超聲相控陣技術(shù)在焊縫缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

-.z.超聲相控陣技術(shù)在焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用摘要：簡(jiǎn)述了超聲相控檢測(cè)方法誕生的背景以及相對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法的技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，著重介紹了超聲相控陣技術(shù)在對(duì)接焊縫以及T型角焊縫缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，并對(duì)超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字：超聲相控陣技術(shù)對(duì)接焊縫T型角焊縫缺陷檢測(cè)Abstract:Outlinedtheadvantagesofultrasonicphaseddetectionmethodsparedwithconventionalultrasonicdetectionmethodsanditstechnicalbackground.HighlightedtheapplicationofultrasonicphasedarraytechnologyinthebuttweldsandT-typefilletwelddefectdetection,andprospectedthephasedarraytechnology.Keywords:UltrasonicphasedarraytechnologybuttweldT-typefilletwelddefectdetection1超聲相控陣檢測(cè)方法1.1傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測(cè)發(fā)展為兩種檢測(cè)方法：傳統(tǒng)超聲檢測(cè)（UA）和超聲相控陣檢測(cè)(UPA)。傳統(tǒng)超聲檢測(cè)的探頭中只有一個(gè)晶片，通過加不同角度的楔塊，使得聲束偏轉(zhuǎn)角度改變。這種方法起源于二十世紀(jì)四十年代，在五十年代時(shí)廣泛應(yīng)用于一些先進(jìn)國(guó)家的機(jī)械制造和造船工業(yè)等領(lǐng)域中[1]。五十年代初期的研究側(cè)重于超聲探頭制作和材料的改良方面，提高了成像的分辨率[2]。五十年代后期側(cè)重于超聲檢測(cè)儀的研制及超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。六十年代，德國(guó)KrautKramer公司成功研制了小型超聲波檢測(cè)儀，是超聲波檢測(cè)技術(shù)的一次飛躍[3][4][5]。八十年代，微處理器在檢測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用標(biāo)志著數(shù)字超聲檢測(cè)時(shí)代的到來。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路以及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測(cè)由手動(dòng)檢測(cè)向全自動(dòng)檢測(cè)方向發(fā)展，進(jìn)一步提高了檢測(cè)效率[6]。隨著檢測(cè)要求的提高，傳統(tǒng)超聲檢測(cè)的靈敏度也需要提高。提高超聲波檢測(cè)的靈敏度，增大檢測(cè)聲束能量是關(guān)鍵。容易想到兩種方法，第一種方法就是提高探頭的中心頻率。但是探頭的中心頻率越高，聲波在介質(zhì)中的衰減越嚴(yán)重，檢測(cè)效果更不佳。所以，探頭的中心頻率不能太高。另一種方法是使用幾何透鏡、物理透鏡，或者直接將探頭表面做成具有一定曲率的凹面，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射聲束在檢測(cè)區(qū)域聚焦，從而減小了聲束的擴(kuò)散角[7]。但是，上述方法只能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)聚焦。而在超聲檢測(cè)中不是檢測(cè)固定區(qū)域，而是要經(jīng)常調(diào)整檢測(cè)區(qū)域，則需相應(yīng)地調(diào)整聚焦方向和焦點(diǎn)位置。若應(yīng)用上述方法調(diào)焦，則需要根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的位置更換透鏡或更換不同曲率的超聲探頭。這樣使檢測(cè)變得復(fù)雜，同時(shí)也降低了檢測(cè)速度。于是，提出了超聲相控陣無損檢測(cè)方法[8][9][10]。