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(1.駐北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司代表室，齊齊哈爾 161046；2.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 合肥 230088；3.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116028)

隨著工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展，鑄鍛件的型廓也越來(lái)越復(fù)雜，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和輪盤(pán)、插管件鑄鍛焊結(jié)構(gòu)等[1-2]。由于曲面構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受熱加工生產(chǎn)過(guò)程影響易出現(xiàn)各類缺陷，如鑄鍛焊過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，以及長(zhǎng)期使用過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕和疲勞缺陷，因此對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制尤為重要。超聲無(wú)損檢測(cè)作為一種重要的無(wú)損檢測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于曲面構(gòu)件的檢測(cè)中。

超聲相控陣技術(shù)能實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)聚焦與偏轉(zhuǎn)，在不移動(dòng)換能器或稍微移動(dòng)換能器的情況下就能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和高靈敏度的無(wú)損檢測(cè)，近些年在超聲檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展迅速[3-5]。平面類型工件已有較為完善的檢測(cè)方法，現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)逐步圍繞探索曲面鑄鍛焊工件的快速有效檢測(cè)展開(kāi)。郭偉燦等[6-7]針對(duì)管狀設(shè)備檢測(cè)，設(shè)計(jì)了凸面相控陣聲場(chǎng)延時(shí)聚焦計(jì)算模型，并利用凸面相控陣探頭進(jìn)行檢測(cè)，但需要采用水浸耦合方式，檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜。Olympic公司為L(zhǎng)型構(gòu)件R區(qū)檢測(cè)設(shè)計(jì)了專門的相控陣弧形陣列換能器，但該換能器只能用于R角區(qū)的檢測(cè)，局限性較大。張冬梅等[8]利用弧陣換能器和線陣換能器進(jìn)行了R區(qū)檢測(cè)的超聲相控陣試驗(yàn)，結(jié)果顯示方法可行，但各種換能器都需要特制的耦合楔塊，工藝復(fù)雜。

針對(duì)曲面工件的無(wú)損檢測(cè)難題，考慮檢測(cè)時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本等因素，結(jié)合相控陣檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)及柔性材料的特點(diǎn)，提出了一種柔性相控陣換能器檢測(cè)曲面工件的方法。此方法針對(duì)曲面工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了柔性相控陣換能器的檢測(cè)原理，并設(shè)計(jì)了柔性相控陣陣列延遲聚焦法則。然后在理論研究的基礎(chǔ)上，利用有限元方法模擬驗(yàn)證了聚焦法則，并使用仿真試驗(yàn)檢測(cè)帶有人工缺陷的曲面工件。結(jié)果表明，此方法能滿足曲面工件內(nèi)部微小缺陷的檢測(cè)需求。

1 柔性相控陣延遲聚焦法則

超聲相控陣換能器是由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成的一維或二維陣列，晶片又稱為陣元，每個(gè)陣元都可設(shè)置自己獨(dú)立的發(fā)射和接收電路，通過(guò)計(jì)算機(jī)按照一定規(guī)則和時(shí)序控制所有陣元或部分陣元的超聲發(fā)射和接收，達(dá)到合成聲束的偏轉(zhuǎn)、聚焦和掃描效果。

在超聲柔性相控陣換能器檢測(cè)過(guò)程中，輻射聲束和接收聲束是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心內(nèi)容，聲束收發(fā)過(guò)程就是按照各陣元所需的延遲時(shí)間來(lái)精確控制聲束偏轉(zhuǎn)聚焦的，從而實(shí)現(xiàn)合成聲束對(duì)整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的全掃描過(guò)程。計(jì)算各個(gè)陣元的延遲時(shí)間是其中關(guān)鍵一步，可以基于惠更斯原理推導(dǎo)超聲波束延遲聚焦法則，計(jì)算各個(gè)陣元的延遲時(shí)間。曲面柔性相控陣聚焦原理示意如圖1所示。

圖1 曲面柔性相控陣聚焦原理示意

R為曲面半徑，探頭以M個(gè)陣元為一組，形成一個(gè)激發(fā)孔徑，從左到右依次編號(hào)為1到M，P為第m個(gè)陣元的中心，B為激發(fā)孔徑的中心，F(xiàn)為聲束聚焦點(diǎn)，α為聲束偏轉(zhuǎn)角，θ為定義的轉(zhuǎn)角。柔性相控陣換能器與待檢測(cè)工件之間不需要耦合劑，其陣元被包裹在柔性保護(hù)膜中，換能器能適應(yīng)曲面曲率變化與工件表面緊密貼合，從而保證良好的輻射聲場(chǎng)質(zhì)量。探頭每次以線掃描方式進(jìn)行檢測(cè)，一次掃描結(jié)束，再按照相應(yīng)的延遲聚焦法則激勵(lì)陣元組，進(jìn)行下一次掃描，直至完成整個(gè)曲面區(qū)域的掃描。設(shè)陣元中心距為s，且在掃描過(guò)程中保持不變。超聲波在試件中的傳播速度為c。

