謝利明，張艷飛，王海學(xué)，鄭建軍

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

超聲相控陣技術(shù)作為一種新興無損檢測技術(shù)，具有多角度掃查、聚焦方式可變，晶片自聚焦及A掃描、B掃描、C掃描和扇掃成像等優(yōu)勢，可有效檢出焊接接頭中的各種面積型缺陷和體積型缺陷，提升檢測效率和缺陷檢出率。在無損檢測中，利用超聲相控陣仿真技術(shù)，可對探頭楔塊設(shè)計(jì)、檢測工藝參數(shù)配置、超聲波聲束覆蓋范圍、編碼器設(shè)計(jì)及缺陷的響應(yīng)效果等進(jìn)行模擬仿真，不僅提高效率、節(jié)約成本，還可以優(yōu)化檢測工藝[1-2]。

本文采用基于UltraVision仿真技術(shù)的超聲相控陣檢測工藝，對火電廠典型規(guī)格的小徑管進(jìn)行3D建模，設(shè)置不同檢測工藝參數(shù)，進(jìn)行聲束覆蓋范圍和缺陷響應(yīng)能力的模擬仿真，對檢測工藝的適用性和可靠性進(jìn)行探索。

1 UltraVision仿真軟件介紹

UltraVision仿真軟件是由美國Zetec公司研發(fā)的一款功能強(qiáng)大、界面直觀的專業(yè)無損檢測仿真系統(tǒng)，UltraVision軟件具有超聲設(shè)置仿真、機(jī)械設(shè)置仿真、高級相控陣計(jì)算器、工件及缺陷3D模型創(chuàng)建等功能模塊，可以對檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無損檢測工藝設(shè)置和缺陷響應(yīng)進(jìn)行模擬仿真：根據(jù)實(shí)際檢測工藝配置參數(shù)，通過加載帶有缺陷的被檢工件3D模型，追蹤聲束探測能力，采集反射聲波的信號，并且對缺陷回波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 參數(shù)設(shè)置

仿真試驗(yàn)選取火電廠鍋爐51 mm×6 mm（外徑×壁厚）小徑管對接焊縫。在軟件工件設(shè)置模塊內(nèi)進(jìn)行工件參數(shù)設(shè)置和三維模型生成。工件及焊縫參數(shù)設(shè)置如下：樣管外徑51 mm，壁厚6 mm，長度300 mm，材質(zhì)20G，橫波聲速3230 m/s，焊縫坡口V形，坡口角度30°，根部間隙1 mm，焊縫余高1 mm，焊趾高度0.5 mm，熱影響區(qū)寬度2 mm（焊縫兩側(cè)對稱），小徑管對接焊縫三維模型見圖1。檢測面為小徑管外表面，檢測方向?yàn)檩S向掃查。

圖1 小徑管對接焊縫三維模型

3 聲束覆蓋范圍仿真試驗(yàn)

根據(jù)DL/T 1718—2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》[3]探頭參數(shù)推薦表和被檢焊縫結(jié)構(gòu)，選擇線性陣列探頭，探頭頻率7.5 MHz，主軸晶片數(shù)16，主軸間距0.3 mm，主軸晶片尺寸為0.2 mm；楔塊角度31°，長度12 mm，高度10 mm，寬度10 mm，第一晶片中心高度1 mm。選擇脈沖激發(fā)方式，發(fā)射和接收波型均為橫波[4]。

影響聲束覆蓋范圍的工藝參數(shù)主要有聲束角度、掃查方式、步進(jìn)偏置等。試驗(yàn)中選用的工藝參數(shù)設(shè)置如下：選擇扇形掃查方式，起始角度35°～45°，終止角度60°～70°，步進(jìn)偏置分別選擇0 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。將以上參數(shù)輸入UltraVi?sion軟件中進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，聲束覆蓋效果見圖2[5]。

圖2 聲束覆蓋范圍仿真試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，探頭沿小徑管對接焊縫軸向掃查，當(dāng)探頭距離焊縫中心3 mm（步進(jìn)偏置）時，起始角度40°，終止角度70°，2次波及3次波可以100%覆蓋焊縫及熱影響區(qū)域，可對焊縫內(nèi)部所有位置的缺陷進(jìn)行有效檢測。

4 聚焦聲束分布仿真試驗(yàn)

