一種應用于高衰減金屬部件的超聲探傷方案

姚立恒 林嘉財 李隆廣(汕頭超聲儀器研究所有限公司，廣東 汕頭 515041)

0 引言

在化工行業中，由于生產工藝中經常有高溫高壓的要求，所以必須保證相關設備的安全性和可靠性，為此引入日常的檢測工作非常重要，但由于停機拆解檢測代價極高，方便有效的超聲無損檢測就是一種可以比較好滿足相關需求的方式。[1]在超聲檢測中，使用最多的是脈沖回波法，這種方法的特點是能夠簡單的從被檢部件的單側表面直接進行，不需要像X 射線一樣考慮穿透布置等問題，且對于大部分的金屬材料都有非常好的相容性。但是由于對于某些高衰減合金制作的部件，如果只是簡單的使用單探頭的脈沖回波，檢測能力就非常受限。因此人們考慮了各種改進的方案，如使用更大尺寸的探頭提供更高的發射能量，或者使用更低頻率的去彌補衰減。但這些方案都有各有相當的局限性。為了更好的解決問題，人們開始嘗試使用相控陣的方式去控制發射和接收的聲信號，這帶來了超聲檢測的一次革命。[2]

相控陣檢測憑借其使用的陣列式探頭，以及精確可控的聚焦效果，從相當程度上解決了原有使用單探頭情況下的靈敏度、分辨率和信噪比不足問題。在相同尺寸的探頭下，實現了更好的穿透深度，滿足了高衰減材料的使用要求。但只簡單的套用為通用檢測準備的相控陣方案，仍不能最好的解決我們對于各種高衰減工件的檢測要求。現在行業內為了解決這個問題，普遍采取的是雙面陣探頭(Double Matrix Array，即DMA 探頭)的解決方案[3]。但該方案是用的是二維面陣探頭，而且需要成對使用，同時儀器還需要有收發獨立控制的二維聚焦能力，無論從探頭還是儀器，現階段都是高端產品的存在，檢測需要投入的設備成本非常高，在日常應用中推廣使用有限制。所以需要我們設計提供一套新的解決方案，即能滿足高衰減環境的使用要求，又可以盡可能的減低成本并兼容常規只有一維控制能力的相控陣儀器。

1 方案設計

如上面背景介紹中所述，為了能更好的兼容市場上所有常用的相控陣檢測設備，我們決定將探頭陣列仍限制在一維的方式上，同時采用自發自收的方式。在滿足這個條件的前提下，從設計上去實現我們的需求。首先從探頭陣列的幾個基礎參數出發，我們認為應該兼顧好幾個互為掣肘的方面：在頻率選取上兼顧分辨力和穿透能力，在尺寸上兼顧能量強度和尺寸大小，在陣列設計上兼顧主機系統的驅動能力以及構建成本，在工藝實現上兼顧高性能和可生產性。根據超聲的理論特性，結合材料本身的物理聲學特性，再綜合我們長期的生產檢測經驗，我們設計了以下參數的超聲相控陣探頭：中心頻率3.5MHz，陣元數量32，陣元中心距0.5mm，被動孔徑10mm，被動孔徑方向曲率R35mm，主動總孔徑長度：16mm。

對于參數的設計，我們具體的考慮如下：中心頻率選取3.5MHz，比常規的中頻率5.0MHz 稍低，可以在更好的滿足穿透的需求的同時兼顧分辨力；0.5mm 中心距的設計在滿足相控陣陣元中心距半波長的情況下，適當進行縮小，一方面彌補了頻率較低造成的分辨率降低，另一方面配合32 個陣元，使得主動總孔徑長度在16mm，為保持較小的整體尺寸打下基礎。32個陣元的設計，配合市場上主流的32 通道設備，可以最大程度的發揮出相控陣探頭的性能[4]。在被動孔徑的設計上，除了在有限的外殼尺寸下盡量的增加能量外，還增加了一個R35 的曲率設計，使得探頭在主機系統無法控制的被動孔徑方向也產生了一個聚焦能力，而常規的相控陣探頭在被動孔徑方向是沒有設計聚焦能力的，所以我們設計的這種探頭又被稱之為自聚焦探頭。聚焦能力的加入，降低了探頭與被檢工件界面處的回波，減少了常規相控陣因界面波產生的近場盲區，同時兼顧了近表面的檢測要求。