(1)

(2)

因此，只需要計(jì)算出聲波在待測(cè)工件中的傳播路徑PF就能計(jì)算出各個(gè)陣元的延遲時(shí)間。

計(jì)算第m個(gè)陣元輻射聲場(chǎng)路徑PF為

L=

(3)

式中

(4)

(5)

因此，根據(jù)以上推導(dǎo)的延遲聚焦計(jì)算公式求解柔性相控陣探頭各個(gè)陣元的延遲時(shí)間，然后多通道電子控制系統(tǒng)根據(jù)其延遲時(shí)間進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)一定偏轉(zhuǎn)角度和聚焦深度的合成聲場(chǎng)，進(jìn)而采用線性掃描方式檢測(cè)待測(cè)工件，能夠有效提高檢測(cè)效率。

2 有限元仿真

基于以上理論，建立了有限元仿真模型，進(jìn)一步研究合成聲場(chǎng)在曲面檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳播特性及缺陷檢測(cè)能力。

以半徑R為40 mm，圓心角為60°的曲面工件為例，其材料為鋼，密度ρ=7 900 kg·m-3，聲速c=5 890 m·s-1。設(shè)置偏轉(zhuǎn)角α為0°，30°，聚焦深度BF分別為10 ，15 mm，曲面檢測(cè)各個(gè)陣元的延遲時(shí)間如圖2所示，聲束聚焦傳播模型如圖3所示。

圖4為通過(guò)圖2中各個(gè)陣元延遲時(shí)間進(jìn)行仿真的不同聚焦深度與偏轉(zhuǎn)角的合成聲場(chǎng)聲壓分布，與圖3中聲束聚焦傳播模型一一對(duì)應(yīng)。結(jié)果顯示：利用延遲聚焦法則計(jì)算的各個(gè)陣元的延遲時(shí)間進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)、仿真模擬，能得到設(shè)定的偏轉(zhuǎn)角和聚焦深度的合成聲場(chǎng)，進(jìn)而驗(yàn)證了柔性相控陣換能器能夠基于其延遲聚焦法則實(shí)現(xiàn)超聲波束的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)與聚焦。

圖2 曲面檢測(cè)各陣元的延遲時(shí)間

圖3 聲束聚焦傳播模型

圖4 不同聚焦深度與偏轉(zhuǎn)角的合成聲場(chǎng)聲壓分布

3 缺陷仿真試驗(yàn)

為了研究相控陣換能器對(duì)不同孔徑缺陷的檢測(cè)能力，在聚焦深度BF=15 mm，偏轉(zhuǎn)角α=30°位置設(shè)置孔缺陷，聲束聚焦傳播模型如圖3(d)所示，缺陷位置位于圖4(d)的焦點(diǎn)處。缺陷半徑r分別為0.05，0.15，0.30 mm，進(jìn)行3組對(duì)比仿真試驗(yàn)，對(duì)曲面區(qū)域進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，最大單元尺寸為0.2 mm，最小單元尺寸為0.018 mm，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 ns，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為7 μs。同一聚焦深度不同孔徑的缺陷檢測(cè)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 同一聚焦深度不同孔徑的缺陷檢測(cè)仿真結(jié)果

圖5的仿真結(jié)果說(shuō)明，合成聲場(chǎng)檢測(cè)到半徑r分別為0.05,0.15,0.30 mm的孔缺陷時(shí),都會(huì)產(chǎn)生明顯的回波信號(hào)，且缺陷半徑越大，回波信號(hào)峰值越大。結(jié)果表明：基于惠更斯原理和延遲時(shí)間的計(jì)算方法，采用柔性相控陣檢測(cè)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)曲面工件超聲波束動(dòng)態(tài)聚焦偏轉(zhuǎn)及對(duì)微小缺陷的高精度檢測(cè)。

4 結(jié)論

(1) 采用柔性相控陣技術(shù)對(duì)曲面工件進(jìn)行線性掃描，能實(shí)現(xiàn)合成波束的動(dòng)態(tài)聚焦與偏轉(zhuǎn)，從而對(duì)整個(gè)待測(cè)試件進(jìn)行多方位、多角度檢測(cè)，能提高檢測(cè)效率、簡(jiǎn)化掃描結(jié)構(gòu)、解決空間限制等難題。

(2) 柔性相控陣換能器能夠適應(yīng)待測(cè)曲面曲率的變化，與待測(cè)工件表面緊密耦合，能保證輻射聲場(chǎng)的質(zhì)量，有效地提高缺陷的檢測(cè)精度。研究曲面檢測(cè)的超聲柔性相控陣技術(shù)，為復(fù)雜曲面鑄鍛工件的無(wú)損檢測(cè)提供了新思路，具有良好的應(yīng)用前景。