相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用相控制超聲波檢測(cè)作為一種獨(dú)特的技術(shù)，在21世紀(jì)初進(jìn)入成熟階段。上世紀(jì)80年代初,相控陣超聲波技術(shù)從醫(yī)療領(lǐng)域躍入工業(yè)領(lǐng)域。80年代中期,壓電復(fù)合材料的研制成功,為復(fù)合型相控陣探頭的制作開創(chuàng)新途徑。90年代初,歐美將相控陣技術(shù)作為一種新的無損評(píng)價(jià)(NDE)方法,編入超聲檢測(cè)手冊(cè)和無損檢測(cè)工程師培訓(xùn)教程。自1895年至1992年,該技術(shù)主要用于核反應(yīng)壓力容器(管接頭)、大鍛件軸類,及汽輪機(jī)部件的檢測(cè)。壓電復(fù)合技術(shù)、微型機(jī)制、微電子技術(shù)、及計(jì)算機(jī)功率(包括探頭設(shè)計(jì)和超聲波與試件相互作用的模擬程序包)的最新發(fā)展,對(duì)相控陣技術(shù)的完善和精細(xì)化都有卓著貢獻(xiàn)。功能軟件也使計(jì)算機(jī)能力大大增強(qiáng)。相控陣超聲波技術(shù)用于無損檢測(cè),最先是為動(dòng)力工業(yè)解決下列檢測(cè)問題:①要用單探頭在固定位置檢出不同位置和任意方向的裂紋;②要對(duì)檢測(cè)異種金屬焊縫和離心鑄造不銹鋼焊縫提高信噪比和定量能力;③要提高聲束掃查可靠性;④要對(duì)難以接近的受壓給水反應(yīng)器或沸水反應(yīng)堆部件進(jìn)行檢測(cè);⑤要縮短在用設(shè)備維修檢測(cè)時(shí)間,提高生產(chǎn)效率;⑥要檢測(cè)和定量形狀復(fù)雜的汽輪機(jī)部件中的應(yīng)力腐蝕小裂紋;⑦要減少在用檢測(cè)人員射線吸收劑量;⑧要對(duì)一些臨界缺陷(不論缺陷方向)提高檢測(cè)、定位、定量和定向精度;⑨要對(duì)“合乎使用”(或稱“工程臨界評(píng)定”或“壽命評(píng)價(jià)”)檢測(cè)提供易于判讀的定量分析報(bào)告。在其他工業(yè)領(lǐng)域,如航空航天、國防、石油化工、機(jī)械制造等,對(duì)超聲無損檢測(cè)也都有類似的改進(jìn)和強(qiáng)化需求。一般都集中在相控陣超聲技術(shù)的一些主要優(yōu)點(diǎn)上,即:①速度快:相控陣技術(shù)可進(jìn)行電子掃描,比通常的光柵掃描快一個(gè)數(shù)量等級(jí);②靈活性好:用一個(gè)相控陣探頭,就能涵蓋多種應(yīng)用,不象普通超聲探頭應(yīng)用單一有限;③電子配置:通過文件裝載和校準(zhǔn)就能進(jìn)行配置,通過預(yù)置文件就能完成不同參數(shù)調(diào)整;④探頭小巧:對(duì)某些檢測(cè),可接近性是“攔路虎”,而對(duì)相控陣,只需用一小巧的陣列探頭,就能完成多個(gè)單探頭分次往復(fù)掃查才能完成的檢測(cè)任務(wù)。十年前,相控陣超聲技術(shù)在工業(yè)上已鋒芒畢露。便攜式相控陣探傷儀的推出,更是倍受青睞:儀器可單人現(xiàn)場(chǎng)操作,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送、遠(yuǎn)程分析。