武 興,繆建成,鄭 凱,強(qiáng)天鵬,王海濤

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210036；2.海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100040；3.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測(cè)有限公司，南京 211102；4.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的制作，在焊接過(guò)程中容易造成夾渣、裂紋、未熔合、未焊透等各種缺陷的產(chǎn)生，這些對(duì)設(shè)備的運(yùn)行安全造成巨大的隱患，所以焊縫是如今檢測(cè)的重點(diǎn)[1-3]。隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于焊縫的檢測(cè)主要使用磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)與超聲檢測(cè)等檢測(cè)方法，相比于磁粉檢測(cè)與滲透檢測(cè)僅適用于檢測(cè)表面缺陷，射線可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷，但其對(duì)檢測(cè)人員有一定的輻射危害。常規(guī)超聲檢測(cè)理論上能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的檢測(cè)，但無(wú)法對(duì)建立工件模型并成像，容易造成誤檢與漏檢[4-7]。超聲相控陣技術(shù)是利用多聲束組對(duì)工件內(nèi)部進(jìn)行掃描成像，它可以通過(guò)改聲束的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)快速對(duì)工件截面進(jìn)行掃查[8-9]。相比于常規(guī)超聲技術(shù)，相控陣在提高檢測(cè)速度、降低檢測(cè)難度等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)。 超聲相控陣常用的仿真軟件為法國(guó)原子能委員會(huì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的CIVA軟件，它是一款專門用于無(wú)損檢測(cè)仿真計(jì)算的軟件，可以對(duì)復(fù)雜的工件進(jìn)行建模，模擬各種類型的探頭與檢測(cè)方法，對(duì)超聲檢測(cè)工藝的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)性的作用[10-13]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在焊接結(jié)構(gòu)件的超聲檢測(cè)及仿真方面做了大量的研究[14]。王飛[15]等針對(duì)航天薄壁鋁合金攪拌焊焊縫的高精度、高分辨率檢測(cè)應(yīng)用需求，開(kāi)展了陣列超聲全聚焦成像檢測(cè)技術(shù)研究。 吳家喜等[16]針對(duì)承壓設(shè)備插入式接管角焊縫容易出現(xiàn)的幾類典型缺陷，通過(guò)CIVA軟件仿真制定檢測(cè)工藝，同時(shí)采用以色列ISONIC 2009相控陣設(shè)備對(duì)模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)，并與CIVA仿真結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。S.Kumar等人[17]研究?jī)煞N不同類型的相控陣探頭(線性陣列(LA)和雙矩陣陣列(DMA))，以提高奧氏體焊縫超聲檢測(cè)的可靠性，結(jié)合聲線追蹤模型和半分析模型的方法來(lái)模擬超聲波在焊縫中的傳播最終得出具有縱波的DMA探頭具有更好的可檢測(cè)性和精確的深度測(cè)量，更適合于評(píng)估奧氏體不銹鋼焊縫[18]。J.Fortunato等[19]為了驗(yàn)證相控陣超聲測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行了顯微鏡觀察以及搭接剪切強(qiáng)度測(cè)試以量化接頭的質(zhì)量。雖然超聲相控陣技術(shù)已在焊接件廣泛應(yīng)用，但關(guān)于各種典型缺陷的檢測(cè)結(jié)果的可靠性以及穩(wěn)定性還有待深入研究。

本文對(duì)多塊坡口形狀為“U”型、“X”型、“V”型的焊接試樣中的裂紋、夾雜、未熔合等典型缺陷進(jìn)行CIVA仿真模擬以及超聲相控陣檢測(cè)。首先對(duì)16塊對(duì)焊接試板中多種不同典型缺陷進(jìn)行多次試驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果。 其次對(duì)各類漏檢缺陷從“絕對(duì)漏檢”、“相對(duì)漏檢”以及“漏評(píng)”進(jìn)行分析評(píng)析，同時(shí)對(duì)檢測(cè)人員的誤判情況進(jìn)行分析。最后對(duì)常規(guī)超聲、相控陣、射線檢測(cè)缺陷的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較，分析了影響相控陣超聲測(cè)長(zhǎng)結(jié)果的多個(gè)因素，從而為超聲相控陣在實(shí)際焊縫檢測(cè)中提供更大的可行性及可靠性[20]。

