超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用

摘 要:超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)因其自身的優(yōu)勢(shì)性特點(diǎn)在現(xiàn)代制造行業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。文章簡(jiǎn)要介紹了該技術(shù)的基本原理、與常規(guī)超聲檢測(cè)的對(duì)比及檢測(cè)的一般要求，列舉了超聲相控陣技術(shù)在焊縫檢測(cè)及鋼鍛件檢測(cè)中的典型應(yīng)用，并指明其優(yōu)勢(shì)性。

關(guān)鍵詞:相控陣檢測(cè) 扇形掃查 三維數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào):TG4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0072-01

超聲相控陣是一種成像檢測(cè)新技術(shù)，其產(chǎn)生始于20世紀(jì)60年代，初期主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為人體器官成像。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)，尤其在核工業(yè)與航空技術(shù)領(lǐng)域取得了很多技術(shù)上的突破，解決了很多傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法解決的難題。最近幾年，超聲相控陣技術(shù)發(fā)展迅速，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、過(guò)程仿真、算法研究等方面均取得一系列成就?？梢哉f(shuō)，超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)成為一門(mén)獨(dú)立的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)學(xué)科，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐。

1 超聲相控陣技術(shù)基本原理

超聲相控陣換能器的設(shè)計(jì)基于惠更斯原理，換能器由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，每個(gè)晶片稱為一個(gè)單元，按一定的規(guī)則和時(shí)序排列。用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)單元，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個(gè)新的波陣面。同樣，在反射波的接收過(guò)程中，按一定規(guī)則和時(shí)序控制接收單元的接收并進(jìn)行信號(hào)合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示。由其原理可知，相控陣換能器最顯著的特點(diǎn)是可以靈活、便捷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)尺寸及位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動(dòng)態(tài)可調(diào);而且探頭內(nèi)可快速平移聲束。因此與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì):a.通過(guò)軟件電子控制波束可提高檢測(cè)能力，用單軸扇形掃查替代柵格形掃查可提高檢測(cè)速度;b.不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭可掃查厚大工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域，成為解決尺寸和空間限制問(wèn)題的有效手段;c.優(yōu)化控制焦柱長(zhǎng)度、焦點(diǎn)尺寸和聲束方向，在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性;d.原生數(shù)據(jù)豐富，便于多次分析，還原檢測(cè)過(guò)程及被測(cè)體空間特征。

2 超聲相控陣設(shè)備與探頭

近年來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相控陣檢測(cè)設(shè)備的體積和重量在不斷減小，從本世紀(jì)初期的幾十公斤到目前的幾公斤。設(shè)備的功能也在不斷完善，目前多采用扇形掃查(S型掃查)界面，并輔以A、B、C、D型掃查方式，檢測(cè)人員可以根據(jù)需要自由選擇多種組合，使缺陷在工件中的空間特征一目了然，為缺陷準(zhǔn)確定位、定性、定量創(chuàng)造了有利條件。

探頭是相控陣設(shè)備的核心部件，晶片的數(shù)量從16個(gè)發(fā)展到今天的256個(gè)以上，按其晶片形式可分為線陣、面陣和環(huán)形陣列。線陣最為成熟，具有加工容易、控制電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中使用較多。目前已有含256個(gè)單元的線陣(N×1)，可滿足多數(shù)情況下的應(yīng)用要求;面陣又叫二維陣列(N×M)，可對(duì)聲束實(shí)現(xiàn)三維控制，對(duì)超聲成像及提高圖像質(zhì)量大有益處。

3 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

3.1 鋼板對(duì)接焊縫的超聲相控陣檢測(cè)

檢測(cè)對(duì)接焊縫是相控陣技術(shù)最典型的應(yīng)用。檢測(cè)時(shí)探頭無(wú)需像常規(guī)超聲那樣在焊縫兩側(cè)頻繁地作鋸齒形掃查，只需在平行于焊縫的方向作水平移動(dòng)。檢測(cè)前同樣需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的尺寸及材質(zhì)，確定好探頭與楔塊，在標(biāo)準(zhǔn)試塊(如ⅡW試塊等)上對(duì)聲速、楔塊的延遲、檢測(cè)靈敏度及系統(tǒng)的綜合線性進(jìn)行校準(zhǔn)。在校驗(yàn)試塊中應(yīng)設(shè)有適當(dāng)數(shù)量的多種人工缺陷，以確保整個(gè)焊縫體積以及熱影響區(qū)都能被檢測(cè)到。此外，還應(yīng)對(duì)編碼器進(jìn)行位置校準(zhǔn)，當(dāng)掃查裝置移動(dòng)300mm時(shí)，一般認(rèn)為誤差不應(yīng)超過(guò)3mm。

