相控陣超聲對小徑管焊縫檢測的研究

齊春雨

中國船級社質量認證公司 北京100006

1 相控陣超聲技術的概述

相控陣超聲技術是相對于脈沖反射法超聲的一種全新的超聲波發射和接收技術,相控陣探頭是由許多小尺寸、成一定結構排列的晶元體組成的陣列探頭,每個晶元體都能夠實現獨立的超聲波信號的發射和接收。通過控制每個晶元體的超聲波信號發射時間,來控制波束的偏轉和聚焦。通過設定晶片的聚焦法則來進行線性掃查和扇形掃差。由此可以不移動探頭就可實現對材料內部全面的檢測,克服零件外形對檢測的影響。由于相控陣超聲設備統可以籌控制多組晶元實現超聲波的發射和接收,因此可以實現探頭發射多組角度和形態都不同的波束,相當于多個脈沖反射信號同時工作,實現了對復雜材料的高效檢測。

2 相控陣超聲技術對小徑管焊縫檢測影響因素分析

2.1 相控陣超聲儀器的性能影響

(1)相控陣探頭參數影響。探頭楔塊加工成曲面后,探頭邊緣聲束會產生散射,晶片尺寸愈大,散射愈嚴重。為了減少這種散射的不利影響,同時為了減小探頭前沿長度,壓電晶片尺寸不宜過大,且最好選擇自聚焦相控陣探頭。小徑管焊縫檢測,探頭參數選擇可參考表1。

表1 小徑管焊縫檢測探頭參數選擇表

(2)相控陣掃查方式設定影響。常見的相控掃查方式有扇形掃查、線性掃查。不同的掃查方式的應用原理不同,而且使用的領域也不同。例如,利用扇形掃查可以檢測一些幾何形狀復雜且檢測空間受限的工件。而利用線性掃查方式可以完成一些大表面積的工件的檢測。

2.2 相控陣超聲技術應用軟件的影響 在軟件選擇和軟件參數的仿真設置中往往會出現偏差問題。因此,展開對相控陣超聲檢測系統的軟件校準成為影響其對小徑管焊縫檢測質量的關鍵所在。在校準的過程當中,需要進行角度校正增益(ACG),對不同角度回波聲壓的變化進行補償控制。如了解楔塊延時修正軟件功能,利用圓弧來補償不同角度聲束的波幅變化的情況,然后利用相控陣中的接收放大器軟件來調整掃查角度范圍內的每個角度的波幅響應,如此計算得出總的傳播時間,由此得到楔塊的傳播時間,進行兩者關系的對比掌握對偏差角度的衰減處理。因此,在整體應用中,如果所采用的軟件計算原理不同,則得出來的補償方案結果不同。

3 相控陣超聲對小徑管焊縫檢測中的應用

3.1 試驗準備分析 選用小徑管焊縫檢測試塊GS-1-GS-4。相控陣超聲儀器選用Omniscan相控陣超聲設備或Sonotron NDT相控陣超聲設備。相控陣超聲探頭選用頻率和陣元分別為5 MHz16陣元,5 MHz32陣元、10 MHz16陣元、10 MHz32陣元等。

3.2 試驗過程及結果分析

(1)試驗方法。對于不同的小徑管焊縫使用不同的探頭和相控陣超聲設備檢測,對比檢測效果。

(2)普通脈沖反射法超聲(A 超)檢測。對小徑管焊縫的缺陷進行測量。主要方式是在標準塊上測出所用探頭的零點、前沿距離及折射角,斜探頭在小徑管外表進行Z字形移動,從而檢測確定焊縫內部缺陷的位置。A 超檢測速度較慢,缺陷的定位、定量及最嚴重缺陷的判斷和作業人員的自身的技術、手法以及經驗等有很大關系。

(3)相控陣超聲檢測。對于小徑管角焊縫的檢測主要是通過儀器建立小徑管焊縫的模型,建模時觀察儀器模擬情況,應讓一次波盡量能覆蓋到焊縫的根部區域,二次波盡可能覆蓋到焊縫的表面區域,不建議采用三次波,利用一次二次波檢測整個焊縫情況。模型建立完畢后按儀器提示步驟利用GS試塊制作TCG 曲線。實際檢測時對被檢焊縫做好標記,標記0°位置,測量步進偏移數值與儀器Index offset值相符,并在管子上劃出圈狀標記,方便楔塊前端按此標記進行檢測。隨后安裝探頭、編碼器、小徑管專用工裝,按編碼器設置的掃查方向沿管子周向移動探頭,觀察儀器檢測圖譜有無耦合異常,盡可能連續作業,一次形成整條焊縫的圖譜。

(4)相控陣檢測與普通UT 檢測技術對比,相控陣超聲可以快速掃查焊縫內部缺陷,比A 超要快很多,提高了檢測效率;其次相控陣可對檢測的焊縫實時觀察并保存圖譜數據,而且效率高且環保,有可記錄的留底數據,方便后期檢測缺陷擴展情況。通過軟件對檢測的圖譜進行分析、研判,對缺陷的檢出率高,而且檢測精度高。利于判斷缺陷的位置、大小等。

(5)通過檢測試驗結果可知,相控陣超聲對小徑管焊縫的內部缺陷檢出率較高,能夠達到90%左右。由相控陣超聲對小徑管焊縫檢測的試驗可知,其根本目標就是為了確定焊縫的缺陷位置以及缺陷大小的情況。當前制定一個完善、合理的相控陣超聲檢測標準與評定標準,能提高小徑管的焊縫缺陷的檢測精度與檢測效率。

4 結語

作為近年來興起的一種無損檢測技術,相控陣超聲技術具有較多的優點。通過試驗可知,對于小徑管焊縫的檢測效率高而且檢測精度高,因此,在小徑管的無損檢測中將發揮越來越大的作用。但是現階段還需要加強相關檢測標準規范的執行力度,確保所檢測的小徑管焊縫能滿足使用要求。未來在研發新型相控陣超聲技術的時候,更需要加強規范管理,減少小徑管焊縫出現問題的概率。