沈洪宇 张国斌 李 欣

1嘉兴市恒泰特种设备检测有限公司 嘉兴 314050 2嘉兴市特种设备检验检测院 嘉兴 314050

0 引言

桥门式起重机箱形主梁结构的核心支承构件是高强度钢板[1]，T形焊缝是主梁结构成型的最主要焊缝形式。使用中的起重机在长期承受交变载荷以及恶劣的工作环境的影响下，应力集中处的T形焊缝容易产生疲劳裂纹。裂纹缺陷是起重机主要受力结构破坏的关键因素，直接影响高强度钢板母材的质量安全，甚至会引起主梁折断，造成人身财产损失。因此，对起重机金属结构T形焊缝的质量进行检测，提供一种高效方法对其使用的安全性作出评价或合理的维修需求迫在眉睫。

常规的检测方法有超声波、磁粉、渗透、射线等，其中超声波检测是焊缝裂纹无损检测中最行之有效的技术，具有工作效率、检测灵敏度高等优点[2]。文献[3]通过仿真软件分析了缺陷的类型、长度、缺陷所处的位置，但未就探头的选择、入射频率等进行分析，只对起重机焊缝裂纹检测关键技术进行研究[4]，在内部缺陷精确定位定量上还存在关键点需要突破。本文首先模拟常规超声检测探头在高强度钢板T形焊缝模型中的与预置内部缺陷相互作用及声波传播的规律，通过采用控制变量法进行仿真测试找到最佳检测参数，并为后续相控阵超声仿真实验检测提供参考依据和缩小仿真实验的参数调节范围，为实际工程应用提高工作效率、增加检出率提供重要参考。

1 超声波检测仿真技术

1.1 超声波检测原理方法

超声波检测是利用超声波对金属构件内部缺陷进行检查的无损探伤方法。超声探头向金属构件表面通过耦合剂发射超声波，超声波在构件内部传递时遇到不同的介质产生不同的回波，利用不同回波返回探头的时间差检测构件内部缺陷，进而根据显示屏上的回波信号判断缺陷的位置、大小、性质等。

常规的超声波检测存在近场盲区及声束扩散角，在用的起重机T形焊缝腹板面检测通常需要高空作业或依靠检测装置，单一的检测探头不能很好地完成检测任务，若增加探头则要增加检测人力物力，且完成质量亦不尽人意。相控阵检测技术是在常规超声检测技术上发展而来的[5]，通过对按照一定规律排列的独立阵元加以适当移相或延时，在不同方位上获得相位或延时补偿，在同一检测位置得到多波束回波信号，从而更精确地实现缺陷表征。结合相控阵检测仪器，可实现A扫、B扫、C扫、D扫、线性扫查、扇形扫查、复合扫查等。

1.2 起重机腹板面焊缝检测对象

起重机的箱形梁包括4条T形焊缝，可施展检测的区域包括腹板、上下盖板、翼缘板等外表面，如图1所示。焊接工字梁的上下盖板与腹板由4条纵向角焊缝连接，由于盖板在厚度方向的不均匀受热以及焊缝的横向收缩，使盖板产生角变形，角变形的大小与焊缝尺寸、受热体积大小和盖板厚度有关。焊缝尺寸及受热体积越大，盖板厚度越小，焊后角变形越大。主梁上下盖板和腹板要求焊透，达到等强度接头。起重机在吊点附近，其上盖板与腹板附近承受压应力，下盖板与腹板处承受拉应力，同时该区域受到的起升冲击、突然卸荷以及作业垂直动载也最大，是重点检测的区段，该区域可通过观测翼缘板下端面磨损情况确定。

图1 起重机箱形梁截面及焊缝区域放大图

1.3 仿真模型的建立

工艺研究是检测技术的重要环节，本文采用CIVA仿真软件对超声波探头参数进行设计优化。在此软件中建立起重机腹板面T形焊缝模型，为了得到最佳的仿真结果，建立了与实际工程使用工件参数相一致的可视化仿真模型，如图2所示。

图2 可视化仿真模型

设计仿真模型尺寸为长160 mm，宽50 mm，翼缘板和腹板厚度均为10 mm，90°垂直焊接，设计为双单边V形坡口，两侧余高均为5 mm，模型材料为钢（纵波声速为5 900 m/s，横波声速为3 230 m/s，密度为7.8 g/cm3），衰减值为0.02 dB/mm，采用的耦合剂为机油（声速为1 750 m/s，密度为0.86 g/cm3）。仿真模型内部预置尺寸为Φ2(Φ3、Φ4)mm×6 mm，垂直于轮廓表面，缺陷中心位于T形焊缝中心的横向横孔缺陷以及同样尺寸平行于轮廓表面的纵向横孔缺陷。

