基于超聲相控陣技術(shù)的復(fù)雜零件檢測研究

王哲，張超，李霞輝

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

超聲相控陣檢測技術(shù)屬于一門新的工業(yè)無損檢測技術(shù)，是近幾年才逐漸發(fā)展起來的新型檢測技術(shù)。超聲相控陣檢測技術(shù)的特點(diǎn)是：精準(zhǔn)度好、效率高和檢測速度快，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件之中運(yùn)用廣泛，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時成像及輸出分析等[1]。根據(jù)我國工業(yè)高速發(fā)展的現(xiàn)狀，對超聲相控陣技術(shù)在復(fù)雜零件檢測開展研究具有十分重大的意義。

1 超聲相控陣檢測技術(shù)的基本原理及優(yōu)點(diǎn)

縱觀40年的超聲相控陣技術(shù)研究和發(fā)展歷史，部分高校和研究機(jī)構(gòu)做出了較為深入的研究，并取得顯著成果。比如在超聲相控陣管道環(huán)焊縫檢測系統(tǒng)的研究之中，天津大學(xué)通過對環(huán)焊縫檢測的相關(guān)方法，得到了非常理想的缺陷結(jié)果分析，如飛機(jī)的復(fù)合材料檢測等。經(jīng)過多年的發(fā)展，超聲相控陣檢測技術(shù)在不斷得到創(chuàng)新和發(fā)展，逐漸走向成熟，并在航空工業(yè)及核工業(yè)等諸多相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1.1 超聲相控陣檢測技術(shù)的基本原理

雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)在不斷發(fā)展的情況之下，衍生出了超聲相控陣檢測技術(shù)。多個輻射單元通過排成陣列組成了相控陣?yán)走_(dá)，經(jīng)過控制陣列的天線后，每一個單元的相位和幅度產(chǎn)生了疊加，電磁波的輻射方向進(jìn)行了有關(guān)的改變，合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束。在超聲相控陣檢測中，換能器由通過非常多的大小形狀相同的壓電晶片排列而成，每一個晶片能獨(dú)立地發(fā)射出超聲波束，輸入一定的延時法則后，驅(qū)使電子系統(tǒng)控制并激發(fā)每一個晶片單元，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)控制聚焦的方向和位置，形成聚焦聲場[2]，如圖1所示。

圖1 各種超聲相控陣換能器

1.2 超聲相控陣檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

超聲相控陣檢測技術(shù)對比其他超聲檢測具備諸多優(yōu)點(diǎn)：①可以使用單一的探頭組合件中的很多個晶片對聲束進(jìn)行相關(guān)的聚焦、偏轉(zhuǎn)和掃查；②探頭尺寸更加小巧；③方便對難以接近檢測的部位進(jìn)行檢測；④利用扇形掃查的聲束偏轉(zhuǎn)，可以實(shí)時生成被測工件的檢測圖像，這樣在很大程度上簡化了復(fù)雜幾何形狀工件的檢測過程，同時有利于盲區(qū)位置的缺陷的檢測[3]。

2 超聲相控陣技術(shù)檢測復(fù)雜零件現(xiàn)狀

石化工業(yè)、能源工業(yè)、船舶鐵軌、航空航天工業(yè)、汽車等行業(yè)都是超聲相控陣檢測的行業(yè)。如核電站和能源工廠重要零部件渦輪盤、渦輪葉片根部，核反應(yīng)堆的管道、轉(zhuǎn)子、容器、法蘭盤等管道的檢驗(yàn)，同時也可以檢測腐蝕情況并繪制腐蝕圖。