如圖1所示，為超聲相控陣檢測(cè)幾何缺陷原理示意圖。圖1超聲相控陣檢測(cè)原理示意圖1.2超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)超聲相控陣技術(shù)是基于惠更斯原理。相控陣探頭是由多個(gè)晶片組成的陣列，陣列的陣元在電信號(hào)的激勵(lì)下以可控的相位發(fā)射出超聲波，并使超聲波束在確定的聲域處聚焦或偏轉(zhuǎn)，超聲回波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)再以可控的相位疊加合成，以實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)[11][12]。超聲相控陣探頭最顯著的特點(diǎn)是可以靈活而有效地控制聲束形狀和聲壓分布。其聲束角度、焦柱位置、焦點(diǎn)位置通過電控而能在一定的圍實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)可調(diào)，而且在探頭不動(dòng)的情況下，可快速平移聲束。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是[13][14]：1、快速。相控陣線性掃查比常規(guī)探頭的光柵掃查要快很多，提高了檢測(cè)效率，同時(shí)也節(jié)省了費(fèi)用。2、靈活。單個(gè)相控陣探頭根據(jù)檢測(cè)要求采用不同的掃查方式就可以檢測(cè)不同的部件。3、可進(jìn)行復(fù)雜檢測(cè)。通過檢測(cè)方案設(shè)計(jì)，相控陣可以檢測(cè)幾何形面復(fù)雜的試塊，例如檢測(cè)焊縫和槽等。4、陣列尺寸小。小晶片陣列的探頭在檢測(cè)中易于應(yīng)用，例如，用在檢測(cè)空間受到限制的管道，葉輪等工件中。5、機(jī)械可靠性強(qiáng)。檢測(cè)時(shí)，若在工件上移動(dòng)量越少，則檢測(cè)系統(tǒng)將越可靠。相控陣檢測(cè)用電子掃查代替機(jī)械掃查，既減少了磨損，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的可靠性。6、可檢測(cè)性增強(qiáng)。波束的聚焦增加了信噪比，對(duì)于方向難以辨別的缺陷，可檢測(cè)性明顯增強(qiáng)。例如，在扇形掃查中，大量的A掃數(shù)據(jù)增加了每個(gè)角度的分辨率，進(jìn)而增強(qiáng)了檢出率。圖2為常規(guī)單晶探頭與陣列多晶探頭裂紋檢測(cè)對(duì)比。圖2常規(guī)單晶探頭與陣列多晶探頭裂紋檢測(cè)對(duì)比1.3超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)最初源于雷達(dá)天線電磁波相控陣技術(shù)，被用于醫(yī)療領(lǐng)域，在上世紀(jì)六十年代初期才被引入超聲自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域中[15][16]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè)，特別是在核工業(yè)和航空領(lǐng)域。近些年，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)發(fā)展尤為迅速，在超聲相控陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的仿真、生產(chǎn)、測(cè)試和應(yīng)用等方面已取得一系列的進(jìn)展，R/DTECH，IMASONIC及SIEMENS等公司已研制并生產(chǎn)了超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)和相控陣探頭。同時(shí)，動(dòng)態(tài)聚焦相控陣系統(tǒng)、二維陣列、自適應(yīng)聚焦相控陣系統(tǒng)，表面波及板波相控陣探頭的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用及完善已經(jīng)成為了研究的重點(diǎn)。目前，國(guó)在超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)上的研究與應(yīng)用還主要集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，工業(yè)上的應(yīng)用還有待于研究與提高。大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為我國(guó)數(shù)字化超聲相控陣檢測(cè)的研究創(chuàng)造了良好的條件。