1 CIVA 軟件仿真

1.1 CIVA 建模

為分析相控陣超聲在焊縫區(qū)域的聲束覆蓋情況以及缺陷檢出能力，本試驗(yàn)利用超聲專業(yè)仿真軟件CIVA對(duì)三種坡口形狀以及母材厚度不同的焊縫進(jìn)行模擬檢測(cè)。仿真分別設(shè)置焊縫坡口形狀為“U”型、“V”型“X”型，“V”型及“X”型母材板厚為20 mm ，“U”型母材板厚為60 mm。根據(jù)實(shí)際焊縫中裂紋及未熔合形狀及產(chǎn)生位置，使用多面鋸齒形結(jié)構(gòu)來(lái)模擬裂紋，模擬裂紋高度為3 mm，長(zhǎng)為40 mm，鋸齒高度為0.1～2.5 mm，且位于焊縫的中部。使用矩形缺陷來(lái)模擬未熔合，未熔合缺陷高為3 mm，長(zhǎng)為20 mm，寬為1 mm，且位于焊縫側(cè)面的中部。坡口形狀以及母材厚度不同的含缺陷的試樣建模結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同類型的焊縫建模

1.2 掃查方式的選擇及角度設(shè)置

超聲相控陣線掃描由于探頭晶片總數(shù)量的限制，其電子掃查的范圍有限，單次掃查能夠覆蓋焊縫的區(qū)域較小。如圖2所示，線掃描聲束角度與被檢缺陷垂直，即便是改變探頭位置也能得到較好的回波，但圖中很明顯，線掃描聲束覆蓋范圍很小。而扇形掃查由于在其所形成的角度范圍內(nèi)聲束成扇面擴(kuò)散，因此在焊縫檢測(cè)時(shí)聲束覆蓋范圍較大，但焊縫中每一個(gè)位置的聲束角度都是不一樣的。如單次掃查扇掃描聲束對(duì)焊縫有較大比例的覆蓋，然而當(dāng)改變探頭位置時(shí)，會(huì)使方向性較強(qiáng)的缺陷回波情況發(fā)生較大變化。所以在進(jìn)行焊縫初始檢測(cè)的時(shí)候，使用的是裝有楔塊的探頭進(jìn)行扇掃描，掃查路徑是沿平行于焊縫的方向，確保在焊縫的不同側(cè)進(jìn)行不小于2次的掃查。對(duì)于初始掃查發(fā)現(xiàn)的有方向性的缺陷可利用線掃描進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)。

圖2 掃描示意圖

本次試驗(yàn)除需考慮不同角度的聲束是否滿足擴(kuò)散尺寸的要求，還應(yīng)考察各個(gè)角度的聲束是否滿足靈敏度的要求。隨偏轉(zhuǎn)角度的不同聲束經(jīng)過(guò)楔塊的聲程不同以及不同角度的聲壓往復(fù)透射率不同，因此會(huì)產(chǎn)生各個(gè)角度的靈敏度不同。檢測(cè)前進(jìn)行角度增益補(bǔ)償時(shí)也同時(shí)增加了噪聲的水平，因此，推薦以自然入射角度為基準(zhǔn)，補(bǔ)償不超過(guò)6 dB的角度聲束可用于檢測(cè)。參考圖3，推薦焊縫橫波檢測(cè)時(shí)可用的聲束角度范圍為35～75°。

