CN108593780B - 一种用于波形钢腹板类t形焊缝检测的软膜超声相控阵探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于波形钢腹板类T形焊缝检测的软膜超声相控阵探头，属于相控阵探头技术领域。本发明解决了对波形钢腹板结构中腹板波纹状检测面进行类T形焊缝的相控阵检测时，连续扫查过程中曲面和平面位置检测产生的耦合差异问题，将一种软膜通过甘油与相控阵线性阵列晶片耦合在一起，并用螺栓固定，使得探头检测面可以柔性与波纹状检测面接触，增加了耦合接触面积，从而提高了曲面检测的灵敏度，实现了波形钢腹板结构的准确高效检测。

Description

一种用于波形钢腹板类T形焊缝检测的软膜超声相控阵探头
技术领域
本发明属于相控阵探头技术领域，具体涉及的是一种用于波形钢腹板类T形焊缝检测的软膜超声相控阵探头。
背景技术
近年来波形钢腹板构件正逐步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构件更出色，故其制作和应用已经渗透到国内外的多个建筑领域。其不仅应用于公共设施中的大型楼面、屋顶等主梁结构，还供应部分建筑钢架结构，当然在大跨度桥梁建设中的应用更加广泛。
波形钢腹板最主要的特点就是腹板波折后极大的提高了其受力性能，故在与混凝土等结构相比，占有明显的优势。由于波形钢腹板近几年发展较快。故在制造技术上进行了不少改进，通常按腹板的波折形式分为：梯形式波腹板、正弦式波形腹板、三角形式波腹板等，其中正弦式波形腹板又称为波形钢腹板。国外的专家和学者最先对波形腹板构件开展研究，在理论和试验上做了比较全面的探索，而国内高校及科研院所对此类构件的探索近几年也是如火如荼，全方位的进行了一系列的探究，特别是清华大学、同济大学等。
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，通常选取常规超声检测加射线检测相结合的方法才满足条件。波形钢腹板结构中的焊缝是腹板和翼缘板的角接焊缝，与T形焊缝类似，只是腹板存在一定的曲率。波形钢腹板是铆接在箱梁内，翼缘板上会有栓钉阻碍探头的移动，仅能在波纹状腹板上对角接焊缝进行超声检测，由于波形钢腹板结构的焊缝具有一定的曲率，对这种波浪形的检测面使用超声探头检测时，用常规的脉冲反射法检测会出现很大盲区，故在检测过程中需要不断的进行补偿和修正，而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，且在用探头移动扫查焊缝过程中，平曲面的移动转换定会产生耦合不稳定，从而导致极大的检测误差给超声探头的耦合与移动带来了极大的困难，这些与传统角接焊缝检测存在很大差异。
自从超声相控阵技术问世以来，其在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。超声相控阵技术是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。但是普通的相控阵探头依旧无法克服平曲面转换过程中的耦合补偿问题，存在着较大的灵敏度差异，对缺陷的检测定量仍有较大误差。
发明内容
本发明的目的是针对波形钢腹板结构焊缝快速准确检测的需要，提出一种用于波形钢腹板类T形焊缝检测的软膜超声相控阵探头。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，该液囊可以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。
本发明采用的技术方案：一种用于波形钢腹板类T形焊缝检测的软膜超声相控阵探头，可以实现波形钢腹板结构的准确高效检测；其特征在于：软膜材料，该材料由聚苯乙烯和氯丁橡胶按照7:3的配比加工而成，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1.9 km/s，声阻抗约为2.05 kg/mm·s，上述参数与甘油的声学参数差异极小，在软膜材料厚度为0.19 mm时，超声波可以有效透过甘油和软膜组成的耦合层进入到波形钢腹板中，与无软膜时的透射波形非常吻合。
进一步的，所述超声相控阵探头，所述超声相控阵探头为线性阵列形式，由压电陶瓷晶片组成32阵元，阵元宽度为0.2 mm，阵元间隙为0.05 mm，晶片阵列紧贴在由环氧加钨粉配制成的吸声块上，每片晶片与电缆线连接，接到线排插口，由仪器控制各个晶片的激励时间，激励频率为5 MHz；然后再将软膜包裹甘油形成的液囊，与相控阵线性阵列晶片耦合在一起，并用螺栓固定，最终形成软膜超声相控阵探头，使得探头检测面可以柔性与波纹状检测面接触，增加了耦合接触面积，从而提高了曲面检测的灵敏度，实现了波形钢腹板结构的准确高效检测。
