流量計(jì)對(duì)接焊縫超聲相控陣CIVA仿真研究

錢盛杰，黃海軍，賴 圣，汪 磊

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 寧波 315048)

流量計(jì)是過程自動(dòng)化儀表與裝置中的大類儀表之一，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)及人民日常生活等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、節(jié)約能源、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要工具。本文所述的流量計(jì)為噴嘴蒸汽流量計(jì)，主要用于工業(yè)管道中蒸汽介質(zhì)流體的流量測(cè)量，如圖1所示。該流量計(jì)由于其特殊的結(jié)構(gòu)原因，往往需要承受較大的焊接應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、疲勞載荷等；且該流量計(jì)的厚度較大，在焊接過程中由于焊縫冷卻過快或坡口形式復(fù)雜，容易造成裂紋、氣孔、未焊透和未熔合等缺陷產(chǎn)生，焊接質(zhì)量難以控制，給無損檢測(cè)帶來了很大的困難。流量計(jì)對(duì)接焊縫的無損檢測(cè)方法主要有射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)【1】。但磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)無法探測(cè)出焊縫內(nèi)部缺陷，射線檢測(cè)方法對(duì)于裂紋、未熔合等缺陷不敏感，檢測(cè)可靠性受結(jié)構(gòu)影響大并且伴有輻射危害【2】。常規(guī)超聲檢測(cè)理論上能實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)對(duì)接焊縫的檢測(cè)，但是該方法不能建立工件的模型并成像，而流量計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若采用超聲檢測(cè)，難以將超聲信號(hào)和幾何回波信號(hào)區(qū)分開來，容易造成誤檢。特別是接管附近的對(duì)接焊縫，由于此處結(jié)構(gòu)緊湊，常規(guī)探頭無法進(jìn)行移動(dòng)掃查，存在較大的檢測(cè)盲區(qū)。

針對(duì)上述問題，提出了相控陣技術(shù)，利用CIVA軟件仿真設(shè)計(jì)了小型相控陣探頭，并利用該探頭進(jìn)行了缺陷響應(yīng)研究，使檢測(cè)精度和檢測(cè)可靠性明顯提高，可有效保證流量計(jì)對(duì)接焊縫的制造質(zhì)量和使用安全。

圖1 流量計(jì)

1 相控陣探頭設(shè)計(jì)

1.1 相控陣斜探頭設(shè)計(jì)

1.1.1 頻率

為提高成像分辨率，頻率越高越好，但過高的頻率又會(huì)使聲束的衰減大大增加。課題中工件厚度為39 mm，根據(jù)該厚度初步選取5 MHz的探頭激發(fā)頻率。

1.1.2 陣元尺寸

由于頻率為5 MHz，采用橫波檢測(cè)，那么聲波的波長(zhǎng)為0.65 mm。若陣元間距太小，則需要較多的激發(fā)陣元個(gè)數(shù)，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；若陣元間距太大，則容易產(chǎn)生柵瓣，特別是在聲束偏轉(zhuǎn)的情況下。一般陣元間距選擇半波長(zhǎng)大小較為合適【3】。因此，初步選取寬度為0.3 mm、間距為0.4 mm、長(zhǎng)度為10 mm的相控陣陣元尺寸。此外，激發(fā)陣元個(gè)數(shù)決定相控陣的孔徑，進(jìn)而決定焦點(diǎn)的距離【4】。一般情況下，要檢測(cè)30 mm的鋼板，至少需要16個(gè)激發(fā)陣元，課題中工件厚度為39 mm，可以采取24或32的激發(fā)陣元個(gè)數(shù)。但在該結(jié)構(gòu)中，過多地增加陣元個(gè)數(shù)會(huì)使探頭變大，這樣一來探頭的移動(dòng)空間更小，甚至該空間的尺寸已不足以安放探頭。綜合考慮后，選取16個(gè)陣元的激發(fā)陣元個(gè)數(shù)。

