超聲相控陣檢測技術在現代制造業中的應用

摘 要:超聲相控陣檢測技術因其自身的優勢性特點在現代制造行業中發揮著越來越重要的作用。文章簡要介紹了該技術的基本原理、與常規超聲檢測的對比及檢測的一般要求，列舉了超聲相控陣技術在焊縫檢測及鋼鍛件檢測中的典型應用，并指明其優勢性。

關鍵詞:相控陣檢測 扇形掃查 三維數據

中圖分類號:TG4文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0072-01

超聲相控陣是一種成像檢測新技術，其產生始于20世紀60年代，初期主要應用于醫學領域，為人體器官成像。隨著電子技術與計算機技術的發展，超聲相控陣技術逐漸應用于工業無損檢測，尤其在核工業與航空技術領域取得了很多技術上的突破，解決了很多傳統無損檢測方法無法解決的難題。最近幾年，超聲相控陣技術發展迅速，在系統設計、過程仿真、算法研究等方面均取得一系列成就。可以說，超聲相控陣技術已經成為一門獨立的無損檢測新技術學科，越來越廣泛地應用于科學研究與生產實踐。

1 超聲相控陣技術基本原理

超聲相控陣換能器的設計基于惠更斯原理，換能器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，每個晶片稱為一個單元，按一定的規則和時序排列。用電子系統控制激發各個單元，使陣列中各單元發射的超聲波疊加形成一個新的波陣面。同樣，在反射波的接收過程中，按一定規則和時序控制接收單元的接收并進行信號合成，再將合成結果以適當形式顯示。由其原理可知，相控陣換能器最顯著的特點是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布。其聲束角度、焦柱位置、焦點尺寸及位置在一定范圍內連續、動態可調;而且探頭內可快速平移聲束。因此與傳統超聲檢測技術相比，相控陣技術具有以下優勢:a.通過軟件電子控制波束可提高檢測能力，用單軸扇形掃查替代柵格形掃查可提高檢測速度;b.不移動探頭或盡量少移動探頭可掃查厚大工件和形狀復雜工件的各個區域，成為解決尺寸和空間限制問題的有效手段;c.優化控制焦柱長度、焦點尺寸和聲束方向，在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優越性;d.原生數據豐富，便于多次分析，還原檢測過程及被測體空間特征。

2 超聲相控陣設備與探頭

近年來隨著技術的不斷發展，相控陣檢測設備的體積和重量在不斷減小，從本世紀初期的幾十公斤到目前的幾公斤。設備的功能也在不斷完善，目前多采用扇形掃查(S型掃查)界面，并輔以A、B、C、D型掃查方式，檢測人員可以根據需要自由選擇多種組合，使缺陷在工件中的空間特征一目了然，為缺陷準確定位、定性、定量創造了有利條件。

探頭是相控陣設備的核心部件，晶片的數量從16個發展到今天的256個以上，按其晶片形式可分為線陣、面陣和環形陣列。線陣最為成熟，具有加工容易、控制電路簡單、容易實現等優點，因此在實際應用中使用較多。目前已有含256個單元的線陣(N×1)，可滿足多數情況下的應用要求;面陣又叫二維陣列(N×M)，可對聲束實現三維控制，對超聲成像及提高圖像質量大有益處。

3 超聲相控陣檢測技術應用實例

3.1 鋼板對接焊縫的超聲相控陣檢測

檢測對接焊縫是相控陣技術最典型的應用。檢測時探頭無需像常規超聲那樣在焊縫兩側頻繁地作鋸齒形掃查，只需在平行于焊縫的方向作水平移動。檢測前同樣需要對系統進行校準。根據檢測對象的尺寸及材質，確定好探頭與楔塊，在標準試塊(如ⅡW試塊等)上對聲速、楔塊的延遲、檢測靈敏度及系統的綜合線性進行校準。在校驗試塊中應設有適當數量的多種人工缺陷，以確保整個焊縫體積以及熱影響區都能被檢測到。此外，還應對編碼器進行位置校準，當掃查裝置移動300mm時，一般認為誤差不應超過3mm。

常見焊縫坡口形式有X型、K型、V型等，這里以V型坡口為例，說明聲束傳輸的空間形態。圖1表示超聲相控陣探頭聲束掃查焊縫的截面圖。當使用直射法(即一次波或半跨距)檢測時，焊縫僅下半部被聲束掃查到;用底波一次法(即二次波或全跨距)檢測時，聲束就能覆蓋整個焊縫截面。比如圖1中A點，只能被二次波檢測到。焊縫檢測中相控陣探頭的掃查角度為30°～70°，在儀器檢測界面，使用2.5倍厚度左右的檢測范圍，整個焊縫體積就能顯示在一個單一圖像中。

3.2 管道環焊縫的超聲相控陣檢測

管道環焊縫的檢測需求極大地推動了超聲相控陣技術的蓬勃發展，相控陣技術發展初期也是期望于在管道環焊縫的檢測中實現自動化，目前管道環焊縫自動化檢測技術已經成熟，充分體現了相控陣檢測不可替代的優越性。相比于常規超聲檢測，在管道環焊縫的檢測中相控陣技術的優越性除了體現在探頭角度方面外，更體現在自動化檢測方面。管道焊縫一般較薄，對探頭尺寸和角度的要求非常挑剔，使用常規手動超聲波檢測效率很低。引入超聲相控陣自動檢測裝置后，只要將軌道安裝在合適的位置，在爬行裝置、編碼裝置及探頭分工協作下，瞬間即可完成整個圓周的檢測，并完成檢測圖譜的實時存儲，檢測效率可提高數倍。檢測時對管道表面的光潔度、管道的圓度、焊縫表面成形有很高要求。

3.3 鋼鍛件的的超聲相控陣檢測

常規超聲波檢測鋼鍛件時，不宜出現螺紋、鍵槽、銷孔等不利于檢測的結構形式，然而在在役檢測中，這些不利因素的存在卻在所難免。使用相控陣技術很多時候可以解決這些問題。以螺栓為例，在加工出螺紋后，常規超聲檢測很難區分螺紋回波與螺紋底部裂紋產生的回波;同時直探頭對裂紋反射的靈敏度不高，且移動空間較小。采用超聲相控陣技術可以很好地克服這些困難，缺陷的類型及分布能夠直觀地顯示，有助于檢測人員作出準確的判斷。下圖是螺栓實際檢測的示意圖，其中橢圓區域為缺陷顯示。

4 結語

超聲相控陣檢測界面S型掃描與A、B、C、D型掃描相結合，可以靈活而有效地控制聲束，完善缺陷表征信息，實時獲得并存儲缺陷三維數據，實現檢測結果的永久性保存。超聲相控陣技術的優勢性特點在眾多富有挑戰性檢測中的成功應用，使之成為無損檢測的重要方法之一，具有廣闊的應用與發展前景。