本发明与现有技术相比具有的特点是：超声相控阵检测（PAUT）技术近几年在国内外得到了飞速发展，该技术能通过控制各晶片的延时激发实现声束的空间聚焦和偏转，有效增加缺陷波声能，有利于改善复杂结构引起的低信噪比问题。同时，PAUT设备均集成了实时超声成像功能，可将设备采集到的超声信号合成为B型、C型、D型、S型视图，实现缺陷的可视化显示。现有的相控阵探头以线性阵列结构为主，检测对象表面都是平面或者是有固定曲率的弧面，通常将探头检测面加工成与检测对象表面一致，即可保证有效的超声耦合。但是对于波形钢腹板检测表面出现的平面与弧面交替出现的情况，目前国内仍然还没有可以连续有效检测的相控阵探头。本次发明的软膜超声相控阵探头可以通过软膜包裹甘油形成的液囊，实现探头检测面与波形钢腹板检测表面的柔性接触，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。
附图说明
图1为本发明的无软膜相控阵探头仿真模型图。
图2为本发明的有软膜相控阵探头仿真模型图。
图3为本发明的有无软膜相控阵探头仿真透射信号对比图。
图4为本发明的软膜探头实物图。
图5为本发明的波形钢腹板试块图。
图6为本发明的长横孔缺陷测试结果图。
图7为本发明的槽形缺陷测试结果图。
具体实施方式
首先用wave2000进行仿真研究，建立无软膜相控阵探头仿真模型，如图1所示，压电晶片是从顶部中间激励，整个探头模型从上到下依次分别为有机玻璃材料（声速为2759m/s）、甘油（声速为1900 m/s）、普通钢材料（声速为5659 m/s）和通孔(代表φ5的孔，声速为340 m/s)。通过压电晶片激励出超声波在结构中传播，在孔下面的底部接收超声信号。然后建立软膜相控阵探头仿真模型，如图2所示，压电晶片是从顶部中间激励，整个探头模型从上到下依次分别为有机玻璃材料（声速为2759 m/s）、甘油（声速为1900 m/s）、软膜材料（声速为1900 m/s）、普通钢材料（声速为5659 m/s）和通孔（代表φ5的孔，声速为340 m/s）。同样通过压电晶片激励出超声波在结构中传播，在孔下面的底部接收超声信号。将两次接收的超声信号进行比较，比较结果如图3所示，从图中可以看出两个波形总体上比较吻合，只是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效果很小。
根据超声传播原理，当软膜厚度为半波长的整数倍时，透射效果最好，由于探头的制作是在现有某公司相控阵探头基础上改进得到，检测频率为5 MHz，所以计算出软膜厚度为1.9 mm最佳。在加工好软膜材料后，用螺栓将其包裹住相控阵线性阵列探头，其中注入甘油作为耦合剂，软膜探头实物如图4所示。波形钢腹板试块如图5所示，由Q345钢加工而成，腹板和翼板厚度均为22 mm，在该试块上平面和弧面检测位置所对应的焊缝位置上加工了Φ2 mm长横孔和11×4 mm槽形人工缺陷，在平面和弧面检测结果分别如图6和图7所示，对比平面与弧面检测结果可以看出，检测结果非常理想，在增益几乎相同的条件下，缺陷回波最大幅值都达到了80%波高，即该探头对相同大小缺陷的检测灵敏度差异很小，定量结果比较一致，定位结果也相同。
本发明解决了对波形钢腹板结构中腹板波纹状检测面进行类T形焊缝的相控阵检测时，连续扫查过程中曲面和平面位置检测产生的耦合差异问题，将一种软膜通过甘油与相控阵线性阵列晶片耦合在一起，并用螺栓固定，使得探头检测面可以柔性与波纹状检测面接触，增加了耦合接触面积，从而提高了曲面检测的灵敏度，实现了波形钢腹板结构的准确高效检测。

Claims (1)

1.一种用于波形钢腹板类T形焊缝检测的软膜超声相控阵探头，实现波形钢腹板结构的准确高效检测；其中超声相控阵探头为线性阵列形式，由压电陶瓷晶片组成32阵元，阵元宽度为0.2 mm，阵元间隙为0.05 mm，晶片阵列紧贴在由环氧加钨粉配制成的吸声块上，每片晶片与电缆线连接，接到线排插口，由仪器控制各个晶片的激励时间，激励频率为5 MHz；其特征在于：
软膜超声相控阵探头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，用螺栓固定，最终形成软膜超声相控阵探头；
所述软膜材料由聚苯乙烯和氯丁橡胶按照7:3的配比加工而成，其影响超声波折射率和折射角的声学参数有纵波声速为1.9 km/s，声阻抗为2.05 kg/mm·s，上述参数与甘油的声学参数差异小，在软膜材料厚度为0.19 mm时，超声波有效透过甘油和软膜组成的耦合层进入到波形钢腹板中，与无软膜时的透射波形非常吻合。
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