相控陣全聚焦實(shí)時(shí)3D超聲成像檢測(cè)高強(qiáng)度螺栓

楊琛 李光植 馬延斌

蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 甘肅省蘭州市 730060

高強(qiáng)度螺栓是指制造材料為高強(qiáng)度鋼，或者此螺栓需要施以較大的預(yù)緊力，性能等級(jí)按規(guī)定在8.8級(jí)以上的螺栓，都可以稱(chēng)為高強(qiáng)度螺栓。鋼橋領(lǐng)域以其作為其重要的連接方式之一。高強(qiáng)度螺栓的效率高、性能好、安全性、可靠性較高，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。目前，已經(jīng)形成了從M12～M30完整體系的鋼結(jié)構(gòu)大六角高強(qiáng)度螺栓。施工方式也已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)變，與英、美、日等國(guó)的發(fā)展水平相近，已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)用非常廣泛，當(dāng)今大型發(fā)電設(shè)備、汽車(chē)、高鐵、大飛機(jī)、大型船舶、大型成套設(shè)備等都有高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)用，其質(zhì)量的好壞能對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)安全和工作性能起著極其重要的作用。隨著高強(qiáng)度螺栓的大量使用，和在關(guān)鍵產(chǎn)品、關(guān)鍵部位的使用，高強(qiáng)度螺栓的質(zhì)量成為了影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)主要因素。高強(qiáng)度螺栓有松弛、脫扣、斷裂等很多種失效形式。一旦失效，就會(huì)斷開(kāi)設(shè)備的連接。是螺栓所連接的被連接件解體。而在這些失效中，斷裂最嚴(yán)重，歸結(jié)其原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）在正常載荷作用下，由于靜強(qiáng)度不足導(dǎo)致的斷裂；（2）在長(zhǎng)期交變載荷作用下的疲勞斷裂；（3）材料強(qiáng)度不夠、表面處理、制造質(zhì)量、熱處理、脫碳、表面裂紋等缺陷造成的斷裂。而其中較為嚴(yán)重的就是螺栓表面裂紋及在役螺栓中的疲勞裂紋。而目前在役螺栓中的疲勞裂紋檢測(cè)，我們可以使用常規(guī)超聲波檢測(cè)，但使用常規(guī)超聲檢測(cè)需要讓設(shè)備停止工作，然后將螺栓卸下來(lái)再進(jìn)行檢驗(yàn)，使檢測(cè)效率降低，同時(shí)在役設(shè)備檢測(cè)空間有限，使得檢測(cè)探頭的可達(dá)性變得很差，進(jìn)而降低了檢測(cè)靈敏度，而且螺栓本身的螺紋結(jié)構(gòu)也會(huì)影響普通超聲檢測(cè)結(jié)果的觀察與評(píng)定。對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的觀察造成影響。為了解決了這些問(wèn)題，我們引入了超聲相控陣技術(shù)和導(dǎo)波相控陣技術(shù)，他們可以實(shí)現(xiàn)較大角度范圍的掃查同時(shí)不移動(dòng)檢測(cè)探頭，缺陷視圖多樣，檢測(cè)結(jié)果直觀，對(duì)缺陷的識(shí)別和判定提供了極大的幫助。同時(shí)這兩種技術(shù)能檢測(cè)幾何形狀非常復(fù)雜的工件、干擾可達(dá)性較好，后續(xù)通過(guò)配套軟件的調(diào)整和處理，能極大地提高檢測(cè)的靈敏度、分辨力及信噪比等。但是這些方法雖然已在使用，但操作步驟和操作難度仍然很大，并且結(jié)果需要進(jìn)行較復(fù)雜的分析，對(duì)于缺陷的理解也只是停留在二維平面。對(duì)結(jié)果的實(shí)際位置需要經(jīng)過(guò)反復(fù)操作才能準(zhǔn)確得出。為此我們引入更為先進(jìn)的3D相控陣技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，但3D相控陣在高強(qiáng)度螺栓的檢測(cè)應(yīng)用上仍處于初級(jí)階段，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的檢測(cè)工藝。為此筆者結(jié)合超聲相控陣檢測(cè)高強(qiáng)度螺栓關(guān)鍵的技術(shù)及CTS-PA22T相控陣全聚焦實(shí)時(shí)3D超聲成像系統(tǒng)，制定了高強(qiáng)度螺栓的檢測(cè)工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高強(qiáng)度螺栓的快速、高效、直觀的檢測(cè)。解決了在役螺栓的檢測(cè)難題。