常見(jiàn)焊縫坡口形式有X型、K型、V型等，這里以V型坡口為例，說(shuō)明聲束傳輸?shù)目臻g形態(tài)。圖1表示超聲相控陣探頭聲束掃查焊縫的截面圖。當(dāng)使用直射法(即一次波或半跨距)檢測(cè)時(shí)，焊縫僅下半部被聲束掃查到;用底波一次法(即二次波或全跨距)檢測(cè)時(shí)，聲束就能覆蓋整個(gè)焊縫截面。比如圖1中A點(diǎn)，只能被二次波檢測(cè)到。焊縫檢測(cè)中相控陣探頭的掃查角度為30°～70°，在儀器檢測(cè)界面，使用2.5倍厚度左右的檢測(cè)范圍，整個(gè)焊縫體積就能顯示在一個(gè)單一圖像中。

3.2 管道環(huán)焊縫的超聲相控陣檢測(cè)

管道環(huán)焊縫的檢測(cè)需求極大地推動(dòng)了超聲相控陣技術(shù)的蓬勃發(fā)展，相控陣技術(shù)發(fā)展初期也是期望于在管道環(huán)焊縫的檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，目前管道環(huán)焊縫自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成熟，充分體現(xiàn)了相控陣檢測(cè)不可替代的優(yōu)越性。相比于常規(guī)超聲檢測(cè)，在管道環(huán)焊縫的檢測(cè)中相控陣技術(shù)的優(yōu)越性除了體現(xiàn)在探頭角度方面外，更體現(xiàn)在自動(dòng)化檢測(cè)方面。管道焊縫一般較薄，對(duì)探頭尺寸和角度的要求非常挑剔，使用常規(guī)手動(dòng)超聲波檢測(cè)效率很低。引入超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)裝置后，只要將軌道安裝在合適的位置，在爬行裝置、編碼裝置及探頭分工協(xié)作下，瞬間即可完成整個(gè)圓周的檢測(cè)，并完成檢測(cè)圖譜的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，檢測(cè)效率可提高數(shù)倍。檢測(cè)時(shí)對(duì)管道表面的光潔度、管道的圓度、焊縫表面成形有很高要求。

3.3 鋼鍛件的的超聲相控陣檢測(cè)

常規(guī)超聲波檢測(cè)鋼鍛件時(shí)，不宜出現(xiàn)螺紋、鍵槽、銷孔等不利于檢測(cè)的結(jié)構(gòu)形式，然而在在役檢測(cè)中，這些不利因素的存在卻在所難免。使用相控陣技術(shù)很多時(shí)候可以解決這些問(wèn)題。以螺栓為例，在加工出螺紋后，常規(guī)超聲檢測(cè)很難區(qū)分螺紋回波與螺紋底部裂紋產(chǎn)生的回波;同時(shí)直探頭對(duì)裂紋反射的靈敏度不高，且移動(dòng)空間較小。采用超聲相控陣技術(shù)可以很好地克服這些困難，缺陷的類型及分布能夠直觀地顯示，有助于檢測(cè)人員作出準(zhǔn)確的判斷。下圖是螺栓實(shí)際檢測(cè)的示意圖，其中橢圓區(qū)域?yàn)槿毕蒿@示。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲相控陣檢測(cè)界面S型掃描與A、B、C、D型掃描相結(jié)合，可以靈活而有效地控制聲束，完善缺陷表征信息，實(shí)時(shí)獲得并存儲(chǔ)缺陷三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的永久性保存。超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)性特點(diǎn)在眾多富有挑戰(zhàn)性檢測(cè)中的成功應(yīng)用，使之成為無(wú)損檢測(cè)的重要方法之一，具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。