钢结构桥梁对接焊缝缺陷的TOFD检测图像特征

彭 森, 何连海，马志华，刘 朵,张建东

(1.江苏省交通运输厅建设管理处，南京 210001;2.苏交科集团股份有限公司 在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，南京，211112；3.南通市公路事业发展中心，南通，226001)

钢结构桥梁(钢桥)焊缝缺陷的快速、准确检测一直是行业内研究的热点[1]，在焊接过程中，焊接工艺参数设置不合理和操作的不规范极易导致焊缝缺陷，进而会影响钢桥结构安全，降低结构的耐久性，因此需要对焊缝质量进行检测。目前钢桥焊缝检测方法主要有常规超声、射线、磁粉、渗透等，这些方法虽然得到普遍使用，但同时也存在一些问题。其中常规超声法检测结果无法永久保存；射线法对现场操作条件要求较高且对人体有一定的危害；磁粉法和渗透法难以检测埋藏较深的内部缺陷，这些技术局限性给钢结构桥梁焊缝的质量控制带来很大不确定性。

超声波衍射时差法(TOFD)依据TOFD-D扫图像特征实现对焊缝缺陷类型的辨识，对操作者技能水平依赖降低，且具有数字图像存储功能[2-3]，近年来被逐步应用于钢结构桥梁对接焊缝的检测中[4]。孙旭等[5]采用自回归谱外推技术对TOFD检测信号进行处理，实现了微小裂纹的TOFD定量检测，裂纹深度和高度定量相对误差小于6%。康达等[6]提出了一种基于几何关系的倾斜裂纹TOFD定量检测方法，并通过试验进行了验证，结果表明该方法裂纹角度定量误差小于1°。丁宁等[7]基于波形转换理论提出了一种TOFD近表面盲区抑制方法，该方法可将近表面盲区抑制到1 mm。上述研究工作主要聚焦于TOFD检测的缺陷定量，对缺陷类型判定方面的研究较少，而缺陷类型的准确辨识在实际工程中是极其重要的。

笔者开展了对接焊缝缺陷类型判别的研究，使用TOFD技术对含有常见典型缺陷的模拟试块进行检测，分析了钢桥对接焊缝常见典型缺陷的TOFD检测D扫图像特征，为以后的钢桥对接焊缝缺陷辨识提供参考。

1 TOFD定性检测原理

TOFD是一种利用超声波衍射信号进行缺陷检测的技术，其采用一对超声波纵向扫描探头(一个作为发射器、一个作为接收器)进行检测，检测原理如图1所示。由图1可见最先被接收探头接收的波称为直通波，之后接收探头会接收到来自缺陷上、下端点的衍射纵波信号，最后是来自工件底面的反射回波，该条波形也被称为A扫描信号。

图1 TOFD检测原理示意

由于A扫描信号携带的信息量较少，直接根据A扫描信号判别焊缝缺陷类型较为困难。将探头每移动一个步距获得的A扫描信号按照探头扫描方向依次排列，再将A扫描信号的幅值、相位转换成256级灰度图像(见图2)，即得到TOFD-D扫图像。其中，当波形向正半周期变化时，灰度向白色渐变；当波形向负半周期变化时，灰度向黑色渐变， 不同等级的灰度代表了信号的幅度大小。TOFD-D扫描图像比A扫描信号更加直观，操作者可根据灰度图像特征辨识焊缝缺陷类型，降低了人为因素的影响。

图2 TOFD-A扫信号灰度转换示意

2 试验设计与测试

2.1 试块制备

制备12块内部含有对接焊缝典型缺陷的试块，材料为桥梁用结构钢Q345，坡口形式为V型，编号从N1到N12，试块及缺陷参数如表1所示，缺陷位置如图3所示，缺陷预埋深度基本覆盖了目前钢桥常用的钢板厚度，其中缺陷深度随机设置，文章不涉及缺陷的定量分析。

