基于 PAUT 和 TOFD 的桥梁对接焊缝联合检测工艺开发

吴 昊，夏鹏飞，靳 超，彭晔丹，周学辉

（1.中国船级社实业公司，北京 100006；2.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004）

0 引言

桥梁焊接过程中存在着大量的对接焊缝，包括桥面板顶板，桥塔，钢箱节点等位置；同时，超大跨度的斜拉桥意味着桥梁主要结构的尺度都是超出常规的，如钢桁梁、斜拉索等位置，其中包括大量厚板（厚度 30 mm 以上）的对接焊缝。

对于此类对接焊缝缺陷，当前常用的无损检测技术手段包括常规射线、超声、磁粉和渗透。而这些常规技术在对以上类型的焊缝进行检测时，存在诸如射线曝光时间长、对人体有伤害，超声工艺复杂等难点。

近些年随着技术的发展，以及多学科领域的融合，相控阵超声（PAUT）、衍射时差技术（TOFD）等数字化新型无损检测技术不断应用在各个工业领域。

近年来在桥梁领域，PAUT 和 TOFD 技术也得到了推广应用。张华等［1］将超声相控阵应用在 U 肋角焊缝检测，钢箱梁桥 U 肋与桥面板之间由角焊缝连接，连接处由于应力集中，易产生疲劳裂纹，针对此处裂纹的检测，张华等利用声束仿真软件设计了相控阵超声检测工艺，并设计加工模拟验证试块，在试块上验证了工艺的可靠性，现场试验结果表明，所设计的工艺能够对 U 肋根部焊缝内缺陷进行有效的检出和测量。姚蓓等采用超声相控阵检测苏通大桥 U 肋角焊缝［2］，检测的目标主要针对角焊缝熔深，苏通大桥的 U 肋为不完全熔透角焊缝，设计要求熔透深度不低于 80 %，并着重指出：对于正交异性桥，U 肋根部由于疲劳载荷产生的向桥面板延申的裂纹，是此类桥梁的主要裂纹所在；根据裂纹位置设计了专用的相控阵检测工艺，选择了 5 处重点位置，验证检测工艺，共对 8 条焊缝进行了数据采集，通过分布统计表明：大部分熔深程度满足设计要求，并提出建议：利用 PAUT 技术快速检测全桥的 U 肋焊缝情况，积累数据，为桥梁养护提供数据支持。周林等［3］对比了 TOFD 和射线检测技术对桥梁的检测效果，共进行了 26 组实验，对比结果显示，对于桥梁焊缝内部缺陷，TOFD 比射线具有更高的灵敏度和检出率。李江华［4］参照 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》，使用 TOFD 检测技术对平南三桥焊缝进行了检测，此标准主要适用于承压设备，对缺陷的判定较为严格，对焊缝中允许存在的缺陷点数和长度有严格的限制。在桥梁行业中使用此标准要求过于严格，会产生质量过度控制。JTG/T 3650-2020《公路桥涵施工技术规范》［5］将 TOFD 和 PAUT 纳入了的辅助检测方法，但并没有对检测方法细节和验收准则做出具体规定。

虽然以上两种技术有常规无损检测技术无法比拟的优势，但是也有自身不足。

PAUT 基于超声脉冲反射原理，因此也会有常规超声的一些缺点，如：对于面积型缺陷的灵敏度高于体积型缺陷；对于平行于声束方向的缺陷灵敏度低等。

TOFD 对于内部缺陷的灵敏度较高，且不受缺陷方向的影响，可以弥补相控阵超声的不足，但通常会存在上下表面检测盲区的问题，如图 1 所示。

图1 TOFD 检测盲区示意图

因此，拟开发适用于桥梁对接焊缝的 T OF D 及 PAUT 联合检测工艺，解决大型桥梁建造过程中对接焊缝无损检测面临的低效、厚板检测工艺复杂、不等厚板焊缝检测难度高、常规无损检测数据无法保存和追溯的问题。

1 工艺开发流程

1.1 设备选型

在制作检测工艺前，应针对不同厚度的对接焊缝，选择不同频率及尺寸的探头。特种设备标准 NB/T 47013-2015 《承压设备无损检测》第 10 部分和第 15 部分分别对 TOFD 和 PAUT 的探头选型进行了推荐。

其中 TOFD 探头的选型如表 1 所示，当板厚逐渐增大时，需要选择较低频率和较大尺寸的探头，以增强声束的穿透能力。

表1 TOFD 探头的选型标准

PAUT 探头的选型如表 2 所示，当工件厚度逐渐增大时，需要选择频率相对较低的探头，以提高声束的穿透性。

表2 PAUT探头的选型标准

1.2 工艺设置原则

对于 TOFD，工艺关键在于两个探头的主声束交点深度。按照 ISO 15626-2018 要求，厚度≤50 mm 时，TOFD 检测采用 1 对探头，如图 2（a）所示；厚度 ＞50 mm 时，TOFD 检测采用两对探头，如图 2（b）所示，放置在焊缝两侧，覆盖整个焊缝，推荐设置如表 3 所示。

图2 TOFD 工艺示意图

表3 简单对接接头的推荐 TOFD 设置

对于 PAUT，可根据 ISO 13588-2019 中规定的检测等级进行工艺设置，为了保证焊缝融合线处的危害性缺陷不漏检，一般将探头放置在焊缝双侧，调整探头位置、晶片数量和位置，使用 1 次波和 2 次波覆盖整个焊缝区域，如图 3 所示。