最近,國內(nèi)大專院校和研究所及電子儀器設(shè)備制造公司,也在投注力量,加速研制,使國產(chǎn)相控陣儀器早日問世。2超聲波相位控制矩陣的原理2.1超聲檢測(cè)原理超聲波是由電壓激勵(lì)壓電晶片探頭在彈性介質(zhì)(試件)中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。工業(yè)應(yīng)用大多要求使用0.5MHz～15MHz的超聲頻率。常規(guī)超聲檢測(cè)多用聲束擴(kuò)散的單晶探頭,超聲場(chǎng)以單一折射角沿聲束軸線傳播,其聲束擴(kuò)散可能是對(duì)檢測(cè)方向性小裂紋唯一有利的“附加”角度。假設(shè)將整個(gè)壓電晶片分割成許多相同的小晶片,令小晶片寬度e遠(yuǎn)小于其長度W。每個(gè)小晶片均可視為輻射柱面波的線狀波源,這些線狀波源的波陣面就會(huì)產(chǎn)生波的干涉,形成整體波陣面。這些小波陣面可被延時(shí)并與相位和振幅同步,由此產(chǎn)生可調(diào)向的超聲聚焦波束。2.2超聲聚焦波束的檢測(cè)超聲相控陣技術(shù)的主要特點(diǎn)是多晶片探頭中各晶片的激勵(lì)(振幅和延時(shí))均由計(jì)算機(jī)控制。壓電復(fù)合晶片受激勵(lì)后能產(chǎn)生超聲聚焦波束,聲束參數(shù)如角度、焦距和焦點(diǎn)尺寸等均可通過軟件調(diào)整。掃描聲束是聚焦的,能以鏡面反射方式檢出不同方位的裂紋。這些裂紋可能隨機(jī)分布在遠(yuǎn)離聲束軸線的位置上。用普通單晶探頭,因移動(dòng)范圍和聲束角度有限,對(duì)方向不利的裂紋或遠(yuǎn)離聲束軸線位置的裂紋,很易漏檢(見圖1)。2.3脈沖寬度預(yù)處理在發(fā)射過程中,探傷儀將觸發(fā)信號(hào)傳送至相控陣控制器。后者將信號(hào)變換成特定的高壓電脈沖,脈沖寬度預(yù)先設(shè)定,而時(shí)間延遲由聚焦律界定。每個(gè)晶片只接收一個(gè)電脈沖,所產(chǎn)生的超聲波束有一定角度,并聚焦在一定深度。該聲束遇到缺陷即反射回來。接收回波信號(hào)后,相控陣控制器按接收聚焦律變換時(shí)間,并將這些信號(hào)匯合一起,形成一個(gè)脈沖信號(hào),傳送至探傷儀。2.4換能器上的回波信號(hào)為產(chǎn)生相位上有相長干涉的聲束,用有微小時(shí)差的電脈沖分別激勵(lì)陣列探頭各單元(晶片)。來自材料中某一焦點(diǎn)(如缺陷等)的回波,以可計(jì)算的時(shí)差返回各換能器單元,見圖2。在信號(hào)匯合前,各換能器單元上的接收回波信號(hào)均有時(shí)差。信號(hào)匯合后形成的A-掃描圖形,顯示了材料中某一焦點(diǎn)的回波特性,也顯示了材料中其它各點(diǎn)不同衰減的回波特性。聲束垂直和傾斜入射時(shí)的聚焦原理示于圖3。每個(gè)單元上的延時(shí)值取決于相陣列探頭上激勵(lì)單元的“窗口”尺寸、波型、折射角和聚焦深度。2.5陣列位置掃描計(jì)算機(jī)控制的聲束掃描模式主要有以下三種:(1)電子掃描(又稱E掃描):高頻電脈沖多路傳輸,按相同聚焦律和延時(shí)律觸發(fā)一組晶片(圖4);聲束則以恒定角度,沿相陣列探頭長度(所謂“窗口”)方向進(jìn)行掃描,這相當(dāng)于用常規(guī)超聲換能器為腐蝕檢測(cè)作光柵掃描或作橫波檢驗(yàn)。