趙曉鑫,王伏喜,鄂　楠,李　斌

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所， 洛陽 471023)

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相控陣檢測(cè)與射線檢測(cè)的缺陷識(shí)別對(duì)比

趙曉鑫,王伏喜,鄂楠,李斌

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所， 洛陽 471023)

摘要：介紹了相控陣檢測(cè)技術(shù)的幾種成像方式，并對(duì)焊縫模擬試板進(jìn)行檢測(cè)。將焊縫中的常見危害性缺陷如裂紋、層間未熔合的相控陣檢測(cè)圖像顯示與常規(guī)射線檢測(cè)底片顯示進(jìn)行了對(duì)比，指出了各種缺陷在不同技術(shù)中顯示的特點(diǎn)，并分析了相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷性質(zhì)的識(shí)別方法，同時(shí)描述了該技術(shù)在無損檢測(cè)中的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：相控陣；射線檢測(cè)；裂紋；扇掃

常規(guī)無損檢測(cè)方法包括射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)等。磁粉檢測(cè)與滲透檢測(cè)主要用于檢測(cè)表面和近表面缺陷。對(duì)于內(nèi)部焊縫的檢測(cè)，大部分應(yīng)用射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)。射線檢測(cè)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，標(biāo)準(zhǔn)也相對(duì)完善，可以通過底片準(zhǔn)確地區(qū)分焊縫中缺陷的性質(zhì)并評(píng)級(jí)，但是卻難以判定缺陷在垂直方向的位置和高度，只能實(shí)現(xiàn)二維定位，使焊縫缺陷返修增加了難度。同時(shí)射線檢測(cè)需要布片、拍片、洗片、評(píng)片等步驟，拍片過程對(duì)人體有輻射危害，洗片過程的廢液對(duì)環(huán)境有污染[1]。

超聲相控陣檢測(cè)原理是：由壓電復(fù)合材料制作多個(gè)晶片組合，由多個(gè)壓電晶片按一定規(guī)律分布排列，按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面，從而實(shí)現(xiàn)波束聚焦和偏轉(zhuǎn)。該技術(shù)的扇形掃查方式能提供一定角度范圍的掃查圖像，因此可以不必像傳統(tǒng)超聲一樣頻繁更換不同K值的探頭便能夠覆蓋檢測(cè)區(qū)域。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，相控陣技術(shù)有著常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)[2-3]。但就目前而言，相控陣技術(shù)還存在一些問題有待改善，如缺乏相應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同種類缺陷圖像的定性定量分析等。筆者以內(nèi)置不同缺陷的模擬焊接試板作為檢測(cè)對(duì)象，分別采用射線檢測(cè)和相控陣檢測(cè)方法，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，對(duì)相控陣檢測(cè)缺陷顯示進(jìn)行了初步的判斷，為相控陣檢測(cè)技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供一定參考。

1相控陣檢測(cè)的幾種掃描方式

相控陣檢測(cè)儀器常用的顯示方式包括A掃描、B掃描、C掃描、D掃描、S掃描等，另外還可以通過聚焦法則激活不同的晶片組進(jìn)行E掃描，有的設(shè)備還可以進(jìn)行3D圖像重建[4-5]。

A掃描與常規(guī)超聲檢測(cè)的顯示方式相同，是將超聲信號(hào)的幅度與聲程(深度)以直角坐標(biāo)的形式顯示出來，橫坐標(biāo)代表聲程(深度)，縱坐標(biāo)代表信號(hào)幅度,如圖1所示。

圖1　相控陣檢測(cè)的A掃描顯示

B掃描顯示的是與聲束傳播方向平行且與工件的測(cè)量表面垂直的剖面。在B掃描視圖中，可以觀察到缺陷在焊縫中的高度位置以及缺陷偏離焊縫中心線的位置。部分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此定義不同，在ASTM E2491標(biāo)準(zhǔn)中將與聲速平面及測(cè)量表面都垂直的剖面稱為B掃描[6]。

