的检测波形对比图,如图4示。图中红色波形为软膜选用甘油时传播波形,其余不同标记颜色波形分别是氯丁橡胶、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯是添加图例上对应材料薄膜时的传播波形。对比图中透射波形可以发现:聚乙烯和聚苯乙烯的透射效果与无软膜情况下的波形最吻合,结合表1中参数,软膜主要选用这两种材料为宜。但是这两种材料的声阻抗与甘油有一定差异,将会影响声波透射率和检测灵敏度,因此,为了提高软膜材料的声阻抗,将聚四氟乙烯也作为制作软膜材料之一。

图4 不同软膜材料透射仿真信号与无膜检测信号比较

2.3 软膜配比与试验测试

通过上述仿真测试找到制作软膜的三种材料:聚乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯,但是只有三种材料比例的达到最优,才能获得最佳检测效果。经过对不同比例组成的软膜进行实验测试,发现聚乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯比例达到6∶2∶2时,其影响超声波折射率和折射角的声学参数有纵波声速约为1.82 km/s,声阻抗约为2.1 kg/(mm·s),上述参数更加接近甘油参数,而根据声波传播原理可知,当软膜厚度约等于半波长的整倍数时,声波全透射。所以在选用5 MHz检测频率时,软膜材料厚度为0.19 mm时透射效果最佳,超声波几乎全透射进入到波形钢腹板中。

为了验证软膜透射效果,采用5 MHz的直探头进行试验测试,对比有无软膜条件下的透射波形。为了模拟相控阵检测实际情况,试验测试时是将直探头耦合在有机玻璃上向下发出声波,具体有无软膜测试结构如图5和图6所示。压电晶片是从顶部中间激励,整个结构从上到下依次分别为有机玻璃材料、甘油(或甘油加软膜)、钢材和通孔。通过压电晶片激励出超声波在结构中传播,在钢材中孔正下方接收超声信号。

图5 无软膜测试结构示意图

图6 带软膜测试结构示意图

将有无软膜条件下的两次接收信号进行比较,比较结果如图7所示,从图中可看出两个波形总体上比较吻合,但由于软膜材料的加入,使得耦合层厚度增加,相位有些滞后,说明该软膜材料的声学特性与甘油的声学特性非常相近,软膜对超声波的透射几乎无影响。

图7 有无膜材料超声信号对比图

2.4 带软膜相控阵探头参数研究

经过对波形钢腹板结构的检测研究[24]和上述软膜探头材料的研究之后,制作了带软膜相控阵探头。探头结构如图8所示,是在现有常规相控阵探头的基础上,外部包裹0.19 mm厚软膜,并在探头与软膜间注入甘油后改进而成,带软膜探头实物如图9所示。选用常规相控阵探头的结构参数见表2。

图8 探头结构示意图

图9 带软膜套头的探头实物图

表2 探头参数

3 实验验证

为了验证该软膜探头的实际检测效果,制备了一块波形钢腹板试样进行实验测试。试块是根据实际使用的波形钢腹板T型焊缝结构,选用Q345D钢由专业加工厂制作,试块如图10所示,其中钢腹板与翼缘板厚度均为22 mm,采用单V坡口焊接而成。

图10 波形钢腹板试块实物图

试样中加工了长横孔和开槽2种人工缺陷,分别是模拟焊接中危害性大的裂纹和未熔缺陷。由于实际检测时需要在平面和曲面上检测,为了比较不同检测面对相同人工缺陷的检测效果,在平面和曲面检测位置对应的焊缝处都加工了相同类型和大小的对比缺陷,具体形状如图11所示。缺陷的加工参数分别在表3中列出,表中开槽缺陷尺寸是指槽口深度和高度,缺陷位置是以试样左边为0点开始测量的结果,单位为mm。

图11 试块中加工的人工缺陷图

表3 试样长横孔和开槽缺陷加工参数 单位:mm

按照操作规程,在实验室检测平台上,使用新的带套头的软膜探头,在CSK-IA标准试块上校准其声速,延时和灵敏度,并在CSK-IIA-1试块上完成检测TCG曲线,试块中横孔直径为2 mm。随后用校准好的常规相控阵探头和新探头在不同试样上的测试结果分别在表4、表5中列出,缺陷编号与表3中一致,检测图像常规相控阵探头为图12～图15,新探头为图16～图19。

表4 试样用常规相控阵探头检测结果

表5 试样用新探头检测结果

图12 1#长横孔(平面)缺陷检测图

图13 2#长横孔(凸面)缺陷检测图

图14 3#开槽(平面)缺陷检测图

图15 4#开槽(凸面)缺陷检测图

图16 1#长横孔(平面)缺陷检测图

图17 2#长横孔(凸面)缺陷检测图

图18 3#开槽(平面)缺陷检测图

图19 4#开槽(凸面)缺陷检测图

对比表3～表5以及相应的缺陷检测图分析,可以得出以下结论:

①从长横孔缺陷检测数据来看,平面处检测的缺陷长度和缺陷埋深比曲面处检测结果更为准确,但是检测灵敏度相差不大,总体上两个位置的检测结果都较准确,都在合理误差范围内,在缺陷定量和定位评价上也不存在很大差异。

②从开槽缺陷检测数据来看中,曲面处检测的缺陷长度和缺陷埋深比平面处检测结果更为准确,但是检测灵敏度几乎相同,总体上两个位置的检测结果都较准确,也都在合理误差范围内,在缺陷定量和定位评价上也不存在很大差异。

③从常规相控阵探头和新探头对相同缺陷的平曲面缺陷当量值看,新探头的当量差明显较小,其相同缺陷的检测结果与常规相控阵探头的检测数据基本保持一致。

综合上面分析结果,可知此软膜超声相控阵探头可以检测波形钢腹板T型焊缝上不同位置的典型缺陷,且在不同检测面上具有相同的检测灵敏度,可在不更换探头的条件下,对该结构完成连续检测,提高检测效率,并实现对缺陷的准确定位和定量评价。

4 总结

针对波形钢腹板T型焊缝检测需求,开展了超声相控阵检测技术的研究。通过理论分析、数值仿真和实验研究,提出了一种可套在相控阵探头外面的软膜结构,并根据甘油的声学特性,设计并制作出合适的软膜材料。将该软膜相控阵探头和常规相控阵探头在波形钢腹板上进行对比实验测试,实验结果证明该探头可以准确检测出焊缝内的典型缺陷,基本解决了不同检测面的耦合差异问题,能够实现在不同检测面上的连续检测,提高检测效率,在稳定灵敏度的条件下完成对缺陷准确定位和定量评价。该软膜结构也可以为类似结构件检测提供参考。