图3 对接焊缝联合检测工艺示意图

1.3 试块设计加工要求

联合检测作为一种新的无损检测工艺，在使用前应对工艺进行试块验证，试块的设计应遵循以下几点。

1）试块的材料与实际检测对象一致或近似。

2）试块的厚度应满足标准中对于检测对象的厚度覆盖要求。

3）试块的焊接应使用与检测对象相同的焊接工艺。

3）试块中缺陷以自然缺陷为主，可通过人工加工或现场切割有自然缺陷的焊缝 2 件。

4）缺陷位置应均匀分别在试块内部和表面。

5）缺陷长度不宜超过验收标准中的合格长度。

1.4 试块数据验证

在验证试块上，使用设置的工艺进行数据采集，将联合检测结果与其他方法的效率和检出率做比较。确定工艺的可靠性。

2 实际数据验证

2.1 选择验证对象

桥梁建造过程中数量最多的是桥面板对接焊缝，厚度在 16～18 mm，因此选取 16 mm 钢板制作验证试块。根据 1.3 中的设计原则，首先设计试板图纸，如图 4 所示，最终的试板如图 5 所示。

图4 桥面板对接焊缝图纸（单位：mm）

图5 桥面板对接焊缝实物图

2.2 确定具体工艺参数

按照 ISO 15626-2018 标准（检测等级）设置 TOFD 的 PCS 覆盖内部，TOFD 聚焦深度为板厚的 2/3，计算得到聚焦深度为 10.67 mm，通过三角函数计算得到 TOFD 探头间距 PCS=62.89 mm，计算 TOFD 盲区；PAUT 保证覆盖焊缝根部以及上表面（补充 TOFD 盲区）。此部分内容可以通过前处理工艺仿真软件完成，如图 6 所示。

图6 TOFD聚焦处理工艺仿真示意图

2.3 扫查设备开发及数据采集

考虑到桥梁对接焊缝的结构特点、空间尺寸、检测方法和操作工艺等诸多因素，计划从以下方面进行手动及自动扫查器的研制和开发工作。

1）兼容性设计。自动扫查装备能同时搭载一组或多组 TOFD 和 PAUT 探头，适应多种检测工艺和方法的现场检测，能降低成本，快速匹配，实现现场检测的需求。

3）轻量化结构设计。自动扫查装备在满足功能要求的前提下，尽可能选取轻量化材料和简化设计原则，便于快速安装拆卸，降低劳动强度。

4）便携化结构设计。自动扫查装备尽可能便携，尺寸紧凑，便于现场检测人员在不同作业空间穿梭和高空作业。

根据以上原则设计加工的联合检测扫查器原型如图 7 所示。

图7 联合检测扫查器原型图

2.4 结果分析

2.4.1 射线（RT）检测结果

利用射线（RT）对试块焊缝进行了检测，其结果如图 8 所示。

图8 射线对试块检测结果图

可发现其中的两处缺陷，其位置和长度如表 4 所示。

在高速公路沥青路面施工过程中，考虑到道路上下层结构的铺设需要使用不同配比的沥青材料，所以，上下层沥青材料的生产过程必须分开进行，为了提高施工效率，可以通过同时运转2台搅拌机来生产不同配比的沥青材料，从而为高速公路沥青路面的施工提供合格的施工材料，进一步保障高速公路沥青路面施工的质量。

表4 射线检测缺陷的位置和长度

2.4.2 衍射视差法（TOFD）检测结果

TOFD 检测图谱如图 9 所示。

图9 TOFD 对试块检测结果图

在图中经过分析可发现 3 处加工缺陷，缺陷尺寸和位置如表 5 所示。

表5 TOFD 检测缺陷的位置等信息

2.4.3 相控阵超声（PAUT）检测结果

PAUT 检测图谱如图 10 所示。

图10 PAUT 对试块检测结果图

在图中经过分析可发现 2 处缺陷，缺陷尺寸和位置如表 6 所示。

表6 PAUT检测缺陷的位置等信息

2.4.4 数据汇总分析

将以上检测数据进行汇总，如表 7 所示。

表7 三种检测方法结果汇总

得到以下结论。

1）对于缺陷 1，由于其高度小，以及反射面方向问题，导致 PAUT 和 RT 技术没有发现，而 TOFD 由于对细小缺陷敏感，因此检出缺陷 1。

2）对于缺陷 2 和缺陷 3，四种方法都能够有效检出。其中 PAUT 可以根据波形及位置对缺陷进行定性，TOFD 由于自身技术特点，无法对缺陷性质进行准确判断。RT 技术无法确定缺陷深度和自身高度。常规 UT 由于只有一个声束角度，一般难以测定缺陷自身高度。

2.4.5 效率对比

本次验证试板的长度为 400 mm，采用联合检测的时间为 15 min，检测效率为 26 mm/min。

采用 UT 的检测方法所需时间为 20 min，检测效率为 20 mm/s。联合检测效率相对 UT 检测效率要高出 6 mm/min。且一般情况下 UT 会结合 MT（磁粉）技术，所需时间会更长。

如果检测对象为厚板，则对于常规超声而言，至少需要 2 个不同角度的探头，效率更低，此时的联合检测效率优势更加明显。

利用 RT 检测，需要隔离，曝光，显影等一系列操作，总体时间较长，难以与上述超声技术比较。

3 结论

1）联合检测方案可以精确检测出对接焊缝中各种类型缺陷。PAUT 与 TOFD 技术可以互补。

2）联合检测较常规无损检测手段效率较高。尤其是针对厚板焊缝时。

3）联合检测方案以声学成像的方式，其数据可记录、存储、调用，配合使用专用判读软件，结合人工评判方式进行数据分析，工作量大的情况下可以采用智能分析软件，满足自动化检测需求。Q