王正發(fā)，黃鑫

（1.東莞華醫(yī)檢測技術(shù)有限公司，廣東 東莞 523808；2.廣東睿超電子科技有限公司，廣東 東莞 523808）

0 引言

在當(dāng)前階段下，隨著我國各個領(lǐng)域?qū)υO(shè)備產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)造的升級和優(yōu)化，制造工藝越來越復(fù)雜，因而對于焊縫的質(zhì)量要求也越來越高，在這種背景之下，傳統(tǒng)的焊縫缺陷檢測方式由于其檢測方式單一、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度不足以及檢測效率不高等問題，已經(jīng)無法匹配現(xiàn)代設(shè)備的要求。而超聲相控陣技術(shù)的出現(xiàn)則完美解決了對焊縫檢測的問題，和傳統(tǒng)的無損檢測方法相比，其能夠?qū)崿F(xiàn)對焊縫區(qū)域全方位、全聚焦的成像檢測，在很大程度上提升了對缺陷的檢測質(zhì)量和效率。

1 超聲相控檢測系統(tǒng)及原理

超聲相控陣技術(shù)發(fā)端于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，在相控陣?yán)走_(dá)之中，天線單元被按照一定的形狀有序排列，通過調(diào)節(jié)每個單元發(fā)射電磁波的時間和幅度來控制雷達(dá)波束聚焦和掃描的區(qū)域。其中相控陣換能器是基于惠更斯-菲涅耳的原理被設(shè)計出來的，它能夠通過對聲波在發(fā)射或者接收過程中加入不同的延遲，來實現(xiàn)聚焦、移動等超聲成像檢測功能。我們常用的超聲相控檢測系統(tǒng)主要是由相控陣環(huán)能器陣列以及控制單元構(gòu)成，其中換能器陣單元具有獨立的發(fā)射和接收電磁波的控制模塊，并且是按照一定的規(guī)則來進(jìn)行排列的。超聲相控檢測系統(tǒng)的原理如圖1所示[1]。

圖1 超聲相控檢測系統(tǒng)原理

超聲相控陣檢測系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)相控陣換能器處在發(fā)射狀態(tài)之下，控制單元就會以一定的延時規(guī)律來控制超聲波束的聚焦和移動方向，并通過對換能器內(nèi)陣元發(fā)射時間的延時控制，來實現(xiàn)檢測聲束聚焦、移動等功能。相控陣換能器的接收和發(fā)射一樣遵循上述延遲規(guī)律，并且同發(fā)射狀態(tài)是一個能夠相互轉(zhuǎn)換的過程。使用超聲相控陣檢測時，聲束在介質(zhì)中是按照一定的規(guī)律進(jìn)行傳播的，在聲束傳播過程中，遇到存在缺陷時，聲束的阻抗就會發(fā)生改變，并生成具有一定聲強的反射信號。陣元在對缺陷點所反射回來信號進(jìn)行一定處理之后，就能夠增強信號，實現(xiàn)聚焦接收的目的。

2 焊接缺陷相控陣檢測工藝分析

2.1 探頭及楔塊

超聲相控陣探頭是一種晶片陣列，可以通過對晶片激發(fā)時間的調(diào)節(jié)來控制聲束焦點的聚焦和移動，依據(jù)探頭內(nèi)晶片排列陣型的不同可以將其劃分為線陣探頭和面陣探頭。在實際應(yīng)用中，我們經(jīng)常使用的是頻率為5M、晶片數(shù)量為64的線性探頭，并為之匹配相應(yīng)的楔塊，在探頭和楔塊的連接處，要確保其能夠完美地融合而不能夠出現(xiàn)縫隙或者有氣泡等現(xiàn)象，與此同時還應(yīng)在進(jìn)行檢測的過程中保證探頭楔塊和被檢設(shè)備表面能夠?qū)崿F(xiàn)良好、穩(wěn)定地耦合，從而保證檢測工作能夠順利進(jìn)行[2]。

2.2 靈敏度檢測

由于我國的超聲相控陣檢測技術(shù)發(fā)展較晚，目前在電力行業(yè)內(nèi)還沒有關(guān)于超聲相控檢測的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此對于檢測的靈敏度只能夠參照傳統(tǒng)的超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)。例如GB/T 4163-1984 《不銹鋼管超聲波探傷方法》（NDT，86-10）。對于檢測靈敏度的校準(zhǔn)則可參考GB/T 23905-2009《無損檢測 超聲檢測用試塊》中附錄B所列出的方法。使用附錄規(guī)定的RB-3試塊來確定檢測的靈敏度，足以證明在范圍區(qū)域內(nèi)聲束在各個位置的檢測鈴靈敏度是一致的，這樣就可以避免因區(qū)域內(nèi)靈敏度不一而造成的漏檢問題。

2.3 焊縫工藝

對于焊縫缺陷的檢測首先應(yīng)確定設(shè)備的焊接方法和形式，并應(yīng)知曉焊縫的具體成因。在我國工業(yè)化生產(chǎn)中，工廠所采用的焊縫多為自動焊，具有較好的焊縫成型；而對于體積、重量較小的設(shè)備，在進(jìn)行現(xiàn)場安裝時，多采用手工焊接，因而在對焊縫進(jìn)行檢測之前應(yīng)對焊縫的具體形成以及其可能對檢測所造成的影響進(jìn)行分析，以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.4 掃查方式

與傳統(tǒng)的超聲波檢測需要不斷地移動探頭相比，相控陣檢測只需要調(diào)整好探頭楔塊前面與焊趾之間的距離，并確保探頭的檢測范圍能夠覆蓋整個區(qū)域即可縱向移動來對焊縫區(qū)域進(jìn)行檢測。在實際應(yīng)用中，可以采用定位磁條來固定探頭的位置，同時為了保證檢測的質(zhì)量和精準(zhǔn)度，應(yīng)對探頭安裝編碼器，并沿著焊縫的軸線進(jìn)行平行移動。

