液壓支架缸體環(huán)焊縫缺陷超聲相控陣檢測方法研究

董 明，萬回回，孫思雅，蘇成明，王 昕，韓 磊

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦山機(jī)電裝備智能檢測與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安智能再制造研究院有限公司，陜西 西安 710018；4.渭南陜煤啟辰科技有限公司，陜西 渭南 714000)

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與煤礦行業(yè)的深度融合，煤礦機(jī)電裝備向前智能綠色方向發(fā)展，呈現(xiàn)出“智能高效、低碳引領(lǐng)”的新潮流，“雙碳”目標(biāo)給煤炭行業(yè)向智能綠色低碳發(fā)展帶來了新機(jī)遇[1]。煤礦機(jī)電裝備是實(shí)現(xiàn)煤炭智能開采的重要保證，綜采液壓支架是現(xiàn)代采煤安全防護(hù)、作業(yè)空間擴(kuò)大和采煤效率提高的關(guān)鍵[2，3]。液壓缸是液壓支架重要的執(zhí)行部件，其服役環(huán)境極為惡劣，長期在重載和交變載荷下運(yùn)行，表面或內(nèi)部極易產(chǎn)生各種疲勞損傷，隨著疲勞損傷的不斷擴(kuò)展，疲勞強(qiáng)度逐漸劣化，嚴(yán)重時(shí)引起缸體焊縫開裂，甚至引發(fā)爆缸，影響到支護(hù)特性，帶來安全隱患[4-6]。為保障液壓支架工作的可靠性，有必要對液壓支架缸體焊縫進(jìn)行檢測。

近年來，超聲相控陣檢測技術(shù)(Phased Array Ultrasonic Testing，PAUT)由醫(yī)療領(lǐng)域擴(kuò)展到工業(yè)領(lǐng)域，因其檢測速度快、精度高、焦區(qū)控制靈活、焦區(qū)能量大已廣泛應(yīng)用于各種關(guān)鍵零部件的無損檢測[7，8]。焊縫表面不平整，聲波垂直入射難以達(dá)到檢測的目的，常將晶片安裝在一定角度的楔塊上使得聲波斜入射得到轉(zhuǎn)換橫波對焊縫進(jìn)行檢測，此時(shí)超聲波在楔塊和工件兩種介質(zhì)中傳播，在界面處會(huì)產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象，改變超聲波的幅值和相位[9]，因此，學(xué)者們對楔塊條件下的相控陣聲場進(jìn)行研究以指導(dǎo)實(shí)際檢測。針對薄板直角焊縫聲束覆蓋的問題，張婷等[10]提出了一種楔塊參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并用超聲相控陣對人工預(yù)埋缺陷的鈦合金薄板直角焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，結(jié)果表明該方法能夠表征裂紋、未焊合等缺陷。郭忠存[11]等基于高斯聲束等效點(diǎn)源模型和幾何光學(xué)的射線追蹤法，計(jì)算了多層奧氏體鋼中超聲相控陣輻射聲場，聲場性能與COMSOL仿真結(jié)果相吻合，為相控陣缺陷檢測提供了理論支持。Kim Hak Joo等[12]基于近軸近似多高斯聲束模型計(jì)算了相控陣的聚焦聲場，但受限于近軸近似條件，不適用于偏轉(zhuǎn)角度較大時(shí)的相控陣聲場的計(jì)算。孫芳等[13]在瑞利積分的基礎(chǔ)上，利用離散點(diǎn)源法計(jì)算垂直入射時(shí)的超聲相控陣聲場，并分析了偏轉(zhuǎn)和聚焦特性對相控陣聲場近場區(qū)范圍的影響，來縮小近場區(qū)，從而提高局部檢測靈敏度，避免缺陷漏檢和誤檢。傳統(tǒng)的多元高斯聲束模型得到的是穩(wěn)態(tài)聲場，而在超聲無損檢測領(lǐng)域，是用寬帶脈沖波激勵(lì)得到的瞬態(tài)聲場。史慧宇[14]等提出了利用高斯聲束等效點(diǎn)源模型得到焊縫中瞬態(tài)聲場的方法，該方法首先要得到多個(gè)單頻穩(wěn)態(tài)聲場，然后對其進(jìn)行傅里葉變換轉(zhuǎn)換為寬帶瞬態(tài)聲場，因需要得到多個(gè)單頻的穩(wěn)態(tài)聲場使得計(jì)算過程繁瑣?？臻g脈沖響應(yīng)是一種高效準(zhǔn)確的暫態(tài)聲場計(jì)算方法[15]，董明[16]等分析了楔塊條件下小角度縱波探頭不同區(qū)域的聲場組成，根據(jù)聲透射和聲反射變化規(guī)律得到了空間點(diǎn)的空間脈沖響應(yīng)計(jì)算公式，但該方法只適用單陣元聲場的計(jì)算。

