相控陣超聲檢測技術在復雜結構鋼鑄件中的應用

顧燕三

摘 要：隨著科學技術的發展，越多越多的產品零部件使用鑄鋼制品。對鑄鋼件的金屬性能在使用過程中提出了更高的技術要求，而對其進行無損檢測也越來越重要。常規無損檢測方法往往受限于其復雜幾何結構而不能獲得良好的檢測效果。相控陣超聲檢測技術具有較好的操作性、聲束掃查覆蓋面廣、對構件中的缺陷檢出率高以及檢測結果成像直觀等優點。本文主要通過對選定復雜結構鋼鑄件的實物檢測來驗證全聚焦相控陣檢測技術在復雜結構鋼鑄件檢測中的可行性。

關鍵詞：復雜結構;鋼鑄件;全聚焦

Abstract：With the development of science，the more products are developed，the more steel products are used.Higher requirements are put forward on the metal properties of steel castings，and it is becoming more and more important to no longer carry out inspections.The method is selected for its complex geometric structure and cannot obtain good detection results.Phased array inspection ultrasonic technology has the advantages of good performance，high sound beam inspection，high defect detection and imaging of inspection results.The feasibility of the full-focus phased array detection technology in the detection of composite structural steel castings is mainly verified by the detection of specific complex structural steel castings.

Key：Complex structure;Steel castings;Full focus

1.引言

（1）隨著科學技術的發展，越多越多的產品零部件使用鑄鋼制品。對鑄鋼件的金屬性能提出了更高的技術要求，而對其進行無損檢測也越來越重要。常規無損檢測方法往往受限于其復雜幾何結構而不能獲得良好的檢測效果。

復雜結構鑄鋼件的檢測存在如下諸多難題：

①超聲衰減

復雜結構的鋼鑄件，由于成型方法的限制，鋼鑄件晶粒較為粗大，超聲波在鑄件中傳播的衰減極為明顯;

②鋼鑄件結構復雜

復雜結構的鋼鑄件幾何結構極其復雜，常規檢測方法無法在鋼鑄件上方便順利的進行;

③缺陷評定

復雜結構的鋼鑄件幾何結構極其復雜，缺陷響應聲波信號和鋼鑄件結構響應聲波信號極難分辨，對于缺陷的評定造成極大的干擾;

從圖1和圖2中可知，缺陷信號和噪聲信號之間極大部分產生重疊，噪聲信號對缺陷信號的辨識產生了極大干擾，極不利于現場檢測人員對缺陷的評判，既可能出現缺陷信號的漏判，也可能出現將噪聲信號誤判為缺陷信號。

④缺陷檢出率;

復雜結構的鋼鑄件幾何結構極其復雜，很多部位的檢測無法有效進行，因此缺陷檢出率較低。

（2）TFM （全聚焦技術）

①探頭工作方式

相控陣檢測探頭的工作方式如下圖所示：

②全矩陣采集技術（FMC）

全矩陣采集技術（FMC）包含了探頭中所有的發射和接收陣元的所有可能的A掃信號，在所有的初始的信號被采集完畢后，就能通過加載一定的延時法則進行離線處理，具體工作原理詳見下圖所示：

③TFM （全聚焦技術）

TFM （全聚焦技術）基于一種虛擬的成像算法，通過將全矩陣采集技術采集到的數據矩陣中的每一組收發信號聚焦在重建成像區域的每一個成像點上實現整個成像區域的FMC-TFM成像，其工作原理詳見下圖所示：

④TFM （全聚焦技術）優勢

1）聚焦優化：FMC-TFM技術在發射接收成像區域實現處處聚焦，因此優化了成像區域的靈敏度和分辨力;

2）最小化的陰影效果：FMC-TFM技術采集并處理所有晶片互相匹配的信號，其結果是在聲程上遇到缺陷時圖像上所產生的陰影會比超聲相控陣檢測時小;

3）圖像解釋更容易：全聚集相控陣檢測結果是一副成像區域的檢測圖像，成像區域可以直接在缺陷所在位置，這比常規超聲圖像更容易讓人明白，檢測人員能清晰實時看到響應信號對應所在的檢測工件的部位。