1 基本理論

超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)其原理為：利用指定順利排列的線陣列或面陣列的陣元按照一定時(shí)序來(lái)激發(fā)超聲脈沖信號(hào)，使超聲波陣面在聲場(chǎng)中某一點(diǎn)形成聚焦，增強(qiáng)對(duì)聲場(chǎng)中微小缺陷檢測(cè)的靈敏度，同時(shí)，可以利用對(duì)陣列的不同激勵(lì)時(shí)序在聲場(chǎng)中形成不同空間位置的聚焦而實(shí)現(xiàn)較大范圍的聲束掃查。而全聚焦相控陣超聲波檢測(cè)是采用新的數(shù)據(jù)處理方法來(lái)處理相控陣超聲陣列的數(shù)據(jù)，也就是全聚焦成像算法，就是在成像平面上的每一像素點(diǎn)上有效地聚焦全矩陣數(shù)據(jù)集，這種方法極大程度上地提高了成像的效果和圖像的分辨力。該方法會(huì)二次處理接收到的信號(hào)，二次分析檢測(cè)回波，使缺陷成像效果更好，對(duì)缺陷的大小、位置和類(lèi)型的識(shí)別更準(zhǔn)確。本方法中使用的CTS-PA22T采用的就是64通道全并行的相控陣全聚焦（TFM）快速成像檢測(cè)技術(shù)。實(shí)時(shí)采集材料內(nèi)部的全矩陣（FMC）數(shù)據(jù)，并利用基于FPGA運(yùn)算的高速硬件成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的高精度實(shí)時(shí)3D成像。

2 工藝試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 螺栓試樣制備

根據(jù)檢測(cè)所需的要求，在螺栓試樣上加工不同深度的刻槽作為人工缺陷，螺栓試樣及人工缺陷的尺寸，如圖1所示（單位：mm）

圖1 螺栓試樣及人工缺陷尺寸

人工缺陷的制作形式均為垂直于高強(qiáng)度螺栓軸線刻槽，長(zhǎng)度為8mm，開(kāi)口的寬度為0.5mm，螺栓材料為碳鋼熱處理，人工缺陷的具體參數(shù)如表1所示。

表1 螺栓人工刻槽參數(shù)

2.2 操作工藝步驟

2.2.1 操作設(shè)備

CTS-PA22T設(shè)備主要由監(jiān)控主機(jī)、相控陣全聚焦成像系統(tǒng)、相控陣探頭及相關(guān)掃查裝置組成，這里使用的相控陣探頭為相控陣線陣探頭，探頭參數(shù)為：陣元間距：1.5*1.5mm；陣元數(shù)目：8*8，探頭頻率：5MHz。

2.2.2 操作步驟

（1）打開(kāi)儀器。

打開(kāi)監(jiān)控主機(jī)。打開(kāi)CTS-PA22T相控陣全聚焦成像系統(tǒng)，連接相控陣線陣探頭，由于高強(qiáng)度螺栓結(jié)構(gòu)限制，使用前取下相控陣線陣探頭的斜楔塊。連接監(jiān)控主機(jī)與成像系統(tǒng)，這里要注意的是，主機(jī)和成像系統(tǒng)的連接主要有兩種方式（見(jiàn)圖3），一種是交叉網(wǎng)線直連，另一種是采用交換機(jī)間接連接。我們這里采用第一種交叉網(wǎng)線直連的方式。

圖3 CTS-PA22T校準(zhǔn)界面

（2）調(diào)整參數(shù)，校準(zhǔn)儀器。

在監(jiān)控主機(jī)中打開(kāi)檢測(cè)軟件，選擇3D縱波檢測(cè)，進(jìn)入3D縱波-工藝參數(shù)調(diào)節(jié)界面，調(diào)節(jié)探頭參數(shù)為相控陣線陣探頭參數(shù)，陣元間距1.5*1.5mm，陣元數(shù)目8*8，探頭頻率5MHz，楔塊參數(shù)由于我們檢測(cè)前取掉了楔塊，所以楔塊參數(shù)全部為零。工件參數(shù)為預(yù)設(shè)參數(shù)暫時(shí)不調(diào)整。點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鈕進(jìn)入校準(zhǔn)頁(yè)面，對(duì)儀器進(jìn)行快速校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，將材料放置在220mm標(biāo)準(zhǔn)試件上，調(diào)整工件厚度為試塊厚度220mm，將閥門(mén)A調(diào)至一次回波，閥門(mén)B調(diào)制二次回波處，點(diǎn)擊校準(zhǔn)，儀器顯示校準(zhǔn)后參數(shù)，校準(zhǔn)完成（如圖4）。