在工業(yè)的檢測(cè)中，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)條件，合理的選擇探頭及楔塊，合理的制定檢測(cè)方案，是具有一定的重要意義。以下主要介紹國(guó)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在不同類型焊縫檢測(cè)方面的應(yīng)用及成效。2不同類型焊縫中的應(yīng)用2.1對(duì)接焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于的對(duì)接焊縫缺陷承壓設(shè)備檢測(cè)，扇形掃描檢測(cè)的對(duì)接焊縫不同缺陷圖像有其獨(dú)特的特點(diǎn)。根據(jù)對(duì)同一性質(zhì)缺陷的相控陣檢測(cè)圖譜歸納總結(jié)，得出這類缺陷的圖譜，使得在其他操作員在實(shí)際檢測(cè)過程中有一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)來快速提高缺陷定性的準(zhǔn)確度。2.1.1氣孔如圖3所示，以CIVA數(shù)值模擬檢測(cè)及ESBeamTool聲場(chǎng)覆蓋區(qū)域確定探頭位置為指導(dǎo)，用相控陣扇掃檢測(cè)鋼板對(duì)接接頭焊縫多個(gè)不同大小的自然氣孔類缺陷的扇掃檢測(cè)圖。（a）（b）圖3氣孔缺陷扇掃檢測(cè)圖超聲相控陣的定性檢測(cè)單個(gè)氣孔非常準(zhǔn)確。缺陷的顯示圖像非常直觀，可以非常容易判斷其是氣孔缺陷。氣孔的顯示圖像近似為圓形狀或是橢圓狀，缺陷圖像相對(duì)較小，圖像邊界比較清晰，其過渡圍較小。氣孔缺陷中部紅色區(qū)域非常明顯，具有比較高的亮度。在缺陷的后端會(huì)跟著一個(gè)衍射波缺陷，將相控陣探頭左右移動(dòng)時(shí)，氣孔和其身后的衍射波會(huì)同時(shí)移動(dòng)。2.1.2裂紋裂紋檢測(cè)結(jié)果圖像的好壞取決于聲束與裂紋的角度。當(dāng)取向不佳時(shí)，聲束遇到缺陷信號(hào)不會(huì)反射回來而是折射出去，非常容易漏檢。所以相控陣檢測(cè)裂紋時(shí)要不斷改變探頭與裂紋直接的角度，找到最佳角度得到較好的檢測(cè)圖像。（a）（b）圖4裂紋缺陷扇掃檢測(cè)圖如圖4所示聲束與橫向裂紋缺陷呈90°角垂直掃查圖，可以看到超聲相控陣法對(duì)埋藏性裂紋的定性也非常準(zhǔn)確。當(dāng)聲束角度與裂紋角度為直角的時(shí)候，檢測(cè)缺陷圖像大致呈窄而細(xì)的線條狀，其左右兩端比較尖。左右移動(dòng)探頭缺陷會(huì)一直存在且裂紋圖像從左至右中間紅色部分逐漸明顯，又慢慢減小直到消失。2.1.3未焊透（a）（b）圖5未焊透缺陷扇掃檢測(cè)圖如圖5所示未焊透扇掃檢測(cè)結(jié)果中，其圖像一般為窄而扁的橢圓狀，邊緣沒有則圓潤(rùn)，將探頭左右移動(dòng)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的粗線條狀。在缺陷前后有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)衍射波圖像，在檢測(cè)時(shí)很容易于底面反射回波重合。超聲相控陣檢測(cè)未焊透缺陷圖像一般在一次波掃查圍，其缺陷位置在焊縫底端，深度與板厚相差不大。2.1.4夾渣（a）（b）圖6未焊透缺陷扇掃檢測(cè)圖如圖6所示，夾渣缺陷圖像形狀多不規(guī)則，邊緣不大清晰且總體亮度不高，與底色反差不大，檢測(cè)圖像一般呈有一個(gè)或是多個(gè)衍射波在其附近。且缺陷一般扁而長(zhǎng)，兩端較尖。前后左右移動(dòng)相控陣探頭，信號(hào)明顯滾動(dòng)，相控陣圖像上的主要細(xì)長(zhǎng)缺陷回波始終存在，邊緣不清晰，而且亮度與底色反差不大。從檢測(cè)結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，相控陣方法對(duì)夾渣缺陷的檢測(cè)圖像與裂紋有一定的相似，但仔細(xì)比對(duì)缺陷顯示的圖像非常直觀，其附近的衍射波多不規(guī)則。由于夾渣的形狀、大小和位置的不固定，將夾渣顯示圖和左側(cè)的A掃波形中結(jié)合起來很容易將其定性。2.1.5未熔合（a）（b）圖7未焊透缺陷扇掃檢測(cè)圖從檢測(cè)結(jié)果圖7發(fā)現(xiàn)，超聲相控陣檢測(cè)未熔合非常容易判定。其圖像一般是扁平的橢圓狀居多，有時(shí)候也會(huì)呈現(xiàn)條狀。其圖像邊緣輪廓不是很圓滑，缺陷中心部分亮度特別高，體現(xiàn)在紅色區(qū)域占整個(gè)缺陷部位區(qū)域較大。2.2T型角焊縫2.2.1檢測(cè)原理及方法T型填角焊縫試板結(jié)構(gòu)及其缺陷分布見圖8，缺陷情況見圖9。圖8中1*~5*缺陷分別代表裂紋、未焊透、翼板未熔合、坡口未熔合及氣孔。