超聲陣列探頭是由許多壓電晶片按照一定形狀排列組成的，例如線性陣列、矩形陣列和環(huán)形陣列等。各個晶片可以獨(dú)立進(jìn)行超聲發(fā)射和接收。通過電子信號控制每個晶片的激發(fā)順序，使得每個晶片的發(fā)射信號相位不同，控制每個信號到達(dá)焦點(diǎn)的相位相同，增加焦點(diǎn)處聲場強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)適用于檢測的聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦[6]。

超聲相控陣檢測動態(tài)聚焦方式有真實(shí)深度聚焦、半聲程聚焦、投影面聚焦和任意面聚焦4種聚焦類型。真實(shí)深度聚焦即所有聲束聚焦在同一深度，焦點(diǎn)位于檢測工件內(nèi)同一深度，軟件中設(shè)置的真實(shí)深度就是擬聚焦位置在材料中的真實(shí)深度。半聲程聚焦即所有聲束聚焦在以單聲程為半徑的圓弧上。軟件中設(shè)置的聚焦半徑為焦點(diǎn)距離楔塊前端的半聲程數(shù)值。投影聚焦即所有聲束聚焦在給定的垂直平面。軟件中設(shè)置的初始偏移就是楔塊前端到投影面的水平距離。任意面聚焦即所有聲束聚焦在自定義的一個任意平面上。初始深度和結(jié)束深度就是用來設(shè)置任意面聚焦中起始和終止聚焦面的深度值[7]。各種類型的聚焦原理見圖3。

同樣以51 mm×6 mm（外徑×壁厚）小徑管為例，對其進(jìn)行聚焦仿真。工件及探頭、楔塊設(shè)置參數(shù)不變，改變聚焦方式和步進(jìn)偏置距離，分別得到4種仿真結(jié)果。

4.1 真實(shí)深度聚焦

圖3 不同聚焦類型聚焦原理

聚焦方式選擇真實(shí)深度，聚焦深度設(shè)為9 mm，步進(jìn)偏置設(shè)為6 mm。仿真結(jié)果見圖4所示?？梢钥闯?，聲束焦點(diǎn)沿焊縫深度9 mm位置水平移動，聲束焦點(diǎn)位于焊縫中部。該工藝適合檢測位于焊縫中部的缺陷，同時也可以作為初步掃查工藝。若檢測位于焊縫表面或者根部的缺陷，可將聚焦深度設(shè)置為12 mm（焊縫表面）或6 mm（焊縫根部）。

圖4 真實(shí)深度9 mm聚焦仿真結(jié)果

4.2 半聲程聚焦

聚焦方式選擇半聲程聚焦，步進(jìn)偏置設(shè)置為4.5 mm。仿真結(jié)果見圖5所示?？梢钥闯觯暿裹c(diǎn)沿焊縫根部兩側(cè)熔合線移動。該工藝適合檢測焊縫根部缺陷。

4.3 投影聚焦

聚焦方式選擇投影聚焦，步進(jìn)偏置設(shè)置為6 mm。仿真結(jié)果見圖6。可以看出，投影聚焦的聲束焦點(diǎn)位于焊縫中心線，焦點(diǎn)軌跡沿焊縫中心線豎直移動。該工藝適合檢測位于焊縫中心線、與焊縫平行的周向缺陷。

4.4 任意面聚焦

圖5 半聲程聚焦仿真結(jié)果

圖6 投影聚焦仿真結(jié)果

聚焦方式選擇任意面聚焦，步進(jìn)偏置設(shè)置為6 mm，聚焦面深度9 mm，偏移起始6.95 mm、終止3.75 mm。仿真結(jié)果見圖7?？梢钥闯?，任意聚焦面聚焦的聲束焦點(diǎn)位于探頭對側(cè)，焦點(diǎn)軌跡沿坡口面分布。該工藝適宜檢測焊縫坡口側(cè)的缺陷，如坡口未熔合[8-10]。

圖7 任意聚焦面聚焦仿真結(jié)果

5 結(jié)語

本文利用UltraVision軟件進(jìn)行了超聲相控陣在小徑管對接焊縫檢測中的聲束覆蓋范圍和聚焦聲束分布仿真研究。通過仿真試驗(yàn)結(jié)果可以得出，超聲相控陣仿真是一種既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)的方法，經(jīng)過聲束覆蓋范圍仿真，可以對檢測工藝適用性進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化；通過聚焦聲束分布仿真，可以明確聲束焦點(diǎn)在被檢小徑管對接焊縫內(nèi)的分布情況，從而可以指導(dǎo)檢測工藝中聚焦方式的選擇，提高缺陷檢測信噪比。