2.1 管道環(huán)焊縫探傷

超聲相控陣檢測技術(shù)在對各類焊縫的探傷中已有較成熟的應(yīng)用，如管道環(huán)焊縫、奧氏體不銹鋼焊縫、航空薄鋁板摩擦焊焊縫[4]。例如：在相控陣的超聲探頭對環(huán)焊縫檢測的時候，首先要實(shí)現(xiàn)全面的掃查，便可以通過編碼器與掃查器進(jìn)行完成。在檢測的過程中無需更換探頭和夾持裝置，直接通過軟件設(shè)置關(guān)鍵檢測參數(shù)，就可以在各種現(xiàn)場工作條件完成適應(yīng)。

2.2 汽輪機(jī)葉輪裂紋的檢測

汽輪機(jī)葉輪是一種比較復(fù)雜的幾何物體，對汽輪機(jī)葉輪裂紋的檢測時，要在比較狹小緊窄的空間之中，把探頭進(jìn)行放置，并且汽輪機(jī)葉輪的缺陷細(xì)微、且尺寸深淺不一、沒有規(guī)律，所以，常規(guī)的超聲探傷是無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測。超聲相控陣檢測擁有靈活的聲束控制、檢測精確度極高，能有效處理存在不足的地方。在有裂紋的檢測面上，利用相控陣超聲探頭特有的扇形掃查和靈活的偏轉(zhuǎn)聚焦聲束，在探頭不用移動的情況下，也可以對葉輪的裂紋位置得到合理地檢測。

2.3 飛機(jī)蒙皮的檢測

在特殊環(huán)境下工作的飛機(jī)，經(jīng)常存在的缺陷有分層、裂紋、脫粘的情況在飛機(jī)的蒙皮之上，若不能檢出將帶來致命性的危險。超聲相控陣檢測技術(shù)除了能靈活地控制聲束對各區(qū)域進(jìn)行掃描，并且超聲相控陣檢測技術(shù)的聲束聚焦特性對飛機(jī)蒙皮等高衰減材料的檢測，有著不可替代的作用。而常規(guī)超聲對于蒙皮表面和近表面的缺陷難以作定性、定量的檢測。

2.4 粗晶、后壁工件檢測

核動力設(shè)備和裝置中的復(fù)雜形狀工件，比如：粗晶材料、厚壁工件等被廣泛運(yùn)用，由于工件的特殊性使得焊縫可檢性和可達(dá)性差。這時，相控陣技術(shù)在很大程度上提高了檢測的效率以及提升了檢測的效率。利用相控陣技術(shù)對筒體間電子環(huán)焊縫和盛裝核廢料的罐體封頭能實(shí)現(xiàn)完全自動超聲檢測，復(fù)雜的機(jī)械裝置可以盡量避免采用，同時利用相控陣技術(shù)的動態(tài)聚焦能力并結(jié)合分離譜技術(shù)，能減少粗晶的影響，提高信噪比[5]。

3 超聲相控陣檢測技術(shù)用于復(fù)雜零件檢測的研究發(fā)展方向

3.1 超聲相控陣檢測聲場的建模和仿真

目前已有很多學(xué)者深入研究超聲相控陣探頭的基本理論，并對相控陣探頭進(jìn)行有關(guān)的仿真。利用計算機(jī)仿真技術(shù)和數(shù)值模擬來建立相控陣超聲的檢測計算模型，探究相控陣聲場聲束聚焦偏轉(zhuǎn)的特性、聲壓的變化規(guī)律和檢測缺陷模型等。研究結(jié)果對復(fù)雜零件開展檢測具有非常重要的意義，而且能為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用提供比較有力的理論指導(dǎo)。

3.2 超聲相控陣檢測中的自適應(yīng)聚焦技術(shù)

隨著工程技術(shù)也在不斷發(fā)展與進(jìn)步，對零件的性能要求越來越嚴(yán)格，因此超聲檢測的分辨力必須越來越高，這就要求超聲相控陣檢測在聲束的焦點(diǎn)處要能具有較高的聲壓幅值，才能滿足檢測要求。在比較薄的工件中，通過聚焦法則的動態(tài)控制晶片動態(tài)聚焦就是聚焦法則，以此完成聲軸上位置各不相同點(diǎn)的動態(tài)聚焦[6]。其中線性掃查也稱為電子掃查，普遍是將任意一組陣元稱為一個序列。掃查之后得到N-（n+1）個有關(guān)的序列回波信號，無需移動探頭，便可以檢測到較大的區(qū)域，相關(guān)的示意圖如圖2。