圖3 帶角度楔塊角度偏轉(zhuǎn)極限測(cè)試結(jié)果

1.3 探頭的選擇及孔徑大小的設(shè)置

當(dāng)加裝橫波斜楔塊時(shí)影響可偏轉(zhuǎn)方向上聲束截面尺寸的因素有：激發(fā)晶片數(shù)量、偏轉(zhuǎn)角度及聚焦設(shè)置。當(dāng)進(jìn)行焊縫檢測(cè)時(shí)，為保證聲束在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有較好的分辨力，應(yīng)對(duì)不同厚度工件檢測(cè)時(shí)的激發(fā)孔徑大小進(jìn)行規(guī)定。根據(jù)CIVA仿真試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)聚焦深度設(shè)置為200 mm時(shí)(可認(rèn)為不聚焦)，以-6 dB的聲束截面尺寸≤10 mm為基準(zhǔn)，假設(shè)50 mm以下可以使用一次反射波，則可以得到的結(jié)果如表1所示。

表1 不同工件厚度推薦的激發(fā)晶片數(shù)量

偏轉(zhuǎn)角度大于聲束自然角度時(shí)，角度越大聲束擴(kuò)散隨深度的增加越嚴(yán)重，因此，利用表1進(jìn)行相控陣檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量縮短大角度聲束的聲程，即在保證對(duì)焊縫良好覆蓋的前提下，盡量縮短探頭前沿離開(kāi)焊縫中心的距離。然而表1數(shù)據(jù)是基于某一特定規(guī)格的探頭及楔塊組合的試驗(yàn)結(jié)果，如果變換不同的探頭參數(shù)，如使用32晶片探頭(頻率、陣元間距等參數(shù)不變)，由于與其匹配的橫波斜楔塊的規(guī)格差異，會(huì)導(dǎo)致激發(fā)相同數(shù)量的晶片經(jīng)過(guò)楔塊的聲程不同，從而聲束在工件中的-6 dB截面尺寸不同。

為保證焊縫檢驗(yàn)時(shí)用于覆蓋被檢區(qū)域的聲束有較好的分辨力，應(yīng)對(duì)擬使用的儀器及探頭組合進(jìn)行測(cè)試并繪制曲線，利用該曲線輔助進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。推薦曲線的繪制方法如下：利用不同深度的Φ2 mm長(zhǎng)橫孔，對(duì)儀器及探頭加楔塊組合的-6 dB聲束擴(kuò)散情況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)不做聚焦設(shè)置，分別激發(fā)常用的晶片數(shù)量(如4、8、16、32等)，并在常用的角度范圍內(nèi)變換不同的角度進(jìn)行測(cè)試(建議角度間距不大于5°)。將測(cè)試結(jié)果填入表中，可直接在表中用平滑曲線描繪處不同角度滿足聲束擴(kuò)散尺寸小于10 mm的最大深度和最小深度(如圖4)，也可用更精確的坐標(biāo)進(jìn)行繪制。

圖4 焊縫檢測(cè)可用聲程范圍測(cè)試示意圖

1.4 缺陷響應(yīng)

使用中心頻率為5 MHz的相控陣探頭改變楔塊角度以及陣元數(shù)量對(duì)20 mm深鋼板“V”型坡口焊縫裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。圖5(a)、5(b)顯示，當(dāng)斜探頭K值為1.2時(shí)，聲束覆蓋范圍較大，在焊縫中下部的聲束能量較高。圖5(c)、5(d)顯示，當(dāng)陣元數(shù)目為32時(shí)，檢測(cè)靈敏度雖有提高但由于焊縫區(qū)域的粗晶結(jié)構(gòu)背景噪聲同時(shí)提高。因此當(dāng)被檢焊縫母材的板厚較薄時(shí)應(yīng)選擇陣元數(shù)較少配置大角度楔塊進(jìn)行檢測(cè)， 當(dāng)被檢焊縫母材的板厚較厚時(shí)選擇陣元數(shù)較多配置小角度楔塊進(jìn)行檢測(cè)。

