超聲相控陣技術(shù)在鋼制對(duì)接焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用研究

孟　輝（江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測(cè)有限公司，南京　211100）

超聲相控陣技術(shù)在鋼制對(duì)接焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用研究

孟輝
（江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測(cè)有限公司，南京211100）

焊接技術(shù)是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)之一，焊縫連接結(jié)構(gòu)具有周期短、密封性好、重量輕等特點(diǎn)，同時(shí)以其良好的力學(xué)性能得到青睞。然而，焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷卻大大降低了焊接性能。超聲相控陣能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零件和盲區(qū)的檢測(cè)，具有靈敏度高、結(jié)果直觀，實(shí)時(shí)顯示的優(yōu)點(diǎn)，在鋼制對(duì)接焊縫檢測(cè)中的具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

超聲相控陣技術(shù)；對(duì)接焊縫檢測(cè)；無(wú)損檢測(cè)

0　緒論

鋼材是現(xiàn)代化建設(shè)不可或缺的重要材料之一，其應(yīng)用范圍有目共睹。而焊接是加工鋼材的重要的重要技術(shù)手段之一，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使鋼材的焊接性能不斷提升，但仍不可避免的產(chǎn)生些許的缺陷。超聲相控陣技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為鋼制對(duì)接焊縫檢測(cè)中的重要應(yīng)用技術(shù)。

1　超聲相控陣技術(shù)的起源與發(fā)展

超聲波被人類所發(fā)現(xiàn)并作為一種檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用可追溯到第一次世界大戰(zhàn)期間，被用于對(duì)水下目標(biāo)的追蹤。近百年來(lái)，超聲檢測(cè)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮了不可替代的重要作用?？萍嫉陌l(fā)展也使各種新技術(shù)相互融合進(jìn)步，新技術(shù)不斷衍生。超聲相控陣技術(shù)逐漸走入人們的視野當(dāng)中。超聲相控陣技術(shù)源于相控陣?yán)走_(dá)，在相控陣?yán)走_(dá)的使用過程中，眾多的子天線但愿有序的排列，每個(gè)子單元的電磁波幅度和延時(shí)均可控，能夠達(dá)到一定空間范圍內(nèi)形成相對(duì)靈活的雷達(dá)波束。與之類似，超聲相控陣由眾多壓電陣組成的陣列換能器，達(dá)到聲波發(fā)射與接收的目的。［1］近些年來(lái)，超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，最初的應(yīng)用就是醫(yī)學(xué)中的B型超聲檢測(cè)與診斷技術(shù)，其應(yīng)用了超聲相控技術(shù)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的聚焦，其利用了相控陣所使用換能器快速移動(dòng)的特點(diǎn)，使聲束形成所檢測(cè)器官的影像。其次，利用它控制局部升溫，可達(dá)到熱療的效果，能夠在很大程度上提升目標(biāo)組織的吸收率。

在超聲相控陣技術(shù)起步的發(fā)展時(shí)期，其系統(tǒng)的復(fù)雜性較高，檢測(cè)存在很大的困難，且需要高額的檢測(cè)成本，其在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)上的應(yīng)用受到了極大的限制?？萍嫉陌l(fā)展使我們的生活日新月異，中國(guó)造船業(yè)崛起，船舶工業(yè)中對(duì)技術(shù)精度的要求越來(lái)越高，超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了用武之地。船舶檢測(cè)過程復(fù)雜，檢測(cè)量大，檢測(cè)條件較為苛刻，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的高精度、聚焦性、靈活直觀的特點(diǎn)使之越來(lái)越受到重視。同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的同步發(fā)展，數(shù)據(jù)分析處理能力的提升、納秒脈沖信號(hào)控制、壓電符合材料等高新技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)的崛起，也使超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用性大為提高。目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在石油天然氣、航空航天、核能建設(shè)、機(jī)械制造等各個(gè)領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)。超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，也成為眾多專家學(xué)者的研究?jī)?nèi)容，其應(yīng)用性也不斷提升，應(yīng)用前景被大多數(shù)學(xué)者所看好［2］。

2　超聲相控陣技術(shù)在鋼制對(duì)接焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

鋼材是工業(yè)化社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展的重要材料，而焊接是鋼材得以應(yīng)用的重要技術(shù)之一。對(duì)于焊接過程中形成的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，是保證工件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其在鋼制對(duì)接焊縫檢測(cè)中收到青睞。

2.1鋼制焊縫的檢測(cè)