圖2 超聲相控陣偏轉(zhuǎn)及聚焦聲束的形成

3.3 超聲相控陣系統(tǒng)圖像顯示與重建

超聲相控陣檢測技術(shù)，目前面臨的一個難點(diǎn)就是對采集的缺陷信號進(jìn)行分析成像。由于檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建后得到的是A掃圖像，不能直觀將缺陷信息表現(xiàn)出來。通過對數(shù)據(jù)處理方法的研究，能解決在成像數(shù)據(jù)獲取和顯示的問題。同時超聲相控陣檢測技術(shù)成像質(zhì)量的主要指標(biāo)有對比分辨力、空間分辨力以及時間分辨力，如何將相控陣超聲成像的分辨率進(jìn)行提高，也是超聲相控陣成像和檢測的重要問題。

3.4 相控陣聲場仿真

能否達(dá)到較優(yōu)的檢測精度和能否對被檢區(qū)域進(jìn)行有效的檢測與檢測聲場的特性有直接的關(guān)系。超聲相控陣的聲場仿真建模的有效檢測零部件基礎(chǔ)是開發(fā)及優(yōu)化相控陣換能器，多元高斯法和瑞利積分法在超聲相控陣的建模仿真的運(yùn)用于多種聲場模型。

3.5 缺陷識別

缺陷大小和類型構(gòu)成了缺陷的識別對象，通常被分別稱為缺陷的定量和定性。不同類型的缺陷不同時，零件產(chǎn)生的危害程度也是天差地別，所以缺陷類型的識別在缺陷分析中非常重要。關(guān)于識別缺陷類型，讓專業(yè)的檢測人員根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)由檢測信號的相關(guān)特征來進(jìn)行判斷，這是傳統(tǒng)的方法，這種方式很大程度上會存在誤判。社會的高速發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等模式識別技術(shù)的進(jìn)一步引人，完美的解決了數(shù)字信號處理技術(shù)的問題，可以根據(jù)檢測的回波信號提取與缺陷類型相關(guān)的有效信息和特征，比如分形特征的識別方法、小波包能量特征的識別方法等，智能話的判斷缺陷的類型，如金屬焊縫中存在未焊透、裂紋等缺陷的判定。

4 結(jié)語

總之，目前國內(nèi)對復(fù)雜零件的檢測絕大部分局限于國外已有產(chǎn)品的仿制和聲場理論的探討，缺少了新的檢測方法、檢測技術(shù)和檢測系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。超聲相控陣檢測技術(shù)通過對各陣元的延時控制產(chǎn)生聚焦聲束和偏轉(zhuǎn)聲束，結(jié)合獨(dú)特的扇形掃查、線性掃查以及動態(tài)深度聚焦等掃查方式，比常規(guī)超聲探傷具有了更高的準(zhǔn)確度和檢測效率。超聲相控陣檢測技術(shù)不僅僅只是運(yùn)用于飛機(jī)蒙皮的檢測、管道環(huán)焊縫、汽輪機(jī)葉輪裂縫，還在化工、核電站、航空航天、建筑等領(lǐng)域有非常重要的作用。目前，超聲相控陣檢測技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)是開展相控陣檢測方法探究，提高檢測能力，并適用于各類復(fù)雜零件檢測。在當(dāng)前這樣的大環(huán)境之下，超聲相控陣檢測未來的方向是自動化、便攜化、圖像化方向發(fā)展。只有不斷去總結(jié)檢測過程中的缺點(diǎn)，才能為超聲相控陣檢測技術(shù)的使用和研究提供強(qiáng)大的動力。