基于UltraVision仿真技術的小徑管超聲相控陣檢測工藝分析

謝利明，張艷飛，王海學，鄭建軍

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

超聲相控陣技術作為一種新興無損檢測技術，具有多角度掃查、聚焦方式可變，晶片自聚焦及A掃描、B掃描、C掃描和扇掃成像等優勢，可有效檢出焊接接頭中的各種面積型缺陷和體積型缺陷，提升檢測效率和缺陷檢出率。在無損檢測中，利用超聲相控陣仿真技術，可對探頭楔塊設計、檢測工藝參數配置、超聲波聲束覆蓋范圍、編碼器設計及缺陷的響應效果等進行模擬仿真，不僅提高效率、節約成本，還可以優化檢測工藝[1-2]。

本文采用基于UltraVision仿真技術的超聲相控陣檢測工藝，對火電廠典型規格的小徑管進行3D建模，設置不同檢測工藝參數，進行聲束覆蓋范圍和缺陷響應能力的模擬仿真，對檢測工藝的適用性和可靠性進行探索。

1 UltraVision仿真軟件介紹

UltraVision仿真軟件是由美國Zetec公司研發的一款功能強大、界面直觀的專業無損檢測仿真系統，UltraVision軟件具有超聲設置仿真、機械設置仿真、高級相控陣計算器、工件及缺陷3D模型創建等功能模塊，可以對檢測系統設計、無損檢測工藝設置和缺陷響應進行模擬仿真：根據實際檢測工藝配置參數，通過加載帶有缺陷的被檢工件3D模型，追蹤聲束探測能力，采集反射聲波的信號，并且對缺陷回波信號進行數據分析。

2 參數設置

仿真試驗選取火電廠鍋爐51 mm×6 mm（外徑×壁厚）小徑管對接焊縫。在軟件工件設置模塊內進行工件參數設置和三維模型生成。工件及焊縫參數設置如下：樣管外徑51 mm，壁厚6 mm，長度300 mm，材質20G，橫波聲速3230 m/s，焊縫坡口V形，坡口角度30°，根部間隙1 mm，焊縫余高1 mm，焊趾高度0.5 mm，熱影響區寬度2 mm（焊縫兩側對稱），小徑管對接焊縫三維模型見圖1。檢測面為小徑管外表面，檢測方向為軸向掃查。

圖1 小徑管對接焊縫三維模型

3 聲束覆蓋范圍仿真試驗

根據DL/T 1718—2017《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規程》[3]探頭參數推薦表和被檢焊縫結構，選擇線性陣列探頭，探頭頻率7.5 MHz，主軸晶片數16，主軸間距0.3 mm，主軸晶片尺寸為0.2 mm；楔塊角度31°，長度12 mm，高度10 mm，寬度10 mm，第一晶片中心高度1 mm。選擇脈沖激發方式，發射和接收波型均為橫波[4]。

影響聲束覆蓋范圍的工藝參數主要有聲束角度、掃查方式、步進偏置等。試驗中選用的工藝參數設置如下：選擇扇形掃查方式，起始角度35°～45°，終止角度60°～70°，步進偏置分別選擇0 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。將以上參數輸入UltraVi?sion軟件中進行仿真模擬試驗，聲束覆蓋效果見圖2[5]。

圖2 聲束覆蓋范圍仿真試驗結果

仿真試驗結果表明，探頭沿小徑管對接焊縫軸向掃查，當探頭距離焊縫中心3 mm（步進偏置）時，起始角度40°，終止角度70°，2次波及3次波可以100%覆蓋焊縫及熱影響區域，可對焊縫內部所有位置的缺陷進行有效檢測。

4 聚焦聲束分布仿真試驗

超聲陣列探頭是由許多壓電晶片按照一定形狀排列組成的，例如線性陣列、矩形陣列和環形陣列等。各個晶片可以獨立進行超聲發射和接收。通過電子信號控制每個晶片的激發順序，使得每個晶片的發射信號相位不同，控制每個信號到達焦點的相位相同，增加焦點處聲場強度，從而實現適用于檢測的聲束偏轉和聚焦[6]。

超聲相控陣檢測動態聚焦方式有真實深度聚焦、半聲程聚焦、投影面聚焦和任意面聚焦4種聚焦類型。真實深度聚焦即所有聲束聚焦在同一深度，焦點位于檢測工件內同一深度，軟件中設置的真實深度就是擬聚焦位置在材料中的真實深度。半聲程聚焦即所有聲束聚焦在以單聲程為半徑的圓弧上。軟件中設置的聚焦半徑為焦點距離楔塊前端的半聲程數值。投影聚焦即所有聲束聚焦在給定的垂直平面。軟件中設置的初始偏移就是楔塊前端到投影面的水平距離。任意面聚焦即所有聲束聚焦在自定義的一個任意平面上。初始深度和結束深度就是用來設置任意面聚焦中起始和終止聚焦面的深度值[7]。各種類型的聚焦原理見圖3。

同樣以51 mm×6 mm（外徑×壁厚）小徑管為例，對其進行聚焦仿真。工件及探頭、楔塊設置參數不變，改變聚焦方式和步進偏置距離，分別得到4種仿真結果。

4.1 真實深度聚焦

圖3 不同聚焦類型聚焦原理

聚焦方式選擇真實深度，聚焦深度設為9 mm，步進偏置設為6 mm。仿真結果見圖4所示。可以看出，聲束焦點沿焊縫深度9 mm位置水平移動，聲束焦點位于焊縫中部。該工藝適合檢測位于焊縫中部的缺陷，同時也可以作為初步掃查工藝。若檢測位于焊縫表面或者根部的缺陷，可將聚焦深度設置為12 mm（焊縫表面）或6 mm（焊縫根部）。

圖4 真實深度9 mm聚焦仿真結果

4.2 半聲程聚焦

聚焦方式選擇半聲程聚焦，步進偏置設置為4.5 mm。仿真結果見圖5所示。可以看出，聲束焦點沿焊縫根部兩側熔合線移動。該工藝適合檢測焊縫根部缺陷。

4.3 投影聚焦

聚焦方式選擇投影聚焦，步進偏置設置為6 mm。仿真結果見圖6。可以看出，投影聚焦的聲束焦點位于焊縫中心線，焦點軌跡沿焊縫中心線豎直移動。該工藝適合檢測位于焊縫中心線、與焊縫平行的周向缺陷。

4.4 任意面聚焦

圖5 半聲程聚焦仿真結果

圖6 投影聚焦仿真結果

聚焦方式選擇任意面聚焦，步進偏置設置為6 mm，聚焦面深度9 mm，偏移起始6.95 mm、終止3.75 mm。仿真結果見圖7。可以看出，任意聚焦面聚焦的聲束焦點位于探頭對側，焦點軌跡沿坡口面分布。該工藝適宜檢測焊縫坡口側的缺陷，如坡口未熔合[8-10]。

圖7 任意聚焦面聚焦仿真結果

5 結語

本文利用UltraVision軟件進行了超聲相控陣在小徑管對接焊縫檢測中的聲束覆蓋范圍和聚焦聲束分布仿真研究。通過仿真試驗結果可以得出，超聲相控陣仿真是一種既經濟又科學的方法，經過聲束覆蓋范圍仿真，可以對檢測工藝適用性進行驗證和優化；通過聚焦聲束分布仿真，可以明確聲束焦點在被檢小徑管對接焊縫內的分布情況，從而可以指導檢測工藝中聚焦方式的選擇，提高缺陷檢測信噪比。