C掃描顯示為工件的橫斷面圖，相當(dāng)于俯視圖。在C掃描視圖中，可以顯示焊縫的整個(gè)垂直投影，與射線檢測(cè)底片顯示方式相同，可以判斷缺陷在焊縫中的二維位置，確定缺陷各個(gè)點(diǎn)在掃查軸和步進(jìn)軸中的位置。

D掃描顯示的是與聲束平面及測(cè)量表面都垂直的剖面。TOFD(超聲波衍射時(shí)差法)非平行掃查的視圖即為D掃描視圖。在D掃描視圖中，可以觀察到缺陷的高度以及缺陷在掃查軸方向上的顯示長度。B、C、D掃描示意圖如圖2所示。

圖2　相控陣檢測(cè)的B、C、D掃描顯示方式

E掃描即電子掃描，是通過一定的聚焦法則，激活不同晶片，沿相控陣探頭晶片排列方向的電子光柵掃描，類似傳統(tǒng)超聲檢測(cè)的光柵掃查。

S掃描即扇形掃查，是激活一定數(shù)量的晶片，采用一定的聚焦法則，激發(fā)相控陣探頭中部分或全部晶片，通過軟件的延時(shí)，形成一定角度的波束，并且角度在選定范圍內(nèi)快速切換，形成整個(gè)角度范圍的圖像。通過S掃描視圖可以得到一定角度范圍內(nèi)的缺陷顯示，利用測(cè)量光標(biāo)可以識(shí)別出每個(gè)缺陷的高度位置和水平位置等信息。S掃描的顯示視圖如圖3所示。

圖3　相控陣檢測(cè)的S掃描顯示方式

相控陣檢測(cè)通過B、C、D等掃描方式使得焊縫檢測(cè)的缺陷顯示更為直觀，缺陷位置更容易判定。

2常見缺陷的射線檢測(cè)

圖4是模擬試板通過射線檢測(cè)得到的底片，圖中總共發(fā)現(xiàn)3類缺陷，缺陷1為2個(gè)氣孔，缺陷2為層間未熔合，缺陷3為裂紋。在射線檢測(cè)中氣孔缺陷通常為圓形，黑度比焊縫處大并且輪廓內(nèi)顏色比較均勻。從圖4可以看出氣孔在焊縫中的平面位置，如距離焊縫始端的位置，偏離焊縫中線的位置等；難以判斷缺陷在焊縫中的深度，但是容易判斷氣孔大小。

圖4　模擬試板射線檢測(cè)

層間未熔合為危害性缺陷，缺陷黑度大于焊縫完好處黑度，通常比母材處黑度略低，形狀呈現(xiàn)片狀分布，外形不規(guī)則。從底片中可以看出層間未熔合的平面位置以及缺陷長度，但是難以識(shí)別缺陷在焊縫中的深度。

裂紋類缺陷屬于危害性缺陷，通常缺陷兩端比較尖細(xì)，走向不規(guī)則，有時(shí)會(huì)有分岔現(xiàn)象。文中的裂紋走向不規(guī)則，顯示不明顯，可以判斷水平位置，難以判定在焊縫中的深度位置。

3常見缺陷的相控陣檢測(cè)

圖5　模擬試板氣孔的A、C、D、S掃描顯示

針對(duì)模擬試板，相控陣檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5中的扇掃圖可以看出，缺陷在焊縫深度為20 mm上下的位置，距離焊縫中心線偏左，C掃描中有1個(gè)圓形缺陷顯示，D掃描中在聲程27 μs和35 μs中有兩處缺陷顯示，但是較難判斷缺陷性質(zhì)，根據(jù)與射線底片位置對(duì)比，可以判斷出該缺陷可能是氣孔缺陷。