1.1.3 楔塊設(shè)置

楔塊采用常規(guī)有機(jī)玻璃，由于課題中的流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸小，因此，需要設(shè)計(jì)與探頭相對(duì)應(yīng)的楔塊尺寸。在CIVA中設(shè)置的楔塊尺寸如圖2所示。其中，超聲波經(jīng)楔塊折射后在工件中的入射角為45°，方便超聲波對(duì)該工件的中部和下部進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 相控陣直探頭設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)上部分焊縫的檢測(cè)，需要進(jìn)行二次波扇形掃查，而在該結(jié)構(gòu)中斜探頭的二次波無法達(dá)到焊縫的上部，因此提出了利用相控陣直探頭進(jìn)行扇形掃查的方式來實(shí)現(xiàn)聲束對(duì)焊縫的全覆蓋?？紤]到設(shè)計(jì)加工探頭的成本因素，上述橫波斜探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)亦滿足檢測(cè)要求，故直探頭仍然采用相同的陣元尺寸和頻率進(jìn)行檢測(cè)。

2 掃查方式的確定

由于該探頭移動(dòng)范圍小，且焊縫深、底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給超聲檢測(cè)帶來了很大的困難。若采用常規(guī)超聲檢測(cè)，則需要多個(gè)K值的探頭進(jìn)行分區(qū)檢測(cè)，將導(dǎo)致檢測(cè)過程極為復(fù)雜。根據(jù)該工件的特征，通過相控陣斜探頭扇形掃查，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該焊縫的中部以及下部進(jìn)行檢測(cè)；通過相控陣直探頭二次波檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該焊縫上部的檢測(cè)。扇形掃查聲場(chǎng)覆蓋范圍如圖3所示。

圖2 楔塊設(shè)計(jì)尺寸

圖3 扇形掃查聲場(chǎng)覆蓋范圍

2.1 扇形掃查角度的確定

對(duì)于斜探頭檢測(cè)，若偏轉(zhuǎn)角度過大，則出現(xiàn)柵瓣效應(yīng)的幾率會(huì)增加【5】；而偏轉(zhuǎn)角過小，若小于第一臨界角，則會(huì)出現(xiàn)縱波，影響缺陷的定位【6】。因此，選取30°～65°的扇形掃查角度較為適宜。

對(duì)于直探頭檢測(cè)，探頭聲束可以覆蓋凹槽底部，超聲波可以覆蓋整個(gè)焊縫，如圖3(b)所示。因此，選取0°～30°的扇形掃查角度較為適宜。

2.2 探頭掃查移動(dòng)距離

設(shè)計(jì)的楔塊長(zhǎng)度為11 mm，檢測(cè)區(qū)域的空間約為20 mm，該探頭仍然有一定的空間可以移動(dòng)。

2.3 一次波/二次波檢測(cè)

對(duì)于斜探頭檢測(cè)，由于該探頭移動(dòng)范圍小，盡量采用一次波檢測(cè)。若強(qiáng)行進(jìn)行二次波掃查，則需要將扇形掃查角度減小到第一臨界角內(nèi)，而這樣就會(huì)出現(xiàn)縱波，所以無法進(jìn)行二次波掃查。因此，需要從焊縫的兩側(cè)分別進(jìn)行掃查，才能使聲束覆蓋焊縫的中部以及下部。

對(duì)于直探頭檢測(cè)，為了使聲束覆蓋斜探頭無法檢測(cè)到的焊縫上部，應(yīng)采用二次波檢測(cè)。需要注意的是，底部存在凹陷結(jié)構(gòu)，二次波掃查會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)回波，因此應(yīng)注意區(qū)分幾何回波和缺陷信號(hào)。

3 聲場(chǎng)仿真

3.1 斜探頭聲場(chǎng)仿真

根據(jù)上述相控陣參數(shù)仿真得到的扇形掃查圖像如圖4～圖6所示。為了觀察扇形掃查在各個(gè)角度的聲場(chǎng)情況，從扇掃中分別提取了在30°、45°和60°時(shí)的聲束圖。從圖中可以看出，該相控陣參數(shù)較好地滿足了該工件的檢測(cè)要求。

