李 歡,孔令昌,黃小輝,夏 浩

(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519002;2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院惠州檢測院，廣東 惠州 516003)

在目前的工業(yè)無損檢測領(lǐng)域中，超聲檢測是一個重要方法之一。超聲檢測具有適用性強(qiáng)、穿透力好、設(shè)備便攜、操作安全等優(yōu)勢，應(yīng)用極為廣泛[1]。相控陣檢測利用計算機(jī)技術(shù)和新材料，將常規(guī)超聲檢測發(fā)展為一種具有電子控制、信號成像、自動記錄等多功能先進(jìn)的檢測儀器和方法。尤其在特種設(shè)備檢測過程中，采用相控陣對焊縫檢測時，不需要象普通單探頭那樣在焊縫兩側(cè)頻繁地來回前后移動，而只是沿著焊縫長度方向平行于焊縫進(jìn)行直線掃查。隨著計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計、硬軟件水平、計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用等的日臻成熟，相控陣檢測將成為特種設(shè)備無損檢測的重要方法。相控陣憑借其多晶片動態(tài)聚焦、計算機(jī)成像處理等先進(jìn)技術(shù)和檢測可靠性，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間，將成為主流檢測方法，有代替射線、常規(guī)超聲檢測的趨勢。2016年2月24日，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布了GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》。隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，相控陣將是繼超聲波衍射時差法(TOFD)檢測之后，國家和行業(yè)主推的無損檢測方法，將得到大范圍推廣和應(yīng)用。

本文對超聲相控陣原理及特點(diǎn)和現(xiàn)有檢測裝置進(jìn)行了介紹，對相控陣手動掃查檢驗(yàn)方法進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了掃查器定位準(zhǔn)確性對相控陣檢測結(jié)果影響，并提出了未來相控陣自動掃查研究動向及發(fā)展趨勢，對相控陣檢測具有重要的參考意義。

1 相控陣檢測原理及檢測優(yōu)勢

目前的超聲波相控陣檢測儀器通過相控陣探頭由多個相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，每個晶片稱為一個陣元，一般由多個陣元組成的一維或二維陣列。如圖1(a)所示，通過電子系統(tǒng)控制壓電探頭陣列中的各個陣元，按一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個新的波陣面。同樣，如圖1(b)所示，在反射波的接收過程中，按一定規(guī)則和時序控制接收單元的接收并進(jìn)行信號合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示，從而實(shí)現(xiàn)工件的無損檢測[2-5]。

與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)具有以下優(yōu)勢:(1)檢測速度大大提高，檢測靈活性更強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測；(2)儀器對檢測人員操作要求較低，無需來回移動，只需平行于檢測工件平行移動即可完成檢測；(3)相控陣檢測相對于超聲波檢測有較高的分辨力，信噪比較好、缺陷檢出率更高；(4)通過局部晶片單元組合對聲場控制，可實(shí)現(xiàn)高速電子掃描，對試件進(jìn)行高速，全方位和多角度檢測；(5)檢測結(jié)果更加直觀、可實(shí)時顯示，如:在掃查的同時可進(jìn)行分析和評判，并可對圖像進(jìn)行保存，可實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果永久保存[6-8]。

圖1 相控陣檢測原理示意圖

2 相控陣檢測裝置

相控陣檢測裝置主要有相控陣主機(jī)系統(tǒng)，相控陣探頭，相控陣鍥塊，相控陣掃查器以及相控陣檢測過程中輔助設(shè)備。相控陣探頭是相控陣檢測主要的信息接收部件，采用多晶片，通過控制延遲產(chǎn)生聚焦波束、可變角度和焦距，不用前后移動(垂直于焊縫)探頭即可檢測到整個截面，通過水平移動(平行于焊縫)探頭可以探測工件不同部位(截面)的缺陷[9-10]。

相控陣探頭它包括兩個部分：相控陣探頭發(fā)射和相控陣探頭接收，相控陣探頭發(fā)射時，各晶片受相同頻率的脈沖激勵，電子系統(tǒng)依據(jù)事先設(shè)定的聚焦法則來發(fā)射超聲波，不同相位的超聲波在聲場空間內(nèi)疊加與干涉，產(chǎn)生合成聲束與新波陣面；相控陣探頭接收時，以缺陷回波返回各晶片的時差為依據(jù)進(jìn)行回波信號延時補(bǔ)償，之后對各回波信號進(jìn)行合成，將待定位置回波信號疊加，將其他位置回波信號減弱[11-12]。最后主機(jī)系統(tǒng)將合成信號以圖像方式實(shí)時顯示出來。相控陣楔塊根據(jù)不同工件尺寸進(jìn)行設(shè)計，楔塊使超聲波束安裝一定角度入射到工件表面，其材質(zhì)較硬，具有耐磨性強(qiáng)特點(diǎn)。

