超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在焊接質(zhì)量評(píng)判上的應(yīng)用及思考

張翔龍

（海裝廣州局，云南 昆明 650000）

0 引言

近年來(lái)，隨著各型產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改型優(yōu)化，工藝中焊縫結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法（如：X射線）逐漸暴露出檢測(cè)角度單一、檢測(cè)數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)、檢測(cè)效率低等問(wèn)題[1-2]。因此探索最佳檢測(cè)方法及工藝，有效檢測(cè)出焊縫中的危害性缺陷成為當(dāng)務(wù)之急。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的超聲檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)換能器陣列不同單元在發(fā)射或接收聲波時(shí)施加不同的時(shí)間延遲規(guī)則，實(shí)現(xiàn)超聲聲束的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)相比，該技術(shù)可不用柵格移動(dòng)探頭情況下實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊縫及熱影響區(qū)快速、多角度、全聚焦成像檢測(cè)，極大地提高了檢測(cè)效率及缺陷檢出率[3-6]。鑒于該技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，本文以使用該技術(shù)檢測(cè)某型產(chǎn)品焊縫質(zhì)量為例，介紹了超聲相控陣技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接焊縫檢測(cè)中的典型應(yīng)用，為該技術(shù)在類(lèi)似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 超聲相控陣技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 超聲相控陣原理

超聲相控陣技術(shù)是通過(guò)對(duì)換能器陣列不同單元在發(fā)射或接收聲波時(shí)施加不同時(shí)間延遲規(guī)則，實(shí)現(xiàn)超聲聲束移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能的超聲成像檢測(cè)技術(shù)。相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由換能器陣列和控制單元組成，換能器陣元按照一定的規(guī)則進(jìn)行排列，具有獨(dú)立的收/發(fā)控制模塊[7]。相控陣超聲發(fā)射及信號(hào)接收如圖1 所示。

超聲相控陣有別于常規(guī)超聲的3個(gè)主要方面為：換能器陣列、聚焦法則、超聲成像技術(shù)（如圖 2）[8]。當(dāng)換能器處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，控制單元按照一定的延時(shí)規(guī)律，控制發(fā)射超聲波束的聚焦和指向，主要通過(guò)控制換能器各陣元的發(fā)射延時(shí)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)聲束在一定范圍內(nèi)的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦。換能器接收過(guò)程同樣遵守上述幾何聚焦延遲規(guī)律，與換能器的發(fā)射狀態(tài)是互逆過(guò)程。檢測(cè)中，聲束按照一定的規(guī)律在介質(zhì)中進(jìn)行傳播，當(dāng)介質(zhì)中缺陷處聲阻抗發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定聲強(qiáng)的反射信號(hào)。該點(diǎn)到達(dá)換能器陣列中各陣元的路徑不同，從而導(dǎo)致該點(diǎn)處產(chǎn)生的反射信號(hào)到達(dá)各陣元時(shí)間存在一定的差異。各陣元按照設(shè)定的延遲量 Δt對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)求和，使來(lái)自缺陷的回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)同相，達(dá)到增強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)接收聚焦。

圖1 相控陣檢測(cè)原理圖Fig.1 Detection principle diagram of phased array

圖2 換能器陣列、波束偏轉(zhuǎn)、超聲成像Fig.2 Transducer array，beam deflection，and ultrasound imaging

1.2 超聲相控陣發(fā)展及目前評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，90年代后期小型便攜式超聲相控陣設(shè)備研制成功，廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、電力、核工業(yè)等領(lǐng)域，如航空航天特種焊縫檢測(cè)、飛機(jī)機(jī)身腐蝕C掃描檢測(cè)、化工加氫反應(yīng)器特殊焊縫及位置檢測(cè)、大型渦輪葉片根部裂紋檢測(cè)、核容器大厚板異種鋼焊縫檢測(cè)、長(zhǎng)距離石油天然氣輸送管線對(duì)接焊縫檢測(cè)等。目前國(guó)外已制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例發(fā)表（見(jiàn)表 1）。美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）標(biāo)準(zhǔn)已將超聲相控陣列入計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，對(duì)焊縫手工相控陣超聲檢測(cè)批準(zhǔn)了5個(gè)案例[9-10]，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）E2491及E2700等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相控陣技術(shù)的原理、工藝等進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定，并給出了相關(guān)應(yīng)用案例[11-12]。GB/T 32563是國(guó)內(nèi)首部超聲相控陣檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超聲相控陣檢測(cè)方法及工藝設(shè)計(jì)等進(jìn)行了規(guī)范[13]。

表1 超聲相控陣技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Relevant standards of ultrasound phased array technology

