復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接件超聲相控陣檢測(cè)的數(shù)值仿真

江運(yùn)喜,單聯(lián)祺

(矩陣科技有限公司,北京 100102)

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要,很多產(chǎn)品的部分區(qū)域需要使用復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料焊接而成,往往其焊縫結(jié)構(gòu)也相當(dāng)復(fù)雜。常見的復(fù)雜焊縫結(jié)構(gòu)有接管、管交叉、T形連接、十字形連接、L 形連接以及一些用戶根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)的非常規(guī)連接等。對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí),由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,常常會(huì)出現(xiàn)很多信號(hào),這些信號(hào)可能是由其復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的,也有可能是真實(shí)的缺陷偽信號(hào),因此如何識(shí)別超聲波信號(hào)的來(lái)源就顯得異常重要。

1 超聲相控陣技術(shù)和CIVA 仿真模型介紹

常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)作為一種成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)己廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門,但用其對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊件進(jìn)行檢測(cè)還存在以下問(wèn)題:①檢測(cè)可靠性差。單探頭探傷儀無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描,對(duì)工件內(nèi)部也不能作詳細(xì)的檢查,致使很難對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià),更難判斷缺陷的形狀和性質(zhì)。②檢測(cè)結(jié)果直觀性差,對(duì)操作人員要求很高。現(xiàn)有的探傷儀,特別是A 型超聲波探傷儀,缺乏檢測(cè)結(jié)果的圖像化處理,對(duì)缺焰的判決依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn),不能直觀顯示缺陷形狀,容易造成誤判。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個(gè)單元,按照一定的延遲時(shí)間法則發(fā)射和接收超聲波信號(hào),從而控制聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦[1]。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比,超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。采用電子方法控制聲束聚焦和偏轉(zhuǎn),可以在不移動(dòng)或少移動(dòng)探頭的情況下進(jìn)行快捷的掃查,提高檢測(cè)速度;良好的聲束指向性能對(duì)復(fù)雜幾何形狀的工件進(jìn)行探查;通過(guò)控制焦點(diǎn)尺寸、焦點(diǎn)深度和聲束方向,可使檢測(cè)分辨率、信噪比和靈敏度等性能得到提高。相控陣超聲檢測(cè)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行超聲成像,可以得到物體的清晰均勻的高分辨率聲學(xué)成像,這對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析評(píng)定是很有利的。

CIVA 利用半解析模型原理,基于簡(jiǎn)化的假設(shè)或近似,對(duì)已有的模型進(jìn)行仿真,在計(jì)算超聲波聲場(chǎng)的同時(shí)還能計(jì)算聲束與缺陷的交互作用,能夠高效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)檢測(cè)結(jié)果?？梢陨筛鞣N復(fù)雜工件,可以進(jìn)行聲束模擬及探頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬、回波軌跡計(jì)算、超聲圖像重建和U T 數(shù)據(jù)可視化。CIVA 軟件是用于無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的專業(yè)平臺(tái)。它由模擬、成像和分析模塊組成,可用于檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)評(píng)估、3D 數(shù)據(jù)可視, 預(yù)測(cè)在實(shí)際無(wú)損探傷中的檢測(cè)能力。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

檢測(cè)對(duì)象選用復(fù)雜L 形連接鋁件,由兩塊厚度分別為36 和16 mm 的硬鋁焊接而成。整個(gè)工件上有兩條焊縫,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要,工件中出現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)度為10 mm 的未焊區(qū),在工件橫截面上制作五個(gè)直徑為1 mm 的橫孔作為人工缺陷(圖1)。圖中虛線部分為焊縫坡口,實(shí)心點(diǎn)為人工橫孔。

圖1 L 形連接鋁件橫截面示意圖

檢測(cè)采用M ulit 2000 32/128 超聲相控陣系統(tǒng),相控陣探頭為一維線陣探頭7.5L60(7.5 M Hz,60個(gè)晶片),并使用折射角度為50°的橫波楔塊, 探頭楔塊和工件的相對(duì)位置如圖2 所示。同時(shí)激發(fā)第45 號(hào)到第60 號(hào)晶片作為一組,設(shè)置扇形掃查角度為折射橫波30°～70°。

圖2 相控陣與工件的相對(duì)位置以及檢測(cè)工藝

實(shí)際測(cè)得扇形掃查圖像如圖3 所示。

圖3 使用相控陣系統(tǒng)采集的超聲波信號(hào)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖3 扇形掃查圖像中出現(xiàn)的信號(hào)顯示多達(dá)十處,如果僅通過(guò)當(dāng)量法來(lái)判斷缺陷是否需要記錄和判廢,無(wú)疑會(huì)得到多于五個(gè)缺陷的結(jié)論,這與實(shí)際情況嚴(yán)重不符合。因此需要采用CIVA 仿真來(lái)判斷信號(hào)的來(lái)源。

圖4 為采用CIVA 仿真模型得到的工件中不同部位和人工橫孔與聲束的交互作用。

圖4 CIVA 仿真超聲波信號(hào)