常規相控陣探頭往往搭配的是橫波楔塊(通過楔塊材料與被檢材料的聲速差異，實現在傾斜入射時實現波形變換，由探頭直接產生的縱波于楔塊與被檢工件的界面處轉換出橫波)，這是因為橫波的聲速較低、波長較短，在允許的情況下，使用橫波能獲得更好的分辨力。但注意到我們面對的是高衰減的材料，如奧氏體中的粗晶結構，對于橫波會有明顯的衰減作用，所以我們為這個探頭設計了一款縱波的55 度折射楔塊。雖然更小的角度可以避免更多的聲衰減，實現更多的能量入射，但過小的角度也會增加界面波的反射強度，會抵消我們之前的一些設計改進。另外55 度也介于最常用的折射角范圍40 度到70 度中間，便于滿足實際的使用要求。

圖1 探頭及縱波楔塊的搭配設計

完成探頭陣列方面的參數設計后，我們再具體對探頭單個陣元的聲學性能進行設計。單個陣元的聲學性能是整個系統的基礎，決定了整個系統方案性能的上限，每個陣元聲學性能的實現情況和各個陣元間的一致性，決定了整個探頭最終成像的效果。通過上面構建好的陣列參數，我們開始在陣列參數的框架內對單個陣元進行設計。設計時，我們同樣遵循理論與實際相結合的方式，理論上利用KLM 模型對探頭進行細致仿真，優化調整探頭聲學結構中的各個組成部分。作為基礎能量轉換結構的壓電復合材料，我們放棄了直接使用常規的壓電陶瓷，設計開發了電聲性能都為該探頭參數進行專門調整的1-3復合材料，并根據該1-3 復合材料的聲學特性，專門為其開發了負責吸收背面反射波的背襯衰減材料和負責實現透聲的發射面匹配層材料。當三者組合起來后，再結合適當的電匹配調諧電路，我們完成了整個基礎的構建。根據各項材料的實際參數，我們先使用了Piezo-CAD 對探頭預先進行了計算機數值仿真，結果如圖2。

圖2 Piezo-CAD模擬的探頭性能

2 實際測試

根據上面整體的設計方案，我們制作了一款探頭樣品以及配套的縱波楔塊，實物樣品如圖3。

圖3 探頭及縱波楔塊的實物樣品

探頭性能達到我們在設計方案時預期的設計目標，我們下來將探頭及楔塊與SIUI 的32 通道工業相控陣儀器Syncscan 32PT 相連，使用中啟動全部32 個發射接收通道對探頭進行相控陣控制。測試用的試塊是316 奧氏體不銹鋼材料制作，厚度為50mm，試塊內有不同深度的Φ3 橫通孔作回波測試。測試出的配機成像效果如圖4。

圖4 探頭楔塊實物以及配機測試效果

3 結語

我們開發的這套3.5MHz 自聚焦相控陣探頭及縱波楔塊搭配的檢測方案，外形緊湊堅固耐用，配合我們自研的國產相控陣檢測系統，在奧氏體試塊的實際配機測試中，表現出良好的成像效果。初步的測試表明，我們這套檢測方案已經達到了預期的設計目標，下來我們還需要將這套解決方案進一步在生產環境中的相關設備上進行檢測應用。該方案對比現有用于奧氏體檢測的雙面陣探頭(DMA 探頭方案)方面，無論是在探頭還是系統方面，都大大降低了復雜度，明顯地降低了檢測成本，有利于在化工領域的各個無損檢測場合進行推廣。在進行現場驗證后，我們還將根據現場應用環境的各種需求，提供各種配附件并進行必要的改型，進行產品的系列化擴展，以更好的滿足化工生產環境中的多種檢測需求。