圖6　模擬試板層間未熔合的A、C、D、S掃描顯示

根據(jù)圖6中扇掃圖可以看出該缺陷深度為53 mm上下，距離焊縫中心線偏左。在C掃光標(biāo)處有兩個(gè)塊狀顯示，分別為層間未熔合的上下表面，D掃中有兩個(gè)相距較近的線狀顯示，可以判斷為層間未熔合的上界面和下界面，通過與C掃圖像進(jìn)行缺陷位置比對(duì)可以判斷，D掃光標(biāo)所在位置的下方線型顯示為C掃中光標(biāo)左側(cè)塊狀顯示，光標(biāo)右上方較淺的線型顯示為C掃中光標(biāo)右下方的塊狀顯示，C掃與D掃所掃查的缺陷相互呼應(yīng)。

根據(jù)圖7可知，該缺陷位于焊縫中心偏下位置，A、C、D、S四種顯示方式都能看出波形較為復(fù)雜，扇掃和D掃中衍射波形較多，說明缺陷存在多個(gè)尖端從而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這符合裂紋分岔，尖端較多的特點(diǎn)，通過S掃和C掃，可以看到該缺陷幾乎貫穿整個(gè)橫向焊縫區(qū)域，位置在焊縫中下部，是比較嚴(yán)重的危害性缺陷。

圖7　模擬試板裂紋的A、C、D、S掃描顯示

4結(jié)論

(1) 射線檢測(cè)可以判斷缺陷的二維位置并對(duì)缺陷的長度寬度定量，同時(shí)能夠較準(zhǔn)確地判斷缺陷性質(zhì)。相控陣檢測(cè)與射線檢測(cè)相比，顯示方式多樣化、圖像存儲(chǔ)數(shù)字化，可以從不同方向觀察缺陷的走向，實(shí)現(xiàn)缺陷的三維定位、定量。

(2) 對(duì)于層間未熔合類缺陷，在C掃中可以觀察到塊狀顯示，在D掃中呈現(xiàn)兩界面的線狀顯示，與C掃中的塊狀顯示相互呼應(yīng)，可以據(jù)此初步判斷缺陷性質(zhì)。

(3) 對(duì)于裂紋類缺陷，從A、D、S掃圖中可以觀察到裂紋分岔處尖端的衍射波，可以據(jù)此初步判斷缺陷性質(zhì)。

參考文獻(xiàn):

[1]強(qiáng)天鵬.射線檢測(cè)[M].北京:中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2007:25-27.

[2]施克仁,郭寓岷.相控陣超聲成像檢測(cè)[M].北京:高等教育出版社,2010:15-25.

[3]宋雙官,李軍,黃清生.法蘭密封面腐蝕缺陷超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)[J].無損檢測(cè),2014,36(4):33-41.

[4]李衍.超聲相控陣檢測(cè)焊縫三維可視化[J].無損探傷,2013,37(6):1-6.

[5]彭國平,張?jiān)跂|,劉志浩,等.鋼制構(gòu)件對(duì)接焊縫缺陷超聲相控陣三維重構(gòu)[J].無損檢測(cè),2015,37(1):86-89.

[6]ASTM E2491-2006Standard guide for evaluating performance characteristics of phased-array ultrasonic examination instruments and systems[S].

The Contrast of Defect Tested by PAUT and RT

ZHAO Xiao-xin,WANG Fu-xi,E Nan,LI Bin

(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471023, China)

Abstract：This passage introduces several imaging ways in phased array testing. We choose simulated defect test plate to detect. The images of familiar harmful defects in weld such as crack, layer incomplete fusion as obtained by phased array and radiograph were contrasted and analyzed. Image characteristics of several defects tested by different technology were indicated and the identification of defect properties in PAUT was preliminarily studied and the superiority of the technology was described.

Key words:Phased array; Radiograph; Crack; Sector scan

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)01-0041-03

DOI:10.11973/wsjc201601011

作者簡介：趙曉鑫(1987-),男，碩士，助理工程師，主要從事無損檢測(cè)新技術(shù)工藝研發(fā)與管理工作。

收稿日期：2015-04-12