用斜楔時(shí),對(duì)楔內(nèi)不同延時(shí)值要用聚焦律作修正。(2)動(dòng)態(tài)深度聚焦(簡稱DDF):超聲束沿聲束軸線,對(duì)不同聚焦深度進(jìn)行掃描。實(shí)際上,發(fā)射聲波時(shí)使用單個(gè)聚焦脈沖,而接收回波時(shí)則對(duì)所有編程深度重新聚焦(圖5)。(3)扇形掃描(又稱S掃描,方位掃描或角掃描):使陣列中相同晶片發(fā)射的聲束,對(duì)某一聚焦深度在掃描范圍內(nèi)移動(dòng);而對(duì)其它不同焦點(diǎn)深度,可增加掃描范圍。扇形掃描區(qū)大小可變。3相控制矩陣延遲法或集中法3.1單元延遲和激勵(lì)單元的影響無斜楔探頭(即與試件直接接觸的探頭)由程控產(chǎn)生的縱波,按聚焦律延時(shí)結(jié)果,對(duì)聚焦深度呈一拋物線狀。自探頭邊緣向中心移動(dòng),延時(shí)值由小而大。焦距倍增,則延時(shí)值減半(圖5)。陣列單元芯距增大,則單元延時(shí)值線性增大(圖6)。探頭無斜楔而聲束偏轉(zhuǎn)成扇形(有方位角)時(shí),在等同單元上的延時(shí)取決于激勵(lì)單元在陣列窗口(主動(dòng)窗,Activeaperture)中的位置,也取決于產(chǎn)生的聲束角度(圖7)。延時(shí)值隨聲束折射角和激勵(lì)晶片數(shù)而增大。3.2ple與斜叉根據(jù)沿特定路徑到達(dá)時(shí)間最短的費(fèi)馬原理(Fermat’sprinciple),裝在斜楔上的相控陣探頭能給出產(chǎn)生不同聲束形狀的延時(shí)律(圖8)。延時(shí)值取決于激勵(lì)單元位置和程控折射角。其他型式的相控陣探頭(如矩陣或圓錐形),可能需要對(duì)延時(shí)律數(shù)值、對(duì)聲束形貌評(píng)價(jià)設(shè)定高級(jí)模式。3.3精確控制控制在所有情況下,陣列中每個(gè)晶片上的延時(shí)值均需精確控制。最小延時(shí)增量決定了探頭最高可用頻率,后者由下式界定,即:nfcnfc式中n—陣列單元數(shù)fc—中心頻率4相控制矩陣系統(tǒng)的基本組成相控陣儀器的基本掃描系統(tǒng)主要組成見圖9。5相位控制單元的基本掃描和圖像5.1超聲檢測(cè)顯示在機(jī)械驅(qū)動(dòng)的掃描過程中,數(shù)據(jù)采集按編碼器位置,而數(shù)據(jù)顯示則呈現(xiàn)不同的視圖(包括C顯示、B顯示、S顯示和CT顯示等),以供缺陷分析評(píng)定。通常,相控陣使用多重A掃描疊加顯示(也稱B掃描顯示)。這些A顯示是由相控陣探頭各壓電小晶片(單元)產(chǎn)生的,與之相應(yīng)的聲束角度、聲傳播時(shí)間和延時(shí)值各各不同。與A掃描總數(shù)相應(yīng)的實(shí)時(shí)信息,是在某一探頭位置獲得的,顯示為扇形掃描圖(即S掃描圖),或電子B掃描圖。S掃描和電子掃描均能產(chǎn)生整體檢測(cè)圖像,由此可快速獲取超聲波在所有方位檢測(cè)到的試件形貌或缺陷相關(guān)信息(見圖10)。將試件數(shù)據(jù)標(biāo)繪在二維(平面)圖即所謂“校正的S掃描圖”上,能使超聲檢則結(jié)果的分析和評(píng)定簡單明了。