鋼材是現(xiàn)代社會(huì)建設(shè)過程中不可或缺的重要材料之一，其應(yīng)用十分廣泛，涉及到社會(huì)生活的方方面面。焊接則是鋼鐵材料加工成型的重要手段之一，也是各國(guó)越來(lái)越重視的先進(jìn)制造技術(shù)之一?，F(xiàn)今，焊接技術(shù)也向著日益輕型化，大型化的方向發(fā)展，焊接效果也不斷提升，帶來(lái)了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益，成為國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和工程人員重要的研究?jī)?nèi)容。焊接技術(shù)包括物理化學(xué)兩方面的方法，實(shí)現(xiàn)材料間的重組連接，具有韌性好、強(qiáng)度高、重量輕，密封性好的優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)的許多大型工程，如三下大壩、鐵路與公路的建設(shè)過程中，均廣泛的應(yīng)用了焊接技術(shù)，鋼板的焊接技術(shù)也不斷取得新的突破。但是，焊接過程中也很容易產(chǎn)生各種缺陷，對(duì)各種缺陷的檢測(cè)是保證工件、工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在鋼制焊縫檢測(cè)方面受到越來(lái)越多的關(guān)注。

2.2超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的原理與特點(diǎn)

超聲相控陣技術(shù)被應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)，目前已經(jīng)到了大范圍的實(shí)際應(yīng)用階段。超聲相控陣技術(shù)實(shí)際上是通過對(duì)換能器陣列中各陣元進(jìn)行控制，改變激勵(lì)脈沖時(shí)間的延遲，以此來(lái)達(dá)到影響每一個(gè)陣元所發(fā)出的聲束到達(dá)檢測(cè)物體每個(gè)面每個(gè)點(diǎn)時(shí)的香味的關(guān)系，進(jìn)一步完成改變聲束方位和聚集點(diǎn)的變化，并以此為依據(jù)進(jìn)行成像。因?yàn)橄嗫仃囮囋蓜?dòng)態(tài)的改變延遲時(shí)間，因而超聲相控陣檢測(cè)中的探頭探傷實(shí)際上是利用了聲束可動(dòng)態(tài)聚焦以及角度可控兩大特性。與傳統(tǒng)的普通超聲檢測(cè)技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：首先，聚焦深度與聲束的角度都是可控的，可滿足更加復(fù)雜的區(qū)域和位置的檢測(cè)；其次，能夠完成高速的電子掃描，可通過晶片組合進(jìn)行專場(chǎng)控制；最后，在聲場(chǎng)強(qiáng)度上也遠(yuǎn)勝于普通的超聲檢測(cè)技術(shù)，可在很大程度上將聲束在檢測(cè)材料中衰減的影響降低，也可在一定范圍內(nèi)使用更高的檢測(cè)頻率。

2.3超聲相控陣技術(shù)在鋼制對(duì)接焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

鋼板的對(duì)接焊縫的檢測(cè)是超聲相控技術(shù)檢測(cè)中最為典型的應(yīng)用之一。其整個(gè)檢測(cè)過程中，避免了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)中焊縫兩側(cè)多次鋸齒形的掃查，僅需要沿焊縫的方向水平移動(dòng)即可。但同樣需要在檢測(cè)之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，需要在檢測(cè)之前根據(jù)檢測(cè)材料的特效和形狀來(lái)確定探頭的角度與頻率，控制聲速以及延遲檢測(cè)靈敏度，來(lái)綜合的進(jìn)行校準(zhǔn)。而編碼器的位置校準(zhǔn)后，誤差應(yīng)不高于3ram。鋼制對(duì)接焊縫的形狀通常有V型、K型、X型等，對(duì)它的檢測(cè)方法通常包括直射法（半跨距或一次波檢測(cè)）、底波一次法（全跨距或二次波檢測(cè)）等，應(yīng)用直射法，對(duì)焊縫的聲束掃描僅包含到下部，而底波一次法則實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)焊縫的覆蓋。［3］超聲相控技術(shù)對(duì)鋼制對(duì)接焊縫的檢測(cè)更有結(jié)果顯示直觀的特點(diǎn)，能在很大程度上提高缺陷檢測(cè)的精確度，提升工件的質(zhì)量，得到了廣泛的認(rèn)可和關(guān)注。

［1］郝培培.金屬材料超聲缺陷檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.南京信息工程大學(xué)，2013.

［2］劉曉睿.超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)和評(píng)價(jià)［D］.南京航空航天大學(xué)，2012.

［3］張巍.超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（07）：72.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.029