4）缺陷成像更直觀：缺陷在反射模式下（或者鏡面反射表面）時，圖像信號和缺陷反射體的輪廓一樣，檢測腐蝕類小坑非常直觀，底面，近表面盲區小。

2.復雜結構鑄鋼件的實物檢測

（1）設備1全聚焦相控陣檢測

①設備1結構分析

設備1實物圖詳見圖1。設備1是整體鑄造成型，鑄造成型過程中，設備1內部會有氣體和疏松，鑄造成型過程中鑄件內部拐角處容易出現熱量不均勻而引起收縮氣孔。設備1運行技術要求設備在工作過程中不會產生泄露。經分析可知，設備1容易出現泄露的區域主要集中在兩個大的接口轉角位置及設備的各個肋板部位。

②設備1全聚焦相控陣檢測

從上述全聚焦（TFM）相控陣檢測結果圖可知，設備1不同缺陷部位在檢測過程中均有明顯的聲波響應信號，缺陷信號在儀器界面上清晰可辨。

（1）設備2全聚焦相控陣檢測

①設備2結構分析

設備2實物圖詳見圖6。設備2也是整體鑄造成型，設備2鑄造成型過程中主要在輪廓變化位置容易出現氣孔，疏松等典型鑄造缺陷，其中氣孔疏松為主要氣孔類型。設備2是游樂場游樂設施基座，需要長時間持久運行，對于安全性要求很高，一旦基座出現失效狀況，會引發游樂設施的不安全運行，從而造成人員設備傷害，后果極為嚴重。因此設備2通過無損檢測進行預防性檢查，將設備2內存在的各種危害性缺陷提前發現并處理，極為重要。

②設備2全聚焦相控陣檢測

設備2缺陷部位取樣工件不同位置的全聚焦相控陣檢測結果

從上述全聚焦（TFM）相控陣檢測結果圖可知，設備2缺陷部位在檢測過程中有明顯的聲波響應信號，缺陷信號在儀器界面上清晰可辨。

對檢測結果顯示的缺陷部位進行切割并取樣，取樣部位的缺陷檢查結果與全聚焦相控陣檢測結果一致。在缺陷取樣試塊的不同方位進行全聚焦相控陣檢測，檢測結果顯示，不論檢測方位如何變化，缺陷部位均能在全聚焦相控陣檢測下有明顯的聲波響應信號，且缺陷部位的聲波響應信號均清晰可辨別。

（3）插入式接管焊縫相控陣檢測

（4）“碗”型鍛件檢測

“碗”型鍛件檢測結構復雜，厚度方向變化大，被檢構件曲率曲率半徑小，采用GEKKO儀器，相控陣探頭5L64-A12，

從上述檢測結果可看出，在檢測前可在儀器中加載檢測工件的模型;檢測過程中，相控陣檢測結果即能在儀器檢測界面中實時顯示，對應的聲波響應信號也可顯示出其在工件模型中的位置（此位置與聲波響應信號在檢測工件中的位置可一一對應）。

3.結論

1）復雜結構鋼鑄件通過全聚焦相控陣檢測技術進行檢測是可行的;

2）復雜結構鋼鑄件中的缺陷能在全聚焦檢測過程中有明顯的聲波響應信號;

3）復雜結構鋼鑄件中的缺陷的聲波響應信號能在儀器檢測界面清晰顯示，可辨識度高;

4）全聚焦相控陣檢測技術在復雜結構鋼鑄件檢測中，能較好的區分噪聲信號和缺陷信號;

5）全聚焦相控陣檢測技術能通過檢測工件模型的導入，實時顯示缺陷信號在工件中的具體位置，能夠有效辨別工件結構信號和缺陷信號，極大地方便檢測人員在檢測過程中對聲波響應信號進行評判。

通過初步研究可知，相控陣超聲檢測技術應用在雜結構鋼鑄件檢測中是切實可行的。隨著相控陣超聲檢測技術和超聲成像技術的不斷發展，其在復雜結構鋼鑄件檢測中將能發揮更大的作用。

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