相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)概述及其發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是通過對(duì)換能器陣列不同單元在發(fā)射或接收聲波時(shí)施加不同時(shí)間延遲規(guī)則（聚焦法則），實(shí)現(xiàn)超聲聲束移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能的超聲成像檢測(cè)技術(shù)。聲束移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)及聚焦原理見圖1，超聲成像顯示見圖2。相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由換能器陣列和控制單元組成，換能器陣元按照一定的規(guī)則進(jìn)行排列，具有獨(dú)立的收/發(fā)控制模塊，當(dāng)換能器處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，控制單元按照一定的延時(shí)規(guī)律控制換能器各陣元的發(fā)射延時(shí)時(shí)間，從而控制發(fā)射超聲波束的聚焦和指向，實(shí)現(xiàn)聲束在一定范圍內(nèi)的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦。換能器接收過程同樣遵守上述幾何聚焦延遲規(guī)律，與換能器的發(fā)射狀態(tài)是互逆過程。檢測(cè)中，聲束遵循一定的規(guī)律在介質(zhì)中進(jìn)行傳播，當(dāng)介質(zhì)中缺陷處聲阻抗發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定聲強(qiáng)的反射信號(hào)。該點(diǎn)到達(dá)換能器陣列中各陣元的路徑不同，從而導(dǎo)致該點(diǎn)處產(chǎn)生的反射信號(hào)到達(dá)各陣元時(shí)間存在一定的差異。各陣元按照設(shè)定的延遲量Δt對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)求和，使來自缺陷的回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)同相，達(dá)到增強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)接收聚焦，相控陣超聲檢測(cè)原理如圖3所示。圖3相控陣超聲檢測(cè)原理圖相控陣超聲技術(shù)的最早應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代的醫(yī)學(xué)超聲診斷領(lǐng)域；到80年代早期，相控陣超聲從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展到工業(yè)領(lǐng)域；到80年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，相控陣超聲成像技術(shù)逐步應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域；到90年代，隨著小型便攜式相控陣超聲設(shè)備研制成功，相控陣超聲技術(shù)得到快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。在國(guó)外，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、電力、核工業(yè)等領(lǐng)域，如航空航天特種焊縫檢測(cè)、飛機(jī)機(jī)身腐蝕C掃描檢測(cè)、化工加氫反應(yīng)器特殊焊縫及位置檢測(cè)、大型渦輪葉片根部裂紋檢測(cè)、核容器大厚板異種鋼焊縫檢測(cè)、長(zhǎng)距離石油天然氣輸送管線對(duì)接焊縫檢測(cè)等。在國(guó)內(nèi)，隨著相控陣超聲技術(shù)于90年代末的引入，近年來在相控陣超聲設(shè)備開發(fā)、技術(shù)應(yīng)用等方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前在航空航天、核工業(yè)、橋梁及國(guó)防等領(lǐng)域已有較多應(yīng)用案例：在航空航天領(lǐng)域文獻(xiàn)記載使用相控陣超聲動(dòng)態(tài)聚焦方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)粉末高溫合金圓盤件的微小缺陷（Ф0.4-14dB）取得了較好的檢測(cè)效果及較高的檢測(cè)效率，使用噴水耦合的相控陣C掃描技術(shù)，在滿足檢測(cè)要求前提下能快速檢測(cè)出飛機(jī)復(fù)合材料脫粘缺陷；核工業(yè)中使用相控陣超聲檢測(cè)超厚板異種鋼對(duì)接焊縫具有常規(guī)超聲無法達(dá)到的檢測(cè)效果；在橋梁制造中，使用相控陣超聲技術(shù)對(duì)大型橋梁鋼箱梁U肋角焊縫的熔透深度進(jìn)行測(cè)量取得成功；在國(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用相控陣超聲技術(shù)進(jìn)行深潛器特殊位置焊縫的焊接質(zhì)量檢測(cè)，取得了理想的效果。相對(duì)于相控陣超聲技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)頒布實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)涉及儀器、探頭、試塊及檢測(cè)方法等諸多方面，目前主要標(biāo)準(zhǔn)見表1。美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ卷A篇強(qiáng)制性附錄Ⅳ及Ⅴ中對(duì)焊縫手工相控陣超聲檢測(cè)及采用E掃描、S掃描檢測(cè)焊縫進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定；ASTME2491及E2700等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相控陣技術(shù)的原理、工藝及性能評(píng)價(jià)等進(jìn)行了詳細(xì)敘述，并給出了相關(guān)應(yīng)用案例；GB/T32563是國(guó)內(nèi)首部相控陣超聲檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)方法及工藝設(shè)計(jì)等進(jìn)行了較詳細(xì)的描述。表1相控陣超聲技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱1ASTM

E2491-2013StandardGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicsofPhased-ArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystems2ASTME2700-2014StandardPracticeforContactUltrasonicTestingofWeldUsing

PhasedArrays3ASTM

E2904-2012StandardPracticeforCharacterization

andVerificationofPhasedArrayProbes4ISO

18563-12015Non-destructivetesting-CharacterizationandVerificationofultrasonicphasedarrayequipment-part1:Instruments5ISO

18563-22015Non-destructivetesting-CharacterizationandVerificationofultrasonic

phasedarrayequipment-part2:Probes6ISO

18563-32015Non-destructivetesting-CharacterizationandVerificationofultrasonic

phasedarrayequipment-part3:Combinedsystems7ISODIS13588-2015Non-DestructiveTestingofWelds-UltrasonicTesting-Useof(semi-)AutomatedPhasedArrayTechnology8ISO19285-2016Non-destructivetestingofwelds-Phasedarrayultrasonictesting(PAUT)-Acceptance

levels9ISO

19675-2017Non-destructivetesting-ultrasonictesting-Specificationfora

calibrationblockforphasedarraytesting(PAUT)10ASME2021Boiler&PressureVesselCodeSectionⅤNondestructive

Examination11EN

16018-2011Non-destructivetesting-Terminology-Termsusedinultrasonic

testingwithphasedarray12GB/T

32563-2016

無損檢測(cè)超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法13GB/T

29302-2012

相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能與檢驗(yàn)14