圖5 T=20 mmV型坡口，中部裂紋

確定不同厚度的母材板厚檢測(cè)參數(shù)后，對(duì)焊縫母材的板厚為20 mm坡口形狀為“V”型和“X”型以及焊縫母材的板厚為60 mm坡口形狀為“U”型、“X”型和雙“U”型的焊縫裂紋以及未熔合兩種典型缺陷進(jìn)行仿真分析。本試驗(yàn)表中紅色數(shù)據(jù)為相控陣探頭仿真檢測(cè)波幅當(dāng)量，藍(lán)色數(shù)據(jù)為波幅當(dāng)量低于定量線。對(duì)于20 mm厚度的焊縫，常規(guī)超聲和相控陣都能很好地檢測(cè)出裂紋缺陷，未熔合缺陷的常規(guī)超聲檢測(cè)效果要比相控陣好。在對(duì)60 mm厚度的焊縫進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，兩種檢測(cè)的大致檢測(cè)效果相同，但在檢測(cè)U型坡口焊縫時(shí)，常規(guī)超聲的兩個(gè)K值探頭都在檢測(cè)未熔合缺陷時(shí)出現(xiàn)了漏檢。綜合檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于像未熔合這類面狀缺陷，相控陣的檢出率大于常規(guī)超聲，總體檢出率也較高，而且對(duì)于厚度較大的工件，超聲相控陣的優(yōu)勢(shì)就更加明顯。

表2 CIVA模擬焊縫缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)

2 檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)工藝選擇

本試驗(yàn)的試件選擇16塊含有不同缺陷的對(duì)焊接試板，對(duì)其分別進(jìn)行3次常規(guī)超聲檢測(cè)試驗(yàn)、5次超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)，使用的儀器包括Omniscan-MX、Omniscan-MX2及Isonic-2009設(shè)備。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判，缺陷性質(zhì)及長(zhǎng)度以射線檢驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)。如表3所示，對(duì)于5次超聲相控陣的檢測(cè)，本試驗(yàn)制定了不同的檢測(cè)工藝。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

表4是對(duì)16塊對(duì)焊接試板多種不同典型缺陷的檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。由于相控陣超聲具有較高的聲束能量以及偏轉(zhuǎn)聚焦的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)結(jié)果直觀可視，因此相控陣超聲對(duì)不同典型缺陷的檢出率高于常規(guī)超聲。圖6顯示除對(duì)夾渣類缺陷外，相控陣檢測(cè)對(duì)缺陷的檢出率整體情況略高于常規(guī)超聲波檢測(cè)， 而對(duì)于氣孔以及橫向裂紋這兩類缺陷，常規(guī)超聲與相控陣對(duì)其的漏檢率都較高。在對(duì)所有缺陷的兩次檢測(cè)中，常規(guī)超聲的檢驗(yàn)總共121人次，其中僅有1人次的缺陷誤判，誤判率為0.83%，超聲相控陣的檢驗(yàn)總共182人次，其中有1人次的缺陷誤判，誤判率為0.55%。