2 超聲相控陣技術(shù)在鋁合金筒體焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法存在的不足

某型產(chǎn)品采用雙層式內(nèi)附加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，內(nèi)外殼體分別為七系及五系鋁合金，在生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)異種鋁合金進(jìn)行環(huán)焊及縱焊，焊縫及位置分布見(jiàn)圖3，筒體中檢測(cè)難點(diǎn)為環(huán)焊縫，環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 焊縫位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of weld position

圖4 環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of girth weld structure

對(duì)于上述鋁合金筒體焊縫，目前采用的 X射線檢測(cè)存在下列問(wèn)題：

1）縫板壁厚大，導(dǎo)致檢測(cè)對(duì)比度降低，缺陷走向影響了檢出率，X射線無(wú)論從圖4中1-3任意方向透照都很難檢測(cè)出坡口處的未熔合缺陷；

2）筒體內(nèi)壁結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，背面焊縫形狀不規(guī)則，降低了焊縫中小缺陷的檢出率，根部位置缺陷判別極為困難。

若采用常規(guī)超聲進(jìn)行檢測(cè)會(huì)存在以下問(wèn)題：

1）常規(guī)超聲使用單晶片探頭，入射角度單一，缺陷檢出率較低，若想提高缺陷檢出率，必需增加掃查次數(shù)并使用更多角度的探頭，導(dǎo)致檢測(cè)效率降低；

2）接觸式常規(guī)超聲為非聚焦檢測(cè)，對(duì)于尺寸較小的缺陷容易漏檢；

3）常規(guī)超聲不能成像，由于焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，背部余高形狀不規(guī)則，檢測(cè)中各種信號(hào)干擾使缺陷判讀較為困難，極易造成缺陷漏判及誤判。

2.2 超聲相控陣技術(shù)相比于傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)技術(shù)，超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下。

1）靈活：可實(shí)現(xiàn)波束聚焦、偏轉(zhuǎn)及線性移動(dòng)，檢測(cè)角度較為多樣；

2）準(zhǔn)確：使用波束偏轉(zhuǎn)、聚焦功能提高缺陷檢出率及信噪比，檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確；

3）完整：能定制小探頭或自行設(shè)計(jì)探頭及楔塊，可檢測(cè)到常規(guī)超聲方法不能或不易檢測(cè)到的區(qū)域；

4）快速：電子掃描提高檢測(cè)效率；

5）易判：多種成像顯示方式，檢測(cè)結(jié)果更易于判讀；

6）記錄：數(shù)據(jù)保存后可進(jìn)行多次檢測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)對(duì)比，追溯性強(qiáng)。

針對(duì)該鋁合金筒體焊縫常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，采用超聲相控陣方法進(jìn)行檢測(cè)可以得到有效解決。

1）超聲相控陣多角度掃查可以有效檢測(cè)出兩側(cè)坡口位置的未熔合缺陷，當(dāng)焊縫兩側(cè)不等厚時(shí)，采用超聲相控陣多角度扇掃可極大提高坡口未熔合及焊縫中各種缺陷的檢出率及檢測(cè)效率，如圖5所示；

2）超聲相控陣聚焦功能提高了信噪比，同時(shí)也提高了根部及焊趾處微小裂紋的檢出率；

3）超聲相控陣的集成化功能可將焊縫外形內(nèi)置于軟件中，缺陷判讀時(shí)只需關(guān)注焊縫及熱影響區(qū)域即可，對(duì)于其他區(qū)域的信號(hào)可作為缺陷判別的輔助信號(hào)，大大提高了缺陷判別的準(zhǔn)確性。

圖5 超聲相控陣角度波束缺陷響應(yīng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of angular beam defect response of ultrasound phased array

2.3 檢測(cè)結(jié)果比對(duì)

此次對(duì)該裝備環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的檢測(cè)參考了ASTM E2700—2009標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，使用OLYMPUS的OMNISCAN-MX2超聲相控陣儀器，5 MHz 及10 MHz相控陣探頭，折射角55°相控陣楔塊，一次激活 16晶片，采用 40°～70°橫波斜入射，為保證焊縫及熱影響區(qū)聲束全覆蓋，使用CIVA仿真軟件進(jìn)行聲速覆蓋仿真。

為方便檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，分別使用超聲相控陣及X射線方法對(duì)鋁合金筒體一條環(huán)焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，整條環(huán)焊縫相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)分為4段，編號(hào)為1-4。對(duì)應(yīng)于每段相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)，X射線分4張檢測(cè)底片，整條環(huán)焊縫檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

由表 2數(shù)據(jù)對(duì)比可知：對(duì)于坡口未熔合缺陷，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際缺陷具有較好的一致性；超聲相控陣能夠有效檢測(cè)出鋁合金筒體復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫坡口處的未熔合缺陷，且對(duì)于焊縫中其它缺陷的檢出率，超聲相控陣檢測(cè)方法也遠(yuǎn)高于 X射線。

