曲面工件柔性線陣聚焦和仿真方法

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隨著工業制造技術的發展，鑄鍛件的型廓也越來越復雜，如飛機發動機的葉片和輪盤、插管件鑄鍛焊結構等[1-2]。由于曲面構件結構復雜，受熱加工生產過程影響易出現各類缺陷，如鑄鍛焊過程中產生的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，以及長期使用過程中產生的應力腐蝕和疲勞缺陷，因此對其進行質量控制尤為重要。超聲無損檢測作為一種重要的無損檢測方法，廣泛應用于曲面構件的檢測中。

超聲相控陣技術能實現聲場動態聚焦與偏轉，在不移動換能器或稍微移動換能器的情況下就能夠實現高效率和高靈敏度的無損檢測，近些年在超聲檢測領域發展迅速[3-5]。平面類型工件已有較為完善的檢測方法，現今的研究熱點逐步圍繞探索曲面鑄鍛焊工件的快速有效檢測展開。郭偉燦等[6-7]針對管狀設備檢測，設計了凸面相控陣聲場延時聚焦計算模型，并利用凸面相控陣探頭進行檢測，但需要采用水浸耦合方式，檢測過程復雜。Olympic公司為L型構件R區檢測設計了專門的相控陣弧形陣列換能器，但該換能器只能用于R角區的檢測，局限性較大。張冬梅等[8]利用弧陣換能器和線陣換能器進行了R區檢測的超聲相控陣試驗，結果顯示方法可行，但各種換能器都需要特制的耦合楔塊，工藝復雜。

針對曲面工件的無損檢測難題，考慮檢測時間、經濟成本等因素，結合相控陣檢測的優點及柔性材料的特點，提出了一種柔性相控陣換能器檢測曲面工件的方法。此方法針對曲面工件的結構特點，分析了柔性相控陣換能器的檢測原理，并設計了柔性相控陣陣列延遲聚焦法則。然后在理論研究的基礎上，利用有限元方法模擬驗證了聚焦法則，并使用仿真試驗檢測帶有人工缺陷的曲面工件。結果表明，此方法能滿足曲面工件內部微小缺陷的檢測需求。

1 柔性相控陣延遲聚焦法則

超聲相控陣換能器是由多個相互獨立的壓電晶片組成的一維或二維陣列，晶片又稱為陣元，每個陣元都可設置自己獨立的發射和接收電路，通過計算機按照一定規則和時序控制所有陣元或部分陣元的超聲發射和接收，達到合成聲束的偏轉、聚焦和掃描效果。

在超聲柔性相控陣換能器檢測過程中，輻射聲束和接收聲束是整個檢測系統的核心內容，聲束收發過程就是按照各陣元所需的延遲時間來精確控制聲束偏轉聚焦的，從而實現合成聲束對整個檢測區域的全掃描過程。計算各個陣元的延遲時間是其中關鍵一步，可以基于惠更斯原理推導超聲波束延遲聚焦法則，計算各個陣元的延遲時間。曲面柔性相控陣聚焦原理示意如圖1所示。

圖1 曲面柔性相控陣聚焦原理示意

R為曲面半徑，探頭以M個陣元為一組，形成一個激發孔徑，從左到右依次編號為1到M，P為第m個陣元的中心，B為激發孔徑的中心，F為聲束聚焦點，α為聲束偏轉角，θ為定義的轉角。柔性相控陣換能器與待檢測工件之間不需要耦合劑，其陣元被包裹在柔性保護膜中，換能器能適應曲面曲率變化與工件表面緊密貼合，從而保證良好的輻射聲場質量。探頭每次以線掃描方式進行檢測，一次掃描結束，再按照相應的延遲聚焦法則激勵陣元組，進行下一次掃描，直至完成整個曲面區域的掃描。設陣元中心距為s，且在掃描過程中保持不變。超聲波在試件中的傳播速度為c。

(1)

(2)

因此，只需要計算出聲波在待測工件中的傳播路徑PF就能計算出各個陣元的延遲時間。

計算第m個陣元輻射聲場路徑PF為

L=

(3)

式中

(4)

(5)

因此，根據以上推導的延遲聚焦計算公式求解柔性相控陣探頭各個陣元的延遲時間，然后多通道電子控制系統根據其延遲時間進行信號激勵，實現一定偏轉角度和聚焦深度的合成聲場，進而采用線性掃描方式檢測待測工件，能夠有效提高檢測效率。

2 有限元仿真

基于以上理論，建立了有限元仿真模型，進一步研究合成聲場在曲面檢測區域內的傳播特性及缺陷檢測能力。

以半徑R為40 mm，圓心角為60°的曲面工件為例，其材料為鋼，密度ρ=7 900 kg·m-3，聲速c=5 890 m·s-1。設置偏轉角α為0°，30°，聚焦深度BF分別為10 ，15 mm，曲面檢測各個陣元的延遲時間如圖2所示，聲束聚焦傳播模型如圖3所示。

圖4為通過圖2中各個陣元延遲時間進行仿真的不同聚焦深度與偏轉角的合成聲場聲壓分布，與圖3中聲束聚焦傳播模型一一對應。結果顯示：利用延遲聚焦法則計算的各個陣元的延遲時間進行信號激勵、仿真模擬，能得到設定的偏轉角和聚焦深度的合成聲場，進而驗證了柔性相控陣換能器能夠基于其延遲聚焦法則實現超聲波束的動態偏轉與聚焦。

圖2 曲面檢測各陣元的延遲時間

圖3 聲束聚焦傳播模型

圖4 不同聚焦深度與偏轉角的合成聲場聲壓分布

3 缺陷仿真試驗

為了研究相控陣換能器對不同孔徑缺陷的檢測能力，在聚焦深度BF=15 mm，偏轉角α=30°位置設置孔缺陷，聲束聚焦傳播模型如圖3(d)所示，缺陷位置位于圖4(d)的焦點處。缺陷半徑r分別為0.05，0.15，0.30 mm，進行3組對比仿真試驗，對曲面區域進行三角形網格劃分，最大單元尺寸為0.2 mm，最小單元尺寸為0.018 mm，時間步長為0.1 ns，計算總時長為7 μs。同一聚焦深度不同孔徑的缺陷檢測仿真結果如圖5所示。

圖5 同一聚焦深度不同孔徑的缺陷檢測仿真結果

圖5的仿真結果說明，合成聲場檢測到半徑r分別為0.05,0.15,0.30 mm的孔缺陷時,都會產生明顯的回波信號，且缺陷半徑越大，回波信號峰值越大。結果表明：基于惠更斯原理和延遲時間的計算方法，采用柔性相控陣檢測技術能實現曲面工件超聲波束動態聚焦偏轉及對微小缺陷的高精度檢測。

4 結論

(1) 采用柔性相控陣技術對曲面工件進行線性掃描，能實現合成波束的動態聚焦與偏轉，從而對整個待測試件進行多方位、多角度檢測，能提高檢測效率、簡化掃描結構、解決空間限制等難題。

(2) 柔性相控陣換能器能夠適應待測曲面曲率的變化，與待測工件表面緊密耦合，能保證輻射聲場的質量，有效地提高缺陷的檢測精度。研究曲面檢測的超聲柔性相控陣技術，為復雜曲面鑄鍛工件的無損檢測提供了新思路，具有良好的應用前景。