為了確保相控陣聲場對液壓支架缸體環(huán)焊縫的完全覆蓋，優(yōu)化檢測參數(shù)，提高檢測靈敏度，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)確檢測，本文分析了超聲相控陣聲束聚焦的延時(shí)法則，基于單陣元空間脈沖響應(yīng)暫態(tài)聲場仿真方法，建立了楔塊條件下超聲相控陣的聲場模型，研究不同偏轉(zhuǎn)角度下的聲場特性，優(yōu)化了檢測參數(shù)，并進(jìn)行聲場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和相控陣環(huán)焊縫實(shí)驗(yàn)，為實(shí)際檢測提供理論支持。

1 超聲相控陣檢測理論

1.1 焊縫超聲相控陣檢測原理

相控陣探頭由多個(gè)相互獨(dú)立的陣元按一定形狀、間距排列，每個(gè)陣元都可以獨(dú)立發(fā)射和接收信號，由于焊縫表面凹凸不平，直接將探頭布置在焊縫表面會(huì)因?yàn)轳詈喜涣际沟贸暡y以入射到焊縫中，不能實(shí)現(xiàn)焊縫的檢測，因此常將探頭布置在焊縫兩側(cè)的母材處，超聲波傾斜入射實(shí)現(xiàn)焊縫的檢測。焊縫超聲相控陣檢測原理如圖1所示，采用直達(dá)波檢測焊縫根部缺陷，用一次反射波檢測上表面和中部缺陷，若焊縫中存在缺陷，則超聲波在缺陷處發(fā)生反射，反射波被探頭接收，探頭各個(gè)陣元將接收到的回波信號添加與發(fā)射相同的延時(shí)法則，得到疊加后增強(qiáng)的回波信號，通過動(dòng)態(tài)改變聚焦的深度和角度實(shí)現(xiàn)超聲成像，從圖像中可以直觀得到缺陷的位置和大小等信息。相控陣通過改變各陣元的延時(shí)實(shí)現(xiàn)超聲波角度的偏轉(zhuǎn)和聚焦，可以在不移動(dòng)或者少移動(dòng)探頭的情況下實(shí)現(xiàn)焊縫的完全掃查，有效地解決聲束可達(dá)性問題和提高檢測效率。且由于焊接接頭余高的影響以及接頭中裂紋、未焊透、未熔合、夾渣等危險(xiǎn)性較大的缺陷往往與檢測面垂直或成一定角度，所以采用橫波斜探頭法進(jìn)行檢測。

圖1 焊縫超聲相控陣檢測示意

1.2 相控陣延時(shí)法則

延時(shí)法則是相控陣檢測的關(guān)鍵，基于射線聲學(xué)理論可計(jì)算各個(gè)陣元的延時(shí)，由于焊縫表面不平整，借助楔塊進(jìn)行檢測，利用橫波掃查。楔塊條件下的相控陣延時(shí)法則計(jì)算模型如圖2所示，設(shè)楔塊傾斜角為θ，探頭陣元數(shù)目為N，陣元寬度為a，陣元間距為d，第m個(gè)陣元中心的坐標(biāo)為(ym，zm)，其中m=1，…，N，H1為第一個(gè)陣元中心到界面的距離，則有：

圖2 楔塊條件下的相控陣延時(shí)計(jì)算模型

設(shè)目標(biāo)焦點(diǎn)Q的坐標(biāo)為(yq，zq)，第m個(gè)陣元激發(fā)的超聲波在界面的折射點(diǎn)Pm的坐標(biāo)為(ypm，zpm)，入射角為αm，折射角為βm，根據(jù)Fermat原理，第m個(gè)陣元發(fā)射的超聲波到目標(biāo)焦點(diǎn)Q的時(shí)間Tm為：