圖6 常規(guī)超聲與相控陣對(duì)缺陷的檢出情況對(duì)比

圖7為常規(guī)超聲、相控陣超聲以及射線檢測(cè)3種方法對(duì)16塊焊接試板中的氣孔、夾雜、未熔合、未焊透、縱向裂紋等典型缺陷進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量對(duì)比。缺陷的底片數(shù)據(jù)有射線檢測(cè)得出，對(duì)相同缺陷的射線底片測(cè)量長(zhǎng)度相加得到各個(gè)缺陷的底片總長(zhǎng)。對(duì)于常規(guī)超聲與超聲相控陣的檢測(cè)數(shù)據(jù)，也是同樣將同類型的缺陷測(cè)長(zhǎng)相加，將所有檢測(cè)人次對(duì)于同一缺陷的測(cè)量長(zhǎng)度處于檢測(cè)人員數(shù)目，以此來(lái)表示該測(cè)量方法對(duì)于這類缺陷的測(cè)量總長(zhǎng)。例如在常規(guī)超聲檢測(cè)中，對(duì)于第一個(gè)未熔合缺陷有3人次參與檢測(cè)，其中有2人檢測(cè)出缺陷并能進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)，測(cè)長(zhǎng)結(jié)果分別為8 mm與10 mm，在對(duì)與這個(gè)缺陷記錄長(zhǎng)度為(8+10)/2=9 mm，然后對(duì)每個(gè)未熔合缺陷進(jìn)行長(zhǎng)度記錄，相加得到常規(guī)超聲對(duì)于未熔合缺陷的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果。從圖7可以看出，對(duì)于氣孔類缺陷，超聲相控陣的檢測(cè)結(jié)果與射線結(jié)果相差不大，二者的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果都比常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果大；對(duì)于焊縫夾渣這類缺陷，常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果與射線相當(dāng)，相控陣的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果比它們都大；對(duì)于焊縫未熔合，常規(guī)超聲、相控陣、射線檢測(cè)的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果成階梯狀依次上升，射線檢測(cè)的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果最高；對(duì)于焊縫未焊透，三者檢測(cè)結(jié)果差異較小，常規(guī)超聲及相控陣測(cè)長(zhǎng)結(jié)果略小于射線測(cè)長(zhǎng)的結(jié)果；對(duì)于焊縫的縱向裂紋，常規(guī)超聲與相控陣的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果都比射線的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果大，其中常規(guī)超聲的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果小于相控陣的。

表3 工藝參數(shù)的選擇

表4 板對(duì)接焊縫缺陷檢出情況統(tǒng)計(jì)

圖7 不同檢測(cè)方法對(duì)缺陷長(zhǎng)度測(cè)量對(duì)比

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 漏檢情況分析

超聲相控陣對(duì)于焊縫缺陷檢測(cè)存在大量的漏檢情況，造成缺陷在檢測(cè)人員進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中未進(jìn)行記錄的原因有很多種，本文對(duì)于漏檢情況分成3類進(jìn)行研究：

1)絕對(duì)漏檢。絕對(duì)漏檢是指缺陷部位在相控陣圖像上沒(méi)有缺陷的顯示。

2)相對(duì)漏檢。相對(duì)漏檢是指缺陷部位在相控陣圖像上有顯示，但是其波幅和長(zhǎng)度均不超標(biāo)(依據(jù)JB/T4730.3-2005，Ⅰ級(jí)合格)。

3)漏評(píng)。漏評(píng)是指由于檢測(cè)人員的主觀原因?qū)е略谠u(píng)圖的過(guò)程中沒(méi)有對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定。

根據(jù)上述對(duì)于缺陷漏檢的分類，對(duì)于不同類型的缺陷超聲相控陣檢測(cè)漏檢情況如表5所示。

表5 缺陷漏檢情況分類統(tǒng)計(jì)

(1)點(diǎn)狀缺陷漏檢情況分析：本次試驗(yàn)的試板中有兩種點(diǎn)狀缺陷，一種是多點(diǎn)聚集的氣孔，一種是在焊接中加入短圓柱的異物。對(duì)于群孔缺陷，本次試驗(yàn)中相對(duì)漏檢居多，圖8為相對(duì)漏檢實(shí)例，其回波幅度不高，寬度較大，與常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果一致。并且由于氣孔表面光滑，所以對(duì)各個(gè)方面檢測(cè)的回波值基本一致，而對(duì)于加入的短圓柱異物，由于柱面表面與檢測(cè)面垂直或平行，所以聲束很難有反射面，從而造成了多次絕對(duì)漏檢。

