超聲相控陣技術對不同厚度對接焊縫表層缺陷的定位

岳庚新，王 妍，趙 遠

（天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津300384）

超聲相控陣技術對不同厚度對接焊縫表層缺陷的定位

岳庚新，王 妍，趙 遠

（天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津300384）

簡要介紹了常規超聲波檢測和超聲相控陣檢測的特點。以超聲相控陣技術為研究對象，對不同厚度對接焊縫表層缺陷的定位進行了試驗研究。驗證結果表明，超聲相控陣檢測技術能夠實現對不同厚度對接焊縫表層缺陷的精確定位，提高了工作效率。超聲相控陣檢測技術可實現A掃、S掃等不同掃查方式的對比，使得對缺陷的判定更直觀、更具有說服力，并且能夠實現整個掃查過程全數據的存儲，便于后期的處理和追溯。

檢測；超聲檢測；表層缺陷；超聲相控陣；扇形掃查

1 概 述

超聲波技術具有高精度、無破壞、零損傷等優點，在各個領域都得到了較為廣泛的應用。目前，超聲波技術在機械制造、石油石化、交通軌道等工業領域占有舉足輕重的作用，此外在醫學、生物科學等領域也占有重要的地位[1-5]。

采用超聲波技術對工件進行檢測時，存在以下問題：①對工件中的缺陷進行精確的定位、定性很難實現；②對復雜形狀和不規則的形貌檢測存在困難；③缺陷位置、取向和形狀都對檢測結果有不同的影響；④以脈沖形式顯示的檢測結果不直觀，且檢測結果不能夠直接記錄。因此，超聲相控陣技術應運而生，該技術實現了在不移動探頭的情況下完成聲束的移動、偏轉和動態聚焦，并可以以35°～75°的扇形區域對焊縫進行掃查，動態聚焦還可實現控制焦柱長度、焦點尺寸和聲束的方向，改善了檢測時的分辨率和信噪比，提高了工件缺陷的檢出率[6-9]。

當然，相控陣檢測技術也面臨諸多挑戰，如時間延遲的精確控制、壓電晶片聲電性能的好壞、避免旁瓣產生及聲束角度選擇等問題，這些都將影響檢測結果的準確性[10]，因此在制定檢測工藝時要全方位考慮多種因素的影響，盡量提高檢測結果的準確性。

2 超聲相控陣檢測原理及其參數選擇

對接焊縫超聲相控陣聲束覆蓋方式如圖1所示。與常規的超聲檢測相比，超聲相控陣的探頭是由一系列相互獨立的晶片構成，超聲相控陣技術可通過激發多個獨立的晶片，發射一定角度范圍（35°～70°）的聲束進行掃查，通過聚焦深度、角度范圍和焦點尺寸等參數的控制，使超聲束能夠一次性全覆蓋整個焊縫，這就避免了探頭的前后移動。同時，超聲相控陣檢測采用扇形掃查代替了柵格形掃查，大大提高了檢測速度，只需使探頭前沿和焊縫保持合適的距離就能夠對整個焊縫進行檢測，這種檢測方式可以解決因焊縫形狀復雜或空間限制而難以檢測的問題。相控陣儀器還能夠提供多種圖像顯示，如采用A+B+S視圖來顯示掃查數據，并可通過圖形分析軟件進行任意時刻的數據分析。可見，相控陣技術在缺陷的定量方面也優越于傳統的超聲波檢測方法。

圖1 對接焊縫超聲相控陣聲束覆蓋圖

針對不同板厚的對接焊縫進行相控陣檢測，檢測設備采用Omniscan MX2型相控陣檢測儀，同時顯示A掃和S掃檢測結果，聲束角度選用35°～75°，設置V形焊縫。不同厚度對接焊縫相控陣檢測聲束模擬結果如圖2所示。由圖2可見，通過調整探頭前沿距焊縫中心的距離，選用一次波和二次波同時掃查，可以使超聲相控陣的一次波聲束將焊縫的根部區域覆蓋，二次波將焊縫完全覆蓋，可見超聲相控陣技術能夠滿足對不同厚度對接焊縫的掃查要求，避免了表層缺陷漏檢和定位不準的現象。