常规超声波检测仿真采用中心频率为2～5 MHz，晶片直径为6～18 mm的直探头进行仿真。相控阵检测仿真采用如表1所示配置。

表1 相控阵检测仿真探头配置表

2 常规超声波检测仿真过程及分析

2.1 仿真工艺

使用直探头在翼缘板中心位置模拟弓字形C扫描检测，步距为0.5 mm，扫查区域覆盖预置的横孔缺陷，以频率f、晶片直径D为变量，分别进行模拟C扫描扫查。

2.2 仿真结果

通过C扫描检测过程中内部缺陷反射回波的最大幅值图像可知，当横轴为频率f、晶片直径D固定时，缺陷回波幅值随频率递减；当横轴为晶片直径D、频率f固定时，缺陷回波幅值随直径先增后减；当频率f=2 MHz、D=12 mm时，最高回波=1.38 pts，C扫描缺陷回波幅值如图3所示。如图4所示，频率f=2 MHz，不同晶片直径时C扫描图像汇总。如图5所示，频率D=6 mm，不同频率时C扫描图像及最大回波的A扫信号。

图3 C扫描缺陷回波幅值图

图4 不同晶片直径时C扫描图像

图5 不同频率时C扫描图像

2.3 仿真分析及结论

理论上超声波频率较高时，波长浇较短，能量集中且声束细，分辨率好，但扫查空间较小，仅能发现声束轴线附近位置的缺陷，常见的接触式探头的频率一般为2～10 MHz；当晶片直径较大时，发射能量也较大，声束扩散角小，扫查空间大，常见的圆形晶片探头的直径为Φ6～Φ20 mm。

根据纵波直探头翼缘板检测焊缝区域横向Φ2 mm×6 mm横孔缺陷仿真结果，探头频率宜选用较低频率，检测灵敏度较高。由直径为Φ6 mm、频率为2～5 MHz的C扫描图可知，频率较高时能量集中，C扫图像更能反映内部缺陷的真实形貌。采用水浸法自动C扫描成像检测时，宜选用高频率探头，但在接触法手工探伤中为了更容易发现缺陷，仍需选用较低频率。为此，频率宜选用2.5 MHz。

根据仿真结果可知，圆形探头晶片的直径为Φ12 mm时的检测灵敏度最高。依据（频率为2 MHz）晶片直径为Φ6～Φ18 mm的C扫描图像可知，直径为Φ18 mm的圆形探头接触法手工检测时最容发现缺陷。直径较小时，只有移动探头使声束轴线位于缺陷附近才能接收到缺陷反射回波。此外，小直径晶片的探头在近场范围内声束窄，有利用缺陷定位，故综合考虑宜选用晶片直径为Φ12～Φ14 mm的圆形探头。

因此，综合考虑检测灵敏度以及接触法手工检测的实际情况，根据仿真计算结果可以得出结论，选用频率为2.5 MHz，晶片直径为Φ12～Φ14 mm的圆形探头可以提高内部缺陷检出率。

3 相控阵检测仿真过程及分析

3.1 仿真工艺

采用32L5G2、32L10G2、64L5G2相控阵探头，探头均使用G2-S55楔块，扫查腹板面，为保证扇扫一次波覆盖腹板面根部，二次波尽可能覆盖较大的焊缝区域，设置楔块前沿距离翼缘板为6～10 mm。角度范围为35°～85°，步进值为0.5°,扇扫声场覆盖范围如图6所示。

图6 扇扫声场覆盖图

3.2 仿真结果

3个探头扇形扫查的累积声场如图7～图9所示。为了使相控阵仿真检测结果具有可比性，采用波幅定量方法进行对比分析，仿真结果统计见表2。

表2 仿真波幅定量值统计结果

图7 32L5G2探头声场计算结果示意图

图8 32L10G2探头声场计算结果示意图

图9 64L5G2探头声场计算结果示意图

3.3 仿真分析与结论

由腹板位置横波检测T形焊缝时，采用相控阵探头的偏转特性可在探头不移动的情况下实现对被焊缝检测区域的全覆盖扫查，还可激发多角度声束，从而提高检测效率及缺陷检出率。

就检测灵敏度而言，利用现有相控阵探头模拟的Φ2、Φ3、Φ4横孔的超声检测当量波高，依次为32L5G2、64L5G2、32L10G2。探头频率的取值由工件的材料、尺寸、缺陷位置等决定，同时考虑穿透能力和发现缺陷的能力。

在实际技术和成本可以达到的情况下，阵元个数的取值应尽可能大，阵元宽度W越大旁瓣级η越大，导致声场波束能量不能集中到所需方向，使阵列探头的性能变差。为避免栅瓣出现的同时抑制旁瓣级的幅度，取值为32的阵列探头可使系统具有较高性价比。

4 结束语

检测起重机腹板面的T形焊缝质量，需要提供一种高效的检测方法以提高检测效率，增加检测灵敏度，扩大检测范围，节约人力物力。通过分析起重机在使用过程中重点受力的T形焊缝区域，利用CIVA仿真软件建立了仿真模型，以常规超声波探头找出最佳检测参数为依据，缩小相控阵仿真参数范围，通过对比分析，得到相控阵仿真的入射频率、阵列探头数。