3 焊縫超聲相控陣探測技術(shù)的應(yīng)用

隨著超聲相控陣檢測技術(shù)的不斷成熟和更新，其已經(jīng)在各個領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用于各種焊接缺陷的檢測，例如航空航天行業(yè)內(nèi)的薄鋁板摩擦焊縫探測、化工行業(yè)中的奧氏體不銹鋼缺陷檢測以及管道焊縫檢測等。利用超聲相控陣探頭來對焊縫處進(jìn)行探傷和檢測時，可以借助裝有超聲相控陣探頭的機械掃查器來精確定位探頭的移動軌道，實現(xiàn)高效率、高精準(zhǔn)度的探傷檢測[3]。

在對焊縫進(jìn)行超聲相控陣探測時，還可以使用衍射波時差技術(shù)來對焊縫缺陷進(jìn)行檢測，通過選擇兩組相鄰的陣元來作為一個陣元組，其中一組作為發(fā)射組，另一組作為接收組，在保證兩組壓電元件之間間隔一定距離的前提下，調(diào)整相控陣的方向?qū)Ρ粰z測設(shè)備的焊縫處進(jìn)行掃描。在實際當(dāng)中這種方式常被用于海岸、海上的管道環(huán)焊縫的檢測，其所遵循的標(biāo)準(zhǔn)為美國的ASTM E1961-1998標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行探傷檢測時，通過將發(fā)收技術(shù)和脈沖反射技術(shù)相結(jié)合來使用，可以有效提升檢測的速度和效率，并能夠生成直觀、清晰的探傷圖像。

4 超聲相控探測焊縫缺陷情況分析

4.1 焊縫缺陷數(shù)據(jù)圖像分析

在對焊縫缺陷進(jìn)行超聲相控陣掃描檢測后，我們通過相關(guān)的數(shù)據(jù)和圖像可以看出，在缺陷信號上面呈現(xiàn)出了一段紅色（如圖2圖像所示），并且在其下方?jīng)]未能產(chǎn)生正常的回波信號，這就說明在這一顯示段內(nèi)回波信號出現(xiàn)了中斷，再結(jié)合在對焊縫掃描中產(chǎn)生的圖像形態(tài)，就足以證明在這一區(qū)域內(nèi)存在著融合不全或者沒有焊透等情況。此外在對焊縫掃描的過程中還出現(xiàn)了類似堆積的回波信號顏色顯示，如圖2所示，在結(jié)合圖像的具體形狀和其在掃描過程中出現(xiàn)的位置，我們可以推斷出焊縫處可能存在著氣孔或者裂紋的情況。

圖2 焊縫未焊透和焊縫裂紋顯示

4.2 焊縫缺陷回波信號分析

經(jīng)過上述對焊縫相控陣檢測圖像初步分析之后，我們再充分將掃描和檢測數(shù)據(jù)對圖像進(jìn)行進(jìn)一步的分析。相比于其他信號，圖2所顯示出的紅色回波信號高度非常高，且在它的附近并沒有產(chǎn)生任何其他信號，再聯(lián)系上述所得出的分析結(jié)果進(jìn)行綜合分析，我們可以得出圖中所顯示出來的紅色信號為焊縫處未焊透的回波信號表征[4]。此外，在圖2中我們還可以看到有一組呈現(xiàn)出高低不平狀態(tài)的回波信號，并且在來回移動探頭時會出現(xiàn)信號切換的現(xiàn)象，結(jié)合上述分析，我們可以推斷出這種回波信號時焊縫處裂回波的表征。

4.3 焊縫缺陷判定情況

在對焊縫具體缺陷數(shù)據(jù)圖像以及超聲相控陣信號進(jìn)行分析后，我們可以把它以更為直觀的表格形式呈現(xiàn)出來，以便于對其進(jìn)行總結(jié)和歸納。具體如下表1所示。

表1 超聲相控陣檢測焊縫缺陷分析表

通過對焊縫超聲相控陣檢測圖像和數(shù)據(jù)的分析，我們可以得知，不同的缺陷類型在使用超聲相控陣檢測時所顯示出來的圖像以及回波信號是不一樣的。并且在對焊縫進(jìn)行缺陷部分檢測時，超聲相控陣檢測技術(shù)不僅表現(xiàn)出來了高度的靈敏度，并且還具有很高的可靠性[5]。最后，對于圖像和信號的分析以及總結(jié)，可以幫助我們更好地認(rèn)識不同缺陷所表現(xiàn)出來的特征，從而可以為我們?nèi)蘸蟾痈咝Ш透哔|(zhì)量地進(jìn)行超聲相控陣檢測打下良好的基礎(chǔ)，同時也有助于將該項技術(shù)繼續(xù)推廣出去[6]。

5 結(jié)語

綜上所述，相較于傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)，超聲相控陣檢測系統(tǒng)在對于焊縫無損檢測方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，其具有檢測精度高、圖像及數(shù)據(jù)便于存儲、設(shè)備靈活便攜等諸多優(yōu)點，從而使得其能夠在新型材料檢測、壓力容器探傷以及航空航天等多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。超聲相控陣檢測技術(shù)未來必將會取代傳統(tǒng)的檢測方式成為新的業(yè)界潮流，因此我們只有不斷加強對于超聲相控陣檢測技術(shù)的開發(fā)和研究，才能夠在最大程度上發(fā)揮出該項技術(shù)的優(yōu)勢，從而為我國現(xiàn)代工業(yè)裝備和產(chǎn)品的質(zhì)量保駕護(hù)航。