式中，cw為超聲波在楔塊中的聲速，m/s；cs為超聲橫波在被檢工件中的聲速，m/s。

根據(jù)Snell定律，結(jié)合幾何關(guān)系有：

式中，H為聚焦深度，mm。式(3)中只有ypm未知，其他均為已知，可求解出ypm；再將ypm帶入式(2)可計(jì)算出各陣元到目標(biāo)焦點(diǎn)的時(shí)間；依據(jù)ΔTm=Tmax-Tm，Tmax=max(Tm)，可計(jì)算出各陣元的延遲時(shí)間。

2 基于空間脈沖響應(yīng)的相控陣聲場模型

2.1 單陣元空間響應(yīng)模型

當(dāng)超聲波傾斜入射到楔塊和工件的分界面時(shí)，由于聲阻抗的差異，超聲波在界面上會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生同類型和不同類型的反射波和折射波。當(dāng)入射波角度介于第一臨界角和第二臨界角之間時(shí)，工件中只有折射橫波，橫波波長短，檢測靈敏度更高。焊縫檢測中常用的楔塊的角度為36°，此時(shí)入射波的入射角為36°，超聲縱波在楔塊中的聲速為2337 m/s，工件中橫波聲速為3200 m/s，工件中縱波聲速為5900 m/s，根據(jù)Snell定律，可得其折射角為52°，此時(shí)工件中只有折射橫波。平面直探頭產(chǎn)生的超聲波場主要由直達(dá)波和邊緣波組成[17]，工件中的聲場也是由直達(dá)波和邊緣波通過界面后的折射波組成，因此，分直達(dá)波區(qū)域和邊緣波區(qū)域兩種情況來計(jì)算工件中的聲場。

設(shè)工件中目標(biāo)焦點(diǎn)為R(x，y，z)，當(dāng)R點(diǎn)位于直達(dá)波所覆蓋的范圍內(nèi)時(shí)，即位于折射縱波P1V1和P2V2所確定的區(qū)域，如圖3所示，N點(diǎn)處發(fā)出的超聲縱波在Pn處發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，折射橫波傳播到R點(diǎn)，其空間脈沖響應(yīng)為：

圖3 楔塊條件下直達(dá)波區(qū)域聲場計(jì)算模型

式中，ηs是波形轉(zhuǎn)換時(shí)橫波對應(yīng)的透射系數(shù)；ln、Ln分別表示入射縱波和透射橫波的聲程。

當(dāng)P點(diǎn)位于直達(dá)縱波所直接覆蓋的范圍以外時(shí)，如圖4所示，此時(shí)P點(diǎn)聲壓主要來自于邊緣波的貢獻(xiàn)，即邊緣縱波CPs轉(zhuǎn)換的橫波PsR和由邊緣縱波CPT轉(zhuǎn)換的縱波PTR，關(guān)于入射點(diǎn)Ps和PT，可由Snell定理確定。

圖4 楔塊條件下邊緣波區(qū)域聲場計(jì)算模型

轉(zhuǎn)換橫波在P點(diǎn)的脈沖響應(yīng)是：

轉(zhuǎn)換縱波在P點(diǎn)的脈沖響應(yīng)是：

式中，cl為超聲縱波在工件中的聲速，m/s；ηl是波形轉(zhuǎn)換時(shí)縱波對應(yīng)的透射系數(shù)。

因此，P點(diǎn)的脈沖響應(yīng)為：

h(x，y，z，t)=hse(x，y，z，t)+hle(x，y，z，t)

(7)

2.2 超聲波在界面的透射系數(shù)

超聲波在楔塊和工件中傳播時(shí)，由于介質(zhì)聲阻抗的差異，會(huì)在界面處發(fā)生聲波的透射。透射波的聲壓分配比例由透射率表示，且在界面處的聲波必須符合兩個(gè)條件：①分界面處的聲壓連續(xù)；②分界面處法向速度相等。結(jié)合邊界條件和透射率的定義，可以得到透射橫波聲壓與入射波聲壓比ηs和透射縱波聲壓與入射波聲壓比ηl分別為：

式中，ρ1，ρ2分別為楔塊和工件的密度。

2.3 相控陣的空間脈沖響應(yīng)

將楔塊條件下單個(gè)陣元的空間脈沖響應(yīng)進(jìn)行延時(shí)疊加，即可得出相控陣空間脈沖響應(yīng)。則相控陣空間脈沖響應(yīng)表達(dá)式為：