表1 试块及缺陷参数 mm

图3 试块中缺陷位置示意

2.2 检测参数

为了获得合格的图像质量，需要对TOFD检测参数进行设定。制作了一块材料为Q345钢，尺寸(长×宽×高)为400 mm×400 mm×24 mm的薄壁超声TOFD模拟试块，内设一长为11 mm、埋深为10 mm的纵向裂纹。模拟试块实物以及检测现场分别如图4，5所示。

图4 模拟试块实物

图5 模拟试块检测现场

通过对模拟试块的检测，确定了钢桥对接焊缝缺陷检测的最优工艺参数：楔块角度为60°；探头频率为7.5 MHz；晶片直径为3 mm，探头中心距为各个模拟试块高度的2/3。然后在该最优参数的基础上使用SUPOR 32PT型TOFD主机分别对12块模拟试块进行检测。

3 TOFD-D扫图像特征分析

分别从评图软件Supor Up中截取不同缺陷的TOFD-D扫图像，图像纵轴为D扫描长度，横轴为接收到TOFD检测信号的时间；然后分别从纹理、形状和走向等3个角度对不同缺陷的TOFD-D扫图像特征进行分析。

3.1 典型缺陷成像描述

3.1.1 表面开口裂纹

表面开口裂纹可分为扫查面开口裂纹和底面开口裂纹。扫查面开口裂纹和底面开口裂纹的TOFD-D扫图像如图6，7所示。由图6可见，扫查面开口裂纹的TOFD-D扫图像中直通波断开，缺乏缺陷上端点衍射信号，仅能观察到与直通波相位相同的缺陷下端点衍射信号；表面纹理呈较为稀疏的波纹状；整体形状为连续的条纹；走向与焊缝延伸方向斜交。

图6 扫查面开口裂纹的TOFD-D扫图像

由图7可见，底面开口裂纹的TOFD-D扫图像中底面反射波信号中断，图像中没有缺陷下端点衍射信号；表面纹理呈密集的波纹状；整体形状显示为与扫查方向垂直的抛物线形，其中抛物线端部较为平缓；走向与焊缝延伸方向垂直。

图7 底面开口裂纹的TOFD-D扫图像

3.1.2 内部裂纹

内部裂纹是指焊接接头局部区域的金属原子结合力遭到破坏，形成新界面所产生的缝隙。裂纹是焊缝缺陷中危害性最大的一种，裂纹末端的尖锐缺口会引起应力集中，促使裂纹进一步扩展，引起焊接结构的过早破坏。内部裂纹的TOFD-D图像如图8所示。

图8 内部裂纹的TOFD-D扫图像

由图8可见，内部裂纹的TOFD-D扫图像的上、下端点衍射信号均不连续，并且上下端点衍射信号之间还有许多杂散信号，内部裂纹的TOFD-D扫图像具有以下特征：尖端朝向不一；表面纹理呈锯齿状；整体形状呈断续的条纹状，且在图像边缘存在许多小的尖角；走向大体上与焊缝延伸方向平行。这些特征可以将内部裂纹与表面开口裂纹明显地区分开来。

3.1.3 气孔

气孔是由侵入熔池的气体在熔池内金属冷却凝固前来不及逸出形成的。气孔会破坏焊缝金属结构的致密性和塑性，减小其有效截面，从而降低焊缝的机械性能。气孔的TOFD-D扫图像如图9所示。

图9 气孔的TOFD-D扫图像

由图9可见，气孔的TOFD-D扫图像中上下端点衍射信号混合在一起，没有明显的边界，部分上端点衍射信号被直通波掩盖，相位无法分辨；信号表面纹理呈密集波纹状；信号整体形状略呈椭圆形或曲率较大的抛物线形；信号走向与焊缝延伸方向垂直。

3.1.4 夹渣

夹渣是在焊接过程中，由于非金属杂质、熔渣等冶金反应产物未来得及析出或者前道焊缝的熔渣未清除干净，残留在焊缝内部而形成的。夹渣会降低焊缝的韧性和塑性，且其尖角易引起应力集中，形成裂纹。夹渣的TOFD-D扫图像如图10所示。

