超聲相控陣技術(shù)在焊縫缺陷檢測中的應(yīng)用

-.z.超聲相控陣技術(shù)在焊縫檢測中的應(yīng)用摘要：簡述了超聲相控檢測方法誕生的背景以及相對傳統(tǒng)超聲檢測方法的技術(shù)的優(yōu)勢，著重介紹了超聲相控陣技術(shù)在對接焊縫以及T型角焊縫缺陷檢測中的應(yīng)用，并對超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用前景進行了展望。關(guān)鍵字：超聲相控陣技術(shù)對接焊縫T型角焊縫缺陷檢測Abstract:Outlinedtheadvantagesofultrasonicphaseddetectionmethodsparedwithconventionalultrasonicdetectionmethodsanditstechnicalbackground.HighlightedtheapplicationofultrasonicphasedarraytechnologyinthebuttweldsandT-typefilletwelddefectdetection,andprospectedthephasedarraytechnology.Keywords:UltrasonicphasedarraytechnologybuttweldT-typefilletwelddefectdetection1超聲相控陣檢測方法1.1傳統(tǒng)超聲檢測方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測發(fā)展為兩種檢測方法：傳統(tǒng)超聲檢測（UA）和超聲相控陣檢測(UPA)。傳統(tǒng)超聲檢測的探頭中只有一個晶片，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四十年代，在五十年代時廣泛應(yīng)用于一些先進國家的機械制造和造船工業(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)重于超聲檢測儀的研制及超聲檢測標準的制定。六十年代，德國KrautKramer公司成功研制了小型超聲波檢測儀，是超聲波檢測技術(shù)的一次飛躍[3][4][5]。八十年代，微處理器在檢測系統(tǒng)的成功應(yīng)用標志著數(shù)字超聲檢測時代的到來。隨著計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路以及信號處理技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測由手動檢測向全自動檢測方向發(fā)展，進一步提高了檢測效率[6]。隨著檢測要求的提高，傳統(tǒng)超聲檢測的靈敏度也需要提高。提高超聲波檢測的靈敏度，增大檢測聲束能量是關(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)中的衰減越嚴重，檢測效果更不佳。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，以實現(xiàn)發(fā)射聲束在檢測區(qū)域聚焦，從而減小了聲束的擴散角[7]。但是，上述方法只能夠?qū)崿F(xiàn)定點聚焦。而在超聲檢測中不是檢測固定區(qū)域，而是要經(jīng)常調(diào)整檢測區(qū)域，則需相應(yīng)地調(diào)整聚焦方向和焦點位置。若應(yīng)用上述方法調(diào)焦，則需要根據(jù)檢測區(qū)域的位置更換透鏡或更換不同曲率的超聲探頭。這樣使檢測變得復(fù)雜，同時也降低了檢測速度。于是，提出了超聲相控陣無損檢測方法[8][9][10]。如圖1所示，為超聲相控陣檢測幾何缺陷原理示意圖。圖1超聲相控陣檢測原理示意圖1.2超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢超聲相控陣技術(shù)是基于惠更斯原理。相控陣探頭是由多個晶片組成的陣列，陣列的陣元在電信號的激勵下以可控的相位發(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)化成電信號再以可控的相位疊加合成，以實現(xiàn)缺陷的檢測[11][12]。超聲相控陣探頭最顯著的特點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、焦點位置通過電控而能在一定的圍實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)可調(diào)，而且在探頭不動的情況下，可快速平移聲束。與傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢是[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，提高了檢測效率，同時也節(jié)省了費用。2、靈活。單個相控陣探頭根據(jù)檢測要求采用不同的掃查方式就可以檢測不同的部件。3、可進行復(fù)雜檢測。通過檢測方案設(shè)計，相控陣可以檢測幾何形面復(fù)雜的試塊，例如檢測焊縫和槽等。4、陣列尺寸小。小晶片陣列的探頭在檢測中易于應(yīng)用，例如，用在檢測空間受到限制的管道，葉輪等工件中。5、機械可靠性強。檢測時，若在工件上移動量越少，則檢測系統(tǒng)將越可靠。相控陣檢測用電子掃查代替機械掃查，既減少了磨損，同時也增加了系統(tǒng)的可靠性。6、可檢測性增強。波束的聚焦增加了信噪比，對于方向難以辨別的缺陷，可檢測性明顯增強。例如，在扇形掃查中，大量的A掃數(shù)據(jù)增加了每個角度的分辨率，進而增強了檢出率。圖2為常規(guī)單晶探頭與陣列多晶探頭裂紋檢測對比。圖2常規(guī)單晶探頭與陣列多晶探頭裂紋檢測對比1.3超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展超聲相控陣檢測技術(shù)最初源于雷達天線電磁波相控陣技術(shù)，被用于醫(yī)療領(lǐng)域，在上世紀六十年代初期才被引入超聲自動檢測領(lǐng)域中[15][16]。隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)無損檢測，特別是在核工業(yè)和航空領(lǐng)域。近些年，超聲相控陣檢測技術(shù)發(fā)展尤為迅速，在超聲相控陣系統(tǒng)的設(shè)計、系統(tǒng)的仿真、生產(chǎn)、測試和應(yīng)用等方面已取得一系列的進展，R/DTECH，IMASONIC及SIEMENS等公司已研制并生產(chǎn)了超聲相控陣檢測系統(tǒng)和相控陣探頭。