圖8 群孔相對(duì)漏檢實(shí)例

(2)條狀缺陷漏檢情況分析：本次試驗(yàn)對(duì)于條狀缺陷的漏檢情況主要是對(duì)于條狀?yuàn)A渣的漏檢， 從檢測(cè)結(jié)果可以看出，由于對(duì)某一缺陷的兩人次的漏檢，導(dǎo)致相控陣的檢出率低于常規(guī)超聲。此處缺陷的掃查圖像如圖9所示，從圖中可以看出缺陷位置處的回波信號(hào)較低低于評(píng)定定量線。

圖9 相控陣對(duì)夾渣類缺陷漏檢實(shí)例

(3)未熔合缺陷漏檢情況分析：對(duì)于未熔合缺陷，本次試驗(yàn)存在兩人次的缺陷漏評(píng)，主要原因是因?yàn)槲慈酆先毕轂槊鏍钊毕荩瑱z測(cè)角度會(huì)對(duì)其檢測(cè)效果造成很大的影響，如圖10所示，對(duì)于此類缺陷的檢測(cè)需要多角度掃查，因?yàn)樗话阒挥性谝粋?cè)有明顯的缺陷回波。

圖10 未熔合缺陷漏檢實(shí)例

(4)縱向裂紋漏檢情況分析：對(duì)于縱向裂紋，本試驗(yàn)僅有一次漏評(píng)，漏評(píng)位置的掃查圖像如圖11所示，從圖中可以看出缺陷僅在單側(cè)掃查明顯，造成這個(gè)缺陷被漏檢的主要原因是評(píng)圖人員的疏忽。

圖11 縱向裂紋漏檢實(shí)例

(5)橫向裂紋漏檢情況分析：對(duì)于橫向裂紋缺陷，從表5可以看出本次試驗(yàn)對(duì)于其的漏檢率比較高，主要原因是裂紋缺陷的延伸方向不固定，在進(jìn)行超聲相控陣掃查時(shí)，聲波沒(méi)有固定的反射面，在圖像上顯得比較松散，與群孔類缺陷類似，在實(shí)際檢中更應(yīng)著重進(jìn)行分類。如圖12所示，對(duì)于同個(gè)缺陷，不同角度對(duì)其進(jìn)行的掃查呈現(xiàn)的掃描圖像不一致，并且缺陷波幅都不高，達(dá)不到判別為缺陷的標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 縱向裂紋漏檢實(shí)例

3.2 誤判情況分析

本次試驗(yàn)存在的唯一一次誤判情況是將焊縫根部的結(jié)構(gòu)反射波誤判為點(diǎn)狀缺陷，如圖13所示。相控陣檢測(cè)對(duì)于回波信號(hào)的分析主要是基于聲束對(duì)焊縫模擬覆蓋，當(dāng)掃查過(guò)程與預(yù)定的掃查軌跡有較大的偏離時(shí)，對(duì)造成對(duì)回波信號(hào)的誤判。

圖13 相控陣誤判情況實(shí)例

3.3 測(cè)長(zhǎng)情況分析

3.3.1 與常規(guī)超聲檢測(cè)比較

與常規(guī)超聲檢測(cè)測(cè)長(zhǎng)結(jié)果相比，無(wú)論對(duì)于哪種類型的缺陷，超聲相控陣的檢測(cè)結(jié)果都較大，分析得到兩個(gè)原因：

1)缺陷對(duì)聲束的反射情況：對(duì)于面狀型缺陷(如未熔合)，缺陷檢測(cè)情況受角度影響很大，如圖14所示，同一缺陷當(dāng)探頭的擺放位置不同時(shí)，缺陷的回波信號(hào)差異較大，而對(duì)于相控陣測(cè)長(zhǎng)是采用絕對(duì)靈敏度法，缺陷回波信號(hào)的差異會(huì)導(dǎo)致測(cè)長(zhǎng)的誤差。相控陣相對(duì)于常規(guī)超聲的檢測(cè)角度多，所以測(cè)量的長(zhǎng)度也較大。

