相控陣技術(shù)對(duì)焊縫缺陷檢測(cè)的研究及應(yīng)用

華月姣

安陽(yáng)中科工程檢測(cè)有限公司 河南安陽(yáng) 455000

1 相控陣檢測(cè)技術(shù)

1.1 概述

相控陣檢測(cè)是一種通過(guò)對(duì)陣列傳感器各獨(dú)立陣元按一定的延遲法則進(jìn)行激勵(lì)、接收，合成特定形式聲場(chǎng)，通過(guò)超聲波數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示出來(lái)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)時(shí)間延遲相繼激發(fā)探頭中多個(gè)晶片，每個(gè)激活晶片發(fā)射的超聲波束相互干涉形成新的波束，通過(guò)軟件調(diào)整，新波束的角度、焦距、焦點(diǎn)尺寸等均可根據(jù)檢測(cè)需要予以改變。與傳統(tǒng)TOFD、超聲測(cè)厚、A型脈沖回波檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)探頭即具備多個(gè)性質(zhì)相同的晶片，通過(guò)控制聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度、波束寬度形成不同的虛擬探頭（VPA），從而可對(duì)試件進(jìn)行高速、全方位和多角度的檢測(cè)，在掃查過(guò)程中可形成大量A掃和C掃數(shù)據(jù)，且通過(guò)相控陣儀器數(shù)據(jù)處理可實(shí)現(xiàn)以S掃的形式顯示出來(lái)。

1.2 基本原理

根據(jù)費(fèi)爾馬原理，可以計(jì)算出晶片的激發(fā)時(shí)間和延遲時(shí)間，使所有晶片產(chǎn)生的柱狀波（球面波）的波前在同一時(shí)間到達(dá)空間的同一點(diǎn)，波束都是柱狀聚焦或球面聚焦的，基于缺陷的反射波被晶片接收來(lái)檢測(cè)，通過(guò)聚焦法則計(jì)算器，計(jì)算出每個(gè)晶片的延時(shí)，從而得出波束偏轉(zhuǎn)和聚焦的深度和角度，檢測(cè)得到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整，可在多個(gè)視圖中顯示。利用超聲探測(cè)儀按預(yù)先設(shè)定的波前延時(shí)值觸發(fā)各通道相控陣裝置，從而形成激勵(lì)脈沖，通過(guò)各壓電陣元均產(chǎn)生聲束，使陣列探頭中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成入射波前。接收時(shí)，通過(guò)界面或者缺陷反射波，按預(yù)定的延時(shí)值，接受回波信號(hào)并進(jìn)行累加，經(jīng)過(guò)超聲探測(cè)儀處理即顯示出來(lái)。

2 國(guó)內(nèi)外相控陣檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)外相控陣檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用已得到ASTME2491：2006，ASMEE2007-9，JISZ3070：1998，EN16018：2011，ISO/DIS13588：2010等標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可。其中研究及應(yīng)用相控陣較為深入的國(guó)家主要有法國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等。2005年，GE研發(fā)的超聲相控陣油氣管道檢測(cè)系統(tǒng)正式投入使用，得到良好的檢測(cè)效果；同時(shí)，GE與聯(lián)邦材料試驗(yàn)研究所（BAM）、德國(guó)鐵路(DB)聯(lián)合研發(fā)了用于檢測(cè)火車(chē)輪軸關(guān)鍵部位橫向裂紋的超聲相控陣系統(tǒng)。ISO13588-2010標(biāo)準(zhǔn)是到目前為止最為先進(jìn)的相控陣標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)設(shè)定了四種等級(jí)，并允許采用長(zhǎng)度法及波幅法對(duì)缺陷進(jìn)行驗(yàn)收（或評(píng)估），但此標(biāo)準(zhǔn)不包含對(duì)缺陷驗(yàn)收的等級(jí)。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)于超聲相控陣的研究起步較晚，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都在積極研究制訂超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)工藝和儀器性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，如中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正研究討論相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能與檢驗(yàn)，而中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)相控陣檢測(cè)儀器技術(shù)條件、鋼對(duì)接焊縫相控陣超聲檢測(cè)方法及缺陷分級(jí)做了規(guī)范[1]。但迄今都還在討論階段，尚未制訂具體的標(biāo)準(zhǔn)。在相控陣檢測(cè)技術(shù)理論研究上，清華大學(xué)基于設(shè)計(jì)了二維矩陣相控陣，對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行了三維成像。天津大學(xué)研制了超聲相控陣管道環(huán)焊縫檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)環(huán)焊縫的相關(guān)檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，獲得很好的缺陷分析結(jié)果[2]。由于國(guó)內(nèi)擁有相控陣設(shè)備單位比較少且檢驗(yàn)技術(shù)不成熟，對(duì)相控陣檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的各種性質(zhì)的缺陷特別是裂紋的認(rèn)識(shí)還不足。因此有必要對(duì)相控陣檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的不同性質(zhì)的缺陷進(jìn)行特征分析，提高焊縫缺陷的檢測(cè)能力，確保設(shè)備的安全運(yùn)行[3]。

3 相控陣檢測(cè)技術(shù)在對(duì)接焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

相控陣檢測(cè)技術(shù)在承壓類(lèi)特種設(shè)備對(duì)接焊縫檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用，本試驗(yàn)選用400mm×400mm×17mm材質(zhì)為Q345R的缺陷模擬試塊為例，采用OlympusOmniscanmx2相控陣檢測(cè)儀。S掃描視圖為由扇掃描聲束組成的扇面形狀的圖像顯示，圖像中橫坐標(biāo)表示離開(kāi)探頭前沿的距離（步進(jìn)軸），縱坐標(biāo)表示深度（超聲軸），沿扇面弧線方向的坐標(biāo)表示角度。焊縫檢測(cè)時(shí)，S掃描顯示的是探頭前方焊縫的橫截面信息。真實(shí)的裂紋類(lèi)缺陷，通常會(huì)有一個(gè)較強(qiáng)烈的底面端角反射信號(hào)，同時(shí)在該反射信號(hào)上會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的較弱的尖端衍射信號(hào)。在S掃描視圖上，通過(guò)改變角度光標(biāo)的位置，找到上端點(diǎn)和下端點(diǎn)的位置，并將參考光標(biāo)和測(cè)量光標(biāo)放置于上下端點(diǎn)位置。通過(guò)測(cè)量得到最終缺陷的測(cè)量尺寸如下：缺陷長(zhǎng)度S(mr)=7．90mm（實(shí)際長(zhǎng)度為8．00mm），缺陷深度U(r)=16．70mm（實(shí)際深度為16．50mm），缺陷高度U(m-r)=5．48mm（實(shí)際高度為5．6mm），誤差均小于2．5%，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際缺陷相符。

4 結(jié)語(yǔ)

相控陣檢測(cè)技術(shù)在對(duì)接焊縫檢測(cè)中，焊縫缺陷可通過(guò)S掃描圖像進(jìn)行定性和定量分析，與常規(guī)A掃脈沖波形相比，相控陣技術(shù)檢測(cè)的缺陷信號(hào)和幾何信號(hào)圖像更易分辨和儲(chǔ)存。運(yùn)用相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)承壓類(lèi)特種設(shè)備焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)能獲得更多波形，可以更有效快速的發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷隱患，生成可視云圖實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，確保其安全運(yùn)行狀況，達(dá)到提高設(shè)備安全運(yùn)行的目的，切實(shí)保障國(guó)民人身和財(cái)產(chǎn)安全。