厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷檢測(cè)的超聲聚焦技術(shù)

郭偉燦，錢(qián)盛杰

(1.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020；2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048)

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厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷檢測(cè)的超聲聚焦技術(shù)

郭偉燦1，錢(qián)盛杰2

(1.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020；2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048)

厚壁筒形件的周向超聲檢測(cè)過(guò)程中，超聲波對(duì)內(nèi)表面徑向缺陷檢測(cè)的靈敏度受到多種因素的影響。常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)存在靈敏度低、缺陷定位困難等難點(diǎn)；采用聚焦技術(shù)可提高檢測(cè)的靈敏度，但橫波接觸聚焦法的檢測(cè)范圍受曲面和聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)等因素限制。采用柔性超聲相控陣聚焦技術(shù)，根據(jù)曲面形狀設(shè)計(jì)聚焦法則，可以有效地解決厚壁筒形件徑向缺陷超聲檢測(cè)的技術(shù)難題。試驗(yàn)結(jié)果表明：提出的柔性相控陣聚焦技術(shù)對(duì)厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷具有較高的檢測(cè)信噪比。

超聲檢測(cè);厚壁筒形件;超聲相控陣技術(shù);徑向缺陷;柔性探頭

對(duì)內(nèi)外徑之比不大于0.6的厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷進(jìn)行周向超聲檢測(cè)時(shí)，常規(guī)的周向超聲檢測(cè)技術(shù)存在純橫波檢測(cè)困難、聲波干涉以及曲界面導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度降低等技術(shù)難點(diǎn)[1-2]。檢測(cè)時(shí)，采用純橫波技術(shù)通常使得聲束軸線與內(nèi)表面缺陷的夾角接近90°，理論上端角反射率很高，但實(shí)際上入射波、反射波在邊界上發(fā)生互相干涉而導(dǎo)致對(duì)內(nèi)表面裂紋檢測(cè)的靈敏度降低[3-4]；采用縱波技術(shù)時(shí)，聲壓往復(fù)透射率較低，而使得檢測(cè)靈敏度較低。采用聚焦技術(shù)可提高檢測(cè)靈敏度，但常規(guī)的超聲聚焦技術(shù)最大焦距只能在一個(gè)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度左右，焦距再增加聚焦效果卻不明顯[4]。另外，由于探頭和工件接觸面是曲面，聲束在曲界面的入射角各不相同，導(dǎo)致通過(guò)波型轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的折射聲束不能在原定的焦點(diǎn)附近會(huì)聚。相對(duì)于常規(guī)超聲聚焦技術(shù)，相控陣技術(shù)可以動(dòng)態(tài)聚焦并實(shí)現(xiàn)多角度、多方向掃查[5]。但剛性相控陣探頭存在曲表面聲耦合、界面波型轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。筆者在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出采用周向超聲柔性相控陣檢測(cè)技術(shù)，并根據(jù)曲面形狀設(shè)計(jì)聚焦法則，可以有效解決厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的技術(shù)難題。

1 線聚焦超聲檢測(cè)技術(shù)

1.1 理論分析

厚壁筒形件內(nèi)表面裂紋的周向超聲檢測(cè)方法主要有純橫波法、雙重波型檢測(cè)法、小角度縱波切內(nèi)壁法、變型橫波端角反射法、變型橫波切內(nèi)壁法[4]。但上述方法能量不夠集中，對(duì)內(nèi)表面徑向缺陷的檢測(cè)靈敏度偏低，而采用斜入射線聚焦方式可以提高厚壁筒形件內(nèi)壁徑向缺陷的檢測(cè)靈敏度。斜入射線聚焦方式一般利用直探頭，通過(guò)楔塊將聲束斜入射到工件中。為了實(shí)現(xiàn)接觸式檢測(cè)，根據(jù)聚焦條件，通常采用高聲速的有機(jī)玻璃作為凹面聲透鏡，采用另一種較低聲速的有機(jī)玻璃作為楔塊，其斜探頭聲透鏡聚焦原理如圖1所示[5]。圖1中，α為入射角，β為折射角，LF為焦柱長(zhǎng)度，ΦF為焦柱直徑，DF為焦柱中心離工件表面的距離。

圖1 有機(jī)玻璃凹聲透鏡聚焦原理示意

筆者采用圖2所示的雙重坐標(biāo)系，對(duì)斜探頭聲透鏡的聚焦聲場(chǎng)進(jìn)行分析。直角坐標(biāo)系原點(diǎn)在聲透鏡背面中心上(見(jiàn)圖2(a))，x、y軸分別為透鏡長(zhǎng)度和高度方向，z軸垂直于透鏡背平面(xOy面)。圖2(a)中a、b分別為壓電晶片的長(zhǎng)度和寬度,ds為面積微元。柱面坐標(biāo)系(見(jiàn)圖2(b))取透鏡內(nèi)表面的圓柱體幾何中心作為原點(diǎn)，r為透鏡的曲率半徑，θ為透鏡曲面上投影點(diǎn)處的半徑與z軸正方向的夾角[6],O′為聲透鏡曲率中心，O″為焦點(diǎn)，f為聲透鏡的焦距。