圖4 斜探頭扇形掃查30°聲束

圖5 斜探頭扇形掃查45°聲束

圖6 斜探頭扇形掃查60°聲束

3.2 直探頭聲場(chǎng)仿真

圖7所示為直探頭的聲場(chǎng)仿真。從圖7中可以看出，二次波的聲場(chǎng)可以覆蓋焊縫檢測(cè)區(qū)域。檢測(cè)時(shí)，需要探頭從兩側(cè)分別進(jìn)行扇形掃查。

圖7 直探頭聲場(chǎng)仿真

根據(jù)理論分析以及聲場(chǎng)仿真，最終確定了探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)。

表1 相控陣探頭的參數(shù)

4 缺陷響應(yīng)

4.1 斜探頭檢測(cè)缺陷響應(yīng)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的相控陣探頭的可行性以及確定檢測(cè)工藝，設(shè)計(jì)了流量計(jì)焊接試塊。試塊中含3個(gè)缺陷：坡口未熔合5 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬)、根部未焊透5 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬)、凹槽根部裂紋7 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬)。圖8為流量計(jì)焊接試塊的3種常見缺陷的在焊縫中的位置分布。

圖8 缺陷在焊縫中的位置分布

圖9為扇掃缺陷響應(yīng)。從圖9中可以看出：扇形掃查能發(fā)現(xiàn)上述3種缺陷信號(hào)。對(duì)于缺陷面垂直于聲束的缺陷回波信號(hào)很高，如圖9中的凹槽根部裂紋；坡口未熔合和根部未焊滿缺陷由于缺陷面的方向與聲束存在一定角度，導(dǎo)致回波信號(hào)較低，但也可以發(fā)現(xiàn)端點(diǎn)的衍射信號(hào)。

圖9 斜探頭扇掃缺陷響應(yīng)

由于扇形掃查角度和探頭移動(dòng)距離的限制，對(duì)于焊縫根部區(qū)域可能會(huì)存在一定的盲區(qū)，而該焊縫根部未焊滿是其常見的缺陷。因此，筆者提出了對(duì)該部位進(jìn)行線掃檢測(cè)的建議。如圖10(a)所示，將聚集點(diǎn)設(shè)置在焊縫的根部，可大大提高根部區(qū)域的靈敏度。

4.2 直探頭檢測(cè)缺陷響應(yīng)

為使聲束覆蓋焊縫的上部區(qū)域，采用上文中提出的直探頭進(jìn)行缺陷響應(yīng)仿真。在CIVA軟件中設(shè)計(jì)了φ3 mm氣孔缺陷，模擬了相控陣直探頭扇掃對(duì)該缺陷的檢測(cè)情況，如圖11所示。從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，該探頭可以檢測(cè)到距上表面10 mm的φ3 mm氣孔。此外，底部凹槽由于端角反射導(dǎo)致回波信號(hào)較大，應(yīng)注意與缺陷信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。

圖10 斜探頭線掃缺陷響應(yīng)

圖11 直探頭扇掃缺陷響應(yīng)

5 結(jié)論

1) 本文為一個(gè)針對(duì)特殊結(jié)構(gòu)件的相控陣探頭的設(shè)計(jì)開發(fā)案例，從探頭頻率、陣元尺寸、楔塊設(shè)計(jì)、掃查方式、聲場(chǎng)仿真和缺陷響應(yīng)等方面全面介紹了相控陣探頭的設(shè)計(jì)思路，對(duì)相控陣技術(shù)的推廣應(yīng)用具有一定的借鑒作用；

2) 利用本文設(shè)計(jì)的相控陣探頭可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)對(duì)接焊縫的檢測(cè)，其中斜探頭主要用于焊縫中部以及下部的缺陷檢測(cè)，直探頭主要用于焊縫上部的缺陷檢測(cè)；

3) CIVA軟件可以對(duì)任意工件進(jìn)行建模和聲場(chǎng)仿真研究，為專用探頭開發(fā)、試塊設(shè)計(jì)以及檢測(cè)工藝的確定提供了一個(gè)較好的仿真平臺(tái)。