式中，hm(x，y，z，t)為第m個(gè)陣元在空間點(diǎn)(x，y，z)的空間脈沖響應(yīng)，根據(jù)空間點(diǎn)位置依據(jù)式(4)或式(7)計(jì)算得到；ΔTm為第m個(gè)陣元的延時(shí)，由式(2)計(jì)算得到。

根據(jù)空間脈沖響應(yīng)聲場理論[18]，即可求出觀察點(diǎn)的聲壓為：

式中，vs為聲源的振動(dòng)速度。

3 相控陣聲場仿真與分析

偏轉(zhuǎn)角度對聲束的擴(kuò)散有影響，不合適的偏轉(zhuǎn)角度會(huì)降低檢測的分辨力和靈敏度，可能造成焊縫不同位置處缺陷漏檢、誤檢，為確定不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)相控陣聲場在空間的分布特性，本文對楔塊條件下單陣元空間脈沖響應(yīng)進(jìn)行延時(shí)，得到了相控陣的空間聲壓模型，本節(jié)利用MATLAB軟件對超聲相控陣聲場進(jìn)行仿真，仿真時(shí)相控陣探頭參數(shù)與實(shí)際探頭一致，換能器陣元數(shù)為32，陣元寬度為0.4 mm，陣元長度為12 mm，陣元間距為0.1 mm，探頭中心頻率為5 MHz，楔塊傾斜角度為36°，聚焦深度為40 mm。根據(jù)式(8)計(jì)算出介質(zhì)交界面處超聲波的透射系數(shù)，帶入式(9)得到相控陣空間脈沖響應(yīng)，將其帶入式(10)求出觀察點(diǎn)的聲壓，進(jìn)行楔塊條件下的相控陣聲場仿真。楔塊條件下不同偏轉(zhuǎn)角度的聲場仿真結(jié)果如圖5所示，圖中z=0處為楔塊與工件界面，界面以上部分為楔塊中聲壓分布，界面以下部分為工件中聲壓分布，從圖中可見，基于延時(shí)法則可以靈活地實(shí)現(xiàn)超聲波的偏轉(zhuǎn)與聚焦，并且在焦點(diǎn)附近的聲場能量較強(qiáng)，聲軸線的能量高于其他區(qū)域。

圖5 相控陣不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)聲場仿真

提取聲束中心軸線上的聲壓進(jìn)行分析，不同偏轉(zhuǎn)度時(shí)聲場性能如圖6所示。從圖6(a)可見不同偏轉(zhuǎn)角度有著不同的空間聲壓特性；從圖6(b)可知，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為40°左右時(shí)，焦點(diǎn)聲壓達(dá)到最大，偏轉(zhuǎn)角度大于或小于40°時(shí)，焦點(diǎn)聲壓變小。聲束中心軸線上聲壓相對于焦點(diǎn)處聲壓下降50%的橫向長度為焦區(qū)長度。從圖6(c)可知，偏轉(zhuǎn)角度大于45°或小于30°時(shí)，焦區(qū)長度變小，偏轉(zhuǎn)角度為30°～45°時(shí)，焦區(qū)長度較大，聲束能夠覆蓋的面積更大，更利于缺陷的檢測。還可以發(fā)現(xiàn)不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的焦距要小于設(shè)定值。因此，偏轉(zhuǎn)角度對工件中的焦點(diǎn)聲壓和焦區(qū)長度產(chǎn)生影響，過大和過小的偏轉(zhuǎn)角度均不利于實(shí)際檢測，應(yīng)根據(jù)工件參數(shù)和探頭參數(shù)對不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的聲場進(jìn)行仿真，以優(yōu)化偏轉(zhuǎn)角度范圍，提高檢測靈敏度。

圖6 不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)聲場性能

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 焊縫相控陣檢測實(shí)驗(yàn)

不合適的偏轉(zhuǎn)角度會(huì)降低檢測的分辨力和靈敏度，超聲波聲能量衰減嚴(yán)重，造成焊縫不同位置缺陷檢測結(jié)果差異明顯，為驗(yàn)證聲場仿真確定的偏轉(zhuǎn)角度對焊縫不同位置缺陷檢測的有效性，設(shè)計(jì)并制作了焊接缺陷試樣如圖7所示，試塊長度為200 mm，厚度為20 mm，中心交界處為焊縫，單面V型坡口，坡口角度為60°，焊縫寬度為30 mm，焊縫上分布上表面開口、下表面開口和內(nèi)部裂紋三種缺陷，超聲橫波在鋼管中的聲速3200 m/s，耦合劑為機(jī)油，激勵(lì)信號與探頭參數(shù)等均與仿真參數(shù)一致。