圖8T型填角焊縫試板結(jié)構(gòu)及其缺陷分布圖9T型填角焊縫試板缺陷情況T型填角焊縫部缺陷的回波需經(jīng)底平面二次反射得到。因此，所得的回波信號(hào)判別比較困難。為精確判別缺陷信號(hào)，得到清晰的缺陷圖像和準(zhǔn)確的缺陷定位，需進(jìn)行探頭的定位以及探測(cè)角度的設(shè)定。焊縫檢測(cè)參數(shù)計(jì)算如下：tanα=L/2Htanβ1=(L+3L1/2)/2H式中，H為板厚，L為探頭標(biāo)定原點(diǎn)到焊縫邊緣的距離，L1為腹板厚度或焊縫兩邊到腹板的寬度/mm;α為開始角度，β1為結(jié)束角度1，β2為結(jié)束角度。2.2.2檢測(cè)結(jié)果分析當(dāng)探頭沿焊縫邊平行移動(dòng)，結(jié)束角度為70°時(shí)，掃描圍包含了整個(gè)T型填角焊縫，探頭移動(dòng)至1*裂紋缺陷處發(fā)現(xiàn)一處回波信號(hào)，具體的檢測(cè)圖像見圖10。圖101*裂紋缺陷圖像保持實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，相控陣試板上2mm通孔在相同聲程的檢測(cè)圖像見圖8，由裂紋缺陷中心處的最強(qiáng)回波高度小于2mm模擬缺陷可以知道裂紋開口小于2mm，在探頭移動(dòng)的25mm圍均有連續(xù)缺陷圖像，這與實(shí)際缺陷長(zhǎng)度情況基本吻合。由圖7或者圖8中裂紋缺陷中心位置的角度為64°可以計(jì)算出裂紋缺陷中心離標(biāo)定原點(diǎn)的距離大約為46mm，在實(shí)際焊縫試塊中的位置見圖11。圖11中L1+L2=46mm，裂紋缺陷在焊縫中的位置得到了精確定位。圖11試板2mm通孔圖像對(duì)T型焊縫其余位置處的缺陷，均可以采用相同方式進(jìn)行缺陷位置的確定。將探頭移動(dòng)至2*、3*和4*缺陷位置處，取回波最強(qiáng)掃描得到的檢測(cè)截面見圖12。在5*氣孔缺陷位置處掃描無缺陷回波信號(hào)出現(xiàn)。(a)未焊透缺陷處(b)翼板未熔合缺陷處(c)坡口未熔合缺陷處圖122*~4*缺陷位置處檢測(cè)圖像3結(jié)語(yǔ)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)作為一種高速、精確的探傷方法不僅可用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與焊縫缺陷檢測(cè)，還可用于鍛件和新型材料等的檢測(cè)，該技術(shù)在壓力容器、航空航天和海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)等工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)[1]隋洪波，超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究：[碩士學(xué)位論文]，大學(xué),2003[2]SanEmeterio.J.L,Ramos.A,Sanz.P.T,ModelingNDTpiezoelectricultrasonictransmitters,2004,42(1-9):277~281[3]危平，王務(wù)同，超聲探傷發(fā)展簡(jiǎn)史，無損檢測(cè)，1997，19（1）：24～25[4]金長(zhǎng)善，超聲工程，：工業(yè)大學(xué)，1989：1～2[5]希拉德，超聲檢測(cè)新技術(shù)（積懋，余南廷），：科學(xué)，1991：1～3[6]Smith.B.J,Martin.R,puterinultrasonicNDT,1987,134(3):239~247[7]晨，煒，永亮，超聲數(shù)字式相控陣探頭動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)研制，應(yīng)用聲學(xué)，2000，19(6)：14～18[8]鐘志民，梅德松，超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無損檢測(cè)，2002，24(2)：69～71[9]GerbhardtW,Bonitzf,WollH.Defectreconstructionandclassificationbyphasedarrayultrasoundsystem.MaterialsEvaluation,1982,40(1):90～95.[10]GerbhardtW.Improvementofultrasonictestingbyphasedarrays.NuclearEngineeringDesign,1983,76(3):275-283.[11]R/DTechinc.,Introductiontophasedarrayultrasonictechnologyapplications,PublishedbyR/DTechinc.,2004[12]PaulA.Mayer,J