S掃描有以下優(yōu)點(diǎn):①能在掃描過程中顯示圖像;②能顯示實(shí)際深度;③能由二維顯示再現(xiàn)體積。5.2人工缺陷檢測(cè)掃描在探頭移動(dòng)過程中,將線掃描、S掃描與多角度掃描組合一起,就能改進(jìn)成像結(jié)果。S掃描顯示與其他視圖相結(jié)合,可構(gòu)成缺陷成像圖或識(shí)別圖。圖11表示對(duì)四種不同形狀的人工缺陷(角槽、球孔、柱孔和橫孔),進(jìn)行相控陣檢測(cè)的掃描示圖,缺陷形狀尺寸與B掃描顯示結(jié)果,兩者關(guān)系一目了然。相控陣檢測(cè)時(shí),陣列探頭幾乎不用前后來回移動(dòng),就能用縱波和橫波對(duì)試件橫截面進(jìn)行組合掃描,這對(duì)方向性缺陷的檢測(cè)和定量非常有利(見圖12)。按圖中布置,只要通過計(jì)算機(jī)軟件按延時(shí)律移動(dòng)陣列“主動(dòng)窗”,就能使超聲波束對(duì)方向性缺陷的檢測(cè)和定量角度達(dá)到最佳狀態(tài),獲取最佳顯示。5.3圓形聚焦聲束識(shí)別圓柱形、橢圓形或球面狀聚焦聲束有較高信噪比(即缺陷識(shí)別能力強(qiáng)),且傳播聲束比擴(kuò)散聲束窄小。圖13表示用圓柱形聚焦聲束識(shí)別一簇小孔的C掃描和B掃描圖形。實(shí)時(shí)掃描可結(jié)合探頭移動(dòng),數(shù)據(jù)則歸并成單個(gè)視圖(見圖14)。其優(yōu)點(diǎn)是:①檢測(cè)重復(fù)性高;②缺陷定位方便;③圖像標(biāo)繪精確;④缺陷成像直觀。圖15表示對(duì)體積狀缺陷作多次扇形掃描所輸出的“切片”圖。每個(gè)切片展示不同位置的缺陷斷面。此類切片頗似對(duì)缺陷作定量表征分析的金相切片。6掃描三種形式(1)超聲相控陣探頭晶片(單元)的激勵(lì)(振幅和延遲)均由計(jì)算機(jī)控制,聲束角度、焦距、焦點(diǎn)等參數(shù)可通過預(yù)置軟件進(jìn)行調(diào)整。(2)改變陣列組合單元的延時(shí)值,可改變聲束聚焦深度,改變聲束角度,也能改變波型,由此可對(duì)方向性缺陷獲得最佳檢測(cè)和定量結(jié)果。(3)計(jì)算機(jī)控制的掃描模式有電子掃描(線掃描)、動(dòng)態(tài)聚焦掃描和扇形掃描三種,應(yīng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象特點(diǎn)和檢測(cè)目的適當(dāng)選用。(4)無斜楔相控陣探頭作直探傷時(shí),聚焦深度呈拋物線型,陣列單元激勵(lì)延時(shí)值相關(guān)于焦距和陣列單元芯距:焦距倍增,延時(shí)量減半;單元芯距增大,延時(shí)量線性增大。(5)無斜楔相控陣探頭作斜探傷時(shí),發(fā)射扇形聲束,陣列單元激勵(lì)延時(shí)值取決于所需聲束折射角,也取決于陣列單元在相控陣探頭“主動(dòng)窗”中的位置:折射角大,激勵(lì)單元數(shù)多,則延時(shí)量大。(6)有斜楔相控陣探頭,具有給出不同聲束形狀的延遲律,延時(shí)值取決于陣列單元位置和程控折射角。(7)相控陣超聲檢測(cè)可通過四種形式顯示結(jié)果:B顯示(橫斷面),C