從圖4 中可以看出:孔1 可以被直接檢測(cè)出來(lái),在圖3 中可以看到孔1 的一次反射信號(hào);孔2 的位置處于未焊區(qū)后,一部分聲束被未焊區(qū)擋住,因此其信號(hào)相對(duì)較弱,可以在薄壁側(cè)再檢測(cè)一次來(lái)驗(yàn)證;由于未焊區(qū)的存在,上下尖端會(huì)出現(xiàn)反射信號(hào),如果其表面不光滑,可能會(huì)出現(xiàn)漫反射,表面也會(huì)有信號(hào)存在,因此在扇形掃查結(jié)果中可以看到上下尖端的信號(hào),且下尖端信號(hào)相對(duì)較弱;可以直接檢測(cè)孔3 的信號(hào),出現(xiàn)在未焊區(qū)下尖端信號(hào)右側(cè)的信號(hào)應(yīng)該為孔3 的一次反射信號(hào),同時(shí)在下尖端信號(hào)的左側(cè)也出現(xiàn)一個(gè)信號(hào)。使用CIV A 仿真模型來(lái)分析這個(gè)信號(hào)的來(lái)源,如圖5 所示,43°橫波信號(hào)發(fā)射后在未焊區(qū)表面上反射,反射聲束打到孔3 上,在孔3 上發(fā)生反射后沿聲束發(fā)射路徑返回并被探頭接收,因此在下尖端信號(hào)左側(cè)出現(xiàn)的信號(hào)為“偽信號(hào)”。同樣,46°發(fā)射聲束在未焊區(qū)表面上經(jīng)過(guò)反射后可以到達(dá)2 號(hào)焊縫表面,在焊縫表面發(fā)射后沿聲束發(fā)射路徑返回被探頭接收,因此在46°可以發(fā)現(xiàn)2 號(hào)焊縫表面的“偽信號(hào)”。對(duì)于在孔2 的斜下方還有1 個(gè)信號(hào),該信號(hào)為超聲波在焊縫1 的端角處的反射信號(hào)。孔4 和孔5 可以被直接檢測(cè)出來(lái),在圖3 中可以看到這兩個(gè)孔的一次反射信號(hào),由于一部分聲束被厚壁面擋住,因此其信號(hào)相對(duì)較弱,可以在薄壁側(cè)再檢測(cè)一次來(lái)驗(yàn)證。

圖5 采用CIVA 仿真模型得到的工件中不同部位和人工橫孔與聲束的交互作用

以上分析均通過(guò)擾動(dòng)人工橫孔和工件表面的方法得到證實(shí)。因此可以看出,圖3 中的9 個(gè)信號(hào)中,有5 個(gè)是來(lái)自人工橫孔的一次反射,2 個(gè)是工件內(nèi)部未焊區(qū)的上下尖端信號(hào),另外2 個(gè)是聲束經(jīng)過(guò)未焊區(qū)的反射,分別發(fā)生在孔3 和2 號(hào)焊縫的表面,應(yīng)計(jì)為“偽信號(hào)”?？梢园l(fā)現(xiàn),偽信號(hào)均是由未焊區(qū)反射造成的,因此可以認(rèn)為在上下尖端的聲束角度范圍內(nèi),出現(xiàn)在未焊區(qū)表面信號(hào)之后的信號(hào)都是“偽信號(hào)”。此外還有1 個(gè)信號(hào)是聲束直接打在焊縫1 的端角產(chǎn)生的反射回波信號(hào)。

在實(shí)際檢測(cè)中,可以不統(tǒng)計(jì)在上下尖端的聲束角度范圍內(nèi),出現(xiàn)在未焊區(qū)表面信號(hào)之后的信號(hào)。同時(shí)由于未焊區(qū)的存在以及焊縫的幾何形狀,會(huì)導(dǎo)致部分位置的缺陷波幅很低, 因此不能簡(jiǎn)單使用-6 dB法來(lái)評(píng)判缺陷,最可靠的方法是從焊縫的其它方向驗(yàn)證一次。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)超聲相控陣技術(shù)能夠檢測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫并能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行成像,但不能完全判斷信號(hào)的來(lái)源和位置。

(2)使用CIVA 仿真模型可以對(duì)超聲相控陣的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行有效分析。能夠指明信號(hào)的來(lái)源和真實(shí)位置,從而能準(zhǔn)確地對(duì)缺陷進(jìn)行定量。

(3)借助CIVA 仿真模型能夠制定相控陣檢測(cè)工藝并對(duì)檢測(cè)工藝進(jìn)行評(píng)估,可對(duì)實(shí)際檢測(cè)過(guò)程的缺陷評(píng)判起到指導(dǎo)性作用。

[1] 萬(wàn)敏, 王海濤,程繼隆, 等.超聲相控陣聲束控制特性分析[J] .無(wú)損檢測(cè),2009,31(11):859.