同時，動態(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。目前，國在超聲相控陣檢測技術(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，為我國數(shù)字化超聲相控陣檢測的研究創(chuàng)造了良好的條件。在工業(yè)的檢測中，根據(jù)檢測對象和檢測條件，合理的選擇探頭及楔塊，合理的制定檢測方案，是具有一定的重要意義。以下主要介紹國超聲相控陣檢測技術(shù)在不同類型焊縫檢測方面的應(yīng)用及成效。2不同類型焊縫中的應(yīng)用2.1對接焊縫超聲相控陣檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于的對接焊縫缺陷承壓設(shè)備檢測，扇形掃描檢測的對接焊縫不同缺陷圖像有其獨特的特點。根據(jù)對同一性質(zhì)缺陷的相控陣檢測圖譜歸納總結(jié)，得出這類缺陷的圖譜，使得在其他操作員在實際檢測過程中有一個參考標準來快速提高缺陷定性的準確度。2.1.1氣孔如圖3所示，以CIVA數(shù)值模擬檢測及ESBeamTool聲場覆蓋區(qū)域確定探頭位置為指導(dǎo)，用相控陣扇掃檢測鋼板對接接頭焊縫多個不同大小的自然氣孔類缺陷的扇掃檢測圖。（a）（b）圖3氣孔缺陷扇掃檢測圖超聲相控陣的定性檢測單個氣孔非常準確。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。在缺陷的后端會跟著一個衍射波缺陷，將相控陣探頭左右移動時，氣孔和其身后的衍射波會同時移動。2.1.2裂紋裂紋檢測結(jié)果圖像的好壞取決于聲束與裂紋的角度。當取向不佳時，聲束遇到缺陷信號不會反射回來而是折射出去，非常容易漏檢。所以相控陣檢測裂紋時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圖像。（a）（b）圖4裂紋缺陷扇掃檢測圖如圖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埋藏性裂紋的定性也非常準確。當聲束角度與裂紋角度為直角的時候，檢測缺陷圖像大致呈窄而細的線條狀，其左右兩端比較尖。左右移動探頭缺陷會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圖如圖5所示未焊透扇掃檢測結(jié)果中，其圖像一般為窄而扁的橢圓狀，邊緣沒有則圓潤，將探頭左右移動，有時會出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的粗線條狀。在缺陷前后有時候會出現(xiàn)一點點衍射波圖像，在檢測時很容易于底面反射回波重合。超聲相控陣檢測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，檢測圖像一般呈有一個或是多個衍射波在其附近。且缺陷一般扁而長，兩端較尖。前后左右移動相控陣探頭，信號明顯滾動，相控陣圖像上的主要細長缺陷回波始終存在，邊緣不清晰，而且亮度與底色反差不大。從檢測結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，相控陣方法對夾渣缺陷的檢測圖像與裂紋有一定的相似，但仔細比對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圖從檢測結(jié)果圖7發(fā)現(xiàn)，超聲相控陣檢測未熔合非常容易判定。其圖像一般是扁平的橢圓狀居多，有時候也會呈現(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)域占整個缺陷部位區(qū)域較大。2.2T型角焊縫2.2.1檢測原理及方法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，所得的回波信號判別比較困難。為精確判別缺陷信號，得到清晰的缺陷圖像和準確的缺陷定位，需進行探頭的定位以及探測角度的設(shè)定。焊縫檢測參數(shù)計算如下：tanα=L/2Htanβ1=(L+3L1/2)/2H式中，H為板厚，L為探頭標定原點到焊縫邊緣的距離，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檢測結(jié)果分析當探頭沿焊縫邊平行移動，結(jié)束角度為70°時，掃描圍包含了整個T型填角焊縫，探頭移動至1*裂紋缺陷處發(fā)現(xiàn)一處回波信號，具體的檢測圖像見圖10。圖101*裂紋缺陷圖像保持實驗參數(shù)不變，相控陣試板上2mm通孔在相同聲程的檢測圖像見圖8，由裂紋缺陷中心處的最強回波高度小于2mm模擬缺陷可以知道裂紋開口小于2mm，在探頭移動的25mm圍均有連續(xù)缺陷圖像，這與實際缺陷長度情況基本吻合。由圖7或者圖8中裂紋缺陷中心位置的角度為64°可以計算出裂紋缺陷中心離標定原點的距離大約為46mm，在實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T型焊縫其余位置處的缺陷，均可以采用相同方式進行缺陷位置的確定。將探頭移動至2*、3*和4*缺陷位置處，取回波最強掃描得到的檢測截面見圖12。在5*氣孔缺陷位置處掃描無缺陷回波信號出現(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*缺陷位置處檢測圖像3結(jié)語超聲相控陣檢測技術(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，還可用于鍛件和新型材料等的檢測，該技術(shù)在壓力容器、航空航天和海洋平臺結(jié)構(gòu)等工業(yè)無損檢測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。參考文獻[1]隋洪波，超聲相控陣檢測系統(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)展簡史，無損檢測，1997，19（1）：24～25[4]金長善，超聲工程，：工業(yè)大學(xué)，1989：1～2[5]希拉德，超聲檢測新技術(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，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