圖14 不同的探頭擺放位置對(duì)缺陷回波的影響

2)非偏轉(zhuǎn)方向聲束擴(kuò)散情況：超聲相控陣在檢測(cè)焊縫時(shí)均采用縱波直探頭配置上角度楔塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于楔塊的存在所以聲束在楔塊中存在聲程，比常規(guī)超聲探頭有更長(zhǎng)的聲程，聲程越長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致其聲束的擴(kuò)散范圍也越大。因此，在同樣-6 dB處相控陣的聲場(chǎng)擴(kuò)散范圍要比常規(guī)超聲大，所以測(cè)長(zhǎng)結(jié)果也大。

3.3.2 與射線檢測(cè)比較

與射線檢測(cè)相比，超聲相控陣對(duì)于縱向裂紋的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果較大，這是由于裂紋擴(kuò)展的復(fù)雜性，裂紋尾部尖端的間隙較小，所以很難被射線檢測(cè)到，但是在用超聲進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波卻會(huì)在此處產(chǎn)生衍射回波，所以射線檢測(cè)的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果要小于超聲相控陣的。而對(duì)于未熔合這種面狀型缺陷，超聲相控陣對(duì)其的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果比射線檢測(cè)的結(jié)果要小，這是由于它是屬于方向性較強(qiáng)的面狀缺陷，聲束角度對(duì)缺陷回波影響較大，從而影響測(cè)長(zhǎng)的結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)焊縫進(jìn)行CIVA仿真及試驗(yàn)，首先仿真研究了不同厚度的“V”型、“X”型與“U”型焊縫的缺陷檢測(cè)結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)使用扇掃對(duì)于焊縫檢測(cè)，聲束角度為35～75°，對(duì)于裂紋缺陷常規(guī)超聲與相控陣都能很好檢出，對(duì)于未熔合缺陷工件越厚相控陣的優(yōu)勢(shì)越明顯。然后試驗(yàn)檢測(cè)16塊不同的對(duì)焊試件，對(duì)比常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果與超聲相控陣結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于對(duì)接焊縫缺陷的檢測(cè)，超聲相控陣的檢測(cè)漏檢率低于常規(guī)超聲的檢測(cè)結(jié)果。點(diǎn)狀缺陷是由于其分布分散，回波高度不高造成漏檢；未熔合缺陷是由于它是面狀方向性缺陷，所以當(dāng)聲束與缺陷垂直程度較差則回波較低造成漏檢；縱向裂紋由于其擴(kuò)展的復(fù)雜性，所以掃查時(shí)聲波沒(méi)有很好的反射面，回波幅度較低，所以容易造成漏檢。

2)通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)的對(duì)比分析，超聲相控陣對(duì)于缺陷檢測(cè)的測(cè)長(zhǎng)情況比常規(guī)檢測(cè)的結(jié)果大。超聲相控陣檢測(cè)中，探頭位置的不同會(huì)導(dǎo)致聲束覆蓋缺陷的位置不同，當(dāng)聲束與缺陷垂直程度較差則回波較低，而本次比對(duì)試驗(yàn)相控陣統(tǒng)一采用絕對(duì)靈敏度法測(cè)長(zhǎng)，所以回波信號(hào)較低會(huì)導(dǎo)致測(cè)長(zhǎng)誤差增大。而且超聲相控陣檢測(cè)使用楔塊，聲束在楔塊存在的聲程比常規(guī)超聲探頭的零偏大，所以在同樣的-6dB處超聲相控陣的聲場(chǎng)擴(kuò)散范圍比常規(guī)超聲大，對(duì)缺陷的測(cè)長(zhǎng)也更大。

3)在進(jìn)行焊縫的超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行兩側(cè)以上的掃查，對(duì)每個(gè)檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)至少兩次的聲束覆蓋，從而使聲束全覆蓋試件內(nèi)部，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷多方向的有效檢測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)提高缺陷的檢出率，保障設(shè)備的使用安全。