圖2 不同厚度對接焊縫相控陣檢測聲束模擬結果

3 試驗驗證分析

驗證試驗選用厚度為15mm和20mm的對接焊縫工件。驗證試驗工件內外結構實物照片如圖3所示。首先采用X射線法透照焊縫并確定焊縫缺陷的位置及類型。之后采用常規的超聲波反射法對缺陷進行檢測，雖然常規的超聲波反射法對焊縫內部的缺陷能夠進行較為精確的定位，但是無法實現對焊縫表層缺陷的檢測，檢測時可能會形成漏檢，這是因為常規的超聲波檢測存在檢測盲區。超聲波是由壓電陶瓷材料的機械振動產生的，機械振動時會產生余震，檢測盲區實際上就是由傳感器的余震產生的。另外，常規超聲探頭受移動范圍和聲束角度的限制，對于與聲束軸線呈一定角度的缺陷也容易造成漏檢。

圖3 驗證試驗工件內外結構實物照片

對接焊縫相控陣檢測結果如圖4和圖5所示。從S掃可以看出，缺陷成片狀橢圓形顯示，屬于密集型缺陷，且缺陷的中心部位較明亮，邊緣不清晰，反差較大，當左右移動探頭時，缺陷快速消失。可見此缺陷為密集型氣孔。從A掃可看出，在二次波掃查的34.8～39.6mm處存在缺陷，也就是相當于距表面2～5mm處存在大小不同的氣孔缺陷，屬于近表面缺陷。普通超聲檢測很難對此類缺陷定位，但超聲相控陣的檢測就較為精準，這就說明相控陣檢測技術能夠對整個焊縫進行較全面的覆蓋。

圖4 對接焊縫位置一的超聲相控陣檢測圖像

圖5 對接焊縫位置二的超聲相控陣檢測圖像

4 結 論

（1）超聲相控陣檢測技術能夠對不同厚度對接焊縫表層的缺陷實現精確定位，不僅提高了工作效率，還提高了缺陷的檢出率和可靠性。

（2）超聲相控陣技術可實現A掃、S掃等不同掃查方式的對比，使缺陷的判定更直觀、更具有說服力，并且能夠實現整個掃查過程全數據的存儲，便于后期的處理和追溯。

[1]汪良華.承壓設備對接焊縫超聲相控陣檢測圖譜分析[D].南昌：南昌航空大學，2014.

[2]劉曉睿.超聲相控陣技術檢測和評價方法研究[D].南昌：南昌航空大學，2002.

[3]李衍.焊縫超聲檢測相控陣參數與缺陷顯示的相關性[J].中國特種設備安全，2010，34（3）：1-4.

[4]李衍.超聲相控陣技術（第二部分）掃查模式和圖像顯示[J].無損探傷，2007，31（4）：36-42.

[5]李衍.相控陣超聲檢測國際動態[J].無損探傷，2008，32（6）:1-4，8.

[6]盧超，鄧丹，陳文生，等.鋼軌氣壓焊接頭的超聲相控陣檢測技術研究[J].失效分析與預防，2011，6（3）：139-143.

[7]傅樅春.煉鐵高爐爐殼超聲波探傷的缺陷定位分析[J].無損探傷，2008，32（1）：43-44.

[8]王敏，竇洪.超聲相控陣技術在電力工業無損檢測中的應用[J].廣東電力，2009，22（12）：50-52.

[9]邵鳳和，徐東杰，石秀榮，等.超聲相控陣技術在焊接接頭檢測中的應用[J].機電信息，2011（15）：96-99.

[10]隋洪波.超聲相控陣檢測系統相關技術研究[D].長春：吉林大學，2003.

Ultrasonic Phased Array Technology Positioning Analysis of Butt Weld Surface Defect with Different Thickness

YUE Gengxin,WANG Yan,ZHAO Yuan
（Tianjin Chengxinda Metal-Testing Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China）

In this article,it briefly introduced the characteristics of conventional ultrasonic testing and ultrasonic phased array technology.With ultrasonic phased array technology as the research object,the positioning of butt weld surface defect with different thickness was studied.The results showed that the ultrasonic phased array technology can realize accurate positioning for the butt weld surface defects with different thickness and improve working efficiency.It also can realize the comparison of different scanning modes,such as A mode,S mode and so on,make the determination of the scan results more intuitive and more persuasive,and can realize all data storage of whole scanning process,convenient for later processing and traceability.

detection;ultrasonic testing;surface defect;ultrasonic phased array;sector scan

TE973.6 文獻標志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.010

岳庚新（1988—），男，碩士，主要從事無損檢測新技術及金屬材料組織及性能的研究。

2015-11-12

謝淑霞