圖7 焊縫試塊(mm)

焊縫壁厚為20 mm，聚焦深度為15 mm，根據(jù)第3節(jié)仿真流程，通過分析不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)聲束中心軸線聲壓，可得到偏轉(zhuǎn)角度為30°～70°時(shí)相控陣聲場性能較好，采用上述檢測方案對環(huán)焊縫區(qū)域進(jìn)行相控陣檢測，結(jié)果如圖8所示。圖8(a)采用一次反射波進(jìn)行掃查，聲波在底面發(fā)生了反射，聲能量有所衰減，但是能清晰顯示裂紋大小及其位置，裂紋位于焊縫中心處，下端點(diǎn)到上表面的距離4.2 mm，裂紋長度為4.2 mm；圖8(b)采用的是一次反射波進(jìn)行掃查，超聲波被裂紋的上端點(diǎn)和下端點(diǎn)發(fā)射，從圖像中可以清晰看到裂紋在焊縫中心處，上端點(diǎn)和下端點(diǎn)到上表面的距離分別7.5 mm和12 mm，可以得到裂紋的長度為4.5 mm；圖8(c)是下表面開口裂紋成像結(jié)果，此時(shí)超聲波直接入射到焊縫下部，聲能量最集中，成像效果最好，從圖中可以得到裂紋端點(diǎn)的位置，進(jìn)一步得到裂紋的長度為5 mm。

圖8 相控陣檢測結(jié)果

4.2 液壓缸環(huán)焊縫相控陣檢測

以ZY9200/25/50D型液壓支架的液壓缸環(huán)焊縫為檢測對象，如圖9所示，液壓缸由缸體和缸底采用采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊自動(dòng)焊接技術(shù)而成，環(huán)焊縫采用多層多道堆疊工藝，缸體壁厚35 mm，直徑400 mm。缸底是半球型，檢測空間有限，TOFD等其他無損檢測方法不方便布置探頭，將相控陣探頭布置在缸體側(cè)采用斜入射橫波進(jìn)行檢測。

圖9 液壓缸實(shí)物

為保證超聲波能最大程度地覆蓋整個(gè)區(qū)域，對焊縫不同位置缺陷能進(jìn)行有效檢測，按照4.1節(jié)方案流程，設(shè)置偏轉(zhuǎn)角度為20°～75°，探頭聚焦深度為35 mm，耦合劑為機(jī)油，其余參數(shù)均與仿真參數(shù)一致。超聲相控陣檢測結(jié)果如圖10所示，圖中顯示焊縫根部坡口處中有明顯的缺陷，推測缺陷是根部未熔合，缺陷長度為6 mm。

圖10 超聲相控陣圖像(mm)

5 結(jié) 論

1)針對液壓支架缸體環(huán)焊縫超聲相控陣檢測難題，為克服焊縫表面不平對聲波耦合效果的影響，可將換能器安裝在楔塊上使得聲波斜入射對焊縫進(jìn)行完全檢測。

2)基于射線聲學(xué)理論和Snell原理得到了相控陣在工件中的延時(shí)法則，對楔塊條件下單陣元空間脈沖響應(yīng)進(jìn)行延時(shí)疊加，得到了超聲相控陣的空間聲壓模型，可以仿真得到不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的聲壓分布圖。聲束偏轉(zhuǎn)角度會(huì)影響焦點(diǎn)處聲壓幅值和焦區(qū)長度，應(yīng)根據(jù)工件參數(shù)和探頭參數(shù)對不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的聲場進(jìn)行仿真，以確定優(yōu)化偏轉(zhuǎn)角度范圍，以提高檢測靈敏度。

3)對含人工缺陷的焊縫試塊進(jìn)行相控陣實(shí)驗(yàn)，均能發(fā)現(xiàn)不同位置的缺陷。對液壓支架缸體環(huán)焊縫進(jìn)行現(xiàn)場檢測，從相控陣圖像上可以直接得到缺陷的位置和尺寸信息，能夠滿足液壓支架缸體環(huán)焊縫的檢測需求。并且通過聲場仿真可為制定相控陣檢測工藝參數(shù)提供指導(dǎo)。