圖2 柱面聲透鏡模型

假設(shè)晶片由一系列點(diǎn)源組成，每個(gè)點(diǎn)源向外發(fā)射單一頻率的球面波，設(shè)球面波聲壓為P1，不考慮點(diǎn)源之間的相互干涉，且假設(shè)到達(dá)聲透鏡背面(xoy面)的時(shí)間相同。得到空間一點(diǎn)M(x，y，z)處的聲壓為[6-7]:

(1)

式中：p0為原始聲信號(hào)幅值;c1為透鏡材料中的聲速;c2為水中的聲速；R為空間任意點(diǎn)M到透鏡曲面上的距離，計(jì)算如式(2)。

(2)

式中：(x1,y1,r(1-cosθ))為透鏡曲面上的點(diǎn)。

1.2 聲場(chǎng)仿真

實(shí)際中，根據(jù)式(1)求解線聚焦超聲探頭在空間的聲場(chǎng)分布比較困難，筆者采用CIVA超聲仿真軟件計(jì)算線聚焦超聲探頭在厚壁筒形件的聲場(chǎng)分布。由于探頭和工件接觸面是曲面，聲束在曲界面的入射角各不相同，為保證入射聲速都轉(zhuǎn)換為折射橫波，因此聚焦探頭的橫波折射角要比33.2°的臨界角大一些，筆者采用橫波折射角37°的聚焦超聲探頭檢測(cè)內(nèi)徑r為140 mm、外徑R為200 mm的筒形件，得到的CIVA仿真聲場(chǎng)如見(jiàn)圖3(a)所示，而相應(yīng)的非聚焦探頭的CIVA仿真聲場(chǎng)如圖3(b)所示。對(duì)比圖3(a)，(b)，如果聚焦距離較大，相對(duì)于非聚焦探頭，線聚焦超聲探頭的聚焦效果并不明顯。同樣，筆者采用橫波折射角為37°的聚焦超聲探頭檢測(cè)內(nèi)徑r為70 mm、外徑R為100 mm的筒形件，得到的CIVA仿真聲場(chǎng)如圖4(a)所示，而相應(yīng)的非聚焦探頭的CIVA仿真聲場(chǎng)如圖4(b)所示，對(duì)比圖4(a)，(b)，其線聚焦超聲探頭的聚焦效果就十分明顯。

圖3 r=140 mm，R=200 mm筒形件聚焦效果對(duì)比

圖4 r=70 mm,R=100 mm筒形件聚焦效果對(duì)比

2 柔性相控陣探頭曲面聚焦技術(shù)

2.1 理論分析

有機(jī)玻璃楔塊線聚焦技術(shù)雖然能起到一定的聚焦作用，但由于探頭和工件接觸面是曲面，聲束在曲界面的入射角各不相同，導(dǎo)致通過(guò)波型轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的折射聲束不能在原定的焦點(diǎn)附近會(huì)聚，且常規(guī)的超聲聚焦技術(shù)最大焦距只能在一個(gè)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度左右，焦距再增加聚焦效果并不明顯[5]。而采用超聲柔性相控陣曲面聚焦技術(shù)，可以有效解決厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的技術(shù)難題。

曲面相控陣聚焦原理示意如圖5所示，線陣元沿曲面排列，運(yùn)用電子技術(shù)，按計(jì)算得到的時(shí)序控制激發(fā)各個(gè)陣元，使陣列中各陣元發(fā)射的超聲縱波疊加形成一個(gè)新的波陣面[7]，最終聲束在厚壁筒形件內(nèi)壁會(huì)聚，并使聚焦聲束以一定角度(通常為45°左右)入射到內(nèi)壁。同樣，在反射波的接收過(guò)程中，按一定規(guī)則和時(shí)序控制接收陣元的接收并進(jìn)行信號(hào)合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示出來(lái)， 由此實(shí)現(xiàn)超聲波聲束的動(dòng)態(tài)聚焦。

圖5 曲面相控陣聚焦原理示意

以外徑為300 mm、內(nèi)徑為150 mm的厚壁筒形件為例，如采用曲面相控陣聚焦探頭，探頭由16個(gè)陣元組成，每個(gè)陣元晶片長(zhǎng)度為16 mm，晶片寬度為1.2 mm，探頭間距為0.8 mm。以中軸線為界，右邊8個(gè)探頭從左到右依次編號(hào)n為：1至8；左邊8個(gè)探頭從右到左依次編號(hào)n為：-1至-8。則各探頭中心到C點(diǎn)的距離為