圖2 CTS-PA22T主機(jī)連接方式

（3）檢測(cè)高強(qiáng)度螺栓并分析。

單擊右上角的返回，返回參數(shù)界面。點(diǎn)擊檢測(cè)按鈕進(jìn)入檢測(cè)主界面，將探頭放置在高強(qiáng)度螺栓一端，調(diào)整區(qū)域高度為160mm，此時(shí)在屏幕中顯示螺栓3D立體結(jié)構(gòu)及缺陷空間位置，如圖4所示。

圖4 螺栓3D立體結(jié)構(gòu)及缺陷空間位置

點(diǎn)擊分析按鍵分析檢測(cè)結(jié)果，具體為：

（1）40mm、60mm、80mm、90mm、115mm、130mm深度附近缺陷圖像如圖5所示。

圖5 不同位置缺陷顯示結(jié)果

（2）檢測(cè)結(jié)果為0°的缺陷（40mm、80mm、115mm）顯示清楚，檢測(cè)結(jié)果為180°的缺陷（60mm、90mm、130mm）顯示較模糊；

（3）從每一個(gè)結(jié)果成可以看出缺陷顯示為一個(gè)范圍尺寸，而不是準(zhǔn)確的缺陷深度；

（4）檢測(cè)痕跡受螺栓本身結(jié)構(gòu)影響較大，結(jié)果中可以看到明顯的螺紋痕跡。

分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）使用相控陣全聚焦實(shí)時(shí)3D超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)可以快速檢測(cè)出高強(qiáng)度螺栓的缺陷，對(duì)于在用螺栓的檢驗(yàn)有很大的優(yōu)勢(shì)；

（2）由于檢測(cè)設(shè)備技術(shù)不成熟，目前只能大致分析缺陷的位置范圍，無(wú)法準(zhǔn)確定位及定量分析缺陷；

（3）由于探頭能量限制及干擾的影響，對(duì)于深度較大的缺陷的顯示較困難，可以嘗試由螺栓另一側(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)；

（4）缺陷的顯示受探頭擺放位置的影響，有些缺陷顯示不清楚，可以調(diào)整角度進(jìn)行檢測(cè)；

（5）對(duì)于螺栓表面粗糙度有一定要求，較粗糙會(huì)干擾檢測(cè)結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

相控陣全聚焦實(shí)時(shí)3D超聲成像檢測(cè)作為高強(qiáng)度螺栓超聲波檢測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù)，極大的降低了螺栓失效的隱患。同時(shí)此項(xiàng)技術(shù)無(wú)論從檢測(cè)方法還是檢測(cè)操作的難易程度，以及檢測(cè)結(jié)果的直觀程度。與超聲相控陣技術(shù)及傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，都有很大的優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)提供了一個(gè)快速、高效、準(zhǔn)確的檢驗(yàn)手段。同時(shí)相控陣技術(shù)不僅可以解決在役高強(qiáng)度螺栓檢測(cè)的難題，還在檢測(cè)速度、便捷程度和缺陷識(shí)別方面有較大的優(yōu)勢(shì)。

但是在檢測(cè)過(guò)程中我們也發(fā)現(xiàn)，隨著檢測(cè)深度的增加，超聲相控陣波束能量會(huì)迅速衰減，伴隨而來(lái)的就是檢測(cè)靈敏度和信噪的急劇下降，這將直接影響我們檢測(cè)較長(zhǎng)的高強(qiáng)度螺栓。尤其是相控陣全聚焦實(shí)時(shí)3D超聲成像檢測(cè)時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，其檢測(cè)面由于聲束的限制，是的檢測(cè)范圍較小，檢測(cè)范圍及顯示范圍較小。這對(duì)缺陷的準(zhǔn)確大小的判定會(huì)有所影響，需要在檢測(cè)中調(diào)整探頭位置，已獲得更好的結(jié)果。這對(duì)檢測(cè)人員的要求也有所提高。同時(shí)在分析檢測(cè)結(jié)果的時(shí)候，由于是立體圖像，需要分析人員有較強(qiáng)的空間理解能力。

而作為一項(xiàng)快速檢測(cè)高強(qiáng)度螺栓缺陷的技術(shù)，我們結(jié)合超聲相控陣和導(dǎo)波相控陣等技術(shù)的輔助，我們就可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓快速、高效、流水線式的檢測(cè)全覆蓋，在不拆卸高強(qiáng)度螺栓的前提下，通過(guò)螺栓一個(gè)端面的檢測(cè)就能完成整條螺栓的檢測(cè)，大大提高了工作效率，降低了成本。隨著此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)可能會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)的成熟而不需要超聲相控陣和導(dǎo)波相控陣等技術(shù)的輔助，真正實(shí)現(xiàn)一站式、快速、高效、準(zhǔn)確、清晰的高強(qiáng)度螺栓檢測(cè)。