表2 環(huán)焊縫超聲相控陣與X射線檢測(cè)結(jié)果對(duì)比匯總Table 2 Comparison and summary of ultrasonic phased array and X-ray detection results of girth weld

3 超聲相控陣檢測(cè)目前存在的問(wèn)題

從以上應(yīng)用可以看出，超聲相控陣技術(shù)對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)具有巨大優(yōu)勢(shì)，但受制于該技術(shù)發(fā)展起步時(shí)間晚的因素，在工程應(yīng)用中還存在以下需解決的問(wèn)題：

1）針對(duì)不同位置焊縫需要制作專(zhuān)用的楔塊、對(duì)比試塊及掃查工裝，制作復(fù)雜程度高，難度較大；

2）國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的GB/T 32563—2016只對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行了規(guī)范，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收準(zhǔn)則尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，缺陷評(píng)判只能參考北美技術(shù)規(guī)范等文件或憑檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)判斷，結(jié)論權(quán)威性和準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步提高；

3）目前各行業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)樣本不足，焊縫缺陷圖譜尚未形成，導(dǎo)致缺陷定性較困難，對(duì)焊縫等級(jí)評(píng)定造成影響；

4）超聲相控陣檢測(cè)對(duì)人員及技術(shù)要求高，普及性及適應(yīng)性還有待進(jìn)一步發(fā)展。

4 在焊接質(zhì)量評(píng)判應(yīng)用上的思考

如上文所述，超聲相控陣技術(shù)是近年來(lái)隨著制造業(yè)快速發(fā)展而興起的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，該技術(shù)具有常規(guī)無(wú)損方法無(wú)法比擬的諸多優(yōu)勢(shì)，且已在各行業(yè)形成眾多成功應(yīng)用案例。從產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)判角度看，可為提出產(chǎn)品研制質(zhì)量要求和保持批產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定發(fā)揮巨大作用。但縱觀各類(lèi)新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用歷程，目前該技術(shù)在產(chǎn)品的中應(yīng)用還有一些亟待解決的實(shí)際問(wèn)題，必須從整個(gè)項(xiàng)目策劃的高度和要求，合理合法推動(dòng)新技術(shù)在產(chǎn)品研制生產(chǎn)中的應(yīng)用，真正使新技術(shù)的應(yīng)用為行業(yè)發(fā)展盡其所長(zhǎng)。

1）要注意普遍運(yùn)用和個(gè)別運(yùn)用的區(qū)別。任何一種檢測(cè)手段和方法有其所長(zhǎng)，也必有其所短，對(duì)于新興檢測(cè)手段，一定要從檢測(cè)的原理、方式、適用性出發(fā)，進(jìn)行必要性論證，確實(shí)需要的選取產(chǎn)品研制或生產(chǎn)過(guò)程中合適的時(shí)機(jī)、樣本開(kāi)展。既不能以偏概全，把原有的檢驗(yàn)手段和方式替換為新技術(shù)，也不能避而不用，喪失了獲取更精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。

2）要避免小批量樣本數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生偏移。目前，對(duì)于新技術(shù)的運(yùn)用，諸多領(lǐng)域尚缺乏眾多的樣本數(shù)以積累形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在這樣的背景下，新技術(shù)的應(yīng)用所得出的結(jié)果就成為了小批量樣本數(shù)據(jù)，在評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)上大多參照理論設(shè)計(jì)數(shù)值或參考其它類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)，且受制于相信新技術(shù)的慣性思維，容易給檢測(cè)結(jié)果的評(píng)判造成人為偏差。

3）要結(jié)合進(jìn)度經(jīng)費(fèi)合理安排新技術(shù)應(yīng)用。新技術(shù)的應(yīng)用固然能提高檢測(cè)精度、降低人工成本，但受限于檢測(cè)設(shè)備的數(shù)量、場(chǎng)地以及檢測(cè)過(guò)程中特殊工裝及輔料成本，難免在實(shí)施起來(lái)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間做準(zhǔn)備工作；在未全面普及以前，經(jīng)費(fèi)上相對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)手段也要高出很多。所以，在整個(gè)項(xiàng)目中如何既能讓新技術(shù)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)而又不耽誤進(jìn)度、如何獲取更為精準(zhǔn)科學(xué)的數(shù)據(jù)而又不浪費(fèi)項(xiàng)目資源，這是在策劃之始就應(yīng)考慮的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了超聲相控陣技術(shù)的原理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)超聲相控陣和 X射線方法對(duì)某型產(chǎn)品鋁合金筒體一條環(huán)焊縫的檢測(cè)對(duì)比，說(shuō)明了超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并指出目前技術(shù)和應(yīng)用上存在的問(wèn)題，為超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供指導(dǎo)。