(3)

由式(3)可求出各探頭中心到C點(diǎn)的距離，表1為各探頭中心到C點(diǎn)的距離及傳輸時(shí)差。

陣元沿曲面排列，運(yùn)用電子技術(shù)，按表1計(jì)算得到的時(shí)序控制激發(fā)各個(gè)陣元，使陣列中各陣元發(fā)射的超聲波疊加形成一個(gè)新的波陣面，在厚壁筒形件內(nèi)壁會(huì)聚，產(chǎn)生的聚焦聲束以45°入射到內(nèi)壁，使內(nèi)表面徑向缺陷的檢測(cè)靈敏度大幅提高。

2.2 聲場(chǎng)仿真

為探究柔性相控陣探頭效果，筆者用CIVA軟件進(jìn)行聲場(chǎng)仿真分析，仿真使用的聚焦方法為單點(diǎn)聚焦，CIVA仿真的具體參數(shù)見(jiàn)表2，柔性相控陣探頭在厚壁筒形件中的CIVA仿真聲場(chǎng)如圖6所示。從圖6可得出，柔性相控陣探頭在內(nèi)外徑之比為0.7,0.6,0.5的厚壁筒形件中均有較好的聚集效果，可以用于厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷的檢測(cè)。

表1 各探頭中心到C點(diǎn)的距離及傳輸時(shí)差

圖6 柔性相控陣探頭在不同內(nèi)外徑比的厚壁筒形件中的聚焦聲場(chǎng)

表2 CIVA仿真參數(shù)

3 檢測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)上述的理論分析，為驗(yàn)證超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷檢測(cè)的可靠性，筆者加工了試驗(yàn)用厚壁筒形件對(duì)比試塊，對(duì)比試塊的規(guī)格、簡(jiǎn)圖和實(shí)物見(jiàn)表3與圖7。試塊上的線切割槽用以模擬徑向缺陷，所有試塊的寬度為40 mm。

表3 試塊規(guī)格

圖7 試塊結(jié)構(gòu)尺寸示意與實(shí)物照片

筆者用柔性相控陣探頭曲面聚焦技術(shù)對(duì)B1、B2、B3試塊進(jìn)行內(nèi)表面徑向缺陷檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可看出，采用柔性相控陣探頭曲面聚焦技術(shù)檢測(cè)內(nèi)外徑之比為0.7，0.6，0.5的厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷，均有較高的信噪比。

表4 柔性相控陣探頭曲面聚焦技術(shù)檢測(cè)內(nèi)表面徑向缺陷的信噪比 dB

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)CIVA仿真分析，如果選擇合適的焦距，線聚焦超聲探頭能在筒形件內(nèi)壁獲得較好的聚焦效果。

(2) 采用柔性超聲相控陣聚焦技術(shù)，根據(jù)曲面形狀設(shè)計(jì)聚焦法則，通過(guò)CIVA仿真分析，柔性相控陣探頭在內(nèi)外徑之比為0.7，0.6，0.5的厚壁筒形件中均有較好的聚集效果，適用于厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷的檢測(cè)。

(3) 通過(guò)厚壁筒形件產(chǎn)品對(duì)比試塊的人工缺陷檢測(cè)試驗(yàn)表明，提出的柔性相控陣技術(shù)對(duì)厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷檢測(cè)具有較高的信噪比，可以有效解決厚壁筒形件內(nèi)壁徑向缺陷超聲檢測(cè)的技術(shù)難題。

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Ultrasonic Focusing Technique for Testing Internal Surface Radial Defects of Thick Walled Cylindrical Item

GUO Wei-can1, QIAN Sheng-jie2

((1.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310020, China; 2.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

When circumferential ultrasonic testing is performed for thick walled cylindrical item, the testing sensitivity of internal surface radial defects is affected by various factors. The conventional circumferential ultrasonic testing could not receive satisfied performance because of its low sensitivity and of difficulty in locating defects. The testing sensitivity of internal surface radial defects can be improved by ultrasonic focusing technique. However, the contact transverse wave ultrasonic focusing technique is limited by various factors such as curved interface and sound-field structure. A flexible phased array technique is performed in the paper, and a flexible probe is designed which can be in good match to the surface of thick walled cylindrical item. The focal law is designed based on the curved shape and can effectively solve the difficult testing problem of internal surface radial defects of thick walled cylindrical item. The experimental results show that the flexible phased array technique has high signal to noise ratio for detecting internal surface radial defects of thick walled cylindrical item.

Ultrasonic testing; Thick walled cylindrical item; Ultrasonic phased array technique; Radial defects; Flexible probe

2016-04-26

郭偉燦(1968-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槌袎涸O(shè)備檢驗(yàn)與無(wú)損檢測(cè)等。

郭偉燦,E-mail：gwcndt@126.com。

10.11973/wsjc201612013

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0055-04