3 相控陣手動掃查的局限性

目前相控陣檢測時，多采用人工平行移動進(jìn)行檢測，探頭的水平移動一般通過手持探頭或簡易支架來實(shí)現(xiàn)，然而簡易的相控陣掃查器使用極少，其主要因?yàn)槟壳笆忻嫔纤褂玫南嗫仃噿卟槠鬏^為笨重，使用不方便，在移動過程中，手持探頭或簡易支架無法保證探頭到焊縫距離的一致性、移動速度的均勻性、探頭和工件接觸的穩(wěn)定性、耦合效果符合性。采用手持式探頭掃查對檢測區(qū)域的有效覆蓋、定位準(zhǔn)確性、信號采集的完整性都有影響、還影響到檢測靈敏度，最終會造成漏檢或誤判。采用手工掃查器無論從檢測效率、檢測質(zhì)量，都已不適合大批量相控陣檢測應(yīng)用工作。

近年、國內(nèi)相控陣自動掃查器研究較少，適合壓力容器等更大應(yīng)用范圍的定位型自動掃查器在市場上并沒有成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，市面上出現(xiàn)的少數(shù)的自動掃查器使用不便利，并且自動掃查器造價較高，達(dá)到15～30萬，這價格已經(jīng)超過了國產(chǎn)的相控陣檢測儀器價格，因而并沒有得到廣泛推廣。

4 掃查器定位準(zhǔn)確性對相控陣檢測結(jié)果影響

目前采用手持探頭或簡易手動掃查器進(jìn)行掃查，檢測過程中要求相控陣探頭與焊縫需要保持一定距離，探頭到焊縫的距離不能隨意變化。其定位的準(zhǔn)確性對相控陣檢測結(jié)果影響如下：(1)手持探頭檢測移動過程中與所檢測的焊縫不能保持固定的距離，當(dāng)探頭與焊縫的距離超過一定數(shù)值時，超聲束不能射入到所檢測工件內(nèi)部從而反射到儀器中，不能形成檢測全覆蓋，工件會造成漏檢；(2)探頭到焊縫的距離的變化會影響到缺陷的定位，影響缺陷的準(zhǔn)確性，影響缺陷的判定和消除，由于探頭到焊縫距離的變化檢測區(qū)域發(fā)生變化，將底面或焊縫邊角反射波束誤以為缺陷波束從而影響缺陷定位及缺陷準(zhǔn)確性;(3)相控陣檢測時現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境較為惡劣，檢測的位置需搭設(shè)腳手架，檢測人員穿戴安全帶，高空作業(yè)，非常危險，在惡劣的操作條件下想要保持相控陣探頭與檢測工件的距離一定難度較高，對檢測人員要求較高，稍微操作不注意則會影響檢測結(jié)果，檢測的可靠性不高。

綜上所述，手持探頭和手動掃查器無法保證探頭到焊縫距離的一致性、移動速度的均勻性、探頭和工件接觸的穩(wěn)定性、耦合效果符合性，不利于對缺陷的精確定位，檢測中容易將偽缺陷當(dāng)成缺陷，降低了檢測靈敏度，容易造成漏檢。

因此，相控陣檢測使用自動掃查器尤為重要，有利于實(shí)現(xiàn)自動化檢測，將極大地提高相控陣檢測質(zhì)量和檢測效率，降低勞動強(qiáng)度。檢測質(zhì)量的提升，有助于提高缺陷的檢出率，提高被檢設(shè)備安全性能，降低安全風(fēng)險，延長設(shè)備運(yùn)行周期，減少檢修成本。檢測效率的提高，可以縮短檢測工期，進(jìn)而可以縮短產(chǎn)品制造周期或工廠停產(chǎn)時間。勞動強(qiáng)度的降低，可以降低人工成本。

5 自動掃查器的研究方向

針對手動掃查器存在的問題，對相控陣檢測的定位定量的影響，相控陣自動掃查的研發(fā)及應(yīng)用推廣尤為重要，近幾年的研究表明自動掃查器的研究主要方向?yàn)椋鹤詣訏卟槠髟O(shè)計成柔性結(jié)構(gòu)，如何設(shè)計成能在不同曲率的工件外表面實(shí)現(xiàn)可靠的相控陣檢測作業(yè)；對自動掃查器的動力機(jī)構(gòu)及傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，使相控陣自動掃查器在工件表面上能勻速自行的行走；自動掃查器與工件表面的貼合力研究，研究如何能使相控陣掃查器在工件表面貼合程度，且在不同的耦合劑下不同的工況下進(jìn)行檢測作業(yè)；研究如何使自動掃查器保持直線行駛，超出一定偏差進(jìn)行自動報警，對于目前的技術(shù)研究掃查器的直線行走是一項(xiàng)難題，其技術(shù)難點(diǎn)與無人自動駕駛汽車保持精密的直線行駛一致，因而是目前較為難解決的問題。

6 結(jié)束語

本文重點(diǎn)分析了目前相控陣檢測檢測用手動掃查器存在的問題，指明了使用手動掃查器檢測時定位準(zhǔn)確性對相控陣檢測結(jié)果的影響。手持探頭和手動掃查器無法保證探頭到檢測工件的距離保持一定、移動速度均勻、探頭和工件接觸的穩(wěn)定性、耦合效果符合性。采用手持式探頭掃查器不僅對檢測區(qū)域的有效覆蓋、定位準(zhǔn)確性、信號采集的完整性有影響、甚至影響到檢測靈敏度，最終造成漏檢或誤判。給出了設(shè)計制作并使用自動掃查器的建議，對今后相控陣檢測有著重要的指導(dǎo)意義。