图10 夹渣TOFD-D扫图像

由图10可见，夹渣的TOFD-D扫图像的上端点衍射信号比下端点衍射信号要强，且有一个非常明显的多次波动信号；信号表面纹理呈波纹状；信号整体形状呈不规则的双曲线形，且线形端部较为平缓；走向与焊缝延伸方向斜交。

3.1.5 未熔合

未熔合是指在焊道金属和母材之间或填充金属之间未完全熔化和结合的部分，造成未熔合的主要原因是焊接工艺参数设置不当。未熔合会减少焊缝的有效截面积，造成应力集中，降低焊缝的强度。未熔合的TOFD-D扫图像如图11所示。

图11 未熔合的TOFD-D扫图像

由图11可见，未熔合的TOFD-D扫图像的上端点衍射信号相对光滑且有部分被直通波信号覆盖；信号表面纹理呈锯齿状或鱼鳞状；信号整体形状呈断续的不规则条纹形；信号走向整体上与焊缝延伸方向平行。

对比图8和图11可以发现，内部裂纹和未熔合缺陷信号在纹理、形状和走向上较为接近，但是未熔合的边缘更加平缓。

此外，通过对比还发现试验中未熔合缺陷与标准NB/T 47013.10-2015 《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》 推荐的未熔合图像特征并不一致(见图12)，这表明压力容器的焊缝缺陷标准图库并不完全适用于钢桥对接焊缝缺陷的定性判定，因此，需要在日常钢桥对接焊缝检测中继续积累典型焊缝缺陷的TOFD-D扫图像，以进一步提高钢桥对接焊缝缺陷识别的准确率。

图12 NB/T 47013.10-2015推荐的未熔合图像

3.1.6 未焊透

未焊透指的是焊接时接头处的金属未进入根部的现象。未焊透会减小焊缝的截面积，引起应力集中，使得焊接工件在承受荷载时容易开裂。未焊透的TOFD-D扫图像如图13所示。

图13 未焊透的TOFD-D扫图像

由图13可见，未焊透的TOFD-D扫图像中上端点衍射信号和下端点衍射信号较为完整；信号表面纹理呈锯齿状或稀疏的波纹状；信号整体形状呈不规则的双曲线形或连续的锯齿形；信号走向与焊缝延伸方向平行。

对比图10和图13可见，夹渣的N8模拟试块和未焊透的N12模拟试块的TOFD-D扫图像较为接近，在实际检测中极易混淆；但是对比夹渣的N7模拟试块和未焊透的N11模拟试块的TOFD-D扫图像可以发现，夹渣信号呈断续的双曲线状，而未焊透信号呈连续的锯齿状，且起伏变化较为频繁，根据这种差异，可对夹渣和未焊透进行区分。

3.2 缺陷类型的图像特征

综上，TOFD-D扫图像可以表征钢桥对接焊缝缺陷类型，钢桥对接焊缝典型缺陷与TOFD-D扫图像的对应关系如表2所示。

表2 钢桥对接焊缝典型缺陷与TOFD-D扫图像特征的对应关系

4 结语

采用TOFD检测技术进行了钢桥对接焊缝缺陷类型判别的研究，使用TOFD技术检测含有常见典型缺陷的模拟试块，通过分析钢桥对接焊缝常见缺陷的TOFD-D扫图像特征，得出了以下结论。

(1) 钢桥对接焊缝典型缺陷TOFD-D扫图像特征与缺陷类型密切相关，通过建立对接焊缝缺陷与TOFD-D扫图像特征的对应关系，可以为辨识对接焊缝缺陷类型提供依据。

(2) TOFD技术对于钢桥对接焊缝缺陷检测具有很好的研究前景和应用价值，值得进一步加以研究，以丰富对接焊缝典型缺陷的特征图库，增加TOFD检测结果准确度与客观性，为TOFD检测技术在实际钢桥建设中的应用提供技术支撑。